吉牛水電站富含云母復(fù)雜巖體隧洞施工技術(shù)研究

金國(guó)政，段會(huì)平

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司第三分局，四川 郫縣，611730)

吉牛水電站富含云母復(fù)雜巖體隧洞施工技術(shù)研究

金國(guó)政，段會(huì)平

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司第三分局，四川 郫縣，611730)

吉牛水電站為低閘引水式電站，引水隧洞全長(zhǎng)22.377km，本工程存在洞線長(zhǎng)、云母含量高、圍巖軟硬相間和軟化特征明顯等特點(diǎn)，由此帶來(lái)了開挖單耗高、進(jìn)尺短、效率低、隧洞底板軟化超挖深、施工工期緊等難題。針對(duì)上述技術(shù)難題，開展富含云母復(fù)雜巖體隧洞施工技術(shù)相關(guān)研究，不僅可以有效解決施工中遇到的難題，保證工程高效、優(yōu)質(zhì)和安全的施工，而且對(duì)于促進(jìn)此類地質(zhì)條件下的隧洞圍巖物理力學(xué)性能研究及設(shè)計(jì)施工具有重要的意義。

富含云母 開挖方案優(yōu)化 軟巖底板超挖控制 隧洞支護(hù)技術(shù) 吉牛水電站引水隧洞

1 工程概況

革什扎吉牛水電站引水隧洞位于革什扎河左岸，全長(zhǎng)約22.377km，隧洞進(jìn)口底板高程2361.0m，隧洞斷面為城門洞形，開挖斷面尺寸為(5.9m～6.8m)×(5.95m～6.8m)(寬×高)。調(diào)壓室采用埋藏雙室式布置，穹頂高程2391.0m，底板高程2311.0m，井筒高78.6m，開挖直徑6.8m，襯砌厚度60cm。調(diào)壓室上室總長(zhǎng)260.0m，斷面為6.4m×8.0m的方圓形，襯砌厚50cm；下室長(zhǎng)50.0m，斷面為5.6m×(5.6m～6.6m)的方圓形。上室交通洞長(zhǎng)107.086m，斷面為4.0m×4.0m的方圓形，襯砌厚50cm。

壓力管道為地下埋藏式，從上至下由上平段、上斜段、中1平段、中斜段、中2平段、下斜段和下平段組成，采用一條主管經(jīng)Y型岔管分為兩條支管向兩臺(tái)機(jī)組供水的聯(lián)合供水布置方式。主管總長(zhǎng)1059.22m，全線采用鋼板襯砌，主管內(nèi)徑3.8m。壓力鋼管首端設(shè)置蝶閥室，蝶閥室交通洞長(zhǎng)約189.42m，斷面型式為4.5m×5.0m(寬×高)的城門洞形。

引水隧洞圍巖主要為薄～中層二云片巖及二云英片巖夾石英巖、大理巖等，主要由石英、長(zhǎng)石、云母等組成，圍巖因石英含量的增減呈漸變過渡關(guān)系；二云英片巖石英含量較高，巖性較堅(jiān)硬(屬中硬巖)，二云片巖由于石英含量相對(duì)較少，云母含量增多而相對(duì)較軟弱。巖石軟硬相間，呈無(wú)規(guī)律分布，對(duì)開挖爆破帶來(lái)較大難度，不僅單耗控制較為困難，并且爆破效果也很不理想，施工的進(jìn)度、質(zhì)量和安全難于保證。其主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

(1)隧洞洞線長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是云母含量高，巖樣實(shí)測(cè)云母平均含量為28%，最高含量達(dá)到了39%。同時(shí)隧洞圍巖因石英含量的不同，物理力學(xué)性能差異較大，二云英片巖和二云片巖兩種巖石軟硬相間，呈無(wú)規(guī)律分布；

(2)富含云母和軟硬相間的地質(zhì)條件，使鉆爆開挖難度大，集中體現(xiàn)在開挖單耗高(平均單耗超過2.7kg/m3)，進(jìn)尺短(平均進(jìn)尺1.7m)，效率低(炮孔利用率50%左右)；

