老撾南俄4水電站水工隧洞軟巖變形施工處理措施

黃 煒， 芶 仕 文， 楊 建 明， 劉 建 偉， 王 陽

(中國水利水電第十工程局有限公司 老撾公司，四川 成都 610037)

1 概 述

南俄4水電站采用一洞三機(jī)供水方式，引水系統(tǒng)由一條引水隧洞、調(diào)壓井、地下壓力鋼管、鋼岔管及三條支管組成。機(jī)組引用流量為107.3 m3/s，引水隧洞長約16.5 km，其中由中國水利水電第十工程局有限公司承建的C3標(biāo)段為引水隧洞后段(H7+720.00～16+570.00)，控制洞室全長9.5 km，隧洞巖性主要以灰?guī)r、砂巖、碳質(zhì)板巖為主。

目前引水隧洞已全線貫通。在其開挖過程中，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知：多處洞段在一期開挖支護(hù)完成后產(chǎn)生變形，主要表現(xiàn)為噴混凝土表面開裂和局部脫落、鋼支撐扭曲變形、鎖腳錨桿位移或拉伸斷裂等情況?，F(xiàn)場地質(zhì)編錄結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料顯示：所有變形洞室的區(qū)域圍巖均為碳質(zhì)板巖。

碳質(zhì)板巖為軟巖-極軟巖(室內(nèi)試驗(yàn)定名為碳質(zhì)千枚巖)，屬于石炭系下統(tǒng)第一段(C1-1)灰黑色～黑色、微風(fēng)化～新鮮的碳質(zhì)板巖夾極少量碳質(zhì)灰?guī)r透鏡體；巖層產(chǎn)狀為N70°～80°W,NE∠75°～85°,巖體破碎，擠壓揉皺現(xiàn)象明顯，呈薄層狀結(jié)構(gòu)；巖體板理發(fā)育，延伸長度超過開挖洞徑，板理面起伏光滑，其余結(jié)構(gòu)面隨機(jī)發(fā)育，成組性不強(qiáng)。局部夾雜碳質(zhì)灰?guī)r透鏡體，巖層厚度小于1 cm，薄層狀-極薄層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面主要表現(xiàn)為板理面，隨機(jī)節(jié)理不發(fā)育，節(jié)理面起伏粗糙，按照隧洞圍巖等級劃分為V類圍巖。

碳質(zhì)板巖段洞室開挖揭露掌子面處碳質(zhì)板巖層間結(jié)合差，層面多有鏡面及擦痕，手觸感光滑，擠壓揉皺明顯，表現(xiàn)為明顯的推覆構(gòu)造[1]。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示：碳質(zhì)板巖濕化性耐崩解性指數(shù)Id2為68.4%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id3為51.69%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id4為35.78%，濕化性耐崩解性指數(shù)Id5為20.85%。試驗(yàn)結(jié)果表明：碳質(zhì)板巖遇水易軟化崩解，但經(jīng)五次循環(huán)后仍未完全崩解，表明其水理性質(zhì)較差。闡述了對圍巖變形原因進(jìn)行的分析及采取的施工處理措施。

2 變形原因分析

2.1 層間擠壓構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露的圍巖判定：該段碳質(zhì)板巖受區(qū)域構(gòu)造影響，斷層、層間擠壓小型構(gòu)造發(fā)育，受層間擠壓影響，巖體間分布有軟弱夾層且?guī)r體破碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，有千枚化現(xiàn)象，開挖揭露巖體抗風(fēng)化能力弱，具有受裂隙水浸潤影響遇水易軟化、強(qiáng)度降低明顯的特征。

2.2 地下水影響

老撾地處東南亞地區(qū)，地下水資源豐富(尤其是雨季)，在洞室開挖過程中導(dǎo)致地下滲流場發(fā)生改變，且因碳質(zhì)板巖的物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為遇水易軟化，軟巖流變(尤其是蠕變導(dǎo)致的大變形)。洞室開挖導(dǎo)致周圍巖體內(nèi)的地下水明顯下降至洞室圍巖松動圈，造成邊墻下部側(cè)壓力及底部擠壓力增大，致使鋼支撐受到擠壓出現(xiàn)扭曲變形和洞室底凸現(xiàn)象。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映變形一直處于不收斂狀態(tài)且變形量持續(xù)增大。

