某水電站引水隧洞蝕變圍巖施工技術研究

張 樹 軍， 賀 寧 波， 周 志 東

(中國安能第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

某水電工程位于大渡河上，工程規模為二等大(2)型，電站安裝4臺機組，總裝機容量為108萬kW，采用混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統+地下廠房的樞紐總布置方案。引水系統建筑物包括引水隧洞、調壓室、壓力管道等。兩條引水隧洞平行布置，平均長度約14.4 km，洞徑為13.5 m，兩洞間距為60 m。

洞室圍巖主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中。經過十億多年的演化和運動，巖石受到碰撞、擠壓、蝕變等作用造成巖體結構面發育，巖石破碎，花崗巖中長石蝕變嚴重，圍巖質量下降，穩定性差，對施工造成重大影響。因此，如何對蝕變圍巖進行分類并有針對性地采取有效的施工方法是施工中必須研究的課題，筆者對此進行了分析和闡述。

2 圍巖蝕變程度的分類

2.1 蝕變巖的形成過程與原理

圍巖蝕變系指圍巖受到流體和熱液作用發生的各種交代變質作用，是一個新的物理化學變化過程。

花崗巖的圍巖蝕變主要是長石的化學變化，長石的化學變化一般包括水解作用和水溶作用。水解作用主要是水離解成H+和OH—離子，導致酸性反應或堿性反應。例如，正長石在水的作用下具有以下水解反應：

(1)

如果不是純水，水中含有酸類物質，如碳酸，就會加速巖石的蝕變，因為碳酸根可以剝奪礦物中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子形成碳酸鹽，破壞巖石礦物的原有結構。以正長石為例：

(2)

KOH、K2CO3等可溶鹽及SiO2膠體會隨水流失，而高嶺土不溶于水殘留下來，與花崗巖中穩定的SiO2或氧化鐵等形成殘留的蝕變巖。

2.2 蝕變巖蝕變程度的劃分

目前對于圍巖的蝕變程度尚未有標準，亦不易在現場掌控。筆者根據經驗和實際情況，對某水電站圍巖蝕變程度進行了探討和初步劃分，將其分成面蝕變和體蝕變，具體劃分情況見表1。

表1 蝕變巖蝕變程度劃分及圍巖分類初判表

3 施工過程對蝕變巖采取的處理方法

針對不同的蝕變巖體，根據水利水電工程圍巖分級方法并考慮巖石強度、巖體結構、地下水、地應力等因素[1]，在對圍巖級別進行分級的基礎上，筆者針對不同蝕變程度的圍巖采取了不同的開挖支護監測措施。

3.1 圍巖的超前預報

針對處于復雜多變蝕變巖體中的地下工程，其地質預報需要多種方法并用，引水隧洞施工采用的超前地質預報方法和手段很多，應以地質綜合分析法為基礎，針對不同洞段的地質情況和預報目的進行必要的技術經濟比選，選擇有針對性、適用性強的方法和設備，采用一種或幾種方法的合理組合，達到預報準確、費用最低、占用時間最少的目標。對于一般洞段可以采用地質調查法、物探法進行超前預報；對于蝕變嚴重的重點洞段，可結合鉆探進行驗證。

(1)綜合地質法。針對引水隧洞全段范圍內的地形、地貌、地層巖性進行進一步的全面核查并進行地質編錄：對引水隧洞全段進行地質編錄是地質預報的基礎，所配屬的地質工程師非常重要，需要核對勘測資料、掌握引水隧洞所在地區的地層巖性、地質構造、不良地質及水文地質情況，為引水隧洞內的地質預報提供方向性的依據。

(2)物探法。遠程與短程相結合。短程可采用地質雷達，對10～20 m范圍內的巖體進行預報；遠程采用TSP法，其技術特點為：預報距離在超前預報方法中最大，考慮到地震波干擾等因素其能準確預報的距離為100～200 m。該方法適用范圍廣，特別適用于極軟巖至極硬巖的任何地質情況；對于特別復雜的蝕變圍巖，可以采用兩種方法相結合；對于一般情況，采用TSP即可。

(3)鉆探法。主要包括炮孔加深和超前深孔鉆探。根據需要，在開挖掌子面上施做加深炮孔，對掌子面前方短距離范圍內的地層及地下水情況進行進一步的詳細探測。所加深的炮孔深度應不低于3 m。在中等復雜、復雜地段施作7個。對加深的超前炮孔應做好記錄，發現異常情況及時通知超前地質預報組。

