隧洞蝕變巖層洞段開挖支護(hù)施工技術(shù)研究與實(shí)踐
——以硬梁包水電站引水隧洞為例

周 國 平

(中國安能建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

1 概 述

巖體蝕變(包括原生熱液蝕變、動力構(gòu)造蝕變和次生風(fēng)化蝕變)及其引發(fā)的工程弱化效應(yīng)是常見的工程地質(zhì)問題之一。蝕變巖具有裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎、穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低的特點(diǎn)[1，2]。廣義的蝕變巖系指因熱液作用、表生作用等引起巖石和礦物的次生變化而形成的巖石。其中熱液作用包括充填、升華、蒸發(fā)等；表生作用主要包括沉積作用、固結(jié)成巖、地下水(包括地下熱水)作用等，其中90%以上表生作用引起的蝕變減弱了巖石強(qiáng)度[3]。

蝕變通過改變巖體內(nèi)部的礦物成分、結(jié)構(gòu)-構(gòu)造類型等改變原生巖體的力學(xué)特性，并由于蝕變的差異性造成巖體性狀分布的不均勻，還可能在工程圍巖中形成軟弱巖帶(夾層)甚至軟弱結(jié)構(gòu)面，極大地影響到巖體的工程性狀[4]。因此，隧洞蝕變巖層洞段開挖支護(hù)需要采用相應(yīng)的積極防護(hù)措施與方法以保證圍巖穩(wěn)定以及巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，確保施工安全。

近年來，國內(nèi)外對于隧洞蝕變巖層洞段開挖支護(hù)的主要研究方向集中在巖體的物理化學(xué)性質(zhì)以及工程特性兩個方面，許多學(xué)者對此展開了專項研究。王旭東等[5，6]通過蝕變巖單軸壓縮流變試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)建立了蝕變巖的長期強(qiáng)度和流變本構(gòu)模型以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的分階段本構(gòu)模型，得出了蝕變巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與圍壓的相關(guān)關(guān)系，總結(jié)出蝕變巖的蠕變特性，為巖土工程的設(shè)計施工提供了重要的技術(shù)支撐。賈超等[7]利用有限元程序ANSYS對比分析了圍巖蝕變段隧洞各關(guān)鍵部位的位移，對不同蝕變程度洞室的開挖支護(hù)方案提供了指導(dǎo)性依據(jù)。黃小軍等[8]和王陽雪等[9]對瑯琊山抽水蓄能電站蝕變巖及支護(hù)方式進(jìn)行了研究，運(yùn)用多種監(jiān)測儀器動態(tài)化監(jiān)控圍巖狀態(tài)，提出了信息化支護(hù)設(shè)計的理念。黃超群等[10]借助工程物探方法，總結(jié)出湖南平江抽水蓄能電站勘探平洞蝕變巖分布規(guī)律，并有針對性的提出了支護(hù)方案。

硬梁包水電站引水隧洞圍巖中穿插有多種大小不同的輝綠巖脈，在內(nèi)部以及外部動力地質(zhì)作用下形成了蝕變巖層。引水隧洞在掘進(jìn)過程中穿越蝕變巖地層時極易發(fā)生急劇變形、塌方、涌突水等各種工程地質(zhì)問題，極大地影響到工程施工。筆者以硬梁包水電站引水隧洞工程為實(shí)例，采用控制爆破、加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報、超前支護(hù)增加圍巖的整體性、開挖后及時立鋼支撐錨噴封閉等一系列工程措施，及時控制住塌方等地質(zhì)災(zāi)害，保障了施工安全，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為類似工程施工提供參考。

硬梁包水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)的大渡河干流上。工程規(guī)模為2等大(2)型，電站裝4臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為108萬kW，采用混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統(tǒng)+地下廠房的樞紐總布置方案。引水系統(tǒng)建筑物包括引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等。

引水隧洞為兩條平行布置的隧洞，引水隧洞在平面布置上共設(shè)置5個轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑為200 m或80 m，1號、2號引水隧洞兩洞中心間距為60 m，內(nèi)徑為13.1 m，進(jìn)水口底高程為1 215 m，末端調(diào)壓室處隧洞底高程為1 198 m,縱坡分別為i1=0.001 192、i2=0.001 183，洞長分別為14 316.909 m和144 20.679 m。

