復雜地質條件下水工長隧洞開挖支護方案優化

徐 懿

(貴州建設職業技術學院，貴州 貴陽 550028)

復雜地質條件下水工長隧洞開挖支護方案優化

徐 懿

(貴州建設職業技術學院，貴州 貴陽 550028)

結合木里河卡基娃電站引水隧洞的開挖施工，分析了該電站引水隧洞施工中所遇見的幾種典型地質條件的開挖支護方案，并對各方案的開挖支護措施作了具體闡述，以促進復雜地質條件下水工長隧洞開挖支護方案的研究。

復雜地質條件，水工長隧洞，開挖支護，處理方案

1 工程概況

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，系木里河干流(上通壩—阿布地河段)水電規劃“一庫六級”的第二個梯級，是該河段梯級開發的“控制性水庫”工程，電站采用混合式開發。

水庫正常蓄水位2 850.00 m，正常蓄水位以下庫容3.583億m3；死水位2 800.00 m，相應死庫容0.777億m3；校核洪水位2 852.20 m，總庫容3.745億m3，具有年調節能力。攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高171 m，電站采用混合開發方式，引水隧洞長6.36 km，電站裝機容量452.4 MW，多年平均年發電量17.14億kW·h。

引水線路經過區地形較完整，溝谷切割淺，洞線長約6.364 km，為典型的截彎取直線路。引水隧洞布置在木里河右岸，全長6 364 m，縱坡降4.40 ‰，為有壓隧洞。斷面型式為圓形，直徑為8.2 m，隧洞垂直埋深一般為80 m～500 m，最深為810 m。引水隧洞在平面上共設有4個彎道，轉彎半徑均為100 m。第一個轉彎點起點樁號K0+208 m，終點樁號K0+252.330 m，彎道中心角度25°7′11.83″；第二個轉彎點起點樁號K1+982 m，終點樁號K2+027 m，彎道中心角度25°50′57.54″；第三個轉彎點起點樁號K3+555 m，終點樁號K3+610 m，彎道中心角度31°47′7.08″；第四個轉彎點起點樁號K6+235 m，終點樁號K6+287 m，彎道中心角度29°28′44.52″。引水隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞共布置3條施工支洞，其中1號、3號支洞設置永久檢修門，2號支洞封堵。同時，1號施工支洞內結合布置生態小電站壓力管道。

隧洞永久支護方案為：Ⅲ類圍巖洞段，襯砌厚30 cm；Ⅳ類圍巖洞段，襯砌厚60 cm；Ⅴ類圍巖洞段，襯砌厚80 cm。引水隧洞全段在頂拱120°范圍內進行回填灌漿，對Ⅳ，Ⅴ類圍巖洞段周邊進行固結灌漿。洞室開挖后及時對頂拱240°范圍內進行一期支護。

2 工程地質條件

根據電站地質勘察報告：卡基娃電站引水隧洞線路沿線無大溝谷，隧洞埋深總體較大，圍巖為新鮮基巖。穿越區山體渾厚，隧洞埋深較大，地層巖性以奧陶系下統人公組(O1r)板巖和石英砂巖互層為主，巖體新鮮，地質構造較單一，無區域性斷層通過。隧洞圍巖以不穩定的Ⅳ類圍巖為主，部分為局部不穩定的Ⅲ1,Ⅲ2類圍巖，由于地層走向與洞軸線呈小角度相交，總體上對洞室穩定不利，隧洞的頂拱和內側邊墻相對外側邊墻穩定性較差；在線路的某一段圍巖可能連續出現較軟弱的板巖，洞室存在較大塑性變形的可能性；普爾斷層穿過段可能造成大規模塌方，局部洞段可能出現涌水、突水現象，深埋的變質石英砂巖洞段可能產生輕微巖爆。

卡基娃水電站引水隧洞在開挖施工過程中，出現了較多典型性地質問題。本文就卡基娃電站引水隧洞2號施工支洞支0+201 m～支0+351 m斷層破碎帶處理、2號支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段和3號支洞控制上游連續軟弱板巖段等典型洞段的開挖支護方案擬定，來研究討論復雜地質條件下水工長隧洞開挖支護方案的優化選擇。

