大斷面高邊墻導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理段施工綜合應(yīng)對(duì)措施

韓進(jìn)奇，李洪偉，李 侃

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730)

1 概述

白鶴灘水電站工程施工采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流的方式，在左岸布置有3條導(dǎo)流隧洞，1#導(dǎo)流隧洞洞長2007．63m，柱狀節(jié)理發(fā)育洞段主要分布在K0+435～0+925洞段，約占洞段總長的25%;2#導(dǎo)流隧洞洞長1791．31m，柱狀節(jié)理發(fā)育洞段主要分布在K0+330～0+860洞段，約占洞室總長的32%;3#導(dǎo)流隧洞洞長1584．82m，柱狀節(jié)理發(fā)育洞段主要分布在K0+245～0+760洞段，約占洞室總長的32．5%。

柱狀節(jié)理是指出現(xiàn)在玄武巖質(zhì)熔巖里的垂直節(jié)理，大部分呈多角形，它是在無上覆巖石壓力的條件下由冷凝收縮而形成的。冷凝作用，使剛固結(jié)的巖石發(fā)生垂直于收縮方向的張裂隙，裂隙為兩組或三組，從而構(gòu)成斷面為六邊形、五邊形或四邊形的柱體形狀。導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理洞段開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸為19．7m×24．2m(寬×高)，邊墻高度為18．44m。支護(hù)形式較多，主要有普通砂漿錨桿、錨墊板錨桿、漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿，噴鋼纖維混凝土、掛網(wǎng)、鋼筋拱肋等。導(dǎo)流隧洞開挖長度長、斷面尺寸大，開挖和支護(hù)工程量大。

2 地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞沿線巖體為單斜巖層，巖性為P2β23、P2β3、P2β41、P2β42層杏仁狀玄武巖、隱晶～微晶玄武巖夾角礫熔巖和凝灰?guī)r等，其中P2β3層的P2β32、P2β33發(fā)育柱狀節(jié)理玄武巖，P2β32層主要為第二類柱狀節(jié)理玄武巖，P2β33層主要為第一類柱狀節(jié)理玄武巖，P2β2層頂部的P2β24為厚0．3 ～1．75m 的凝灰?guī)r，P2β3層頂部的 P2β36為厚0．01 ～1．3m 的凝灰?guī)r。

柱狀節(jié)理是玄武巖中特有的構(gòu)造，多見于厚層熔巖中，其形態(tài)大多呈一種規(guī)則的多邊形長柱體，節(jié)理面形態(tài)以平直粗糙為主，部分為波狀粗糙。柱狀節(jié)理玄武巖開挖后易張開、松弛，原嵌合緊密的柱體因松弛形成局部掉塊，施工中應(yīng)注意爆破工藝，開挖后清撬工作要徹底并及時(shí)實(shí)施錨噴支護(hù)。

3 柱狀節(jié)理洞段圍巖松弛變形研究

3．1 監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)孔的布置

為研究柱狀節(jié)理巖體在開挖強(qiáng)卸荷下的圍巖松弛變形規(guī)律，在左岸導(dǎo)流隧洞中布置了8個(gè)斷面開展圍巖松弛效應(yīng)測(cè)試(圖1)，其中1#導(dǎo)流洞布置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，2#、3#導(dǎo)流洞各布置了三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均在左右邊墻及拱肩、頂拱布置有監(jiān)測(cè)孔。

圖1 典型監(jiān)測(cè)斷面布置圖

監(jiān)測(cè)孔采用多臂錨桿鉆機(jī)、地質(zhì)鉆、高風(fēng)壓鉆鉆設(shè)。鉆孔孔徑均為75mm，孔深9m。

3．2 測(cè)試方法

本次監(jiān)測(cè)采用單孔聲波波速測(cè)試法和由巖體裂隙演化的數(shù)字鉆孔攝像，聲波測(cè)試儀器為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RSM-SY5智能聲波儀，聲波探頭采用萬向電子器件有限公司生產(chǎn)的FSS-20型單孔聲波檢測(cè)換能器。單孔聲波檢測(cè)換能器的頻率為20kHz，直徑為50mm，換能器的結(jié)構(gòu)為:發(fā)射至接收一距離為20cm，接受一至接收二距離為20cm。數(shù)字鉆孔攝像設(shè)備為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的 DPBCS系統(tǒng)，其對(duì)裂隙的最小分辨率為0．1～0．2 mm。

