水庫放水隧洞的不良地質(zhì)情況的處理

張 偉

（新疆維吾爾自治區(qū)草原畜牧工程勘察規(guī)劃設(shè)計院 新疆烏魯木齊 830049）

紅山水庫地處吐魯番，新建放水隧洞位于庫區(qū)東岸，全長1 156 m，其中有壓洞200 m，無壓洞956 m，均為城門洞型，洞軸線穿越紅山水庫與白楊河之間的臺地。放水隧洞的工程地質(zhì)問題有：斷層、圍巖不穩(wěn)定、出口砂巖坍塌、圍巖具膨脹性、崩解性、對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性、進(jìn)水口處高陡邊坡不穩(wěn)。文中論述了工程地質(zhì)問題的處理方案。

1 工程地質(zhì)概況

隧洞所處區(qū)域地層上部為第四紀(jì)上更新世沖洪積堆積（Q3al+p）卵礫石，厚度2～15 m，稍密—中密態(tài)，中粗砂、泥質(zhì)充填；下部為上第三系中新統(tǒng)桃樹園組（N1t）紅色泥巖、灰白色泥巖與青灰色砂巖互層，處于局部小背斜南翼，為卵礫石下臥層。

隧洞有壓洞及無壓洞0+000～0+900地段分布巖層為紅色泥巖，其節(jié)理裂隙發(fā)育,為碎裂結(jié)構(gòu)，地層近于水平，傾角8.5°～10°，由南東向北西厚度由大變小，直至尖滅，其強(qiáng)風(fēng)化層底限埋深50 m，中等風(fēng)化層底限埋深55 m，其下為弱風(fēng)化層、新鮮巖層，在垂直方向上隨深度的增加巖體完整性由差變?yōu)檩^好；具崩解性、膨脹性、弱腐蝕性，飽和單軸抗壓強(qiáng)度低、巖體完整性差的特點。該區(qū)段在無壓洞0+155樁號處為一寬為1 m的斷層，開挖后在斷層處形成2.0 m的塌落拱。

在放水隧洞的出口0+900～0.956區(qū)段巖層為厚度約15m的灰白色泥巖與青灰色砂巖互層，地層產(chǎn)狀SW213O∠8.5O～10°，處在局部小背斜的核部及南翼，與下伏地層為整合接觸關(guān)系。其中0+907～0+917段為一斷層破碎帶，斷層寬10 m，破碎帶由砂、礫石和泥巖角礫組成，無層理，礫石局部呈直立定向排列，斷層總體走向290°，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，未見活動跡象；0+900～0+907和0+917～0+928段巖層為第三系青灰色砂巖、砂礫巖組成，受斷層影響，巖層破碎無層理，局部呈流沙狀態(tài)；0+928～0.956區(qū)段巖層為第三系灰白色泥巖、青灰色砂巖、砂礫巖互層，該區(qū)段上覆巖體厚3～8 m，洞室?guī)r體由強(qiáng)風(fēng)化巖石組成，泥巖風(fēng)化裂隙發(fā)育，砂巖、砂礫巖局部呈流沙狀態(tài)。

放水隧洞進(jìn)水口處于上第三系中新統(tǒng)桃樹園組（N1t）磚紅色泥巖之中，在水庫設(shè)計蓄水位線和水位275.0 m之間為高陡邊坡，邊坡多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可出現(xiàn)大面積的坍塌，導(dǎo)致邊坡的再造，重塑邊坡的穩(wěn)定性，由于其節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體屬碎裂結(jié)構(gòu)，成洞條件差。

工程區(qū)分布的紅色泥巖、灰白色泥巖與青灰色砂巖，均屬軟質(zhì)巖，最大圍巖壓力4.1 MPa，圍巖類別除出口0+900～0.956區(qū)段為Ⅴ類外，余均為Ⅳ類，圍巖穩(wěn)定為Ⅲ類，穩(wěn)定性差。

該放水隧洞的工程地質(zhì)問題有：斷層、圍巖不穩(wěn)定、出口砂巖坍塌、圍巖具膨脹性、崩解性、對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性、進(jìn)水口處高陡邊坡不穩(wěn)。

