瑪烏阿納大壩導流洞開挖與支護概論

李君立

中國水利水電第三工程局有限公司 陜西 西安 710000

1 工程概況

阿爾及利亞瑪烏阿納大壩位于塞迪夫省，是阿國“北水南調”的重要節點工程[1]。導流洞工程位于壩址右岸，隧洞全長763.80m。洞身斷面為馬蹄形，最大開挖斷面尺寸為5.57m×5.94m（高×寬），洞身采用鋼筋混凝土襯砌。隧洞底坡直線段為1.8%，中間彎段為1.884%。

2 地質特點

2.1 地質條件復雜

導流洞位于大壩右岸山體中，洞身穿越多種地層。上游直線段為薄層、中厚層泥灰巖，節理裂隙發育，一般有三組結構面，分別為陡傾角縱向裂隙、水平及橫向裂隙，圍巖極為破碎。泥灰巖開挖后接觸空氣、水，迅速風化崩解，使得圍巖穩定時間大為縮短，經常發生塌方掉塊。中間彎段為泥灰巖與石灰巖互層段，中風化與微風化巖石交替出現。出口段為第三紀老黏土，節理裂隙不發育。

2.2 斷層破碎帶多且影響范圍廣

導流洞穿越多條破碎帶，最大一條在隧洞內出露達30m。破碎帶內圍巖多含泥質夾層，膠結不良，常出現楔形、穹頂形塌方。出口段黏土巖與泥灰巖分界斷層，整合接觸，泥灰巖結構面表層已完全成粉末狀松散顆粒，與松軟土壤類似。石灰巖破碎帶部分巖石雖然外觀保持原狀，但是用手一撥拉即碎裂成為5cm以內的小石子，屬于散體狀結構，已完全失去穩定能力。

2.3 地下水豐富

導流洞穿越山體節理裂隙發育，地下水十分豐富，所在山體腰部及河谷中有多處泉水出露。地下水補給來源主要是大氣降水和裂隙水。在裂隙水的作用下，巖層泥化崩解，結構面膠結較差，結構松散，極易造成局部塌方。大量的地下水也對導流洞的正常施工造成了極大干擾[2]。

3 施工方法

3.1 導流洞開挖與支護綜述

導流洞洞徑較小，最小開挖斷面底部寬度僅有3.34m，為方便大型設備施工，采用下部預留1m厚底板、上部全斷面開挖的方案，貫通后再挖除底板。鑒于圍巖較差，開挖過程中嚴格遵循“新奧法”施工原則，“短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”，確保圍巖穩定，穩中求快。對于條件較好的II～IV類圍巖，鉆爆法掘進；穩定性較差的V類圍巖，采用液壓錘鑿進。裝載機出渣，支護及時跟進。支護分兩種類型：3型支護系統錨桿、掛網噴混凝土和4型支護鋼拱架、系統錨桿、掛網噴混凝土，支護類型根據測定的巖石破碎度RMR值確定。

3.2 鉆爆法開挖方案

受當地火工材料種類限制，考慮到地下水較多，使用乳化炸藥和毫秒延期電雷管分段微差爆破，炸藥單耗約1.0kg/m3。手風鉆鑿孔，楔形掏槽，周邊光面爆破。光爆孔采用不耦合間隔裝藥，線裝藥密度為125g/m。為減小爆破對圍巖的震動，采用小抵抗線大孔距的布孔方案，孔距0.6～0.7m，排距0.35～0.45m。具體的爆破參數結合實際情況進行調整，單循環進尺一般II、III類圍巖為3.0m，IV類圍巖1.5～2.5m。

3.3 液壓錘鑿進法開挖方案

對于V類圍巖，采用液壓錘鑿進，必須堅持短進尺、少擾動、早封閉、強支護，單循環進尺1m立即進行支護工作。

3.4 隧洞支護

導流洞圍巖多為III～V類，大部分為IV～V類圍巖，當巖石破碎度21≤RMR≤40采用4型支護，即：C25噴射混凝土5+4cm；系統錨桿Φ25x3000mm，排距1.5m（根據現場實際，可取消系統錨桿）；Φ6金屬網片150X150mm，鋼拱架采用I12工字鋼，間距0.5～1.2m，并用Φ25螺紋鋼筋與上一榀鋼拱架焊接牢固。鋼拱架由加工廠制作完成，現場拼裝。

圍巖破碎度在41≤RMR≤60采用3型支護，相較4型支護，取消鋼拱架，初噴5cm素混凝土，系統錨桿Φ25x3000mm，排距1.5m，梅花形布置，掛鋼筋網后再噴一層4cm厚的混凝土（根據圍巖實際情況，可取消系統錨桿）。

3.5 特殊情況處理

（1）洞口邊坡處理。導流洞進口巖層為泥灰巖，表面覆蓋一層風化料，下面是風化泥灰巖，洞口邊坡開挖后立即封閉。首先素噴5cm厚的C25混凝土，布置L=8.0m的?25錨桿，a=2m，b=3.0m。而后鋪設?6 15×15cm2鋼筋網，再噴4cm厚的混凝土。并布置排水孔、截水溝。