3．3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本次測(cè)試采用聲波測(cè)試，典型巖體波速變化曲線如圖2、3所示。通過對(duì)左岸導(dǎo)流洞玄武巖柱狀節(jié)理段松弛時(shí)效特性的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后得到的主要結(jié)果如下:

(1)對(duì)布置在距開挖面30m附近的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析顯示，上層柱狀節(jié)理洞段松弛范圍為2．5m左右。中層柱狀節(jié)理距底板2m處的松弛深度為3m左右;距中層底板4m處的松弛深度為4m左右。

(2)在地應(yīng)力較高且右拱肩有掉塊現(xiàn)象的洞段布置的監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)試結(jié)果顯示該區(qū)域松弛范圍明顯高于其他斷面，距上層底板2m處的松弛范圍為3m左右，距上層底板4m位置的松弛范圍達(dá)到3．8m。

(3)在靠近斷層附近布置的監(jiān)測(cè)斷面得到的測(cè)試結(jié)果顯示松弛深度稍大，為3．5m左右。

因此可知，柱狀節(jié)理的松弛變形除自身受到爆破卸荷影響而增大外，還與地應(yīng)力的影響、錯(cuò)動(dòng)帶或其他節(jié)理裂隙產(chǎn)生的影響密切相關(guān)。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面鉆孔T1-E6聲波波速隨深度變化曲線圖

圖3 監(jiān)測(cè)斷面鉆孔T1-E12聲波波速隨深度變化曲線圖

4 柱狀節(jié)理段支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

由于柱狀節(jié)理洞段巖體開挖后易松弛的特點(diǎn)，在施工過程中邊施工、邊總結(jié)，并結(jié)合圍巖松弛測(cè)試的結(jié)果，經(jīng)多次會(huì)議討論，最終確定對(duì)柱狀節(jié)理洞段的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了以下優(yōu)化調(diào)整(表1)。

表1 柱狀節(jié)理段支護(hù)形式優(yōu)化對(duì)比表

5 柱狀節(jié)理洞段施工采取的應(yīng)對(duì)措施

5．1 柱狀節(jié)理段第一層開挖施工

柱狀節(jié)理洞段原開挖方案采用分三區(qū)進(jìn)行施工(圖4):中導(dǎo)洞先行，兩側(cè)擴(kuò)挖滯后一定距離，“品”字型推進(jìn)，后根據(jù)開挖的情況及對(duì)爆破效率進(jìn)行分析后改為采用分兩區(qū)進(jìn)行開挖(圖4):中、左側(cè)先開挖，右側(cè)滯后一定距離跟進(jìn)。分兩區(qū)開挖能減小開挖與支護(hù)的施工干擾，對(duì)及時(shí)組織支護(hù)施工有利，能夠有效防止巖石長時(shí)間裸露引起松弛范圍增大。

圖4 柱狀節(jié)理段第一層分區(qū)示意圖

柱狀節(jié)理洞段第一層開挖施工方法與其余洞段一致，均利用自制鉆爆平臺(tái)作為作業(yè)平臺(tái)，采用人工持手風(fēng)鉆鉆水平孔光爆開挖。

5．2 柱狀節(jié)理段第一層支護(hù)施工

(1)支護(hù)施工程序。

柱狀節(jié)理發(fā)育洞段范圍較廣，分布有Ⅱ類、Ⅲ1類、Ⅳ類圍巖等。根據(jù)不同的圍巖采取不同的支護(hù)方式，總體的支護(hù)程序?yàn)?

Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖洞段:隨機(jī)排水孔→初噴6 cm厚鋼纖維混凝土→系統(tǒng)錨桿施工→復(fù)噴9cm厚鋼纖維混凝土。

Ⅳ類圍巖洞段:隨機(jī)排水孔→初噴6cm厚鋼纖維混凝土→短系統(tǒng)錨桿施工→掛鋼筋網(wǎng)→鋼筋拱肋安裝→普通預(yù)應(yīng)力錨桿施工(必要時(shí)采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿)→復(fù)噴9cm厚鋼纖維混凝土。

①Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖柱狀節(jié)理發(fā)育洞段支護(hù)程序。