3 開挖支護施工方案選擇

卡基娃電站引水隧洞全長6 364 m，縱坡降4.40 ‰，為有壓隧洞。斷面形式為圓形，直徑為8.2 m。隧洞施工時，共布置3個支洞，從上游～下游依次為1號施工支洞、2號施工支洞、3號施工支洞，依次布置于引水隧洞K1+211 m，K3+661 m，K6+272 m。在隧洞開挖施工過程中，針對不同類別地質條件，施工主要采用了如下開挖支護方案：

針對隧洞Ⅲ類圍巖，隧洞開挖支護主要以隨機錨桿+噴5 cm厚C20混凝土支護為主；

針對隧洞Ⅳ類圍巖，隧洞開挖支護主要以系統錨桿+φ6.5鋼筋網(15 cm×15 cm)+噴10 cm厚C20混凝土支護為主；

針對隧洞Ⅴ類圍巖，隧洞開挖支護主要以型鋼支撐(Ⅰ18～Ⅰ20，間距75 cm～100 cm)+系統錨桿+φ6.5鋼筋網(15 cm×15 cm)+噴12 cm厚C20混凝土支護為主。型鋼型號、布置間距根據圍巖揭露、地下水、開挖質量等情況進行選定。

特殊地質洞段開挖支護方案根據特定地質條件優選。

卡基娃引水隧洞開挖，其支護方案除復雜地質洞段外，基本按照上述方案實施。

4 復雜地質條件的開挖支護方案

4.1 2號施工支洞支0+201 m～支0+351 m斷層破碎帶塌方段開挖支護處理

由于此洞段埋深較淺，處于普爾大斷層帶，斷裂帶寬度較大，且巖層走向與線路走向呈小角度相交，節理裂隙發育，圍巖極其破碎，涌水較大，施工過程出現了多次塌方。鑒于洞段地質情況，洞段開挖支護采用了如下施工方案：

1)超前支護。超前注漿小導管(φ42×3.5 mm，L=6 m)在隧道頂拱環向120°布置，間距30 cm，環向間距30 cm，縱向排距1.5 m。由于頂拱涌水量較大，水泥漿液注漿無法起到相應作用，對此采用摻加水玻璃進行雙液灌漿止水，待涌水止住后再進行超前導管的注漿施工。

2)拱架支護。采用Ⅰ20b型鋼拱架支護，每榀鋼拱架設置16根鎖腳錨桿(φ25，L=3 m)；每榀拱架間距50 cm，拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距20 cm。由于空腔堆積物較多，而且還不斷有塊石掉落，采用Ⅰ20b型鋼制作成拱上拱提高拱頂承載力(根據實際情況定)。

3)系統支護及噴混凝土?？邕^空腔后拱頂部分設置10根系統錨桿(φ25，L=3 m)，間排距1 m，梅花形布置；超前小導管及鎖腳錨桿均與型鋼拱架焊接牢靠。型鋼拱架內外側均布置一層φ6.5鋼筋網(15 cm×15 cm)，網片與型鋼拱架焊接牢靠；每完成一榀即噴C20混凝土封閉，噴射厚度15 cm。

4)施工程序。由于掌子面塌方體已堆至拱頂以上，開挖時采用分上、下兩部的分部開挖支護方式進行施工。利用塌方體修筑一個操作平臺，先進行摻水玻璃的雙液灌注施工，待涌水止住后再進行注漿小導管的施工，待導管施工完成后開挖30 cm～40 cm進行鋼支撐、連接筋、鋼筋網與噴混凝土施工，待此循環完成后再進行下一循環的施工。直至支撐至較好圍巖洞段后再進行下半洞鋼支撐的接腿施工。

4.2 2號支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段開挖支護處理

引水隧洞K3+961 m～K3+985 m段圍巖地質結構較差,巖體節理裂隙發育，巖石產狀差,頂拱結構形成極不穩定體。在開挖施工過程中，引水隧洞K3+961～K3+985段頂拱出現大塌方，空腔高度大于8 m，總塌方量約1 100 m3。

根據現場塌方情況，該塌方段采用分上、下導坑分別進行處理的處理方案，具體處理方案如下：

1)上導坑處理方案。

超前支護。超前注漿小導管(φ42×3.5，L=6 m)環向120°布置，間距30 cm，環向間距30 cm，縱向排距1.5 m。由于頂拱有滲水外滲，對滲水量較大部位，采用摻加水玻璃進行雙液灌漿止水，待涌水止住后再進行超前導管的注漿施工。

