下坂地引水洞施工中的巖爆與地下水問題處理

張小輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院 陜西 咸陽 712000）

下坂地水利工程已于2011年底建成運行。引水洞為引水建筑物的主要部分，洞長4584m，進口底板高程2905m，出口底板高程2893m，比降0.26%，洞徑5.2m，設計最大流量89.69m3/s，最大埋深1300m。沿線穿越地層巖性為元古界角閃黑云二長片麻巖及華力西期的片麻狀黑云斜長花崗巖，山體雄厚，巖質堅硬，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，片理裂隙發育。由于洞線埋深大，地應力高，巖爆發生頻繁，強度大，洞壁地下水滲流點多，部分點流量大，排水困難，對工程本身的建設造成了很大影響。

1 工程區地質條件

1.1 地形地貌

下坂地水利工程位于喀喇昆侖山的峽谷地區，工程附近河谷寬度200m～300m，河床高程2900m～2750m，兩岸山峰高程4000m～5000m，山勢險峻，植被稀少。

1.2 地層巖性

引水洞沿線穿越的地層主要由元古界副變質巖系第1巖性段(Pta1)和古生界華力西期侵入巖(γ41)組成。

樁號0+000m～2+588m段，為元古界第一巖性段（Pta1）角閃黑云二長片麻巖，片麻理發育，巖質堅硬。巖體一般為薄層～中厚層狀結構，部分為塊狀結構，較完整～完整，以微風化～新鮮為主，部分弱～強風化，片麻理產狀180°～268°∠35°～82°。洞線埋深 40m～900m。

樁號 2+588m～4+584m，為晚古生界（γ41）華力西期片麻狀黑云斜長花崗巖，巖質堅硬，巖體以中厚層狀～塊狀結構為主，少部分為薄層狀結構，較完整～完整，多為微風化～新鮮狀態，局部夾有大的軟巖脈。洞線最大埋深1380m。

1.3 地質構造

引水洞樁號0+000m～0+862 m段，斷層較發育，開挖揭示斷層57條，斷層寬度一般2cm～15cm，最大寬度達2.0m～4.5 m，斷帶內充填物以碎裂巖為主，次為少量泥質，大部分斷層帶結構致密、有膠結性，局部有滲水，出現少量坍方。

引水洞中段斷層不發育，斷層寬度一般1cm～30cm，最大寬度1.5m，內充填以碎裂巖、巖屑為主，含少量泥質，總體結構致密，膠結良好，

出口段斷層不發育，但個別斷層的規模較大，斷層寬度一般2cm～100cm，最大寬度達6.9m～12.5m，內充填以碎裂巖、巖屑為主，夾少量泥質，大部結構較致密，膠結較好。

開挖后發現引水洞共穿越大小斷層89條，其中規模較大的、對洞室穩定影響明顯的斷層有三條，寬度0.8m～7m，受滲水影響，斷層帶自穩性能差。

元古界的角閃黑云二長片麻巖為副變質巖，在工程區為一單斜構造，片麻理發育，產狀180°～268°∠35°～82°，主要的構造結構面多依其產狀生成，其中裂隙多為閉合型。

片麻狀黑云斜長花崗巖為侵入巖，侵入巖的面理發育有一定規律性，似片麻狀，產狀185°～210°∠50°～87°，受其影響，主要的構造結構面亦多依其產狀生成，其中裂隙多為閉合型。

2 引水洞主要工程地質問題分析

2.1 巖爆

2.1.1 前期勘察階段對巖爆的預測

引水洞巖爆的發生與地應力的大小關系密切。初設階段長江科學院巖基研究所《下坂地水利樞紐工程地應力及巖爆研究報告》的結論為：引水洞進口附近的最大水平主應力為5.1MPa～7.7MPa，最小水平主應力為3.7MPa～4.1MPa，其應力量值隨深度的增加有所增大，最大水平主應力方位為NE26°左右。出口段最大水平主應力量為 8MPa～10MPa，最小水平主應力為5MPa～7MPa，最大水平主應力方位為260°～300°之間，平均為277.6°。并通過回歸計算分析，推測在引水隧洞最大埋深1380m時，圍巖應力可能會以自重應力為主，最大主應力量值預計將大于20MPa，水平應力也有所增大，方向基本穩定在NW10°左右。預測引水洞在埋深大于550m洞段可能發生中等巖爆，局部洞段可能發生嚴重巖爆。

