俄日水電站引水隧洞圍巖分類及工程地質(zhì)問(wèn)題處理

(湖北水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

2 引水線路工程地質(zhì)條件

引水線路沿河兩岸山體雄厚，山頂高程 4000.00～4700.00m，相對(duì)高差900～1900m，臨河坡高約100～1200m，引水工程區(qū)僅發(fā)育四條小沖溝，即磨藥溝、鴉落溝、學(xué)校溝和耕水溝，其中磨藥溝過(guò)溝處基巖裸露，無(wú)覆蓋層分布。各沖溝發(fā)育特征見(jiàn)表1。

表1 引水線路區(qū)主要支溝發(fā)育特征

引水線路穿越的地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組上段(T3z2)中厚至厚層狀變質(zhì)砂巖夾含碳砂質(zhì)板巖、巨厚層塊狀變質(zhì)砂巖和上統(tǒng)侏倭組(T3zh)薄至中厚層(局部巨厚層塊狀)變質(zhì)砂巖與含碳砂質(zhì)板巖韻律狀互層；巖石風(fēng)化微弱，巖體一般呈層狀結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，部分Ⅳ～Ⅴ類；其中Ⅱ類圍巖約占10.8%，Ⅲ類圍巖約占57.8%，Ⅳ～Ⅴ類圍巖分別約占31.4%。隧洞沿線穿越燒熱和頭木羅溝兩處向斜，根據(jù)引水線路地質(zhì)測(cè)繪圖，引水線路沿線共發(fā)育大小斷層11條，但有一定規(guī)模并可能對(duì)引水洞線有影響的斷層有5條，斷層破碎及其影響范圍由小至大約為20～150m，巖體多擠壓成粉末狀、角礫狀，對(duì)洞室穩(wěn)定性不利。總體而言，隧洞工程地質(zhì)條件較差。

引水線路的地下水主要為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水?？紫端艽髿饨邓a(bǔ)給，主要賦存于兩岸崩坡積碎石土與沖積含漂砂卵礫石層中，向溝谷及河床排泄?；鶐r裂隙水主要賦存于谷坡兩岸及谷底巖體中，巖體含水性及透水性受構(gòu)造發(fā)育程度控制，并與巖體的風(fēng)化、卸荷有關(guān)，斷層破碎帶、擠壓破碎帶、節(jié)理密集帶含水相對(duì)豐富。河水、溝水對(duì)混凝土不具侵蝕性。

3 隧洞圍巖地質(zhì)分類

3.1 圍巖分類

結(jié)合《中小型水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(DL/T 5410—2009)中圍巖工程地質(zhì)分類表，并參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)、《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2016)中的圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀5項(xiàng)因素之和的總評(píng)分為依據(jù)[1]，對(duì)俄日水電站引水隧洞圍巖類別進(jìn)行了分類并給出了相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)建議值(見(jiàn)表2)。

表2 圍巖總體評(píng)分分類及其特性

續(xù)表

3.2 引水隧洞不同洞段圍巖分類

3.2.1 第一段(0+000～1+000)

本洞段長(zhǎng)1000m，洞向N54°，隧洞垂直最大埋深310m，圍巖地層巖性為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組及上統(tǒng)侏倭組變質(zhì)砂巖夾極薄至薄層砂質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀N35°～65°W/SW(NE)∠72～76°。巖層走向與洞室軸向交角多在45°左右，交角較大，有利于洞室穩(wěn)定，局部交角較小，約25°，巖層傾角較陡，洞壁兩側(cè)可能產(chǎn)生片幫等失穩(wěn)現(xiàn)象。發(fā)育優(yōu)勢(shì)裂隙三組，裂隙產(chǎn)狀分別為325°∠71°、165°∠33°及285°∠85°，裂隙一般延伸較長(zhǎng)，閉合無(wú)充填。進(jìn)口段巖體弱風(fēng)化強(qiáng)卸荷深度約35m，其余洞段以微風(fēng)化巖體為主。本洞段以局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖為主，進(jìn)口風(fēng)化卸荷段及局部構(gòu)造破碎帶屬Ⅳ～Ⅴ類不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定圍巖。部分埋深較大洞段存在輕微巖爆可能，建議施工期加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，確保施工安全。