對(duì)于柱狀節(jié)理發(fā)育的Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖洞段，開挖完成后立即進(jìn)行初噴6cm厚鋼纖維混凝土封閉。鋼纖維混凝土克服了素混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小和脆性等弱點(diǎn)，能夠在初期形成一層具有較高的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度的承載拱圈，有效防止柱狀節(jié)理開挖完成后的松弛變形。對(duì)于有滲水的部位，需優(yōu)先設(shè)排水孔引排滲水，再進(jìn)行噴鋼纖維混凝土封閉，防止圍巖因滲透壓力導(dǎo)致坍塌(圖5)。

圖5 柱狀節(jié)理段受滲水影響噴混凝土后發(fā)生坍塌示意圖

②Ⅳ類圍巖柱狀節(jié)理發(fā)育洞段支護(hù)程序。

對(duì)于柱狀節(jié)理發(fā)育洞段同時(shí)存在緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶、層面、隨機(jī)節(jié)理裂隙、斷層等不利地質(zhì)構(gòu)造存在的部位，需嚴(yán)格按照一炮一支護(hù)進(jìn)行施工，否則極易發(fā)生坍塌(圖6)。開挖完成后，按照設(shè)計(jì)支護(hù)形式在完成所有系統(tǒng)支護(hù)后方能進(jìn)行下一循環(huán)的開挖支護(hù)施工。

(2)支護(hù)施工方法。

圖6 柱狀節(jié)理段受滲水影響噴混凝土后發(fā)生坍塌示意圖

柱狀節(jié)理段支護(hù)施工方法選擇的關(guān)鍵在于如何形成快速支護(hù)。左岸導(dǎo)流隧洞的支護(hù)充分利用大型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了快速支護(hù)施工(圖7)。主要采用的設(shè)備有多臂鑿巖臺(tái)車、濕噴臺(tái)車、液壓支護(hù)平臺(tái)、吊車平臺(tái)等。

5．3 柱狀節(jié)理段第二層的開挖施工

柱狀節(jié)理段第二層開挖利用直邊墻的結(jié)構(gòu)特征，采取深孔預(yù)裂、梯段爆破的方式進(jìn)行開挖。

圖7 第一層支護(hù)施工方法示意圖

預(yù)裂爆破就是提前將巖體在爆破沖擊波的作用下拉開一條預(yù)裂線，以減小中部梯段開挖對(duì)邊墻的影響，通常梯段爆破會(huì)滯后預(yù)裂爆破一段時(shí)間。預(yù)裂爆破會(huì)使已成縫的巖體暴露在空氣中，結(jié)合柱狀節(jié)理玄武巖開挖后易松弛的特點(diǎn)，預(yù)裂縫兩側(cè)巖體會(huì)逐漸張開、松弛，造成松動(dòng)圈擴(kuò)大，逐層剝落，將直接影響到邊墻的穩(wěn)定性。

避免超前預(yù)裂導(dǎo)致柱狀節(jié)理段圍巖暴露時(shí)間長而導(dǎo)致松弛圈增大。對(duì)于柱狀節(jié)理段，主要采用深孔光面爆破的方式進(jìn)行開挖;另外，也有部分洞段采用預(yù)裂爆破，但梯段爆破與相應(yīng)段的預(yù)裂爆破同時(shí)進(jìn)行，通過非電雷管微差起爆方式保證預(yù)裂孔先于主爆孔爆破。兩種方式均可解決超前預(yù)裂所帶來的柱狀節(jié)理段結(jié)構(gòu)面暴露時(shí)間長的問題。相對(duì)而言，光面爆破由于線裝藥量小，更能減小爆破松動(dòng)圈，更有利于柱狀節(jié)理段的圍巖穩(wěn)定。

圖8 第二層開挖方法示意圖

5．4 柱狀節(jié)理段第二層的支護(hù)施工

第二層開挖支護(hù)時(shí)嚴(yán)格按以下時(shí)間段進(jìn)行支護(hù)施工(圖8):

開挖完成后，1周內(nèi)完成初噴鋼纖維混凝土封閉，20d內(nèi)完成6m系統(tǒng)錨桿支護(hù)，1個(gè)月內(nèi)完成所有系統(tǒng)支護(hù)施工。第二層支護(hù)施工仍采用大型設(shè)備進(jìn)行快速支護(hù)，有效遏制了柱狀節(jié)理松弛變形，取得了較好的成效，左岸導(dǎo)流洞柱狀節(jié)理的松弛深度最大未超過4m。

