引紅濟(jì)石調(diào)水工程引水隧洞不良地質(zhì)洞段鉆爆法施工段軟弱圍巖塑性變形施工方案研究

王　瑜

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

引紅濟(jì)石調(diào)水工程引水隧洞不良地質(zhì)洞段鉆爆法施工段軟弱圍巖塑性變形施工方案研究

王瑜

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

在水工隧洞施工中穿越較大規(guī)模斷層、軟巖及裂隙發(fā)育巖體破碎洞段及高地應(yīng)力低彈模的圍巖破碎帶深埋洞段等不良地質(zhì)洞段，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)變形失穩(wěn)等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成一次支護(hù)的破壞，對施工安全造成威脅，特別是失穩(wěn)后的二次加固其危險(xiǎn)性和難度極大，本文結(jié)合陜西省引紅濟(jì)石調(diào)水工程實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，提出了一整套的軟巖變形段施工處理方案，為工程的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

調(diào)水工程；引水隧洞；不良地質(zhì)洞段；軟巖塑性變形；施工方案

1　工程概況

引紅濟(jì)石調(diào)水工程位于陜西省寶雞市太白縣，屬陜西省內(nèi)的跨流域調(diào)水工程。該工程自秦嶺南麓紅巖河上游取水，通過穿越秦嶺的長隧洞自流調(diào)入秦嶺北麓石頭河上游桃川河，主體工程由低壩引水樞紐和輸水隧洞兩大部分組成。

隧洞進(jìn)口位于關(guān)山樞紐下游560m的紅巖河左岸，出口在五里坡東桃川河左岸五里坡，拐點(diǎn)在太白縣城正南4km的石溝河畔小罐子村，全部位于秦嶺山區(qū)變質(zhì)巖中，隧洞全長19.76km。

輸水隧洞設(shè)計(jì)流量13.5m3/s，無壓自流輸水，縱坡1/890、糙率0.014。鉆爆法施工斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×寬），掘進(jìn)機(jī)法施工斷面為圓形，成洞直徑D3.0m。

輸水隧洞具有長、小、深、雜、難等特點(diǎn)。隧洞洞線較長，造成施工通風(fēng)、運(yùn)輸困難。洞身一般埋深150m～300m，最大埋深達(dá)450m，屬深埋隧洞。受地形條件限制，隧洞沿線洞底高程均低于太白盆地，施工時(shí)只有洞線上游中部小罐子附近有開挖斜支洞的條件，洞線下游部分斜支洞布設(shè)困難。

洞身斷面尺寸較小，由于設(shè)計(jì)引水流量較小，洞身斷面以施工合理斷面控制，圓形斷面設(shè)計(jì)開挖直徑3.9m，斷面面積11.95m2。圓拱直墻型斷面設(shè)計(jì)洞身最小開挖寬度為3.3m，高度3.55m，斷面面積10.54m2，給施工運(yùn)輸、通風(fēng)、排水和組織管理等帶來很大的困難。

因此在施工方法的選擇上，經(jīng)多方案論證，原批復(fù)的初設(shè)推薦采用鉆爆+掘進(jìn)機(jī)（TBM）聯(lián)合施工方案。即隧洞上段樁號0+009.56～8+700段采用鉆爆法施工，隧洞下段樁號8+700～19+726.80段采用TBM施工。

2　引水隧洞主要工程地質(zhì)問題

自工程開工以來一直受到不良地質(zhì)條件的影響，圍巖軟硬不均，軟弱圍巖斷層破碎帶變化頻繁，涌水量大，開挖后變形量大，對施工安全及進(jìn)度影響非常大，原設(shè)計(jì)一次支護(hù)方案已不能滿足施工要求，因此，必須在分析明確地質(zhì)條件的前提下有針對性的提出可行的變形段圍巖支護(hù)方案。

引紅濟(jì)石工程隧洞穿越秦嶺山間盆地，地質(zhì)構(gòu)造屬秦嶺褶皺帶東西向構(gòu)造的次級向斜構(gòu)造盆地，表部被第四系沖洪積和冰磧層覆蓋，地質(zhì)條件復(fù)雜。工程區(qū)主要構(gòu)造也沿東西向展布，受其影響，地質(zhì)構(gòu)造對東西向洞室圍巖穩(wěn)定性影響比較明顯。而受工程建設(shè)條件限制，引水線路展布唯有東西向布設(shè)，因此出現(xiàn)較多洞室圍巖較差也符合該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造基本規(guī)律，主要原因如下：