2.1.2 施工期巖爆發生特征

施工期對洞內地應力情況未再作復核測試，從開挖情況看，前期結論基本上是正確的，但巖爆強度實際是以中等巖爆為主，局部出現較強烈巖爆。在開挖過程中中等～強巖爆對施工進展及安全性影響明顯。由于受地形條件限制，施工開挖主要采用進、出口兩個工作面進行相對掘進。以下對洞線上、下游段的巖爆強度及分布等特征進行分析。

（1）引水洞上游開挖段在樁號1+513.8m開始出現巖爆現象，但影響不大。在樁號1+825m以后，埋深超過700m，巖爆進入頻發階段，影響也明顯加大，巖爆發生有很大爆響聲，并多次造成人員受傷，對施工安全及洞形均有較大影響

上游開挖段已發生的巖爆，一般在右壁拱腳上下位置，常形成一長條形凹坑，在洞室左壁下部也有發生，但程度很輕。在樁號2+367m以后，左壁也明顯受到巖爆破壞。在樁號2+525m以后洞室頂拱也出現巖爆現象，而且在局部段造成很大破壞。有一點要說明的是，同一巖爆強度并非連續發生，而是有一段嚴重、有一段稍輕地間斷性發生的。

總體來看，上游開挖段巖爆的發生，與該段地應力的量值增加及不利的片麻理產狀關系較大，其中有些巖爆發生段也有地下水活動，這也說明了巖爆發生因素的復雜性與預測的難度。

（2）下游開挖段巖爆特征與上游略有區別，一般發生在右壁拱腳以上與洞軸線之間，巖爆塌落坑底為人字形、沿洞線方向為長條狀，開挖后巖爆發生時間較快，常在半天時間之內，后期繼發的情況較少，短期內穩定后大多不再發生。上、下游巖爆表現的差異性與其巖性不同有關，應屬正常現象。

（3）最強烈的巖爆發生在樁號2+545m～2+585m，洞段處于角閃黑云二長片麻巖與片麻狀花崗巖的巖性變換帶附近，埋深大于1050m，起初小塌方發生在左側壁及左拱腳，原因為巖爆，發生于開挖后約半天時。后來在大塌方前，巖爆聲音沉悶，似悶雷發于巖體深部，間斷有聲響發出，時間在開挖后約一天。后續在處理過程中塌方不斷加大，產生超挖最厚處達11m，塌方量約七百多方。

本段強巖爆的產生原因應是多方面的，與洞段所處的較高地應力有關，也與區段內的巖性、巖質有關。巖爆強度為強烈巖爆。塌方的發生與巖爆有關，同時由于片理及面理走向與洞向近平行，對巖爆的發生有利。另外，巖體中包含一條寬約0.4m～1.0m的角閃巖脈，由于巖脈兩側有寬度最大0.3m的一條明顯的巖質變化帶，帶內的巖體看似完整，實際呈松脆狀態，巖塊可用手輕易掰碎，開挖后產生松馳且易隨巖爆塌落。它也是導致塌方一直沿巖脈向上部發展的主要原因。

2.2 地下水

引水洞內地下水來源于結構面中，一般為滲滴狀態。經多次觀測，大部滲水點的流量開挖初期較大，后來逐漸變小。有個別大的涌水點出水量達120L/min，流量較穩定，季節性影響不明顯，顯示補給量較充分。經實測并結合估算，洞內總的滲流量為659L/min。