型鋼支撐。采用Ⅰ20b工字鋼型鋼拱架，間距60 cm；每榀鋼拱架設置18根鎖腳錨桿(φ22，L=3 m)。拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距50 cm。拱架上部鋪設φ6.5(15 cm×15 cm)網片與型鋼拱架焊接牢靠。

由于塌方空腔高，頂拱上采用異型Ⅰ20b工字鋼架加工而成的鋼拱架，工字鋼應緊貼巖面。

系統支護及噴混凝土。跨過空腔后拱頂部分設置10根系統錨桿(φ25，L=3.0 m，間排距1.5 m梅花形布置)；超前小導管及鎖腳錨桿均與型鋼拱架焊接牢靠。型鋼拱架內外側均布置一層φ6.5鋼筋網(15 cm×15 cm)，網片與型鋼拱架焊接牢靠；每完成一榀即進行C20噴混凝土封閉，噴射厚度15 cm。

2)下導坑處理方案。

為確保后期混凝土澆筑前開挖下導洞的施工安全，使前期支護達到整體受力效果，下導坑開挖時,需預開挖Ⅰ20b工字鋼支護尺寸,下導坑Ⅰ20b工字鋼拱架支撐與上導坑Ⅰ20b工字鋼拱架連接成整圓。拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距100 cm均勻布置。

在塌方部位搶險施工期間，需要增加的支護措施現場監理可根據以上原則及現場實際情況先行安排施工。

4.3 3號支洞控制上游連續軟弱板巖段等典型洞段的開挖支護

卡基娃引水隧洞3號支洞上游控制段主要以連續軟弱板巖為主，且部分洞段有少量滲水，開挖后出露圍巖泥化較快，圍巖自穩性較差。

對此洞段的開挖，爆破采用密孔、少藥量、低進尺的開挖方式，開挖后及時進行支護。對無滲水洞段，支護以型鋼支撐(Ⅰ18，間距100 cm)+系統錨桿(φ25，L=3.0 m，間排距1.5 m梅花形布置)+φ6.5鋼筋網(15 cm×15 cm)+噴12 cm厚C20混凝土支護為主。如遇滲水洞段，則在進行型鋼支撐后，立即采用注漿小導管摻加水玻璃進行雙液灌漿止水，再進行錨桿和掛網噴混凝土處理。

5 結語

卡基娃水電站引水隧洞施工過程中部分洞段出現了復雜地質條件，隧洞開挖施工相繼出現了大斷層、塌方和連續軟弱板巖洞段，因施工中采取的措施及時、合理，使隧洞復雜地質洞段開挖未出現大的傷亡。結合卡基娃電站引水隧洞復雜地質條件洞段開挖支護與國內相關工程隧洞開挖支護經驗，水工隧洞對復雜地質條件洞段的開挖支護方案總結如下：

1)作好地質勘查與隧洞開挖地質監測與預報，為開挖方案制定提供依據。

2)合理利用新奧法，及早作好初期噴混凝土支護，及時封閉開挖暴露圍巖，合理確定系統支護的噴錨參數。

3)對于自穩時間短，噴錨初期支護強度不足以穩定洞體的軟弱破碎、淺埋軟巖、嚴重偏壓、巖溶、流泥、砂層、砂卵、礫層、破碎以及大面積淋水或涌水地層隧道施工，可采用輔助措施和錨噴支護相結合的加固辦法進行施工。

4)地質條件較差，圍巖比較破碎的洞段開挖支護方案按“先深探、管超前、預注漿、小斷面、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、常量測”的原則組織。

[1] 丁 陽.復雜地質條件下隧道結構的設計與施工[J].施工技術，2003(8)：24-25.

[2] 赫建崗.隧道超前小導管注漿工藝及注漿量計算的探討[J].山西交通科技，2004(6)：17-18.

[3] 顧永智.不良地質條件隧道施工影響因素及超前預報方法[J].中華建設，2011(5)：71-72.

Long hydraulic tunnel excavation support scheme optimization under complicated geological conditions

Xu Yi

(GuizhouVocationalCollegeofConstruction,Guiyang550028,China)

Combining with the diversion tunnel excavation of Mulihe Kajiwa power station, the paper analyzes diversion tunnel excavation scheme under several typical geological conditions of the power station, and specifically describes their own excavation support measures, with a view to promote the long tunnel excavation support scheme research under complicated geological conditions.

complicated geological conditions, long hydraulic tunnel, excavation support, processing scheme

2015-04-05

徐 懿(1974- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)17-0162-02

U455

A