盧 平，朱記偉，劉建林,2

(1.西安理工大學(xué)，西安 710048；2.陜西省商洛市商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000)

1 導(dǎo)流隧洞綜述

1.1 導(dǎo)流隧洞相關(guān)概念的界定

隧洞導(dǎo)流指在施工基坑的上下游修筑圍堰擋水，使河水通過岸邊導(dǎo)流隧洞導(dǎo)向下游的施工導(dǎo)流。導(dǎo)流隧洞常用的斷面形式主要有3種：圓形、城門洞型和馬蹄形，對于有壓隧洞一般采用圓形斷面，對于無壓隧洞一般采用城門洞形或馬蹄形。依據(jù)《水利水電施工手冊.第二卷 土石方工程》中平洞施工的規(guī)定，導(dǎo)流隧洞按斷面尺寸分類，有小斷面、中斷面、大斷面及特大斷面之分，具體斷面尺寸分類見表1。

表1 斷面尺寸分類表

我國的大中型水電站主要分布在西北和西南地區(qū)，該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，Ⅳ～Ⅴ類圍巖在水利工程施工中非常常見。從錦屏一級電站導(dǎo)流隧洞工程、小灣水電站導(dǎo)流隧洞、糯扎渡水電站導(dǎo)流隧洞、烏東德水電站導(dǎo)流隧洞等大型工程可以看出：復(fù)雜特殊的地質(zhì)條件主要有斷層破碎帶及其影響帶、軟弱巖層帶、巖體風(fēng)化嚴(yán)重地段、巖體卸荷深度較大地段以及含溶洞地段等。所以本文研究的是在該復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下斷面面積在120 m2以上的導(dǎo)流隧洞開挖與支護(hù)技術(shù)。

1.2 復(fù)雜特殊地質(zhì)導(dǎo)流隧洞施工難點(diǎn)及問題

地質(zhì)條件是影響導(dǎo)流隧洞工程施工的一個重要因素。導(dǎo)流隧洞工程施工方案的選擇和確定在很大程度上是依據(jù)工程地質(zhì)特征而制定的，針對不同的圍巖類別，施工處理的方法和技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同。導(dǎo)流隧洞在開挖前應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)情況做好“超前探測、超前排水、超前支護(hù)”等工作，開挖鉆爆遵循“短進(jìn)尺、控爆破、少擾動、早封閉、勤量測”的施工原則，加強(qiáng)工程地質(zhì)預(yù)報，進(jìn)行超前導(dǎo)洞開挖，在摸清地質(zhì)情況后，再擴(kuò)大穩(wěn)定及開挖施工，以確保施工安全通過。特別是復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞的施工，必須視不同的圍巖地質(zhì)情況制定適合本工程的開挖支護(hù)施工方案。

斷層破碎帶、Ⅴ類圍巖地層段和軟弱巖層帶導(dǎo)流隧洞的開挖及不良地質(zhì)地段的處理將構(gòu)成導(dǎo)流隧洞施工的難點(diǎn)?？赡軙驗閷Φ刭|(zhì)情況掌握不夠，從而選擇了不合適的施工技術(shù)或不適合圍巖情況的施工方法，并且又未及時采取其他補(bǔ)救措施，在施工時導(dǎo)致了塌方的發(fā)生。具體表現(xiàn)在：在輕微風(fēng)化或裂隙較密集的圍巖和斷層破碎帶較窄且兩側(cè)巖體比較完整的地段容易發(fā)生小塌方；在兩條相鄰、傾向相對的斷層帶或兩種巖層交接帶容易發(fā)生中等塌方；當(dāng)洞頂巖層較薄時，易發(fā)生冒頂；在軟弱巖層段，由于隧洞圍巖松散、低強(qiáng)度、遇水易軟化的特殊性和雨季豐富的地下水滲透等的影響，很容易出現(xiàn)局部坍塌和二次襯砌前的鼓脹；在巖溶發(fā)育洞段，如若對溶洞不能及時采取合理地處理措施，將會給施工帶來安全隱患，這將導(dǎo)致工程延期，投資增大等。因此，在導(dǎo)流隧洞的開挖過程中，我們在掌握地質(zhì)條件的情況下，應(yīng)選取合理的開挖與支護(hù)方法，避免上述問題的發(fā)生。所以說研究復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞的開挖支護(hù)施工技術(shù)很有意義。

