高水敏性極軟巖地下洞室底板超挖原因分析及應對措施

黃振偉，張 濤，趙冰波，杜勝華

(1.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

在地下洞室開挖過程中，超挖現象幾乎無法避免，只是超挖程度不同。從結構上看，與設計的理想洞室光滑輪廓相比，超挖引起的不平整輪廓會產生應力集中，導致圍巖破壞或支護、襯砌結構受力條件惡化，影響結構安全。從施工方面看，超挖造成支護、襯砌施工困難，甚至還意味著超填，進一步增加施工成本、延長工期，影響工程效益。

大部分隧洞工程出現超挖的部位是邊墻與頂拱，而對底板部位的超挖則沒有引起足夠的重視。目前國內外對隧洞超挖的研究主要集中在邊墻、頂拱超挖原因[1-3]、超挖規律[4-5]、超挖控制措施[1，6-7]等方面。近年來，隨著工程建設的快速發展，隧洞地質條件越來越復雜，施工中出現了底板超挖現象。本文以西藏拉洛水利樞紐工程引水發電隧洞為例，對地下洞室底板超挖原因進行分析，提出了技術可靠、經濟合理、性能有效的工程處理措施，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則地區，具灌溉、供水、發電、防洪、促進改善區域生態環境等綜合效益[8]。主體工程于2015年開工建設，2019年9月下閘蓄水，2021年電站正式發電、灌區順利試通水。

樞紐工程包括大壩、溢洪道、引水發電隧洞、電站等建筑物，水庫總庫容2.965億m3，為大(2)型水利工程。引水發電隧洞長3 780.56 m，引水流量19.4 m3/s，加大引水流量23.3 m3/s，設計灌溉面積45.39萬畝(3.026萬hm2)。同時，利用灌溉引水流量及水量建廠發電，電站裝機容量40 MW，多年平均發電量0.739 5億kW·h。

引水線路區地貌為高原山地地貌，分水嶺呈東西向展布，山頂高程4 639～4 967 m，相對高差350～950 m。分布基巖主要為侏羅系頁巖，含鈣質、泥質、碳質，局部夾薄層狀板理化細晶灰巖。根據巖石物理力學性質試驗成果(表1)，該頁巖屬極軟巖(飽和單軸抗壓強度在5 MPa以下)。線路通過向斜構造，巖層產狀變化較大，翼部傾角40°～60°。巖體透水性微弱，但部分洞段可能出現滲水、滴水現象，為順裂隙滲流，局部破碎帶洞段可能出現線狀流水。圍巖為Ⅳ，Ⅴ類，分別長2 760.00，1 020.56 m，各占比73%，27%。

表1 引水發電隧洞頁巖物理力學性質試驗成果Tab.1 Test results of physical and mechanical properties of shale in diversion and power generation tunnel

該工程隧洞一般埋深100～150 m，最大埋深213 m。隧洞為無壓洞，馬蹄形斷面，開挖斷面530 cm×515 cm(寬×高)，采用系統噴錨或鋼拱架作為初期支護，后期采用厚40～50 cm鋼筋混凝土襯砌(圖1)，混凝土強度等級為C25[9]。

圖1 引水發電隧洞斷面(尺寸單位：cm)Fig.1 Cross section of diversion and power tunnel

2 隧洞掘進施工

2.1 方案設計

根據初步設計報告和招標設計報告(以下簡稱“設計報告”)，引水隧洞采用全斷面鉆爆法開挖，手風鉆鉆孔爆破，中間掏槽、周邊小藥量光面爆破。0.5～1.0 m3側卸式裝載機裝渣，3～5 t自卸汽車出渣。鉆爆開挖過程中及時跟進以進行錨噴支護；對Ⅴ類圍巖洞段設置鋼支撐支護，并根據開挖圍巖情況對Ⅳ類洞段設置鋼支撐支護。由于巖性軟弱，地應力相對較大，流變特征較為明顯，因此在施工中每隔10～15 m進行洞室變形及圍巖應力監測，在分析監測數據的基礎上及時調整支護參數。后期襯砌和底板在隧洞分段開挖完成后一次性澆筑，先澆筑底板，然后鋪設臺車軌道，架設鋼模臺車施工鋼筋混凝土襯砌。