進(jìn)水口處基巖裸露，巖性為雜谷腦組變質(zhì)砂巖，巖體呈強(qiáng)至弱風(fēng)化，受風(fēng)化、卸荷影響，巖體較破碎。巖層產(chǎn)狀225°∠76°，巖質(zhì)邊坡為斜向坡，有利于邊坡穩(wěn)定。建議弱風(fēng)化巖體開(kāi)挖邊坡以1∶0.3～1∶0.5較為適宜。因開(kāi)挖邊坡主要位于強(qiáng)卸荷帶內(nèi)，節(jié)理裂隙的抗剪強(qiáng)度較低，局部不利組合可能導(dǎo)致邊坡局部失穩(wěn)，需加強(qiáng)錨固處理。

3.2.2 第二段(1+000～3+300)

巖漿在形成過(guò)程中，不斷吸收圍巖中的成礦物質(zhì)，形成富礦巖漿，在成巖過(guò)程中，部分成礦物質(zhì)從巖漿中分類，在圍巖中成礦，如大張溝脈狀鉬礦體和老墳爬銅鉬礦，另一部分被保存在巖體中形成斑巖型礦床，如雙山鉬礦和老墳爬斑巖體中的鉬礦化。

本洞段長(zhǎng)2300m，洞向N59°E，隧洞垂直埋深最小約70m，最大220m，圍巖地層及巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組薄至中厚層(部分巨厚層塊狀)變質(zhì)砂巖與極薄至薄層含碳砂質(zhì)板巖，板巖厚度約占總巖體厚度的30%。巖層產(chǎn)狀N30°～40°E/NW∠41°～71°。巖層走向與洞軸向成19°～29°小角度相交，不利于洞室穩(wěn)定。發(fā)育優(yōu)勢(shì)裂隙兩組，裂隙產(chǎn)狀分別為90°～95°∠56°～74°、178°～190°∠45°～86°，裂隙面多粗糙、延伸長(zhǎng)，無(wú)充填。本洞段穿越燒熱向斜核部，巖體較為破碎。地表發(fā)育耕水溝、學(xué)校溝等4條沖溝，經(jīng)勘探查明過(guò)溝處覆蓋層厚度為12～20m，隧洞上覆有效巖體厚度不小于55m。受沖溝地表水流的長(zhǎng)期補(bǔ)給，儲(chǔ)存于裂隙中的地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化較深。本洞段為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅳ～Ⅴ類圍巖。施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，并加強(qiáng)地下水的輸排措施。含碳板巖洞段可能遇有毒有害氣體，應(yīng)采取防范措施。

3.2.3 第三段(3+300～5+700)

本洞段長(zhǎng)2400m，洞向N15°E，隧洞垂直最大埋深460m。地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組薄至中厚層(局部巨厚層塊狀)變質(zhì)砂巖與含碳砂質(zhì)板巖韻律狀互層，板巖厚度約占總巖體厚度的30%。巖層產(chǎn)狀近EW/N(S)∠50°～78°。巖層走向與軸向成較大角度相交，有利于洞室穩(wěn)定。發(fā)育優(yōu)勢(shì)裂隙兩組，裂隙產(chǎn)狀分別為205°～255°∠25°～30°、113°～126°∠69°～85°，裂隙面多粗糙、延伸長(zhǎng)，無(wú)充填。發(fā)育F10一條斷層，斷層產(chǎn)狀335°∠60°，斷層破碎及其影響帶寬20～30m，帶內(nèi)主要為角礫巖、碎裂巖。本洞段以局部穩(wěn)定性較差的Ⅲ類圍巖為主，碳質(zhì)板巖集中出露段及部分構(gòu)造破碎帶為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅵ～Ⅴ類圍巖，施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。在埋深大、巨厚層變質(zhì)砂巖較為集中洞段，存在輕微巖爆的可能，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和防御。含碳板巖洞段可能遇有毒有害氣體，應(yīng)采取防范措施。

