老撾南俄4水電站水工隧洞軟巖變形施工處理措施

黃 煒， 芶 仕 文， 楊 建 明， 劉 建 偉， 王 陽

(中國水利水電第十工程局有限公司 老撾公司，四川 成都 610037)

1 概 述

南俄4水電站采用一洞三機供水方式，引水系統(tǒng)由一條引水隧洞、調壓井、地下壓力鋼管、鋼岔管及三條支管組成。機組引用流量為107.3 m3/s，引水隧洞長約16.5 km，其中由中國水利水電第十工程局有限公司承建的C3標段為引水隧洞后段(H7+720.00～16+570.00)，控制洞室全長9.5 km，隧洞巖性主要以灰?guī)r、砂巖、碳質板巖為主。

目前引水隧洞已全線貫通。在其開挖過程中，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得知：多處洞段在一期開挖支護完成后產生變形，主要表現(xiàn)為噴混凝土表面開裂和局部脫落、鋼支撐扭曲變形、鎖腳錨桿位移或拉伸斷裂等情況。現(xiàn)場地質編錄結合區(qū)域地質調查資料顯示：所有變形洞室的區(qū)域圍巖均為碳質板巖。

碳質板巖為軟巖-極軟巖(室內試驗定名為碳質千枚巖)，屬于石炭系下統(tǒng)第一段(C1-1)灰黑色～黑色、微風化～新鮮的碳質板巖夾極少量碳質灰?guī)r透鏡體；巖層產狀為N70°～80°W,NE∠75°～85°,巖體破碎，擠壓揉皺現(xiàn)象明顯，呈薄層狀結構；巖體板理發(fā)育，延伸長度超過開挖洞徑，板理面起伏光滑，其余結構面隨機發(fā)育，成組性不強。局部夾雜碳質灰?guī)r透鏡體，巖層厚度小于1 cm，薄層狀-極薄層狀結構，結構面主要表現(xiàn)為板理面，隨機節(jié)理不發(fā)育，節(jié)理面起伏粗糙，按照隧洞圍巖等級劃分為V類圍巖。

碳質板巖段洞室開挖揭露掌子面處碳質板巖層間結合差，層面多有鏡面及擦痕，手觸感光滑，擠壓揉皺明顯，表現(xiàn)為明顯的推覆構造[1]。

室內試驗結果顯示：碳質板巖濕化性耐崩解性指數(shù)Id2為68.4%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id3為51.69%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id4為35.78%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id5為20.85%。試驗結果表明：碳質板巖遇水易軟化崩解，但經五次循環(huán)后仍未完全崩解，表明其水理性質較差。闡述了對圍巖變形原因進行的分析及采取的施工處理措施。

2 變形原因分析

2.1 層間擠壓構造

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露的圍巖判定：該段碳質板巖受區(qū)域構造影響，斷層、層間擠壓小型構造發(fā)育，受層間擠壓影響，巖體間分布有軟弱夾層且?guī)r體破碎，巖體呈碎裂結構，有千枚化現(xiàn)象，開挖揭露巖體抗風化能力弱，具有受裂隙水浸潤影響遇水易軟化、強度降低明顯的特征。

2.2 地下水影響

老撾地處東南亞地區(qū)，地下水資源豐富(尤其是雨季)，在洞室開挖過程中導致地下滲流場發(fā)生改變，且因碳質板巖的物理力學性質表現(xiàn)為遇水易軟化，軟巖流變(尤其是蠕變導致的大變形)。洞室開挖導致周圍巖體內的地下水明顯下降至洞室圍巖松動圈，造成邊墻下部側壓力及底部擠壓力增大，致使鋼支撐受到擠壓出現(xiàn)扭曲變形和洞室底凸現(xiàn)象。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映變形一直處于不收斂狀態(tài)且變形量持續(xù)增大。

2.3 設計方案中的支護強度不足

對于碳質板巖腰線部位的圍巖壓力采用普氏塌落拱理論進行計算。碳質板巖室內密度試驗成果見表1，普氏塌落巖體參數(shù)計算成果見表2。

表1 碳質板巖室內密度試驗成果表

表2 普氏塌落巖體參數(shù)計算成果表

根據(jù)普氏塌落拱的計算結果(圖1，表3)，現(xiàn)有開挖支護設計參數(shù)無法抵抗圍巖壓力且因軟巖巖體流變產生蠕變力，致使腰線及以下部位壓力較大，普通錨桿無法提供有效抗力。碳質板巖室內密度試驗成果見圖1，普氏塌落拱計算結果見表3。

圖1 碳質板巖室內密度試驗成果示意圖

表3 普氏塌落拱結果表計算表

3 采取的施工處理措施及取得的成果

3.1 增加設計支護強度

鑒于碳質板巖巖體強度低，巖體板理構造發(fā)育并出現(xiàn)擠壓揉皺現(xiàn)象，具有流變特性，圍巖的穩(wěn)定主要受巖體強度控制。項目部在對普氏塌落拱計算結果進行對比分析后加強了主動防護力[2]。主要表現(xiàn)為：

(1)調整鋼支撐間距，將原設計方案中的間距1 m每榀改為0.5 m每榀；

(2) 邊墻支護錨桿環(huán)向間距由1 m加密至0.75 m；

(3)腰線至起拱線之間布置Φ25 mm，L=10 m的深孔錨桿，使其穿過塑性圈形成主動受力。

3.2 增加洞內排水孔

鑒于碳質板巖受地下水侵蝕易軟化，為防止地下水對圍巖的軟化破壞，在碳質板巖洞段增設了深孔排水孔，從而有利于巖體內地下水的排出。排水孔孔深以2.5～3倍洞徑為宜，以將外部地下水排出為目的。