(3)富含云母巖石飽水狀態(tài)強(qiáng)度低，軟化系數(shù)普遍在0.5以下，循環(huán)加載作用下應(yīng)變軟化特征明顯，在現(xiàn)場(chǎng)工程車輛反復(fù)碾壓作用下，隧洞底板巖石由于漸進(jìn)破壞而形成明顯超挖(平均超挖20cm～40cm)；

(4)隧洞圍巖富含云母，且呈無(wú)規(guī)律分布，掌握量化的圍巖物理力學(xué)特性，研究富含云母隧洞開挖方案和隧洞開挖松弛效應(yīng)難度大；

(5)隧洞洞線長(zhǎng)、斷面小、地質(zhì)條件差、施工工期緊，掌握合理的襯砌施工時(shí)機(jī)和方法，對(duì)工程安全、經(jīng)濟(jì)、高效和優(yōu)質(zhì)施工意義重大。

2 富含云母隧洞開挖爆破施工技術(shù)

2.1 富含云母隧洞開挖爆破的初步設(shè)計(jì)

對(duì)于革什扎吉牛水電站壓力管道所在部位的巖體，參考類似巖石參數(shù)條件下的爆破參數(shù)，對(duì)Ⅲ類圍巖洞段，單耗應(yīng)在1.1kg/m3～1.2kg/m3左右，Ⅳ類圍巖應(yīng)可控制在1.0kg/m3以下。

基于以上認(rèn)識(shí)，針對(duì)革什扎吉牛水電站各施工支洞進(jìn)行了爆破設(shè)計(jì)，并在開挖初期進(jìn)行了相應(yīng)的試爆，為使巖石爆破效率不至于相當(dāng)?shù)拖拢瑢?duì)于Ⅳ類圍巖單耗均超過了2.67kg/m3，設(shè)計(jì)3.0m的爆破進(jìn)尺，實(shí)際進(jìn)尺只在1.75m左右，爆破效率為55%；對(duì)于Ⅲ類圍巖單耗均超過了2.7kg/m3，設(shè)計(jì)2.8m的爆破進(jìn)尺，實(shí)際進(jìn)尺只在1.7m左右，爆破效率為61%，并且個(gè)別場(chǎng)次爆破的殘孔非常明顯，炮孔只在炸藥作用下擴(kuò)大，但是巖石并沒有崩開，導(dǎo)致爆破效果非常差。

2.2 富含云母巖體開挖爆破破壞機(jī)理分析

參照爆破相關(guān)理論及工程經(jīng)驗(yàn)可知，爆腔半徑一般是炸藥半徑的10～15倍。根據(jù)動(dòng)力有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，富含云母巖石在炸藥作用下的空腔最大截面半徑為10.5cm，是所取炸藥半徑的6.5倍，該值明顯偏低。查看相關(guān)資料與文獻(xiàn)，對(duì)于灰?guī)r等一般典型的脆性巖石，其破壞時(shí)極限應(yīng)變都較低，而富含云母巖石塑性特性較為明顯，根據(jù)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，其強(qiáng)度相對(duì)較低，同時(shí)極限應(yīng)變值達(dá)到0.01甚至更高，這可能導(dǎo)致該巖石在爆炸沖擊波作用下大部分能量都用于巖石的塑性變形，即形成爆破空腔；進(jìn)一步查看富含云母巖石在炸藥作用下的空腔壁外所產(chǎn)生的塑性區(qū)，其最大塑性區(qū)半徑為17cm(含空腔區(qū))，可理解為在爆破影響下崩裂區(qū)最大半徑為17cm。這也進(jìn)一步解釋了在初期爆破試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)比較明顯的爆破空腔殘孔的原因。

革什扎吉牛水電站富含云母隧洞爆破施工初期所采用的炮孔間排距為60cm～80cm左右，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在單孔爆破影響下巖石崩裂區(qū)范圍為17cm，兩孔崩裂區(qū)范圍疊加后為34cm。顯然初期爆破施工所取的間排距值過大，不能夠有效將巖石崩落，導(dǎo)致了初期爆破效率低下。因此建議后期爆破設(shè)計(jì)和施工過程中，主要的優(yōu)化方向?yàn)榧用芴筒劭?，?duì)于難爆部位，對(duì)崩落孔也應(yīng)適當(dāng)加密，以保證有效的循環(huán)進(jìn)尺和爆破效率。