根據工程施工合同(以下簡稱“合同”)，地下洞室開挖包括洞線測量、施工期排水、照明和通風、鉆孔爆破、圍巖監測、塌方處理、完工驗收前的維護，以及將開挖石渣運至指定地區堆存和進行廢渣處理等工作。關于隧洞施工期排水，合同規定：承包人應根據項目法人提供的地下水勘探資料，估計排水量及排水范圍，負責設計、采購、安裝和維護全部地下施工排水系統，除非地下水涌水量超出預估數量和范圍2倍以上；相關費用均包含在隧洞開挖工程量的每立方米工程單價中，項目法人不另行支付。

2.2 實施結果

參照“短進尺、弱爆破、強支護、微擾動、勤觀測”的施工原則，在開挖過程中，采取光面爆破工藝控制開挖輪廓，隧洞底板預留30 cm作為保護層，兩側開挖排水溝，通過排水溝將水匯集到集水井后抽排出洞外。

在初期支護實施前，經參建四方聯合驗收，隧洞開挖的斷面總體成型控制較好，底板未發現有明顯的超挖，巖面光爆殘孔率可達到85%以上。隧洞地下水主要呈沿裂隙面出現的滲水、滴水，局部破碎地段出現線狀滴水，單點流量一般在0.1～0.5 L/min間，最大流量在10 L/min以下，采取了間歇性抽排水處理。

在施工過程中，地勘單位同步開展了施工地質工作。根據施工地質編錄與觀測資料，隧洞開挖揭露的圍巖類別、地層巖性、巖層產狀、地質構造、巖體結構、地應力水平及地下水等情況未發生改變。經召開技術咨詢會議，專家組判斷隧洞施工揭示的地質條件與前期勘察成果基本一致。

2.3 底板超挖情況

在隧洞底板混凝土澆筑前基礎驗收時，經測量斷面形狀，隧洞實際底板建基面凹凸不平，部分地段呈深槽狀，且普遍低于設計底板開挖線，均出現了不同程度的超挖(圖2)，清基前超挖部分呈含頁巖碎屑的黏稠泥狀(圖3)。隧洞實際底板建基面低于設計高程0.2～1.0 m，平均超挖厚度50 cm，橫斷面上平均超挖面積2.51 m2(圖2中陰影部分)，超挖工程量為9 494.06 m3。

圖2 引水發電隧洞底板驗收斷面(尺寸單位：cm)Fig.2 Acceptance section of bottom floor of diversion and power tunnel

圖3 隧洞底板超挖形成的黏稠泥Fig.3 Viscous mud formed by over-excavation of tunnel floor

由于底板整體均出現了超挖，底板旁側的臨時排水溝和集水井也因此被破壞，沒有發揮相應的排水作用(圖4)。

圖4 隧洞底板旁側被破壞的排水設施Fig.4 Damaged drainage facilities beside the tunnel floor

3 底板超挖原因分析

3.1 內 因

隧洞圍巖為侏羅系頁巖，巖性軟弱，根據表1試驗成果的干狀態與飽和狀態下巖石單軸抗壓強度，其屬極軟巖。

該隧洞超挖厚度為0.2～1.0 m，頁巖巖性軟弱是底板超挖的內因。根據其他工程資料，吉牛水電站引水隧洞巖石為二云英片巖，干狀態下巖石單軸抗壓強度為13.9～39.7 MPa，飽和狀態下巖石單軸抗壓強度為10.3～30.0 MPa，屬軟巖-較軟巖，底板超挖厚度為20～50 cm[10]。對比表明：軟質巖隧洞易發生底板超挖，且在其他因素影響基本相同的條件下，巖性越軟弱，超挖厚度越大。

3.2 外 因

3.2.1 機械設備反復碾壓

在施工現場，隧洞內作業的機械設備主要為側卸式裝載機和自卸汽車，另外在每一開挖支護循環需使用斗容1 m3的反鏟對開挖面進行危巖排險。根據施工過程中的現場觀察，經機械設備多次碾壓后，隧洞底板頁巖被磨蝕，并進一步發展成凹槽狀，且機械設備重量越大，碾壓次數越多，超挖厚度越大。

引水隧洞長3 780.56 m，中間布置了1條施工支洞，開挖共4個工作面。單個工作面控制長度分別為1 763.20 m和2 017.36 m，按爆破單循環2.5 m 計算，底板被出渣車反復碾壓，最多達1 600余次。因此，機械設備反復碾壓是隧洞底板超挖的直接外因。