柱狀節(jié)理段的支護(hù)施工充分利用大型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了快速支護(hù)施工。采用的設(shè)備有多臂鑿巖臺(tái)車、濕噴臺(tái)車、液壓支護(hù)平臺(tái)、吊車平臺(tái)等。

5．5 柱狀節(jié)理段第三層的開挖、支護(hù)施工

第三層開挖施工主要采用手風(fēng)鉆水平光爆開挖，其支護(hù)程序與第二層一致。

6 柱狀節(jié)理洞段開挖支護(hù)易發(fā)生的問題及對(duì)策

6．1 錨桿孔塌孔

問題:由于柱狀節(jié)理段圍巖易松弛，錨桿孔成孔后極易發(fā)生塌孔，導(dǎo)致錨桿無法安裝。

對(duì)策:柱狀節(jié)理段采取施工大孔(孔徑64mm或76mm)的方式保證了錨桿成孔率。對(duì)于施工了大孔仍無法安裝錨桿的，采取自進(jìn)式錨桿進(jìn)行替代施工，預(yù)應(yīng)力錨桿則采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行替代。

6．2 柱狀節(jié)理段易坍塌

問題:據(jù)左岸導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理洞段實(shí)際開挖情況，柱狀節(jié)理發(fā)育段開挖后需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，否則易發(fā)生坍塌掉落。

對(duì)策:嚴(yán)格按程序進(jìn)行支護(hù)施工，及時(shí)完成噴鋼纖維混凝土封閉及系統(tǒng)錨桿支護(hù)。

6．3 拱肩部位掉塊

問題:在導(dǎo)流洞開挖支護(hù)施工階段，通過制定合理的施工程序，及時(shí)進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理，未發(fā)生重大安全事故。但就工程本身而言，在導(dǎo)流洞開挖支護(hù)完成后進(jìn)行混凝土澆筑施工時(shí)，右側(cè)拱肩部位在平行于最大主應(yīng)力方向多處發(fā)生片幫、掉塊(圖9)。

圖9 右側(cè)拱肩高地應(yīng)力破壞分析圖

對(duì)策:通過對(duì)導(dǎo)流洞地質(zhì)情況進(jìn)行分析后認(rèn)為其主要原因是:左、右岸導(dǎo)流洞屬于中等～高應(yīng)力區(qū)。左岸導(dǎo)流洞第一主應(yīng)力為NW向，緩傾SE，量值為14．2 ～22．4MPa，洞軸線方向?yàn)?N25°W～近SN，容易在右拱肩部位產(chǎn)生應(yīng)力集中。第一層開挖后，應(yīng)力集中區(qū)主要在拱肩一帶，造成右側(cè)頂拱地應(yīng)力較高，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生片幫剝離現(xiàn)象。第二層開挖后，應(yīng)力集中從拱肩向邊墻一帶擴(kuò)展，隨邊墻臨空面加大，松弛深度逐漸增大且隨時(shí)間的延長松弛持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生漸進(jìn)式破壞;若有陡傾角裂隙小角度切割邊墻，則松弛發(fā)生的速度更快、范圍更大。

該問題出現(xiàn)后，主要采取了以下措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理(圖 10、11、12、13):

方案一:

(1)在超過掉塊區(qū)域2m的范圍布置φ6．5@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)。

(2)在鋼筋網(wǎng)的外側(cè)，根據(jù)錨桿的間排距牢固焊接φ22的通長龍骨鋼筋，布置成網(wǎng)狀，將鋼筋網(wǎng)壓緊。

(3)鋼筋網(wǎng)布置完成后噴C25混凝土覆蓋。

圖10 右側(cè)頂拱掉塊加強(qiáng)支護(hù)示意圖

圖11 右側(cè)頂拱掉塊加強(qiáng)支護(hù)實(shí)施效果圖

方案二:

(1)在不穩(wěn)定巖體區(qū)域輪廓線以外2m范圍內(nèi)布置GPS2型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)由支撐繩、鋼絲繩網(wǎng)和鉛絲格柵構(gòu)成。防護(hù)網(wǎng)支撐繩采用φ16鋼繩與系統(tǒng)錨桿牢固連接，支撐繩內(nèi)鋪設(shè)4m×4m的DO/08/300型菱形鋼絲繩網(wǎng)，每張鋼繩網(wǎng)與支撐繩之間采用φ8鋼繩縫合，鋼繩網(wǎng)內(nèi)部鋪設(shè)S0/2．2/50鉛絲格柵網(wǎng)。

(2)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)與系統(tǒng)錨桿之間采用吊環(huán)進(jìn)行連接，吊環(huán)采用φ16圓鋼制作，圓環(huán)直徑為10 cm，與系統(tǒng)錨桿的連接采用雙面焊接，如果長度足夠也可以采用單面焊接，焊接長度需滿足相關(guān)規(guī)范要求。

7 反思與總結(jié)

圖12 導(dǎo)流洞右側(cè)頂拱掉塊防護(hù)示意圖

圖13 導(dǎo)流洞右側(cè)頂拱掉塊防護(hù)實(shí)施效果圖

白鶴灘水電站導(dǎo)流隧洞施工已基本完成，整體來說取得了較好成果，但在柱狀節(jié)理洞段施工過程中采取的一些方法、經(jīng)驗(yàn)還是值得反思與總結(jié)的。筆者希望通過對(duì)導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理洞段施工過程中出現(xiàn)的難題以及采取的應(yīng)對(duì)措施的介紹，能對(duì)今后大斷面、高邊墻的柱狀節(jié)理隧洞施工提供借鑒、參考。

(1)柱狀節(jié)理洞段由于巖體開挖后易松弛、剝落，自穩(wěn)性差，在右岸導(dǎo)流洞施工時(shí)局部巖體松弛范圍曾超過8m，從而引起大范圍的塌落。左岸導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理洞段施工時(shí)吸取了右岸施工經(jīng)驗(yàn)，開挖后及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)封閉，有效防止了巖體剝落導(dǎo)致松動(dòng)圈逐層增大。所以，柱狀節(jié)理洞段施工中的及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)是關(guān)鍵。

(2)柱狀節(jié)理洞段爆破應(yīng)盡量減小總裝藥量和最大單響藥量，減小圍巖爆破松動(dòng)圈的范圍。爆破后及時(shí)封閉支護(hù)，初期支護(hù)采用初噴鋼纖維混凝土效果較好，鋼纖維混凝土能克服素混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小和性脆等弱點(diǎn)，能夠在初期形成一層具有較高抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度的承載拱圈，從而能夠有效地防止柱狀節(jié)理開挖完成后的松弛變形。

(3)巖體滲水會(huì)極大地影響柱狀節(jié)理洞段的穩(wěn)定，若不及時(shí)引排滲水，將會(huì)引發(fā)大范圍的坍塌。左岸1#導(dǎo)流隧洞k0+450樁號(hào)附近第一層頂拱施工時(shí)，頂拱部位出現(xiàn)了少量的巖體滲水，若未進(jìn)行排水設(shè)施施工就進(jìn)行噴混凝土封閉，將導(dǎo)致巖體滲水無法正常排出，并在節(jié)理裂隙中累積、流動(dòng)，將進(jìn)一步降低巖體間的粘結(jié)性，導(dǎo)致松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大，頂拱發(fā)生大范圍坍塌。在柱狀節(jié)理洞段施工中要加強(qiáng)觀察，對(duì)于滲水部位要先做好引排措施后進(jìn)行噴混凝土封閉支護(hù)施工。

(4)針對(duì)柱狀節(jié)理洞段巖體裸露后易松弛的特點(diǎn)，梯段爆破施工應(yīng)控制分層高度，分層不宜超過8m，控制分層高度能有效減小圍巖的變形，且能快速跟進(jìn)支護(hù)，防止松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。梯段爆破方式不宜采用超前預(yù)裂，需采用光爆或同步預(yù)裂爆破。筆者建議:優(yōu)先采用光爆開挖。

(5)柱狀節(jié)理洞段分布較廣，在出露緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶的附近，需預(yù)測(cè)錯(cuò)動(dòng)帶在頂拱出露的位置，并沿錯(cuò)動(dòng)帶施工錨墊板錨桿加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)增加掛鋼筋網(wǎng)支護(hù)。

［1］ 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，GB50827-2006［S］．