瑪烏阿納大壩導(dǎo)流洞開挖與支護(hù)概論

李君立

中國水利水電第三工程局有限公司 陜西 西安 710000

1 工程概況

阿爾及利亞瑪烏阿納大壩位于塞迪夫省，是阿國“北水南調(diào)”的重要節(jié)點(diǎn)工程[1]。導(dǎo)流洞工程位于壩址右岸，隧洞全長763.80m。洞身斷面為馬蹄形，最大開挖斷面尺寸為5.57m×5.94m（高×寬），洞身采用鋼筋混凝土襯砌。隧洞底坡直線段為1.8%，中間彎段為1.884%。

2 地質(zhì)特點(diǎn)

2.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

導(dǎo)流洞位于大壩右岸山體中，洞身穿越多種地層。上游直線段為薄層、中厚層泥灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，一般有三組結(jié)構(gòu)面，分別為陡傾角縱向裂隙、水平及橫向裂隙，圍巖極為破碎。泥灰?guī)r開挖后接觸空氣、水，迅速風(fēng)化崩解，使得圍巖穩(wěn)定時(shí)間大為縮短，經(jīng)常發(fā)生塌方掉塊。中間彎段為泥灰?guī)r與石灰?guī)r互層段，中風(fēng)化與微風(fēng)化巖石交替出現(xiàn)。出口段為第三紀(jì)老黏土，節(jié)理裂隙不發(fā)育。

2.2 斷層破碎帶多且影響范圍廣

導(dǎo)流洞穿越多條破碎帶，最大一條在隧洞內(nèi)出露達(dá)30m。破碎帶內(nèi)圍巖多含泥質(zhì)夾層，膠結(jié)不良，常出現(xiàn)楔形、穹頂形塌方。出口段黏土巖與泥灰?guī)r分界斷層，整合接觸，泥灰?guī)r結(jié)構(gòu)面表層已完全成粉末狀松散顆粒，與松軟土壤類似。石灰?guī)r破碎帶部分巖石雖然外觀保持原狀，但是用手一撥拉即碎裂成為5cm以內(nèi)的小石子，屬于散體狀結(jié)構(gòu)，已完全失去穩(wěn)定能力。

2.3 地下水豐富

導(dǎo)流洞穿越山體節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水十分豐富，所在山體腰部及河谷中有多處泉水出露。地下水補(bǔ)給來源主要是大氣降水和裂隙水。在裂隙水的作用下，巖層泥化崩解，結(jié)構(gòu)面膠結(jié)較差，結(jié)構(gòu)松散，極易造成局部塌方。大量的地下水也對(duì)導(dǎo)流洞的正常施工造成了極大干擾[2]。

3 施工方法

3.1 導(dǎo)流洞開挖與支護(hù)綜述

導(dǎo)流洞洞徑較小，最小開挖斷面底部寬度僅有3.34m，為方便大型設(shè)備施工，采用下部預(yù)留1m厚底板、上部全斷面開挖的方案，貫通后再挖除底板。鑒于圍巖較差，開挖過程中嚴(yán)格遵循“新奧法”施工原則，“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測”，確保圍巖穩(wěn)定，穩(wěn)中求快。對(duì)于條件較好的II～I(xiàn)V類圍巖，鉆爆法掘進(jìn)；穩(wěn)定性較差的V類圍巖，采用液壓錘鑿進(jìn)。裝載機(jī)出渣，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。支護(hù)分兩種類型：3型支護(hù)系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土和4型支護(hù)鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土，支護(hù)類型根據(jù)測定的巖石破碎度RMR值確定。

3.2 鉆爆法開挖方案

受當(dāng)?shù)鼗鸸げ牧戏N類限制，考慮到地下水較多，使用乳化炸藥和毫秒延期電雷管分段微差爆破，炸藥單耗約1.0kg/m3。手風(fēng)鉆鑿孔，楔形掏槽，周邊光面爆破。光爆孔采用不耦合間隔裝藥，線裝藥密度為125g/m。為減小爆破對(duì)圍巖的震動(dòng)，采用小抵抗線大孔距的布孔方案，孔距0.6～0.7m，排距0.35～0.45m。具體的爆破參數(shù)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，單循環(huán)進(jìn)尺一般II、III類圍巖為3.0m，IV類圍巖1.5～2.5m。