2.3 富含云母隧洞開挖炸藥選型

由于針對(duì)富含云母隧洞開挖爆破的初步設(shè)計(jì)爆破效果不佳，需重新優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，首先要選擇適合富含云母復(fù)雜巖體條件下隧洞開挖的炸藥。根據(jù)波阻抗匹配理論，需選擇與巖石波阻抗相近的炸藥，才能取得較好的爆破效果。炸藥與巖石具體阻抗匹配見表1。

表1 炸藥與巖石阻抗匹配

根據(jù)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖石平均抗壓強(qiáng)度為29MPa，平均密度為2700kg/m3；根據(jù)聲波檢測(cè)結(jié)果，圍巖平均波速為4206m/s,計(jì)算得巖石波阻抗為117MN/m3·m/s。

根據(jù)表1，當(dāng)巖石波阻抗為117MN/m3·m/s時(shí)，對(duì)于抗壓強(qiáng)度達(dá)到50MPa的引水隧洞部位堅(jiān)硬巖石，應(yīng)選密度為1.0g/cm3～1.2g/cm3、爆速為4800m/s的炸藥，才能取得較好的爆破效果。銨油炸藥的爆速和密度基本滿足要求，所以采用銨油炸藥進(jìn)行爆破試驗(yàn)。通過不斷試驗(yàn)，最后確定綿竹生產(chǎn)的改性銨油炸藥效果最佳，但是由于火工品供應(yīng)的問題，這種炸藥的供應(yīng)量并不能滿足工地生產(chǎn)的需要，因此很大部分的洞段仍然使用了雅化生產(chǎn)的乳化炸藥。

根據(jù)表1，當(dāng)巖石波阻抗為117MN/m3·m/s時(shí)，對(duì)于壓力管道部位富含云母巖石，其抗壓強(qiáng)度均低于30MPa，應(yīng)選密度為1.0g/cm3～1.2g/cm3、爆速為3000m/s的炸藥，才能取得較好的爆破效果。硝銨炸藥的爆速和密度基本滿足要求。由于隧洞圍巖中地下水等原因，未采用硝銨炸藥，針對(duì)改性銨油炸藥和乳化炸藥的對(duì)比試驗(yàn)表明，改性銨油炸藥更適合此類巖石。

2.4 富含云母隧洞鉆爆參數(shù)和開挖方案優(yōu)化

根據(jù)富含云母開挖爆破作用機(jī)理的分析，富含云母巖石在炸藥爆炸作用下，由于其低強(qiáng)高塑的特性，其形成的塑型區(qū)范圍有限，容易在爆破后殘留空腔，因此爆破設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化的方向應(yīng)是適當(dāng)加密掏槽和崩落孔，減小布孔間距。在此思想指導(dǎo)下，針對(duì)富含云母隧洞開挖進(jìn)行了多循環(huán)的爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果，持續(xù)優(yōu)化，獲得了富含云母地質(zhì)條件下隧洞開挖的合理鉆爆參數(shù)(表2～表5)。

對(duì)于富含云母地質(zhì)條件下隧洞開挖，第一排掏槽孔的布孔間距控制在30cm，第二排掏槽孔間距控制在50cm，同時(shí)楔形角度加大；崩落孔間距控制在70cm～80cm。當(dāng)云母含量進(jìn)一步增大時(shí)，掏槽效果很難保證，因此采用了中導(dǎo)洞先行的開挖方式。

對(duì)于引水隧洞堅(jiān)硬巖石和軟硬相間巖石洞段，有針對(duì)性的采取減小孔距、增加掏槽孔的排數(shù)，多層楔形掏槽，改變掏槽孔位置，分部開挖等優(yōu)化開挖爆破方案，起到了良好的效果。

表2 富含云母Ⅳ、Ⅴ類洞段優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和爆破參數(shù)

表3 富含云母Ⅱ、Ⅲ類洞段優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和爆破參數(shù)

表4 中一平段一區(qū)優(yōu)化爆破布孔和爆破參數(shù)