3.2.2 水

隧洞內的水主要來源于地下水，此外，鉆爆施工用水也會在洞內形成積水。隧洞開挖過程中揭露的地下水為基巖裂隙水，多沿裂隙面滲水、滴水，局部斷層發育處出現線狀滴水。

頁巖受水的影響較大，主要體現在失水干裂、遇水軟化、浸水崩解。根據表1的試驗成果，強風化、弱風化、微新頁巖的軟化系數分別為0.22，0.32，0.43，均小于0.75，屬易軟化巖石。頁巖飽水后，巖石單軸抗壓強度顯著降低，僅為干抗壓強度的0.22～0.43倍。頁巖強度更低、超挖深度加大。因此，水是隧洞底板超挖的直接外因。

3.3 各因素綜合影響

根據卓雷棚等[11]對軟巖隧洞底板超挖受各因素影響的研究分析：① 無論洞底保持干狀態還是積水狀態，軟巖底板在機械設備的反復循環荷載作用下均會發生超挖，干狀態下軟巖被碾壓呈碎屑或巖粉，積水狀態下呈泥狀；② 機械設備輪壓反復循環荷載作用次數越多、裝載荷載越大，車轍下凹槽深度就越大；③ 在經歷相同荷載、相同循環反復荷載的前提下，積水狀態的車轍凹槽深度較干狀態的大。

因此，結合拉洛水利樞紐工程引水發電隧洞施工狀況，軟弱巖石、機械設備反復碾壓和水等多因素的綜合作用將導致隧洞底板出現超挖，其中巖性軟弱和機械設備反復碾壓是超挖的必要因素，水(地下水和施工用水)是加劇超挖作用的外因。

4 底板超挖應對措施

4.1 工程處理措施

為減少或避免隧洞底板發生超挖，需要采取措施消除相關因素的不利影響：① 由于現有技術手段無法改變巖石軟硬程度，因此只能對軟弱巖石采取保護措施；② 可盡量采取輕型設備，以減輕機械設備反復碾壓的影響；③ 可采取抽排水措施以消除水的不利影響。以下具體工程處理措施各有利弊，需根據實際情況選用。

(1) 預留保護層開挖。優點是隧洞底板超挖量明顯減少；缺點是保護層厚度難以確定，不同位置超挖深度大小不一，局部未被機械設備碾壓的地方甚至出現欠挖，造成二次處理工作量較大。

(2) 鋪設洞渣料作為墊層。按隧洞設計斷面開挖，并將部分渣料攤鋪在底板上。優點是可減少出渣量，短期內可改善運輸條件；缺點是墊層料也是軟弱巖石，被碾壓后逐步軟化、泥化，將導致泥化厚度更大，長期運輸更為困難。

(3) 鋪設砂石料作為墊層。按隧洞設計斷面開挖，從洞外運輸質地較堅硬的砂石料攤鋪在底板上。優點是對底板的保護快速且較為有效，缺點是將增加砂石料開采、運輸等相關投資。

(4) 及時澆筑混凝土作為墊層或底板。現澆混凝土需養護4～5 d，碾壓混凝土需養護1～2 d，可采用鋼棧橋在養護期間臨時通車。優點是可快速有效地保護底板，缺點是將增加混凝土生產、運輸、澆筑等相關投資。

(5) 采用皮帶機運輸石渣。優點是取消了出渣車輛，減輕了對底板的直接碾壓破壞；缺點是皮帶機架設后與洞內支護襯砌等機械設備相互干擾大，小斷面隧洞內無法實現平行作業。或可將大型設備替換為小型、輕型設備，采用小型機械設備配合人工進行清渣、出渣。

(6) 降低混凝土底板設計高程。根據底板超挖平均厚度，將底板設計高程降低，既能保證底板設計厚度，又能盡量減少混凝土回填量；缺點是因為隧洞底板超挖厚度不均衡，全洞段無法統一設計高程的降低標準，澆筑后的底板面將呈起伏狀，襯砌施工時鋼模臺車行走困難，不便于運行期檢修，也將造成一定水頭損失。

(7) 加強抽排水。在隧洞底板兩側開挖臨時排水溝，遇較大流量的出水點時增設排水孔，并將排水孔直接連接至排水溝中，間隔一定距離設置集水井，從集水井中抽水排出洞外。優點是通過抽排水可避免水在底板上漫溢，進而大大減輕超挖程度；缺點是排水設施不易維護。