引水隧洞1號施工支洞、2號施工支洞控制段主洞樁號范圍為0+050～3+995，工程施工完畢2條施工支洞均進(jìn)行封堵。引水隧洞總體布置情況見圖1。

圖1 引水隧洞總布置圖

2 隧洞開挖中出現(xiàn)的地質(zhì)問題

引水隧洞地層巖性主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中，巖石類別為Ⅲ類～Ⅴ類，其中Ⅲ類圍巖占比約為61%、Ⅳ類圍巖占比約為25%、Ⅴ類圍巖占比約為14%。

2020年4月22日，1號施工支洞控制段2號引水隧洞上游掌子面開挖至(引2)1+157樁號，圍巖揭露為輝綠巖脈，C類蝕變，樁號(引2)1+160～1+150段左側(cè)拱腰出現(xiàn)塌方。2020年5月23日，2號施工支洞控制段1號引水隧洞上游掌子面開挖至(引1)2+906樁號后揭露顯示圍巖出現(xiàn)D類蝕變，整個掌子面巖體軟弱，呈碎裂結(jié)構(gòu)，局部為散體結(jié)構(gòu)，巖體自穩(wěn)能力極差。掌子面頂拱右側(cè)部位發(fā)生塌方，塌方長度(順洞軸線)為5 m，高度約為5～6 m，為Ⅴ類圍巖，已噴混凝土封閉。2020年5月25日，在樁號2+906處原塌方部位出現(xiàn)二次塌方，塌腔位于掌子面頂拱右側(cè)部位，塌腔深5～6 m，寬度為6～7 m，高度約6～9 m。掌子面塌方情況見圖2。

圖2 掌子面塌方

3 針對圍巖蝕變段采取的開挖支護(hù)技術(shù)

對于隧洞蝕變巖層洞段，主要遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量、速反饋”的原則進(jìn)行施工。首先，第一時間處理塌方掌子面以確保圍巖安全穩(wěn)定；在保證安全施工的前提下，采用上、下臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行后續(xù)的開挖支護(hù)。

3.1 掌子面塌方處理措施

(1)對掌子面立即噴C25鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉，在現(xiàn)有噴C25混凝土配合比的基礎(chǔ)上每m3增加鋼纖維40 kg，封閉厚度為10 cm。噴混凝土封閉后掌子面仍存在垮塌、掉塊掉渣等現(xiàn)象時，在垮塌部位繼續(xù)補(bǔ)噴鋼纖維混凝土直至圍巖巖面穩(wěn)定。

(2)掌子面噴鋼纖維后及時施做A50排水孔以利于裂隙水的排放，單個排水孔深度為6 m，在掌子面隨機(jī)進(jìn)行布置。

(3)噴鋼纖維混凝土封閉后及時布置圍巖收斂觀測點(diǎn)并連續(xù)24 h進(jìn)行圍巖收斂觀測。在掌子面基本區(qū)域穩(wěn)定且能保證施工安全的前提下再增加隨機(jī)錨桿，隨機(jī)錨桿為C28普通砂漿錨桿，在邊頂拱段120°范圍隨機(jī)布置，錨桿深入基巖的長度不小于6 m。

(4)隨機(jī)錨桿施工完成后進(jìn)行系統(tǒng)掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)片采用A6鋼筋，間排距為15 cm，鋼筋掛網(wǎng)完成后復(fù)噴C25鋼纖維混凝土15 cm厚，并施工系統(tǒng)錨桿。

(5)及時施工I20a型鋼支撐，型鋼支撐間距為0.75 m；同時，在塌腔部位增設(shè)鋼支撐副拱與I20a型鋼支撐焊接牢固。鋼支撐、副拱均設(shè)置鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用C28，沿鋼支撐兩側(cè)交替布置，入巖長度為5.6 m，鎖腳錨桿外露端頂部要求彎折0.2 m并與鋼支撐翼緣雙面焊接牢固，外露端長度以與鋼支撐、副拱能夠焊接牢固為宜。