2 放水洞進(jìn)、出口位置選擇及設(shè)計

根據(jù)放水洞進(jìn)口工程地質(zhì)條件，進(jìn)水口選擇在水位275 m以下成洞條件相對較好、邊坡相對穩(wěn)定和平緩的位置，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在平面布置上，選擇明渠、涵洞和有壓洞順序相接的布置方式，經(jīng)開挖處理，在圍巖相對穩(wěn)定和完整的位置形成洞口，洞口上覆巖體厚度為4.0 m，洞口開挖后，邊坡及洞室均穩(wěn)定，未發(fā)生坍塌。

放水洞出口圍巖厚度3 m，巖層為第三系灰白色泥巖、青灰色砂巖、砂礫巖互層，砂礫巖局部呈流沙狀態(tài)，不具備成洞條件，設(shè)計時根據(jù)地形地質(zhì)條件，沿軸線向上游開挖6.0 m，開挖后形成的洞室上覆圍巖厚度為8.0 m，洞口經(jīng)錨噴處理，放水洞出口洞室和開挖后形成的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)

3 對于硫酸根離子等腐蝕的設(shè)計處理方案

放水洞初設(shè)階段地質(zhì)勘察報告對圍巖腐蝕性的試驗結(jié)論為圍巖中硫酸鹽、鎂鹽、總礦化度等介質(zhì)對混凝土不具腐蝕性，圍巖對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性，圍巖對鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性，初步設(shè)計中對腐蝕性的處理設(shè)計方案為在襯砌混凝土中攙加20%的礦渣微粉。隧洞洞室開挖后，通過對在有壓洞拱頂滲出的水進(jìn)行水質(zhì)檢驗全分析，實驗結(jié)果為含量為7 367.8 mg/L，Cl-含量 4 023.6 mg/L，表明圍巖對混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)均具強(qiáng)腐蝕性，為滿足隧洞襯砌體抗圍巖腐蝕性的要求，通過混凝土配合比實驗，確定在混凝土中摻加礦渣微粉，其中拱頂泵送混凝土中摻加的礦渣微粉占膠凝材料的40%，邊墻和底板混凝土的礦渣微粉占膠凝材料的60%。

4 隧洞開挖初期支護(hù)方案

由于洞身小，工期緊，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用全線開挖完成后再襯砌的施工方案，這就要求必須采取相應(yīng)的初期支護(hù)措施，針對隧洞沿線不同的地質(zhì)條件，本工程在開挖過程中，采用不同的初期支護(hù)方法和技術(shù)，不僅保證了施工安全和工期而且大幅度節(jié)約工程支護(hù)投資，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

隧洞除有壓洞段、出口段和部分?jǐn)鄬?、大的裂隙發(fā)育區(qū)段外，大部分區(qū)段主要為小規(guī)模節(jié)理和裂隙，圍巖整體性較高，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但洞室開挖后由于暴露時間長，風(fēng)化快，而且圍巖小規(guī)模節(jié)理和裂隙發(fā)育、巖層層向近似水平且層厚無規(guī)則，使得洞室開挖后剝落掉塊頻繁，其主要發(fā)生在水平層向的拱頂和拱腰，塌落掉塊面積在0.25～0.5 m2之間，其次發(fā)生在邊墻風(fēng)化、龜裂后的塊狀掉落，掉塊面積在0.018～0.25 m2間，針對這種狀況，本著施工安全快捷、投資小的原則，反復(fù)進(jìn)行了各種支護(hù)工藝的實驗，最后確定采用洞身設(shè)計混凝土襯砌外層縱、橫向鋼筋作為基本支護(hù)體，再在拱腳以上部位用錨桿錨固掛設(shè)Φ8，間距200 mm×200 mm，寬1.0 m的鋼筋網(wǎng)片。錨固鋼筋網(wǎng)片的錨桿為Φ25，長1.5～2.5 m，設(shè)在兩拱腰和兩起拱點處，間距1.0 m；設(shè)計混凝土襯砌外層縱、橫向鋼筋基本支護(hù)體的制安為在邊墻底部、起拱點和拱頂設(shè)一排五根長0.4 m的Φ16錨桿，錨桿每排間距2.0 m，襯砌外層鋼筋焊接的錨桿上，外層鋼筋縱、橫向間距均為200 mm，規(guī)格為縱向鋼筋為Φ12、橫向鋼筋為Φ16，Φ16外層橫向鋼筋每隔2.0 m一根的底部彎成直角。彎起長度為150 mm，直接與底板基巖接觸，承受整體鋼筋支護(hù)體的自重和圍巖掉塊的重量。這樣的支護(hù)措施實施后，支護(hù)體承受了全線巖塊的掉落和多處小塌方承壓不變形，證明這種支護(hù)措施在有小規(guī)模節(jié)理和裂隙發(fā)育、圍巖整體性較高、基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的隧洞施工初期支護(hù)中是有效和經(jīng)濟(jì)的，值得借鑒和推廣。