為應對該工程的底板超挖，采取了多種處理措施，包括預留30 cm保護層、設置排水溝和集水井、對局部洞段嘗試采用澆筑混凝土墊層封閉。上述處理措施對底板超挖雖起到了一定程度的抑制作用，但仍不能徹底遏制，且在處理過程中占用了較多工期。此外還研究了鋪設鋼板、搭建鋼棧橋、軌道或皮帶機運輸石渣等各種方案，但因為造價過高或適應性差最終未實施。

4.2 變更或索賠

隧洞底板超挖工程量為9 494.06 m3，設計開挖量為88 830 m3，超挖工作量占設計開挖量的10.7%，底板超挖也意味著需要增加相同的混凝土超填量。超挖和超填延誤了工作進度，增加了成本，施工承包人要求通過設計變更或索賠來獲得相應的補償。為此，承包人向發包人提出：在隧洞施工過程中遇到不良地質條件，而設計報告、招標文件和合同未提出相關處理措施，在發包人要求加快施工進度的情況下，盡管承包人采取了多種處理措施，但仍發生了較嚴重的底板超挖，應作為設計變更，增加的相應投資由發包人支付。

(1) 根據水利部印發的水規計〔2012〕93號《水利工程設計變更管理暫行辦法》第三條規定：設計變更是相對于已批準的初步設計所進行的修改活動；根據合同規定，對不可預見的地質原因引起的超挖，其費用由發包人承擔，對可預見的地質原因引起的超挖和抽排水，其費用由承包人承擔。在初步設計報告和招標設計報告中，均已詳細說明了隧洞軟質巖特性，預測了地下水出露形式和出水量，經施工開挖揭示，實際地質條件與前期地勘成果基本一致(且經專家咨詢會同意)。因此，隧洞地質條件未發生改變，底板超挖應屬于可預見的地質原因引起的一種情況。

(2) 招標文件和合同中已指出，石渣運輸、抽排水等方案由承包人自行制定，在初設報告中已說明了軟質巖易風化、軟化、具流變特性等，并要求重視“隧洞施工”。作為有經驗的承包人，應理解此處“隧洞施工”包括鉆爆、清渣、出渣、支護、襯砌、抽排水等全過程。

(3) 承包人未能提供有關發包人要求加快施工進度的有效文件。此外，科學合理地預防底板超挖的發生和處理超挖問題不僅不會延緩反而有助于加快隧洞施工進度。

綜上所述，承包人要求對隧洞底板超挖進行設計變更無正當理由，索賠事件也不成立。

5 結 論

本文通過對拉洛水利樞紐工程隧洞底板超挖原因和相應工程、商務處理措施進行分析，得到以下結論。

(1) 隧洞底板超挖現象因未引起足夠重視、相關研究成果較少，經綜合分析與對比研究表明：底板超挖是內、外因綜合作用的結果，巖石巖性軟弱屬內因，機械設備反復碾壓和水屬外因；巖石軟弱和機械設備反復碾壓是必要因素，缺少任一因素均不會造成底板超挖，水(地下水和施工用水)在底板超挖過程中起加劇作用。

(2) 為減少或避免隧洞底板發生超挖，可采取預留保護層、鋪設洞渣料/砂石料/澆筑混凝土墊層、皮帶機運輸石渣、加強抽排水等工程處理措施。各措施均有利弊，需根據實際情況選用可靠、經濟、有效的處理方案。在底板超挖發生后，適當降低混凝土底板設計高程，可減少超填量，節約投資。

(3) 為避免在設計變更或索賠過程中發生糾紛，勘察單位應在設計報告中對隧洞圍巖特別是軟巖特性進行充分、全面的說明；設計單位應在設計報告(含圖紙)中、發包人應在招標文件中明確提出因特殊地質條件而存在底板超挖的可能性；承包人在施工過程中，應保存相關的有效證據，對于具體處理方案，可報請發包人組織專家進行咨詢或評審。

(4) 對軟巖隧洞施工，承包人應在深刻理解設計報告、招標文件的基礎上，重視可能發生的底板超挖問題，提前謀劃，施工過程中應積極、主動處理，必要時持續優化相關處理方案。否則，會導致較為嚴重的底板超挖，最終延誤工期、增加費用、造成損失。發包人應主動向承包人提供勘察設計資料，以幫助承包人加深對工程的認識。