水平巖層地區(qū)地下洞室穩(wěn)定性分析評價及工程處理

孫新權(quán)

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西咸陽 713700)

水平巖層地區(qū)地下洞室穩(wěn)定性分析評價及工程處理

孫新權(quán)

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西咸陽 713700)

水利水電工程建設(shè)中地下洞室是極為常見并且極其重要的工程組成部分，而地下洞室的穩(wěn)定性是整個洞室施工過程中的關(guān)鍵性地質(zhì)問題。以榆林市王圪堵水庫泄洪排沙洞施工過程中存在的主要工程地質(zhì)問題和處理措施的實例，對水平巖層地區(qū)地下洞室穩(wěn)定性分析評價和工程處理進行分析總結(jié)。

水平巖層;地下洞室;穩(wěn)定性分析評價;工程處理

王圪堵水庫樞紐位于榆林市橫山縣縣城西北12.0 kg處的無定河干流之上，距榆林市60.0 kg，是無定河中游的一項水沙控制工程，工程的主要功能是以供水、攔沙為主，兼顧灌溉、發(fā)電、防洪等綜合功能。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和壩后電站等主要建筑物組成，各建筑物均位于大壩右岸。

泄洪排沙洞為2級建筑物，為無壓隧洞，呈城門洞形，長269.0 m，設(shè)計進口高程為 1 014.0 m，出口高程為1 010.625 m，比降 i=1/80，洞徑 4 ×5.5 m，實際開挖毛洞寬5.5 m，高7.5 m。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，過流能力為220 m3/s，校核過流能力為230 m3/s。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣，地勢西北高、東南低，海拔高程1 000～1 400 m，地形高差約50～100 m。地貌成因種類、形態(tài)類型較為復(fù)雜，東南部為黃土梁峁、丘陵溝壑地貌，西北部為風(fēng)成沙漠地貌。

區(qū)內(nèi)地層以第四系松散堆積的粉細(xì)砂、壤土、黃土、黃土狀壤土夾古土壤為主，前第四系粘土巖、砂泥巖地層僅于溝谷有少量出露。

工程區(qū)位于鄂爾多斯地臺中部，是地質(zhì)史上長期相對穩(wěn)定、完整的地塊。在以工程場地為中心的25 km近場區(qū)內(nèi)，既無區(qū)域性較大斷裂通過，也無規(guī)模較小的次級斷裂存在，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分級屬穩(wěn)定性好地區(qū)。工程區(qū)地震動峰值加速度a=0.039 g，地震動反應(yīng)譜特征周期T=0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度＜Ⅵ度。

區(qū)內(nèi)地下水可分為孔隙、裂隙潛水和基巖承壓水兩大類。孔隙潛水主要接受大氣降水補給，基巖裂隙水主要接受孔隙潛水的補給，受地層結(jié)構(gòu)的控制，多為潛水，局部形成承壓水。

2 泄洪排沙洞工程地質(zhì)條件及評價

2.1 隧洞巖體特征及物理力學(xué)試驗指標(biāo)

2.1.1 隧洞巖體特征

泄洪排砂洞位于大壩右岸斜坡地帶，地層結(jié)構(gòu)由上下兩部分組成，上部為第四系松散堆積的風(fēng)積、坡積粉細(xì)砂，層厚0.5～8.0 m;下部地層巖性以侏羅系砂巖、泥巖互層為主，厚度大于50 m。洞室?guī)r性為砂泥巖地層，呈中厚層狀，以弱風(fēng)化為主，質(zhì)軟，完整性較差，較破碎。巖體以層狀單斜構(gòu)造為主，層理較發(fā)育，走向NW，傾向NE40°～45°，傾角5°～12°，層間呈不整合接觸，層面多平直光滑，局部受地下水影響，層理面軟化，形成橘黃色軟弱夾層。

2.1.2 巖石物理力學(xué)試驗指標(biāo)

通過泄洪排沙洞巖體的試驗成果資料匯總分析，按不同巖性和風(fēng)化程度對洞室圍巖的力學(xué)指標(biāo)建議值如表1。

表1 巖體力學(xué)指標(biāo)建議值

2.2 泄洪排沙洞工程地質(zhì)條件及評價

泄洪排沙洞位于壩址右岸岸坡中部，根據(jù)施工開挖揭示，對開挖后洞室工程地質(zhì)條件及分段評價如下:

1)設(shè)計樁號0+000～0+010 m洞室段

洞頂圍巖厚度13.2～13.7 m，圍巖巖體巖性為強～弱風(fēng)化的中厚層狀砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖互層，軟質(zhì)巖。屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。