3.2.4 第四段(5+700～10+000)

本洞段長(zhǎng)4300m，洞向N15°～36°E，隧洞垂直埋深130～550m。地層巖性為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組上段中厚～厚層狀變質(zhì)砂巖夾含碳砂質(zhì)板巖、巨厚層塊狀變質(zhì)砂巖，板巖厚度約占總巖體厚度的10%。巖層產(chǎn)狀N58°～80°W/SW(NE)∠42°～81°。巖層走向與洞軸向成較大角度相交，有利于洞室穩(wěn)定。發(fā)育優(yōu)勢(shì)裂隙三組，裂隙產(chǎn)狀分別為310°～345°∠42°～71°、248°～262°∠55°～78°及183°～195°∠19°～28°，裂隙一般延伸較長(zhǎng)，閉合無(wú)充填。發(fā)育F8、F11兩條斷層，斷層F8產(chǎn)狀360°∠65°，斷層破碎及其影響帶寬30～50m，帶內(nèi)主要為角礫巖、碎裂巖；斷層F11產(chǎn)狀320°∠50°，斷層破碎及其影響帶寬25～50m，帶內(nèi)主要為角礫巖、碎裂巖。本洞段以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部碳質(zhì)板巖集中出露段和斷層破碎帶為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅳ～Ⅴ類圍巖，施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。在埋深大、巨厚層變質(zhì)砂巖較為集中洞段，存在輕微巖爆的可能，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和防御。

3.2.5 第五段(10+000～12+098)

本洞段長(zhǎng)2098m，洞向N36°～60°E，隧洞垂直埋深180～370m。地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組薄至中厚層(局部巨厚層塊狀)變質(zhì)砂巖與含碳砂質(zhì)板巖韻律狀互層，板巖厚度約占總巖體厚度的27.4%。巖層產(chǎn)狀N59°～85°W/SW∠41°～62°。巖層走向與軸向成大角度相交，有利于洞室穩(wěn)定。發(fā)育優(yōu)勢(shì)裂隙兩組，裂隙產(chǎn)狀分別為20°～25°∠15°～38°、322°～345°∠48°～78°，裂隙面多粗糙、延伸長(zhǎng)，無(wú)充填。本洞段以局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖為主，碳質(zhì)板巖集中出露段和斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。在埋深大、巨厚層變質(zhì)砂巖較為集中洞段，存在輕微巖爆的可能，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和防御。

4 圍巖支護(hù)措施及主要工程地質(zhì)問(wèn)題

4.1 圍巖支護(hù)措施

由于該工程引水隧洞斷面較小，在隧洞開(kāi)挖貫通后才能進(jìn)行二次襯砌，為了確保隧洞安全，進(jìn)行合理的初期支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)，對(duì)加快施工進(jìn)度、保證工程安全具有重要意義。

依據(jù)洞頂圍巖覆蓋厚度、內(nèi)水壓力、地質(zhì)條件等，主要采用錨噴混凝土和鋼筋混凝土襯砌混合襯砌方式，其中Ⅱ類圍巖邊、頂拱素噴混凝土，厚10cm，底板澆筑20cm厚素混凝土；Ⅲ類圍巖邊、頂拱采用掛網(wǎng)+系統(tǒng)錨桿+噴錨聯(lián)合支護(hù)方式，噴混凝土厚15cm，底板澆筑20cm厚素混凝土；Ⅳ、Ⅴ類圍巖初期支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿+鋼拱架 +掛網(wǎng)+噴錨聯(lián)合支護(hù)方式，局部圍巖極差洞段應(yīng)做好超前支護(hù)(如超前錨桿、超前小導(dǎo)管等)以避免開(kāi)挖導(dǎo)致洞室塌方；永久支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌，其中Ⅳ類圍巖40cm厚雙層鋼筋混凝土襯砌，Ⅴ類圍巖60cm厚雙層鋼筋混凝土襯砌；Ⅳ、Ⅴ類及洞內(nèi)壓力水頭大于50m的Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞周邊進(jìn)行固結(jié)灌漿，頂拱120°范圍進(jìn)行回填灌漿，回填灌漿每排3孔、排距2.5m；固結(jié)灌漿每排6孔、排距2.5m，為梅花形布置，深入圍巖3.5m。