隧洞有壓洞段和部分?jǐn)鄬?、大的裂隙發(fā)育區(qū)段的支護(hù)采用鋼拱架和錨噴相結(jié)合的方式進(jìn)行隧洞的初期支護(hù)，由于有壓洞段和部分?jǐn)鄬印⒋蟮牧严栋l(fā)育區(qū)段裂隙發(fā)育，開挖后均發(fā)生不同程度的掉塊塌落現(xiàn)象，該段采用鋼拱架和和錨噴相結(jié)合的方式，其中鋼拱架為16號工字鋼，間距2.0 m，錨桿為φ25，長2.0～3.0 m，錨桿間距0.8 m，噴射混凝土層厚度100～150 mm。

放水洞出口洞室支護(hù)，由于巖層為第三系灰白色泥巖、青灰色砂巖、砂礫巖互層，砂礫巖局部呈流沙狀態(tài)，經(jīng)反復(fù)試鉆，錨桿無法有效發(fā)揮支護(hù)作用，故此區(qū)段斷層和流砂層采用鋼拱、鋼板和混凝土素噴相結(jié)合的支護(hù)方式，其中拱腳以上部位為2 mm厚的鋼板，直墻采用混凝土素噴，鋼拱架為16號工字鋼，間距2.0 m。此區(qū)段其他部位其支護(hù)方式同隧洞有壓洞。

通過對隧洞各區(qū)段不同地質(zhì)情況采取各種不同支護(hù)方式，有效地達(dá)到了初期支護(hù)的作用，隧洞開挖如期完工，而且達(dá)到了安全生產(chǎn)。

5 對斷層的處理方案

紅山水庫放水洞全線有兩處斷層，其中無壓洞0+155處斷層寬1.0 m，斷層影響帶寬5.0 m，經(jīng)過對斷層表現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象的分析，確定對斷層及影響帶段與其他段設(shè)結(jié)構(gòu)縫，斷層處襯砌厚度經(jīng)計算分析加厚為500 mm，縱橫向鋼筋均加密，回填及固結(jié)灌漿孔加密，固結(jié)灌漿孔排距2.0 m，每排6孔，梅花型布置；回填灌漿孔排距2.0 m，間隔每排3孔、2孔，梅花型布置。且要求施工中在斷層處必須設(shè)回填及固結(jié)灌漿孔。

0+907～0+917段斷層寬10 m，為一斷層破碎帶，破碎帶由砂、礫石和泥巖角礫組成，無層理，礫石局部呈直立定向排列，斷層總體走向290°，由于初期支護(hù)形成的斷面和原設(shè)計開挖斷面一致，而且不可能將初期支護(hù)拆除再進(jìn)行開挖，故本處斷層的處理方案為結(jié)構(gòu)縫間距為5.0 m，經(jīng)計算縱向鋼筋為Φ16＠150、橫向鋼筋為Φ20＠150。固結(jié)灌漿孔排距2.0 m，每排6孔，梅花型布置；回填灌漿孔排距2.0 m，間隔每排3孔、2孔，梅花型布置。