2.3 設(shè)計方案中的支護(hù)強(qiáng)度不足

對于碳質(zhì)板巖腰線部位的圍巖壓力采用普氏塌落拱理論進(jìn)行計算。碳質(zhì)板巖室內(nèi)密度試驗(yàn)成果見表1，普氏塌落巖體參數(shù)計算成果見表2。

表1 碳質(zhì)板巖室內(nèi)密度試驗(yàn)成果表

表2 普氏塌落巖體參數(shù)計算成果表

根據(jù)普氏塌落拱的計算結(jié)果(圖1，表3)，現(xiàn)有開挖支護(hù)設(shè)計參數(shù)無法抵抗圍巖壓力且因軟巖巖體流變產(chǎn)生蠕變力，致使腰線及以下部位壓力較大，普通錨桿無法提供有效抗力。碳質(zhì)板巖室內(nèi)密度試驗(yàn)成果見圖1，普氏塌落拱計算結(jié)果見表3。

圖1 碳質(zhì)板巖室內(nèi)密度試驗(yàn)成果示意圖

表3 普氏塌落拱結(jié)果表計算表

3 采取的施工處理措施及取得的成果

3.1 增加設(shè)計支護(hù)強(qiáng)度

鑒于碳質(zhì)板巖巖體強(qiáng)度低，巖體板理構(gòu)造發(fā)育并出現(xiàn)擠壓揉皺現(xiàn)象，具有流變特性，圍巖的穩(wěn)定主要受巖體強(qiáng)度控制。項(xiàng)目部在對普氏塌落拱計算結(jié)果進(jìn)行對比分析后加強(qiáng)了主動防護(hù)力[2]。主要表現(xiàn)為：

(1)調(diào)整鋼支撐間距，將原設(shè)計方案中的間距1 m每榀改為0.5 m每榀；

(2) 邊墻支護(hù)錨桿環(huán)向間距由1 m加密至0.75 m；

(3)腰線至起拱線之間布置Φ25 mm，L=10 m的深孔錨桿，使其穿過塑性圈形成主動受力。

3.2 增加洞內(nèi)排水孔

鑒于碳質(zhì)板巖受地下水侵蝕易軟化，為防止地下水對圍巖的軟化破壞，在碳質(zhì)板巖洞段增設(shè)了深孔排水孔，從而有利于巖體內(nèi)地下水的排出。排水孔孔深以2.5～3倍洞徑為宜，以將外部地下水排出為目的。

圖2中的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映：施工排水孔前后其變形數(shù)據(jù)有明顯變化。雨季地下水增多，導(dǎo)致該部位變形速率明顯加大。在對該段施工深孔排水孔后，其變形速率明顯趨于穩(wěn)定狀態(tài)。H14+193.5收斂點(diǎn)累計變形過程線見圖2。

圖2 H14+193.5收斂點(diǎn)累計變形過程線圖

3.3 增加檢測監(jiān)測點(diǎn)及監(jiān)測頻率

在引水隧洞內(nèi)的碳質(zhì)板巖段每隔10 m布設(shè)一處監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面在拱頂、兩側(cè)拱腰共布設(shè)了3個監(jiān)測點(diǎn)(圖3)。收斂監(jiān)測點(diǎn)線路布置情況見圖3。當(dāng)有滲水及圍巖條件極差時，加密監(jiān)測斷面間距至5 m[3]。在初支完成后于4 h內(nèi)布置監(jiān)測點(diǎn)，于12 h內(nèi)讀取初始讀數(shù)(至少每天進(jìn)行一次)。根據(jù)變形情況增大量測頻率并對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷圍巖的變形情況是否處于正常狀態(tài)，從而為施工安全和支護(hù)參數(shù)的確定提供科學(xué)的依據(jù)。

圖3 收斂監(jiān)測點(diǎn)線路布置圖

施工過程中，及時對鋼支撐布置監(jiān)測埋點(diǎn)并盡早收集變形段初支變形的初始數(shù)據(jù)，在該過程中加大監(jiān)測頻率，按照監(jiān)控量測位移管理等級采取相應(yīng)的處理措施，將監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及時反饋至項(xiàng)目部。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)位移管理等級見表4。