3.3 液壓錘鑿進(jìn)法開挖方案

對(duì)于V類圍巖，采用液壓錘鑿進(jìn)，必須堅(jiān)持短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)，單循環(huán)進(jìn)尺1m立即進(jìn)行支護(hù)工作。

3.4 隧洞支護(hù)

導(dǎo)流洞圍巖多為III～V類，大部分為IV～V類圍巖，當(dāng)巖石破碎度21≤RMR≤40采用4型支護(hù)，即：C25噴射混凝土5+4cm；系統(tǒng)錨桿Φ25x3000mm，排距1.5m（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，可取消系統(tǒng)錨桿）；Φ6金屬網(wǎng)片150X150mm，鋼拱架采用I12工字鋼，間距0.5～1.2m，并用Φ25螺紋鋼筋與上一榀鋼拱架焊接牢固。鋼拱架由加工廠制作完成，現(xiàn)場拼裝。

圍巖破碎度在41≤RMR≤60采用3型支護(hù)，相較4型支護(hù)，取消鋼拱架，初噴5cm素混凝土，系統(tǒng)錨桿Φ25x3000mm，排距1.5m，梅花形布置，掛鋼筋網(wǎng)后再噴一層4cm厚的混凝土（根據(jù)圍巖實(shí)際情況，可取消系統(tǒng)錨桿）。

3.5 特殊情況處理

（1）洞口邊坡處理。導(dǎo)流洞進(jìn)口巖層為泥灰?guī)r，表面覆蓋一層風(fēng)化料，下面是風(fēng)化泥灰?guī)r，洞口邊坡開挖后立即封閉。首先素噴5cm厚的C25混凝土，布置L=8.0m的?25錨桿，a=2m，b=3.0m。而后鋪設(shè)?6 15×15cm2鋼筋網(wǎng)，再噴4cm厚的混凝土。并布置排水孔、截水溝。

（2）洞臉處理。為確保施工安全，進(jìn)洞前先進(jìn)行鎖口處理。洞臉形成后在洞口設(shè)計(jì)開挖線外布置鎖口錨桿而后再開挖洞口。鎖口部分預(yù)先進(jìn)行0.15～0.2m的超挖，架設(shè)鋼拱架。鎖口錨桿分兩排，內(nèi)環(huán)距洞口鋼拱架0.5m，錨桿間距0.5m；外環(huán)距內(nèi)環(huán)1.0m，錨桿間距1.0m。施工時(shí)，預(yù)留外露長度0.2m，外露部分鋼筋與洞口第一榀鋼拱架焊為一體。然后掛鋼筋網(wǎng)，噴混凝土。噴砼厚度0.15～0.2m，分3次噴完，使鋼拱架與圍巖形成整體。

（3）洞口段塌方。進(jìn)口段掘進(jìn)至樁號(hào)0+20m時(shí)發(fā)生塌方，塌方體填塞了從掌子面到樁號(hào)0+10m之間的幾乎整個(gè)隧洞。分析原因主要是洞口覆蓋層較淺，頂拱以上圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，且對(duì)泥灰?guī)r開挖后暴露在空氣中風(fēng)化崩解的特性認(rèn)識(shí)不足，支護(hù)不夠。

處理方案：經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，為避免塌方擴(kuò)大，決定在塌方體上方鉆孔，通過混凝土泵向塌方部位灌注混凝土。而后清理洞內(nèi)塌方巖石，對(duì)開挖斷面以內(nèi)的回填混凝土挖除，并及時(shí)立拱架支護(hù)[3]。

（4）上游段F2斷層破碎帶。樁號(hào)0+72.6m拱頂發(fā)生小規(guī)模塌方，自左肩部一直延伸到右肩部位，塌方體深入頂拱以上圍巖達(dá)2m。從現(xiàn)場看，圍巖為三組裂隙分割成為碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)：分別是傾向SW的近乎平行于洞軸線的傾角達(dá)80°的陡傾裂隙，間距0.15m左右，走向垂直洞軸線、傾向SE的裂隙和傾向NW裂隙。裂隙部分填充，充填物以泥質(zhì)為主，結(jié)構(gòu)面在裂隙水的作用下發(fā)生軟化，成為松散的結(jié)構(gòu)體。掌子面開挖3h后，巖石如崩岸般一層層自掌子面中部向下自動(dòng)剝落。