表5 中一平段二區(qū)爆破布孔和爆破參數(shù)

根據(jù)富含云母隧洞圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，云母含量情況和現(xiàn)場(chǎng)聲波檢測(cè)等結(jié)果，在充分了解了現(xiàn)場(chǎng)圍巖的施工特性的基礎(chǔ)上，對(duì)富含云母圍巖按云母含量和抗壓強(qiáng)度等分為三類，總結(jié)出各類圍巖的合理開挖方式和爆破設(shè)計(jì)。成果見表6。

表6 富含云母隧洞開挖方案和鉆爆參數(shù)優(yōu)化成果

分類云母含量/%強(qiáng)度/MPa開挖方式爆破設(shè)計(jì)參考1≥20<20中導(dǎo)洞開挖分區(qū)開挖，一區(qū)掏槽孔半徑10cm～30cm，單孔裝藥量18kg～20kg2<2020～50全斷面開挖掏槽孔間距30cm～60cm排距30cm～50cm，單孔裝藥量16kg～22kg3≥50掏槽方式優(yōu)化掏槽孔間距30cm～60cm，排距30cm～40cm

通過爆破參數(shù)優(yōu)化，隧洞開挖的爆破效率得到了一定的提升。Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段每個(gè)循環(huán)造孔長(zhǎng)度為3m，實(shí)際爆破長(zhǎng)度為2.4m，單耗為1.64kg/m3；Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段循環(huán)造孔長(zhǎng)度為2.8m，實(shí)際爆破長(zhǎng)度為2.3m，單耗為1.6kg/m3。

3 軟巖隧洞底板保護(hù)性開挖和超挖控制技術(shù)

3.1 富含云母軟巖循環(huán)加載物理力學(xué)性質(zhì)研究

根據(jù)前期物理力學(xué)性質(zhì)研究成果，富含云母巖石在飽水狀態(tài)下軟化特性明顯，進(jìn)一步開展循環(huán)加載試驗(yàn)，其循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)(天然狀態(tài)低頻0.5Hz共2組、高頻3Hz共2組，飽水狀態(tài)低頻0.5Hz共4組、高頻3Hz共2組)結(jié)果表明，在反復(fù)加載情況下，不論低頻或高頻加載狀態(tài)下，二云片巖均呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特征，說(shuō)明在現(xiàn)場(chǎng)工程車輛反復(fù)碾壓情況下，隧洞底板巖石會(huì)呈現(xiàn)漸進(jìn)破壞特征而形成超挖。

3.2 軟巖隧洞底板超挖控制技術(shù)和措施分析研究

采用FLAC3D軟件對(duì)革什扎吉牛水電站隧洞底板長(zhǎng)期經(jīng)車輛碾壓變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？紤]平均埋深為600m，側(cè)壓力系數(shù)為1.2，夾層傾角取60°，在沒有墊渣時(shí)，在車輪荷載作用下底板下陷嚴(yán)重，在車輪作用處會(huì)出現(xiàn)凹槽，又分別計(jì)算了墊渣厚度為10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm時(shí)車輪荷載作用下的下陷位移和相應(yīng)的塑性區(qū)。在沒有墊渣情況下，受水和車輪荷載作用，隧洞底板在車輪碾壓位置產(chǎn)生下陷，最大位移量達(dá)到50cm～60cm；若采用預(yù)留保護(hù)層開挖的方式，則預(yù)留保護(hù)層的合理厚度為50cm～60cm。當(dāng)采取此種措施時(shí)，在車轍部位可以有效減少超挖，但對(duì)隧洞底板其他部位，巖石由于沒有車輪碾壓作用而未受到明顯破壞，從而形成欠挖，因此預(yù)留保護(hù)層措施對(duì)本工程不適用。

3.3 軟巖隧洞底板保護(hù)性開挖措施和超挖控制

根據(jù)上述分析結(jié)果，當(dāng)?shù)装宀粔|渣時(shí)，在車輛反復(fù)碾壓作用下，隧洞底板會(huì)發(fā)生較大的陷落變形，需要采取適當(dāng)措施減少超挖，墊渣厚度在20cm～30cm時(shí)可以達(dá)到有效減少塑形區(qū)和陷落變形的目的。當(dāng)墊渣厚度進(jìn)一步增大時(shí)，陷落變形的減少趨勢(shì)并不明顯。因此，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采取墊30cm左右厚度石渣進(jìn)行底板保護(hù)，超挖控制效果良好。