表4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)位移管理等級表

根據(jù)監(jiān)控量測位移管理等級，當(dāng)初支累計位移變形量小于設(shè)計極限位移值的1/3時，為三級管理狀態(tài)，可以正常施工；當(dāng)初支累計位移變形量大于設(shè)計極限位移值的1/3、小于設(shè)計極限位移值的2/3時，進(jìn)入二級管理狀態(tài)，及時增設(shè)鎖腳錨管或護(hù)拱對初期支護(hù)進(jìn)行加固；若仍然出現(xiàn)變形無法控制的情況(當(dāng)初支累計位移變形量大于設(shè)計極限位移值的2/3時)，進(jìn)入一級管理狀態(tài)，應(yīng)立即采取特殊處理措施：立即停止斷面施工，對掌子面進(jìn)行封閉，對超限變形部位進(jìn)行徑向注漿加固，同時立即上報、制定出進(jìn)一步強(qiáng)化處理的措施。

3.4 底板仰拱及時跟進(jìn)

每開挖完成12 m，立即跟進(jìn)底部仰拱支護(hù)和底板混凝土澆筑。結(jié)合前期施工過程中已完成的仰拱底部出現(xiàn)的開裂、底凸現(xiàn)象，采取的主要應(yīng)對施工措施為：

(1)底部仰拱增設(shè)鋼管樁Φ48 mm，L=6 m，梅花型布置，同時注入0.5∶1～1∶1的水泥漿液用于加固兩側(cè)墻腳，控制灌漿壓力不超過0.5 MPa，以防止結(jié)構(gòu)底部的收斂變形。在鋼管管身設(shè)置花孔，孔徑6 mm，間距30 cm，梅花型布置，下傾角度為60°～70°。

(2)對滲水段及變形速率較大的洞段，采取仰拱基底深層鋼管注漿的方式進(jìn)行加固處理，仰拱中部設(shè)置鋼管Φ50 mm×4 mm,L=9 m,間排距為2 m×2 m，梅花型布置，注入水泥漿液(0.5∶1～1∶1)。

(3) 為確保底板混凝土與基巖面緊密結(jié)合，底板采用C30微膨脹混凝土進(jìn)行施工?；炷翝仓纬煽煽康难龌?，用以加強(qiáng)澆筑成型后的底部拱形支撐效應(yīng)[4]。

3.5 預(yù)留變形空間

軟巖的開挖施工按照“先放后抗”的理念適當(dāng)加大預(yù)留變形量。在變形初期，支護(hù)結(jié)構(gòu)在保證安全、不出現(xiàn)坍塌的前提下具有一定的柔性，能適應(yīng)一定的變形，適當(dāng)?shù)淖冃吾尫帕瞬糠謬鷰r應(yīng)力，之后，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度與強(qiáng)度，在圍巖應(yīng)力得到一定程度的釋放后，能在5～7個月左右的時間內(nèi)抵抗剩余的圍巖應(yīng)力。在南俄4工程碳質(zhì)板巖段開挖過程中，根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL378-2018)[5]及現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，在保證永久襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸的前提下，邊墻及頂拱的預(yù)留變形量為20 cm。

4 結(jié) 語

軟巖隧洞施工遵照“短進(jìn)尺、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早封閉成環(huán)、勤量測”[6]的原則，采取綜合治理措施，即加強(qiáng)超前支護(hù)、初期支護(hù)措施，增加對洞身圍巖的注漿以加固改良圍巖強(qiáng)度，有效抑制洞身圍巖的大變形。同時，增加襯砌厚度，加大襯砌鋼筋的型號，加強(qiáng)二次襯砌用以抵抗圍巖殘余變形能力，保證隧洞的施工安全和后期運(yùn)營安全。

前期隧洞圍巖等級為Ⅳ級、Ⅴ級(非軟巖)時，采用的監(jiān)測方法為傳統(tǒng)方法：沉降為高程測量，收斂為相對水平位移，監(jiān)控數(shù)據(jù)初始值從點(diǎn)位布置開始記錄。但因點(diǎn)位布置存在間隔期，導(dǎo)致點(diǎn)位布置前初支已發(fā)生沉降收斂的數(shù)據(jù)未計入累計變形值，不能提供與設(shè)計斷面進(jìn)行對比的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致施工人員不能及時掌握初支斷面到侵限的剩余空間。針對軟巖大變形段采用傳統(tǒng)監(jiān)控量測方法存在的漏洞，項(xiàng)目部采用坐標(biāo)法監(jiān)測，動態(tài)測量，采用初始量測與設(shè)計斷面對比的方法修正初始值，將累計變形值與設(shè)計斷面進(jìn)行比較，進(jìn)而為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。