巖體層理較發(fā)育，洞室頂部坍塌較嚴(yán)重，其中漸變段(0+000～0+005 m)發(fā)生過小塌方，塌落高度1.3 m。開挖后斷面見圖1。

圖1

2)樁號0+010～0+195 m洞室段

洞頂圍巖厚度13.2～22.5 m，圍巖巖性為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖互層，弱風(fēng)化，中厚層狀，以較軟巖為主，局部泥巖段屬軟巖、極軟巖。巖體層理發(fā)育，完整性差，地下水高洞頂，屬不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖。

該洞段圍巖沿層理面剝落現(xiàn)象普遍，側(cè)墻局部有掉塊現(xiàn)象。其中樁號0+018～0+022 m、0+018～0+022 m、0+055 ～0+060 m、0+086 ～0+105 m、0+109.54 ～0+119.5 m、0+135～0+195 m段拱頂有地下水出露，以點滴狀為主，局部呈線狀流水;樁號0+66～0+086 m、0+086～0+135 m、0+135～0+195 m段頂拱有塌方現(xiàn)象，塌落高度一般0.4—2.0 m，最大2.7 m。開挖后斷面見圖2。

圖2

3)樁號0+195～0+269 m洞室段

洞頂圍巖厚度11.85～16.79 m，圍巖巖性為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖互層，弱風(fēng)化，薄～中厚層狀，砂巖屬軟質(zhì)巖、泥巖為極軟巖。巖體層理，發(fā)育，完整較差，地下水高洞頂，洞室圍巖屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類。

該段洞室側(cè)墻及頂拱地下水以點滴狀出露為主，其中0+227～0+231 m段有涌水現(xiàn)象，最大涌水量約50 L/min;拱頂自穩(wěn)性差，沿層理面剝落現(xiàn)象較普遍，局部段頂拱有塌方現(xiàn)象，塌落高度一般1.8～2.3 m，最大2.7 m。開挖后斷面見圖3。

圖3

2.3 隧洞施工時主要工程地質(zhì)問題及處理措施

2.3.1 施工中主要工程地質(zhì)問題

泄洪排沙洞洞室施工過程中存在的主要的工程地質(zhì)問題是洞室開挖中的頂拱圍巖坍塌和地下水滲漏及涌水，現(xiàn)對其主要問題原因分析如下:

(1)洞室?guī)r性以砂巖(較軟巖)和泥巖(軟巖、極軟巖)為主，巖層傾角較緩，一般為5°～12°，故在開挖過程中極易發(fā)生頂拱失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象，坍塌范圍和高度受巖性、層面裂隙及構(gòu)造裂隙和地下水發(fā)育程度影響較大。

(2)洞室全洞段地下水位均高于洞頂，基巖裂隙水較發(fā)育，故全洞段均存在頂拱或邊墻滴滲水現(xiàn)象，局部涌水段受構(gòu)造裂隙和巖性變化控制。

2.3.2 處理措施

(1)對極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖段，采用分段開挖爆破，以“短進尺、勤支護、緊排水”的施工工藝盡可能減少洞頂?shù)奶?，開挖后及時采用每米1拱的鋼拱架支撐，并及時掛網(wǎng)噴護。

(2)對不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖段，開挖后視洞室穩(wěn)定情況，局部采用每2米1拱的鋼拱架支撐并掛網(wǎng)噴護或錨噴支護措施。

對頂拱為泥巖段，在前期施工中因支護襯砌不及時，造成了頂拱較大范圍的坍塌(見圖3)。在后期的施工中，充分利用泥巖短期內(nèi)可以自穩(wěn)，長期暴露則極易坍塌的工程特性，在洞室開挖后及時對頂拱進行支護襯砌，有效地避免了洞頂圍巖的大范圍坍塌。

(3)洞室開挖工作結(jié)束后，進行全洞段回填灌漿工作，對地下水特別發(fā)育地段采取導(dǎo)水孔導(dǎo)出地下水，有效地解決了地下水對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)語

水平巖層地區(qū)地下洞室開挖中存在的主要問題是頂拱坍塌問題，其主要受控因素為巖性、層面裂隙及構(gòu)造裂隙和地下水，在今后同類工程的勘察工作中，應(yīng)盡可能采取不同的勘察手段對上述地質(zhì)問題進行詳盡的勘察和分析論證，以便對后期施工起到很好的指導(dǎo)作用。并且在施工中能充分利用各類巖體的不同特性，避免因施工不當(dāng)造成的洞室失穩(wěn)。

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1004－1184(2013)05－0120－02

2013-05-17

孫新權(quán)(1978-)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。