4 富含云母復(fù)雜巖體隧洞支護(hù)施工技術(shù)

4.1 富含云母復(fù)雜巖體隧洞圍巖穩(wěn)定和破壞特征分析

根據(jù)數(shù)值模擬研究相關(guān)成果，不論巖層層面是水平還是傾斜的情況下，系統(tǒng)錨桿支護(hù)對(duì)控制洞壁位移影響都較大，使得洞壁各部位位移平均減小40%以上，說(shuō)明洞室開挖后及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)對(duì)洞室穩(wěn)定是必要的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，層面水平時(shí)拱頂與邊墻中部位移量大，巖層層面60°時(shí)拱腰位移量大，應(yīng)注意加強(qiáng)局部支護(hù)。同時(shí)根據(jù)塑型區(qū)分布情況，當(dāng)巖層面傾斜時(shí)，隧洞一側(cè)拱腳至邊墻中部存在比較明顯的塑性區(qū)。這與現(xiàn)場(chǎng)施工過程中觀察到的現(xiàn)象是一致的，當(dāng)隧洞開挖后，即便進(jìn)行了系統(tǒng)支護(hù)，但是由于隧洞圍巖遇水軟化，在隧洞一側(cè)很容易發(fā)生坍塌問題。

4.2 富含云母復(fù)雜巖體隧洞開挖支護(hù)技術(shù)措施

根據(jù)隧洞圍巖物理力學(xué)特性、聲波測(cè)試和計(jì)算分析，洞室開挖過程中的支護(hù)施工程序和技術(shù)措施如下：(1)針對(duì)富含云母復(fù)雜巖體遇水軟化特性明顯、開挖后松弛范圍內(nèi)巖體質(zhì)量下降非常明顯的問題，在開挖爆破結(jié)束后，即素噴6cm～8cm厚混凝土，迅速封閉巖面；(2)結(jié)合開挖松弛范圍集中在拱頂、邊墻，并且松弛范圍內(nèi)巖體質(zhì)量下降明顯的問題，在開挖掌子面后方50m左右，即進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，包括系統(tǒng)錨桿施工和噴層加厚；(3)針對(duì)傾斜巖層情況下，隧洞單側(cè)巖體松弛明顯，容易出現(xiàn)坍塌破壞的特征，采取邊墻混凝土襯砌與開挖交叉施工的施工工藝。在隧洞底板混凝土襯砌后，利用改進(jìn)后的鋼模臺(tái)車，進(jìn)行隧洞邊墻襯砌施工，利用隧洞底板和邊墻襯砌組成的整體混凝土結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)隧洞拱腳和邊墻的支護(hù)，防止發(fā)生局部坍塌破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)革什扎吉牛水電站工程，基于二云英片巖石與二云片巖石軟硬相間，呈無(wú)規(guī)律分布，不僅單耗控制較為困難，而且確定炸藥選型、隧洞的開挖方式和鉆爆參數(shù)等難度大。通過對(duì)富含云母巖石物理力學(xué)特性、隧洞開挖方案和鉆爆參數(shù)的研究，確定了能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及工程高強(qiáng)度施工需要的開挖方案和鉆爆參數(shù)，并且針對(duì)軟巖隧洞底板長(zhǎng)期受碾壓破壞和小水工斷面施工緩慢采取了相關(guān)的施工控制措施和方法，有利保證了施工的快速、順利進(jìn)行。

革什扎吉牛水電站隧洞開挖工程，通過對(duì)鉆爆參數(shù)和開挖方案的優(yōu)化，及針對(duì)軟巖隧洞底板超挖和隧洞支護(hù)采取的控制措施，有力地保證了工程高效、優(yōu)質(zhì)和安全的施工。

TV554：TV

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金國(guó)政(1977-)，男，安徽肥東人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)和管理工作；

段會(huì)平(1978-)，男，甘肅慶陽(yáng)人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)和管理工作。