2 復(fù)雜特殊地質(zhì)特大斷面導(dǎo)流隧洞的開挖技術(shù)

開挖在導(dǎo)流隧洞工程施工工序中占有很重要的地位，它不僅是施工的重要環(huán)節(jié)而且是核心環(huán)節(jié)。開挖方法的選擇受設(shè)計斷面、地質(zhì)條件以及技術(shù)水平等因素限制，一般采取的方法有所不同。復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞的開挖方法一般有超前導(dǎo)洞法、預(yù)留核心土法、臺階開挖法、分層分部開挖法等。下面我將針對如上所述的不同地質(zhì)條件進(jìn)行具體的開挖技術(shù)研究。

2.1 不良地質(zhì)地段的處理措施

在復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下開挖施工，需先對斷層、軟弱巖層和溶洞等不良地段進(jìn)行處理。從表2可知：在不良地段施工前，為提高斷層段圍巖的整體穩(wěn)定性，確保施工及工程安全，須對斷層及其影響帶、軟弱巖層地段進(jìn)行固結(jié)灌漿或設(shè)置懸吊錨桿進(jìn)行加固處理；對巖溶發(fā)育地段須加強(qiáng)排水，并進(jìn)行處理。如在實(shí)際工程思林水電站導(dǎo)流隧洞工程中，最為突出的工程地質(zhì)問題就是巖溶發(fā)育、涌水、涌泥及河水倒灌。通過對K30、K31、Sj2和Sj4等巖溶管道進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴、回填混凝土、加密配筋并進(jìn)行灌漿等處理措施，為隧洞順利施工創(chuàng)造了有利條件[1]。

表2 不良地質(zhì)地段處理措施表

2.2 斷層及破碎圍巖段上導(dǎo)流隧洞的開挖

在斷層及破碎圍巖段上的特大斷面導(dǎo)流隧洞開挖應(yīng)按“淺鉆孔，多循環(huán)，弱爆破”的方針進(jìn)行，遵循自上而下的施工原則，采取合理的開挖程序進(jìn)行分部分序開挖，在斷層部位進(jìn)行超前支護(hù)，圍巖注漿加固、開挖后加強(qiáng)支護(hù)等。開挖主要采用的是分層分部開挖法(常用兩層開挖法或三層開挖法)。上層開挖采用的方法有：中部預(yù)留巖柱法；左右半洞開挖法；中導(dǎo)洞開挖法。下層開挖方法：半斷面開挖法或半幅開挖法；梯段爆破拉中槽、人工光爆層開挖法。當(dāng)采用的是三層開挖時，第Ⅲ層開挖采用淺孔爆破開挖或保護(hù)層開挖法。此外，對特大斷面的開挖，當(dāng)工作面部分圍巖全部加固工程量大時，還可采用周邊導(dǎo)坑法。以上所述各種導(dǎo)流隧洞開挖法的具體情況見表3。

表3 導(dǎo)流隧洞開挖方法

在實(shí)際工程中，各施工單位都必須針對工程的地質(zhì)特征，仔細(xì)全面地分析工程具體情況，制定適合本工程的、合理的施工方案。如：糯扎渡水電站F3斷層及其影響帶位于3號導(dǎo)流隧洞1+481.2～1+529段，其中主斷層寬約8～17 m，樁號1+489～1+514，F(xiàn)5斷層位于3號導(dǎo)流隧洞0+760～0+790段，中斷層帶寬約30 m，斷層帶主要為破碎巖、角礫巖、糜棱巖、石英脈等，圍巖穩(wěn)定性及完整性很差。F3主斷層開挖采用了分層法施工，共分上、中、下三層施工[2,3]。上層開挖采用“核心留臺法”施工，中、下層采用半幅開挖法施工。上層又分七區(qū)，按先“中間后兩側(cè)”自上而下的順序施工，支護(hù)及時跟進(jìn)，兩側(cè)開挖視地質(zhì)情況，先開挖軟巖后開挖硬巖，確保了施工安全。而F5斷層上層開挖時，先進(jìn)行上導(dǎo)洞開挖，再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖，支護(hù)緊跟。中下層開挖時，仍然采用半幅開挖的方式[3]。清江水布埡導(dǎo)流隧洞進(jìn)口段遇到F8區(qū)域性斷層，熔蝕張開劇烈，最大處達(dá)80 cm，影響范圍18 m，對進(jìn)口及洞臉邊坡的穩(wěn)定十分不利。在該段斷層破碎帶不良地質(zhì)段，考慮到該導(dǎo)流洞的特大開挖斷面，工作面部分圍巖全部加固工程量大，而采用了周邊導(dǎo)坑法[4]。在大管棚的超前支護(hù)下，拱部弧形導(dǎo)坑先進(jìn)，再依次兩側(cè)開挖拱腳導(dǎo)坑和墻腳導(dǎo)坑，斷面開挖施工工序如圖1所示。