（1）巖性復(fù)雜，巖性相變大。不僅有堅(jiān)硬的花崗巖、大理巖、片麻巖，角閃片巖，而且夾有云母片巖和炭質(zhì)片巖等軟巖，軟硬相間，軟巖往往隨機(jī)分布。

（2）工程區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，不僅發(fā)育有與洞線平行的東西向區(qū)域大斷裂，而且發(fā)育一系列次生斷裂構(gòu)造，致使巖石破碎，圍巖穩(wěn)定性差。據(jù)地應(yīng)力測試，隧洞最大水平地應(yīng)力達(dá)43MPa，最大水平地應(yīng)力方向?yàn)镹E11°，基本與洞線垂直，因而影響洞室的穩(wěn)定，特別是斷層破碎帶和軟巖段圍巖，易產(chǎn)生塑性變形和發(fā)生坍塌。

（3）區(qū)域斷層較勘察期分布位置有較大變化，技施第一次補(bǔ)勘查明F1、F1′及F2′分支斷層，在洞室K1+550～K3+150m段處圍成的三角區(qū)，受多條斷層相互挾持的影響，該段巖體十分破碎，對洞室的影響程度大Ⅳ、Ⅴ類圍巖的達(dá)1600m。

（4）受區(qū)域斷裂構(gòu)造影響，整個(gè)洞室?guī)r體中發(fā)育較多的次一級小斷層，該類斷層規(guī)模小，但發(fā)育較多，且分布隨機(jī)性強(qiáng)，無明顯的規(guī)律性。僅鉆爆段出露小斷層達(dá)231條，根據(jù)地質(zhì)編錄資料統(tǒng)計(jì)累計(jì)影響長度達(dá)1100m。

（5）大理巖片理中所夾薄層與極薄層炭質(zhì)片巖，狀如石墨，遇水極易泥化、軟化，使得大理巖的完整性受到破壞，加之大理巖具有“硬、脆、碎”的特點(diǎn)，施工爆破形成碎裂塊狀，坍塌掉塊現(xiàn)象較多。

3　軟弱圍巖施工方案研究

由于洞身斷面尺寸較小，洞身斷面以施工合理斷面控制，因此隧洞采用先開挖貫通后襯砌的施工方案，致使由上述原因造成的變形對一次支護(hù)破壞很大，同時(shí)對施工安全也造成了嚴(yán)重威脅。針對以上情況結(jié)合在現(xiàn)場實(shí)際施工中已進(jìn)行的一些有益的探索并總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)，其中最重要的就是在開挖后及時(shí)對此類洞段進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)排水，并保證支護(hù)圈的封閉和拱腳的穩(wěn)定。采用模筑混凝土襯砌進(jìn)行封閉，減少外界對圍巖的擾動，同時(shí)混凝土襯砌通過自身的剛度也能抵抗圍巖的部分塑性蠕變形，防止二次應(yīng)力集中，不失為一種加強(qiáng)支護(hù)的有效措施，也給人一種安全感。因此提出了“邊打邊襯”施工方案，但由于本工程斷面小此方案對隧洞施工期的洞內(nèi)運(yùn)輸有較大的影響，也會增加工程量和投資，因此僅在需要邊打邊襯的局部洞段進(jìn)行處理。

3.1邊打邊襯的適用條件的判別

邊打邊襯方案主要是在以下幾種存在軟弱圍巖且水量豐富的不良地質(zhì)洞段所采取的具有針對性的特殊處理措施，因此對具體洞段是否適用于采用邊打邊襯方案需要有一定的判別標(biāo)準(zhǔn)，從掌握資料分析可進(jìn)行邊打邊襯方案的圍巖條件主要有以下幾種。

3.1.1較大規(guī)模斷層帶的穿越

其特點(diǎn)是斷層與隧洞夾角小，交匯距離長，斷層帶物質(zhì)松散無強(qiáng)度夾雜斷層泥，由于斷層擠壓錯動嚴(yán)重，角礫粒徑小，大多1cm～5cm。地下水活動中等～強(qiáng)烈，呈淋雨?duì)畛雎叮植抗蔂钣克克髁窟_(dá)到或超過150L/min～200L/min，因涌水會加速巖體風(fēng)化泥化，降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度故此類情況可考慮提前襯砌。

3.1.2軟巖及裂隙發(fā)育，巖體破碎洞段

灰白色糜棱巖、炭質(zhì)片巖、云母石英片巖等軟巖，強(qiáng)度低，遇水易泥化段及洞段巖性雖為大理巖等強(qiáng)度較高的圍巖，但裂隙發(fā)育，巖體破碎的洞段。如遇地下水活動較強(qiáng)，局部有滴水及線狀流水情況會對圍巖產(chǎn)生較大不利影響的情況也可考慮提前襯砌。