圖2中的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映：施工排水孔前后其變形數(shù)據(jù)有明顯變化。雨季地下水增多，導致該部位變形速率明顯加大。在對該段施工深孔排水孔后，其變形速率明顯趨于穩(wěn)定狀態(tài)。H14+193.5收斂點累計變形過程線見圖2。

圖2 H14+193.5收斂點累計變形過程線圖

3.3 增加檢測監(jiān)測點及監(jiān)測頻率

在引水隧洞內的碳質板巖段每隔10 m布設一處監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面在拱頂、兩側拱腰共布設了3個監(jiān)測點(圖3)。收斂監(jiān)測點線路布置情況見圖3。當有滲水及圍巖條件極差時，加密監(jiān)測斷面間距至5 m[3]。在初支完成后于4 h內布置監(jiān)測點，于12 h內讀取初始讀數(shù)(至少每天進行一次)。根據(jù)變形情況增大量測頻率并對量測數(shù)據(jù)進行分析，判斷圍巖的變形情況是否處于正常狀態(tài)，從而為施工安全和支護參數(shù)的確定提供科學的依據(jù)。

圖3 收斂監(jiān)測點線路布置圖

施工過程中，及時對鋼支撐布置監(jiān)測埋點并盡早收集變形段初支變形的初始數(shù)據(jù)，在該過程中加大監(jiān)測頻率，按照監(jiān)控量測位移管理等級采取相應的處理措施，將監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及時反饋至項目部。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)位移管理等級見表4。

表4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)位移管理等級表

根據(jù)監(jiān)控量測位移管理等級，當初支累計位移變形量小于設計極限位移值的1/3時，為三級管理狀態(tài)，可以正常施工；當初支累計位移變形量大于設計極限位移值的1/3、小于設計極限位移值的2/3時，進入二級管理狀態(tài)，及時增設鎖腳錨管或護拱對初期支護進行加固；若仍然出現(xiàn)變形無法控制的情況(當初支累計位移變形量大于設計極限位移值的2/3時)，進入一級管理狀態(tài)，應立即采取特殊處理措施：立即停止斷面施工，對掌子面進行封閉，對超限變形部位進行徑向注漿加固，同時立即上報、制定出進一步強化處理的措施。

3.4 底板仰拱及時跟進

每開挖完成12 m，立即跟進底部仰拱支護和底板混凝土澆筑。結合前期施工過程中已完成的仰拱底部出現(xiàn)的開裂、底凸現(xiàn)象，采取的主要應對施工措施為：

(1)底部仰拱增設鋼管樁Φ48 mm，L=6 m，梅花型布置，同時注入0.5∶1～1∶1的水泥漿液用于加固兩側墻腳，控制灌漿壓力不超過0.5 MPa，以防止結構底部的收斂變形。在鋼管管身設置花孔，孔徑6 mm，間距30 cm，梅花型布置，下傾角度為60°～70°。

(2)對滲水段及變形速率較大的洞段，采取仰拱基底深層鋼管注漿的方式進行加固處理，仰拱中部設置鋼管Φ50 mm×4 mm,L=9 m,間排距為2 m×2 m，梅花型布置，注入水泥漿液(0.5∶1～1∶1)。

(3) 為確保底板混凝土與基巖面緊密結合，底板采用C30微膨脹混凝土進行施工。混凝土澆筑形成可靠的仰弧，用以加強澆筑成型后的底部拱形支撐效應[4]。

3.5 預留變形空間

軟巖的開挖施工按照“先放后抗”的理念適當加大預留變形量。在變形初期，支護結構在保證安全、不出現(xiàn)坍塌的前提下具有一定的柔性，能適應一定的變形，適當?shù)淖冃吾尫帕瞬糠謬鷰r應力，之后，由于支護結構具有足夠的剛度與強度，在圍巖應力得到一定程度的釋放后，能在5～7個月左右的時間內抵抗剩余的圍巖應力。在南俄4工程碳質板巖段開挖過程中，根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL378-2018)[5]及現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，在保證永久襯砌結構設計尺寸的前提下，邊墻及頂拱的預留變形量為20 cm。

4 結 語

軟巖隧洞施工遵照“短進尺、少擾動、強支護、早封閉成環(huán)、勤量測”[6]的原則，采取綜合治理措施，即加強超前支護、初期支護措施，增加對洞身圍巖的注漿以加固改良圍巖強度，有效抑制洞身圍巖的大變形。同時，增加襯砌厚度，加大襯砌鋼筋的型號，加強二次襯砌用以抵抗圍巖殘余變形能力，保證隧洞的施工安全和后期運營安全。

前期隧洞圍巖等級為Ⅳ級、Ⅴ級(非軟巖)時，采用的監(jiān)測方法為傳統(tǒng)方法：沉降為高程測量，收斂為相對水平位移，監(jiān)控數(shù)據(jù)初始值從點位布置開始記錄。但因點位布置存在間隔期，導致點位布置前初支已發(fā)生沉降收斂的數(shù)據(jù)未計入累計變形值，不能提供與設計斷面進行對比的數(shù)據(jù)，導致施工人員不能及時掌握初支斷面到侵限的剩余空間。針對軟巖大變形段采用傳統(tǒng)監(jiān)控量測方法存在的漏洞，項目部采用坐標法監(jiān)測，動態(tài)測量，采用初始量測與設計斷面對比的方法修正初始值，將累計變形值與設計斷面進行比較，進而為現(xiàn)場施工提供指導。