圖1 周邊導(dǎo)坑法斷面開挖示意圖

2.3 軟弱巖層上導(dǎo)流隧洞的開挖

軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)礦巖，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。軟巖段特大斷面導(dǎo)流隧洞的開挖施工必須嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，決不能求快而冒進(jìn)。軟巖隧洞開挖施工目前主要有超前導(dǎo)洞法、預(yù)留核心土法、臺階分部開挖法等。

然而，同為軟弱地質(zhì)，不同地域的工程地質(zhì)特征也是各不相同的，施工處理的方法和技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同。下面我主要從兩方面進(jìn)行描述：①對于具有多層間剪切破碎、多泥軟化面、多劈理、多微裂隙、失水易干裂、遇水易泥軟化等特點(diǎn)的軟弱巖層，采取分三層分部開挖或多層開挖法，每層嚴(yán)格控制分層開挖厚度，遵循“小進(jìn)尺、多循環(huán)”的原則施工。②對受因民組薄層-極薄層大理巖化白云巖影響的軟巖地段，采取多層分部開挖法，施工嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則，開挖后及時進(jìn)行斷面驗收。

2.4 巖溶發(fā)育段上導(dǎo)流隧洞的開挖

巖溶發(fā)育地段在導(dǎo)流隧洞工程施工中非常常見，巖溶發(fā)育的形態(tài)主要有巖溶泉、落水洞、溶洞、順層風(fēng)化溶濾帶和溶槽等，地質(zhì)條件復(fù)雜。大洞徑的導(dǎo)流隧洞在巖溶發(fā)育段施工時，應(yīng)以封、堵、拉為原則，本著“先上部再下部”的處理順序，對溶洞進(jìn)行處理。對出露的溶腔口部需進(jìn)行清理、加固和拓寬處理。在溶洞空腔施工時，對于底板要進(jìn)行再次回填，對溶洞通道、空腔內(nèi)部需進(jìn)行清理和隨機(jī)支護(hù)。在對巖溶進(jìn)行加固處理的基礎(chǔ)上采取分層分段臺階法開挖。同時，為確保施工安全，在擴(kuò)挖時要以機(jī)械擴(kuò)挖為主，弱爆破為輔。

3 復(fù)雜特殊地質(zhì)特大斷面導(dǎo)流隧洞的支護(hù)技術(shù)

支護(hù)是導(dǎo)流隧洞施工不可缺少的一個環(huán)節(jié)，它通過對圍巖進(jìn)行加固，保證了后期隧洞施工的安全。復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下導(dǎo)流隧洞的支護(hù)形式與圍巖類別、隧洞的工況、隧洞的大小、開挖形式及支護(hù)的材料和設(shè)備有著密不可分的關(guān)系。

3.1 斷層及其影響帶、卸荷帶和節(jié)理密集帶上導(dǎo)流隧洞的支護(hù)

Ⅴ類圍巖、斷層帶、斷層影響帶、卸荷帶及節(jié)理密集帶，由于巖體軟弱破碎，再加上構(gòu)造影響，開挖后變形發(fā)展迅速，則需要采取剛性較大的聯(lián)合支護(hù)措施，才能抑制有害變形的發(fā)展。聯(lián)合支護(hù)的手段有掛網(wǎng)噴錨支護(hù)、格構(gòu)梁配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)、格柵鋼架或型鋼拱架配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)、工字鋼支撐，噴鋼纖維混凝土支護(hù)等。