采取措施：按照新奧法支護(hù)的要求，立即對(duì)拱頂及側(cè)壁進(jìn)行素噴。而后清除塌方巖石，立鋼拱架，間距縮小為0.5m，加密連接筋。為保證鋼拱架能夠支撐到圍巖，在塌方部位用工字鋼焊在拱架背面，另一端焊上墊板牢固地頂在圍巖上。然后在鋼拱架上掛模板，用混凝土將圍巖與拱架間空隙填實(shí)。

塌方部位支護(hù)完畢，采用預(yù)留核心、環(huán)形開挖的方法。具體方案是：液壓破碎錘掘進(jìn)，掌子面中央部位保留，在掌子面上環(huán)形挖出立拱架的位置，單次進(jìn)尺小于1m。立即對(duì)新開挖部位進(jìn)行素噴，而后測量放線，按0.5m間距立鋼拱架。隨即進(jìn)行噴砼作業(yè)。支護(hù)完成后再挖除中央核部，繼續(xù)用液壓錘環(huán)形開挖。此方案對(duì)工期的延誤較小，且節(jié)省投資。

3.6 地下水處理

導(dǎo)流洞所在山體靠近河谷一側(cè)有泉水出露，是地下水匯聚和出露的通道。導(dǎo)流洞上游段開挖至樁號(hào)0+164m時(shí)，掌子面出現(xiàn)涌水，實(shí)測最大流量176m3/h，持續(xù)達(dá)15天，并維持60m3/h的流量直至貫通。涌水對(duì)導(dǎo)流洞正常施工造成了嚴(yán)重影響，涌水初期排出洞內(nèi)積水的時(shí)間就達(dá)兩周之久，后期每天維護(hù)水泵、抽排水的時(shí)間達(dá)4h以上。

由于洞身裂隙發(fā)育，地下水出水點(diǎn)隨掌子面不斷前移，不宜采用封堵的辦法。同時(shí)上游側(cè)無法利用隧洞坡降自流排水，主要采用機(jī)械抽排的方式，在掌子面附近挖集水井，積水自流或由機(jī)械抽至集水井并最終排出洞外[4]。

4 結(jié)束語

瑪烏阿納大壩導(dǎo)流洞地質(zhì)條件差，圍巖復(fù)雜多變，穿越斷層帶多而長；地下水豐富，進(jìn)口段泥灰?guī)r遇水泥化崩解，出口段黏土巖遇水濕陷、甚至變成泥漿；洞徑較小，施工機(jī)械、設(shè)備及管線難以布置，施工難度極大。經(jīng)過技術(shù)人員和現(xiàn)場施工人員的艱苦努力，終于如期安全貫通。通過導(dǎo)流洞的開挖支護(hù)，對(duì)軟弱破碎巖層、泥灰?guī)r黏土巖遇水情況下隧洞的開挖支護(hù)提出以下幾點(diǎn)施工經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

（1）泥灰?guī)r具有遇空氣、遇水快速風(fēng)化崩解的特性，對(duì)于此類圍巖的開挖，要及時(shí)進(jìn)行良好的封閉噴護(hù)，避免進(jìn)一步風(fēng)化，防止圍巖失穩(wěn)；宜采用偏保守的重型支護(hù)。

（2）開挖軟弱破碎巖層應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行超前處理，提前改善圍巖狀況，而后按照“短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)”的原則，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整開挖方案，在確保安全的前提下盡可能加快施工進(jìn)度。

（3）盡可能利用現(xiàn)有的地質(zhì)地形資料，對(duì)隧洞沿線巖性及水文資料進(jìn)行預(yù)判，對(duì)可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)情況及涌水等做到未雨綢繆。

（4）重視隧洞排水工作，尤其是對(duì)泥灰?guī)r、黏土巖圍巖內(nèi)的滲水、涌水，及時(shí)采取措施，或排或堵，不僅有利于進(jìn)行下一步工作，還能防止地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定造成不利影響。