3.1.3高地應(yīng)力低彈模的圍巖破碎帶

隧洞埋深超過150m的洞段，屬深埋隧洞，存在較大地應(yīng)力。深埋隧洞在高地應(yīng)力作用下，軟弱圍巖常易引起二次應(yīng)力集中、塑性蠕變及坍塌變形嚴(yán)重等工程地質(zhì)問題也可考慮提前襯砌。

3.2判定的主要依據(jù)

以上僅是對邊打邊襯的適用條件做了說明，但對其判定還應(yīng)通過一些可靠的技術(shù)手段支持，其應(yīng)包括：

3.2.1地質(zhì)超前預(yù)報(bào)資料

因?yàn)槿绮捎眠呁谶呉r方案，則隧洞的開挖斷面必須擴(kuò)挖，因此決定了邊打邊襯方案必須具有提前性，這也就要求我們在開挖施工前必須做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，為地質(zhì)編錄人員判斷前方圍巖變化情況和可能出現(xiàn)的各種不利因素提高可靠資料；目前可行的超前探測方法主要有電測、超前鉆、地質(zhì)雷達(dá)、洞內(nèi)檢測等，但每種探測手段都有其局限性，因此，在超前探測時(shí)應(yīng)盡可能利用多種方法相互配合，才能取得良好的效果。

3.2.2緊跟掌子面的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)

緊跟掌子面的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對我們了解掌子面附近已開挖洞段圍巖變化具有重要的參考價(jià)值，也是我們對圍巖進(jìn)行評價(jià)和選擇襯砌時(shí)機(jī)的重要依據(jù)，因此對此數(shù)據(jù)的收集也是十分必要的。

3.3方案設(shè)計(jì)

雖然上述幾種情況的影響程度與作用機(jī)理不盡相同，其應(yīng)對措施也應(yīng)具有針對性和靈活性。同時(shí)考慮到因本隧洞斷面較小如按原設(shè)計(jì)二次襯砌對這些洞段進(jìn)行提前襯砌則會縮小施工斷面對施工造成影響，因此在提前襯砌后內(nèi)斷面尺寸按Ⅲ類圍巖開挖斷面3.7m×3.6m（高×寬）設(shè)計(jì)，其主要處理措施為：

3.3.1拱直墻方案

此方案適用于遇水易軟化的糜棱巖、炭質(zhì)片巖等軟巖洞段，其提前襯砌主要是為了減少地下水活動對圍巖的泥化軟化。襯砌可采用C25混凝土全斷面襯砌，襯砌斷面型式仍為圓拱直墻斷面，并按照本隧洞排水設(shè)計(jì)圖，埋設(shè)排水管以阻斷滲水對圍巖的浸泡；

其主要形式為二次襯砌C25鋼筋混凝土厚度400mm，成洞尺寸3.7m×3.6m（高×寬）抗?jié)B標(biāo)號W6，抗凍標(biāo)號F100；墻背預(yù)埋φ50mm軟式透水管。

為增強(qiáng)襯砌對各種情況的適應(yīng)性，其配筋形式共分為中型和重型兩種，根據(jù)圍巖條件進(jìn)行選擇。

圖1　擴(kuò)挖斷面開挖及一次支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖2　擴(kuò)挖斷面二次襯砌設(shè)計(jì)圖

3.3.2馬蹄形方案

此方案適用于高地應(yīng)力低彈模的圍巖破碎帶及受斷層帶影響、圍巖整體性差等常易引起邊墻收縮、頂拱下沉等工程地質(zhì)問題的，應(yīng)采用近似于馬蹄形的圓拱曲墻斷面，解決斷面?zhèn)葔Χ蔚氖湛s變形等問題。

其主要形式為二次襯砌C25鋼筋混凝土厚度400mm，頂拱及側(cè)墻均為圓弧，底板仍為平底板。成洞尺寸3.7m×3.4m（高×寬）抗?jié)B標(biāo)號W6，抗凍標(biāo)號F100；墻背預(yù)埋φ50mm軟式透水管。

4　結(jié)語

引紅濟(jì)石工程地質(zhì)復(fù)雜多變，尤其是軟弱圍巖的變形處理一直困擾施工的正常進(jìn)展，此方案在工程施工中多處洞段成功的運(yùn)用，有效解決了施工中的問題，有力保障了工程的順利實(shí)施，目前工程鉆爆法施工段已全部完工，所有采用此方案施工段再沒有出現(xiàn)二次變形失穩(wěn)問題。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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