掛網(wǎng)噴錨支護(hù)有兩種形式：初噴+錨桿+掛網(wǎng)+復(fù)噴；初噴+掛第一層網(wǎng)+復(fù)噴+錨桿+掛第二層網(wǎng)+再噴。在軟弱帶較窄的斷層帶及其影響帶、圍巖破碎地帶，一般采用第一種支護(hù)形式；在軟弱層較厚的主斷層帶，一般采用第二種支護(hù)形式。格構(gòu)梁配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)，它適用于地質(zhì)條件極為惡劣的地段及隧洞進(jìn)出口段和一些隧洞交叉段等特殊地段。格柵鋼架錨桿支護(hù)方法一般用在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，進(jìn)出口段及洞身斷層破碎帶等地質(zhì)條件差的地段。如云南土卡河水電站導(dǎo)流隧洞，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，進(jìn)出口段及洞身斷層破碎帶采用了格柵鋼架配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)法[5]。工字鋼支撐適用于破碎而不穩(wěn)定的巖層，能承受很大的山巖壓力，耐久性好。如小灣導(dǎo)流隧洞在F7斷層及進(jìn)、出口跨度較大等不良地質(zhì)條件下就采用了工20b工字鋼彎制而成的鋼支撐支護(hù)，采用“濕噴法”噴鋼纖維混凝土[6]。

3.2 軟弱圍巖和巖溶地段導(dǎo)流隧洞的支護(hù)

軟弱圍巖、圍巖破碎帶以及富水、涌水、突水等地段，通常要采用超前支護(hù)手段，以加固圍巖、封堵地下水，從而保障施工安全通過。超前支護(hù)常用的手段有：超前小導(dǎo)管錨桿、小管棚及大管棚等。超前小導(dǎo)管錨桿、小管棚支護(hù)參數(shù)[7]可參考表4選取。大管棚鋼管直徑一般Φ80～127 mm,鋼管中心間距25～30 cm，上仰角為2°～5°，以不侵入設(shè)計斷面為宜；大管棚鋼管長度一般大于10 m，最長已達(dá)80 m。

表4 超前小導(dǎo)管錨桿、小管棚支護(hù)參數(shù)

3.3 圍巖破碎帶、圍巖變形強(qiáng)烈段導(dǎo)流隧洞的支護(hù)

在圍巖極其破碎、圍巖變形強(qiáng)烈等復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞的支護(hù)，主要采取水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿和中空自進(jìn)式錨桿兩種新型錨桿支護(hù)類型。

水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿是一種能迅速提高 巖體整體穩(wěn)定性的主動施力錨桿。它對開挖后的圍巖可盡早提供支護(hù)壓力，對恢復(fù)巖體三維受力狀態(tài)、提高巖體整體穩(wěn)定性極為有利。在錨筋類支護(hù)方式中，各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相對優(yōu)越甚至可以取代較淺層錨索支護(hù)。如小灣水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口漸變段部位因圍巖巖性主要為黑云花崗片麻巖(MV-1)夾少量片巖，塊狀和次塊狀巖體，Ⅳ級結(jié)構(gòu)面對小斷層(f)和擠壓面(gm)較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，在變形較大的2號導(dǎo)流隧洞漸變段(0+00～0+30m)采用了水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿加強(qiáng)支護(hù)[8]。

中空自進(jìn)式錨桿在復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下取代了普通砂漿錨桿，克服了普通砂漿錨桿諸如塌孔、無法插桿、注漿不飽滿等難題，發(fā)揮了錨桿支護(hù)的作用，提高了圍巖的承載能力，保證了圍巖的整體穩(wěn)定性。如小灣水電站在1號導(dǎo)流隧洞0+160～0+237及2號導(dǎo)流隧洞0+215～0+287范圍的F7斷層出露洞段，就采用了中空自進(jìn)式錨桿開挖支護(hù)[6,8]。

總之，在實(shí)際工程中，導(dǎo)流隧洞在不良地段的支護(hù)形式要根據(jù)工程的實(shí)際情況選擇，保證施工安全通過。

4 結(jié) 語

由于水工導(dǎo)流隧洞所遇到的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工時需綜合考慮各方面的情況。不良地質(zhì)條件下洞身的開挖與支護(hù)是導(dǎo)流洞施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，選擇合理的開挖程序和開挖方法，才能保證洞室的施工安全。同時，在斷層部位還應(yīng)采取有針對性的超前支護(hù)措施和開挖后加強(qiáng)支護(hù)等。其中短進(jìn)尺、少藥量、強(qiáng)支護(hù)是圍巖類別較差的隧洞開挖的基本方案。通過對復(fù)雜地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞開挖與支護(hù)施工技術(shù)的大致分析研究，為今后類似復(fù)雜地質(zhì)工程的施工可提供一些參考價值，具有積極意義。

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