3.2 上、下臺階預(yù)留核心土法施工工藝

(1)引水隧洞Ⅴ類圍巖蝕變洞段上半洞開挖支護(hù)采用上下臺階四步開挖法，以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土為基本模式，分上、下兩個臺階四個開挖面，其主要施工工序及工藝流程如下：

①引水隧洞Ⅴ類圍巖蝕變洞段上半洞上、下兩個臺階四個開挖面施工工序見圖3、4。

圖3 上、下兩個臺階四個開挖面施工工序示意圖

圖4 上、下兩個臺階四個開挖面施工工序透視圖

②引水隧洞Ⅴ類圍巖蝕變洞段上半洞上、下兩個臺階四個開挖面施工工藝流程見圖5。

(2)上臺階上部弧形導(dǎo)坑開挖主要施工步驟。

圖5 上、下兩個臺階四個開挖面施工工藝流程圖

①在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留上臺階核心土。核心土長度宜為3～5 m(當(dāng)圍巖較差時留5 m，圍巖較好時可留3 m)，寬度宜為隧洞開挖寬度的1/3～1/2(可以有效的防止軟弱圍巖開挖面失穩(wěn)，同時提供了作業(yè)平臺)，開挖循環(huán)進(jìn)尺最大不得超過1 m(開挖進(jìn)尺要求不得大于1 m，主要考慮的是開挖進(jìn)尺過大將導(dǎo)致圍巖暴露面積過大、降低了圍巖自身承載能力，其次，進(jìn)尺過大延長了開挖工作面的封閉時間)。

②上臺階主要是采用弱爆破或機(jī)械開挖，本工程機(jī)械開挖先用銑挖機(jī)挖出主斷面輪廓，并沿開挖輪廓線內(nèi)側(cè)預(yù)留50 cm厚圍巖，用銑挖機(jī)進(jìn)行修邊。銑挖機(jī)施工情況見圖6、7。

圖6 銑挖機(jī)修邊示意圖

③開挖后立即初噴3～5 cm厚的混凝土(增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，避免圍巖長時間暴露而產(chǎn)生掉塊)，并及時進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，架設(shè)I20a鋼支撐，在距離鋼支撐單元接頭30～50 cm位置處緊貼其兩側(cè)邊沿布設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿頂部彎折20 cm與鋼支撐牢固焊接，最后分層復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

圖7 銑挖機(jī)掌子面開挖示意圖

(3)左、右兩側(cè)下臺階的開挖支護(hù)施工。

①下臺階滯后上臺階掌子面3～5 m后進(jìn)行，開挖進(jìn)尺根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不超過1.5 m，左側(cè)、右側(cè)臺階錯開2～3 m，開挖后立即初噴3～5 cm厚的混凝土，及時進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，接長I20a鋼支撐，在距離鋼支撐單元接頭30～50 cm位置處緊貼其兩側(cè)邊沿布設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿頂部彎折20 cm并與鋼支撐牢固焊接，最后分層復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

②左、右兩側(cè)下臺階采用人工配合機(jī)械開挖，先用銑挖機(jī)挖出主斷面輪廓，然后沿開挖輪廓線內(nèi)側(cè)預(yù)留50 cm厚圍巖，用銑挖機(jī)進(jìn)行修邊。

(4)上、下臺階預(yù)留核心土的開挖支護(hù)施工。

①按照上臺階、下臺階順序分別開挖預(yù)留的核心土，開挖進(jìn)尺與各臺階循環(huán)進(jìn)尺相一致。

②上、下臺階預(yù)留核心土開挖均以機(jī)械開挖(反鏟挖掘機(jī)、液壓破碎錘或銑挖機(jī))為主，必要時輔以弱爆破。

③噴鋼纖維混凝土封閉后及時布置圍巖收斂觀測點(diǎn)并連續(xù)24 h進(jìn)行圍巖收斂觀測，在掌子面基本區(qū)域穩(wěn)定且能保證施工安全的前提下再增加隨機(jī)錨桿，隨機(jī)錨桿為C28普通砂漿錨桿，在邊頂拱段120°范圍隨機(jī)布置，錨桿深入基巖的長度不小于6 m。