超前深孔鉆探是對TSP預報等物探手段探測到的復雜蝕變巖體進行確認，以進一步探明前方地層的完整性、構造帶及地下水發育情況(水量、水壓、水溫、懸浮物等)，超前地質鉆孔的位置、孔深、數量、取芯等由地質人員根據物探預報成果并結合掌子面附近的地質情況經綜合分析后確定。

3.2 開挖方式

對于輕度蝕變的Ⅱ、Ⅲ類圍巖，可以采用全斷面開挖法，將每個循環的進尺控制在3.5 m以內。對于Ⅳ類圍巖，先進行8 m×8 m(寬×高)中導洞開挖，再進行左、右兩側保護層開挖。左右兩側保護層滯后中導洞2～3個循環跟進施工，圍巖支護及時跟進。對于蝕變較強的Ⅴ類圍巖(高嶺土化蝕變)洞段，上半洞的開挖與支護采用上下臺階四步開挖法，以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、下兩個臺階四個開挖面，各部位的開挖與支護采用沿隧洞縱向錯開、平行推進的隧洞施工方法。

圖1 系統原理和現場工作圖

3.3 圍巖的支護措施

對于蝕變較強的圍巖，一般采取超前支護[2，3]的方式。超前支護主要采用超前注漿小導管。小導管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度為5 m，注漿壓力為0.1～0.5 MPa。必要時，可以選擇小噸位的錨索進行加強支護，或采用管棚超前支護以防止蠕變和塌方等。

3.4 圍巖的監測

地下工程的現場監控量測類型分為三類。

(1)目測觀測。系指對圍巖的破碎發育情況、洞室周邊變形、支護結構開裂破壞等現象直接用肉眼進行觀察，以此判斷圍巖的穩定情況。對于蝕變圍巖，地質工程師必須聯合鉆爆工等勤觀測。

(2)位移量測。系指通過專門量測設備為獲取洞室周邊位移、圍巖內位移、地表下沉等與圍巖和結構變形有關的位移信息進行的現場監控量測。位移量測為應用較廣且值得推薦的測試項目，因為周邊位移最能反映圍巖與支護結構力學性態的變化，且量測設備簡單、易于操作。本次采用的主要是凈空收斂和頂拱下沉監測，凈空收斂和頂拱下沉監測示意圖見圖2。

凈空收斂監測 頂拱下沉監測 圖2 凈空收斂和頂拱下沉監測示意圖

(3)應力量測。系指通過專門的量測設備為獲取圍巖與支護結構間的接觸應力(荷載)、圍巖及支護結構內部的應力狀態、錨桿軸力等信息進行的現場監控量測。由于該隧洞斷面較大，圍巖蝕變強烈，該工程將其做為必測項目(雖然規范將其作為選作項目)。該工程主要針對強蝕變圍巖加強監測，在現行的規范基礎上適當加密了測點，一般增加1.5倍測點即可。

4 塌方規模的預測

面對如此復雜的蝕變圍巖，按照現行規范施工難免會出現塌方，因此，必須對可能發生的塌方和已經塌方的規模大小進行必要的預測[4]，采取有針對性的措施，可以預防塌方或防止進一步塌方的發生。

塌方的高度可以根據式(1)[5]計算：

h=n(B+H)

(1)

式中h為塌方高度，單位m；B、H分別為隧洞開挖的跨度和高度，單位為m；n為荷載系數：n=0.43e0.64(S-1)；S為圍巖類別。

由于地質條件復雜，在該隧洞開挖過程中曾發生過一次塌方，但當時沒有及時探測到空腔的高度，而根據式(1)可以很容易地計算出大致的塌方高度為12.4 m，得出高度并實測出塌方的寬度b、結合塌方體積V估算出塌方長度，進而有效地指導了塌方處置。

5 結 語

復雜蝕變圍巖地下洞室的開挖一般少見。由于圍巖蝕變增加了施工的難度而與普通開挖不同，筆者根據大渡河某水電站引水隧洞的工程實踐得出了以下幾點認識：

(1)必須正確認識圍巖蝕變的類型。本次施工對圍巖蝕變進行了初步分類并根據所分類別指導施工。

(2)在施工過程中，針對不同蝕變圍巖，合理選擇地質預報、開挖方式、支護方式和監測手段十分重要。特別需要有針對性的進行加強支護。

(3)可能的塌方或塌方的規模可以估算，這一點有利于塌方的治理。