施工圖階段應業主要求，設計院將原來的全線鋼筋砼襯砌優化為鋼筋砼襯砌與噴錨支護兩種方式，而滲流地下水產生的外水壓力大小也成為確定支護方式區別的重要因素之一。

洞線中地下水類型為基巖裂隙水，受高山冰雪融水補給，多以潛流向河谷排泄，其中與洞線立體相交的一條支溝水流是最重要的補給源。經計算，引水洞最高外水水頭440m，在樁號3+100m附近，由此向洞的上、下游發展水頭均變小。外水壓力折減系數根據圍巖類別的不同按0.4～0.7取值，巖體質量越差取值越大，大的斷層部位取1.0，經折減后的外水壓力一般略高于或接近正常水位的內水壓力，故內水一般不會外滲。

3 處理建議

3.1 受巖爆影響的支護

（1）臨時支護

上游段施工中，在開挖前對巖爆的預防與開挖后的支護都采取了一定的措施，譬如加大裝藥量，采用超前錨桿及系統錨桿等方法，在部分洞段發揮出了一定的作用，但由于巖爆強度的不確定性較多，此方法仍在摸索階段。

下游段的巖爆預防，一般在開挖后及時采用系統錨固、噴砼的支護措施，以防止后續巖爆的發展，也有一定的效果。

中間段在樁號2+540m～2+629m與2+644m～2+710m兩段，頻繁發生巖爆，對生產安全及進度影響嚴重，后經參建工程的各方慎重研究，決定臨時支護采用鋼拱架加掛鋼筋網并噴砼支護：鋼拱架采用16#工字鋼，布設于原設計開挖斷面之外，拱架間距0.5m～1.5m一榀；隨機錨桿采用φ25錨桿（長度3m，并與鋼拱架牢固焊接），鋼拱架之間用φ25鋼筋連接（長1.2m，搭接0.2m，間距1m）；掛雙層0.1m×0.1m的φ8鋼筋網，一層緊貼巖壁，一層焊接在鋼拱架外弧；噴護C20混凝土厚度與鋼拱架平齊。

其中在樁號2+545m～2+585m的巖爆最為強烈，導致接連發生幾次塌方，由于安全不能保證，最終采用砼注漿法先封堵塌方段，再重新開挖通過該段。工程在本段付出了沉重的代價，處理時間長達數月。

（2）永久支護

巖爆對設計的砼襯砌方案段的安全性一般不會構成影響，問題的焦點主要表現在優化后的噴錨支護方案段（引水洞樁號1+780m～4+308m）中，針對不同強度巖爆的處理方法應有所不同，建議對巖石呈片狀崩落的部位采用噴砼措施，而在較厚的有塊狀巖石崩落部位，可采用噴砼與錨桿聯合支護。還可根據具體圍巖狀況采用“噴砼＋錨桿＋鋼筋網”聯合支護的方式。由于預防巖爆而采用的支護措施宜與永久支護統籌考慮。

3.2 排水

施工期地下水問題的影響主要是排水工作量很大。上游開挖段由于設計比降原因，完全依賴抽排。距離最長的時候，抽水管道增加至平行的三條管道，管徑均大于10cm，且中間經過兩次進入匯流池并重新加壓的過程。上下游貫通后，上游的排水問題才得到緩解。

施工后期，根據地下水的活動性及折算的外水水頭值，建議原設計的砼襯砌段一般可采取直接封堵的方式處理，局部若有外水壓力起控制條件，可根據實際情況考慮在圍巖與襯砌砼之間設置排水系統。建議對優化后噴錨支護洞段可采用打排水孔的方式，將施工期出現滲水部位的水通過導管排出。對斷層部位的出水點，導管宜采用具有反濾功能的軟式排水管，避免細顆粒流失。

4 結語

在該引水洞施工中，巖爆與地下水的影響一直表現突出，一度成為制約工程進展的瓶頸。本文以現場的地質編錄調查成果為依據，對滲流地下水及巖爆現象進行認真分析，為最終進行工程處理起到了應有的作用。陜西水利