3.3 圍巖監(jiān)控量測措施

(1)為了保證科學(xué)施工，確保圍巖結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，在掌子面初噴混凝土后，及時開展了現(xiàn)場監(jiān)控量測工作。施工階段，隧洞的監(jiān)控量測主要是對隧洞開挖后圍巖變化情況及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行量測，及時提供圍巖穩(wěn)定程度和支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的安全信息，預(yù)見事故和險情并作為調(diào)整和修改支護(hù)設(shè)計的依據(jù)。依據(jù)測量結(jié)果確定二次襯砌施作的時間，確保隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變位與應(yīng)力不超過有關(guān)規(guī)定。

(2)Ⅴ類圍巖擬按照30 m的間距布置監(jiān)測斷面，每個斷面布置3組測點(diǎn)，測點(diǎn)應(yīng)牢固可靠，嚴(yán)防爆破損壞。采用全站儀徠卡TS60進(jìn)行觀測，圍巖收斂觀測應(yīng)在每次開挖后12 h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得大于24 h且在下一循環(huán)開挖前必須完成。

(3)對開挖工作面的觀察在每次開挖后進(jìn)行。當(dāng)觀察中發(fā)現(xiàn)圍條件惡化時，立即采取相應(yīng)的處理措施；觀察后及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級別判定。對已施工洞段的觀察每天至少進(jìn)行一次，主要觀察噴射混凝土、錨桿和鋼架等的工作狀態(tài)。

(4)引水隧洞的量測項目主要為圍巖收斂觀測。根據(jù)量測資料，將圍巖變形值與允許變形值進(jìn)行比較，從而確定下一步施工采取的措施，Ⅴ類圍巖變形管理等級對策表見表1。

表1 Ⅴ類圍巖變形管理等級對策表

(5)統(tǒng)計匯總塌方段圍巖收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀測點(diǎn)的變形數(shù)值應(yīng)滿足U0﹤50 mm，管理等級為Ⅲ級，可正常施工(表2)。

表2 隧洞塌方段監(jiān)測數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

(1)輝綠巖脈蝕變帶區(qū)域進(jìn)行隧洞施工極易發(fā)生急劇變形、塌方、涌突水等各種工程地質(zhì)問題，極大程度地影響到工程質(zhì)量及施工安全。在施工過程中必須采取合理的應(yīng)對措施，選擇合適的開挖支護(hù)方法保證工程順利施工。

(2)本隧洞塌方段工程地質(zhì)條件差、成洞困難，采用超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，架設(shè)鋼拱架與噴錨網(wǎng)構(gòu)成縱、橫向整體的支護(hù)體系，阻止和限制了圍巖變形，被加固的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力，從而進(jìn)一步提高了“圍巖-支護(hù)體系”的承載能力。

(3)隧洞發(fā)生塌方后，迅速噴C25鋼纖維混凝土封閉掌子面，避免再次塌方。之后及時布置圍巖收斂觀測點(diǎn)并連續(xù)24 h進(jìn)行圍巖收斂觀測，確保圍巖安全穩(wěn)定后第一時間進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。后續(xù)開挖中以機(jī)械開挖為主以減少對圍巖的爆破振動，同也必須注意對機(jī)械開挖輪廓線的控制措施，避免超挖。

(4)按照筆者所述的開挖支護(hù)方法進(jìn)行施工，通過圍巖收斂監(jiān)測可以提前預(yù)測險情，有效地避免塌方等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，安全順利通過蝕變巖層洞段。同時，通過監(jiān)測本隧洞塌方段的表現(xiàn)、反映出來的圍巖性質(zhì)特點(diǎn)，為本工程或類似工程的施工提供借鑒、依據(jù)和指導(dǎo)作用。

(5)因蝕變巖的受力特性比較復(fù)雜，施工過程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況合理判斷巖體狀態(tài)，及時調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式及參數(shù)以保證圍巖的穩(wěn)定，從而避免出現(xiàn)工程地質(zhì)問題。