（2）洞臉處理。為確保施工安全，進洞前先進行鎖口處理。洞臉形成后在洞口設計開挖線外布置鎖口錨桿而后再開挖洞口。鎖口部分預先進行0.15～0.2m的超挖，架設鋼拱架。鎖口錨桿分兩排，內環距洞口鋼拱架0.5m，錨桿間距0.5m；外環距內環1.0m，錨桿間距1.0m。施工時，預留外露長度0.2m，外露部分鋼筋與洞口第一榀鋼拱架焊為一體。然后掛鋼筋網，噴混凝土。噴砼厚度0.15～0.2m，分3次噴完，使鋼拱架與圍巖形成整體。

（3）洞口段塌方。進口段掘進至樁號0+20m時發生塌方，塌方體填塞了從掌子面到樁號0+10m之間的幾乎整個隧洞。分析原因主要是洞口覆蓋層較淺，頂拱以上圍巖風化嚴重，且對泥灰巖開挖后暴露在空氣中風化崩解的特性認識不足，支護不夠。

處理方案：經過現場試驗，為避免塌方擴大，決定在塌方體上方鉆孔，通過混凝土泵向塌方部位灌注混凝土。而后清理洞內塌方巖石，對開挖斷面以內的回填混凝土挖除，并及時立拱架支護[3]。

（4）上游段F2斷層破碎帶。樁號0+72.6m拱頂發生小規模塌方，自左肩部一直延伸到右肩部位，塌方體深入頂拱以上圍巖達2m。從現場看，圍巖為三組裂隙分割成為碎裂鑲嵌結構：分別是傾向SW的近乎平行于洞軸線的傾角達80°的陡傾裂隙，間距0.15m左右，走向垂直洞軸線、傾向SE的裂隙和傾向NW裂隙。裂隙部分填充，充填物以泥質為主，結構面在裂隙水的作用下發生軟化，成為松散的結構體。掌子面開挖3h后，巖石如崩岸般一層層自掌子面中部向下自動剝落。

采取措施：按照新奧法支護的要求，立即對拱頂及側壁進行素噴。而后清除塌方巖石，立鋼拱架，間距縮小為0.5m，加密連接筋。為保證鋼拱架能夠支撐到圍巖，在塌方部位用工字鋼焊在拱架背面，另一端焊上墊板牢固地頂在圍巖上。然后在鋼拱架上掛模板，用混凝土將圍巖與拱架間空隙填實。

塌方部位支護完畢，采用預留核心、環形開挖的方法。具體方案是：液壓破碎錘掘進，掌子面中央部位保留，在掌子面上環形挖出立拱架的位置，單次進尺小于1m。立即對新開挖部位進行素噴，而后測量放線，按0.5m間距立鋼拱架。隨即進行噴砼作業。支護完成后再挖除中央核部，繼續用液壓錘環形開挖。此方案對工期的延誤較小，且節省投資。

3.6 地下水處理

導流洞所在山體靠近河谷一側有泉水出露，是地下水匯聚和出露的通道。導流洞上游段開挖至樁號0+164m時，掌子面出現涌水，實測最大流量176m3/h，持續達15天，并維持60m3/h的流量直至貫通。涌水對導流洞正常施工造成了嚴重影響，涌水初期排出洞內積水的時間就達兩周之久，后期每天維護水泵、抽排水的時間達4h以上。

由于洞身裂隙發育，地下水出水點隨掌子面不斷前移，不宜采用封堵的辦法。同時上游側無法利用隧洞坡降自流排水，主要采用機械抽排的方式，在掌子面附近挖集水井，積水自流或由機械抽至集水井并最終排出洞外[4]。

4 結束語

瑪烏阿納大壩導流洞地質條件差，圍巖復雜多變，穿越斷層帶多而長；地下水豐富，進口段泥灰巖遇水泥化崩解，出口段黏土巖遇水濕陷、甚至變成泥漿；洞徑較小，施工機械、設備及管線難以布置，施工難度極大。經過技術人員和現場施工人員的艱苦努力，終于如期安全貫通。通過導流洞的開挖支護，對軟弱破碎巖層、泥灰巖黏土巖遇水情況下隧洞的開挖支護提出以下幾點施工經驗和體會。

（1）泥灰巖具有遇空氣、遇水快速風化崩解的特性，對于此類圍巖的開挖，要及時進行良好的封閉噴護，避免進一步風化，防止圍巖失穩；宜采用偏保守的重型支護。

（2）開挖軟弱破碎巖層應對圍巖進行超前處理，提前改善圍巖狀況，而后按照“短進尺、少擾動、早封閉、強支護”的原則，根據實際情況及時調整開挖方案，在確保安全的前提下盡可能加快施工進度。

（3）盡可能利用現有的地質地形資料，對隧洞沿線巖性及水文資料進行預判，對可能出現的不良地質情況及涌水等做到未雨綢繆。

（4）重視隧洞排水工作，尤其是對泥灰巖、黏土巖圍巖內的滲水、涌水，及時采取措施，或排或堵，不僅有利于進行下一步工作，還能防止地下水對圍巖穩定造成不利影響。