4.2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

4.2.1 局部沖溝發(fā)育段圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題

沖溝發(fā)育段洞室有效覆蓋層較低，受沖溝地表水流的長(zhǎng)期補(bǔ)給，儲(chǔ)存于裂隙中的地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化較深，大多呈松散堆積結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性極差，一般為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，施工難度較大。

鴉落溝發(fā)育段下洞室開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生過(guò)一次塌方(見(jiàn)圖1)，掌子面滲水較大，出露圍巖主要為強(qiáng)至全風(fēng)化變質(zhì)砂巖夾碳質(zhì)板巖，由于長(zhǎng)期受地下水影響，圍巖呈散體結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中本段洞室一直采用分層開(kāi)挖的方式(以洞室120°為分層界限分為上下兩層)，首先采用人工配合風(fēng)鎬對(duì)上層進(jìn)行開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.8m，開(kāi)挖完成后在拱頂立即進(jìn)行支護(hù)及空腔回填，上層開(kāi)挖支護(hù)完成2個(gè)循環(huán)后再進(jìn)行下層開(kāi)挖支護(hù)，鋼拱架間距0.5～1.0m，并采用超前小導(dǎo)管(φ42、L=4.5m，每2.0m一環(huán)，環(huán)向間距20～25cm)進(jìn)行超前支護(hù)。上述施工方案在滲水較小、圍巖堆積較為密實(shí)的洞段均取得了良好效果，然而在本洞段超前支護(hù)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，巖體較為松散，且受滲水影響吸漿能力差，不能有效固結(jié)密實(shí)(見(jiàn)圖2)，小導(dǎo)管?chē)?yán)重彎曲破壞，從而造成了一定程度上的塌方，采用工字鋼拱架+局部超前管棚+噴混凝土聯(lián)合支護(hù)才順利渡過(guò)[2,3]。

圖1 沖溝覆蓋段洞室開(kāi)挖塌方

圖2 超前小導(dǎo)管注漿縱剖面

4.2.2 Ⅴ類圍巖開(kāi)挖導(dǎo)致的地表沉降問(wèn)題

在實(shí)際施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Ⅴ類圍巖洞段由于巖體較為松散，且緊鄰沖溝局部洞段外水壓力較大，鎖腳錨桿對(duì)鋼拱架的鎖定效果較差，在初期支護(hù)后，洞室斷面(長(zhǎng)度約15m左右)較設(shè)計(jì)斷面減小，嚴(yán)重處較設(shè)計(jì)斷面差接近0.1m。為了解決上述問(wèn)題，并防止后期底板清理時(shí)可能發(fā)生的鋼拱架破壞引起斷面進(jìn)一步減小，考慮到鎖定梁在類似工程地質(zhì)條件下的成功運(yùn)用[4]，對(duì)沖溝附近洞室的鋼拱架底部?jī)啥思娱L(zhǎng)加設(shè)仰拱，底部增加工字鋼地梁與鋼拱架焊接，并對(duì)底部?jī)啥瞬捎肅25混凝土進(jìn)行固定。該施工方案對(duì)于控制沉降起到了顯著的效果。

5 總 結(jié)

本文以俄日水電站為背景，詳細(xì)介紹了引水隧洞的圍巖地質(zhì)分類情況。施工過(guò)程中設(shè)代和施工人員能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掌子面圍巖出露情況，及時(shí)判斷圍巖的自穩(wěn)能力，制定相應(yīng)的開(kāi)挖支護(hù)措施。同時(shí)，針對(duì)沖溝發(fā)育、覆蓋層較低及碳質(zhì)板巖出露等復(fù)雜地質(zhì)洞段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定了適用于該工程的施工方案，對(duì)類似的洞室施工具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。