陳 洲 王建國 丁紅春 劉文治 楊繼清 王立娜

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201； 2. 中國水利水電第十四工程局有限公司 勘察設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051)

龍開口電站15號輸水隧洞支護(hù)及塌方治理技術(shù)

陳 洲1王建國1丁紅春2劉文治1楊繼清1王立娜1

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201； 2. 中國水利水電第十四工程局有限公司 勘察設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051)

以龍開口輸水隧洞工程15號隧洞為研究對象，總結(jié)了該隧洞的整體支護(hù)方案以及塌方段的支護(hù)方案．15號隧洞地質(zhì)條件處于破碎圍巖帶，因此在穿越復(fù)雜地層施工過程中選擇的是錨噴法支護(hù)方案．本文從錨噴法在支護(hù)過程中各部分的受力、加固機(jī)理出發(fā)，分析了加固結(jié)構(gòu)對圍巖的治理效果，并對施工中坍塌地段具體支護(hù)方式做了詳細(xì)說明．該隧洞中在不良地質(zhì)條件下的塌方治理方法對類似地質(zhì)條件下的圍巖支護(hù)加固有著重要的參考意義．

龍開口電站； 輸水隧洞； 支護(hù)技術(shù)； 錨噴法； 塌方治理

龍開口電站水資源綜合利用一期工程，即電站左岸引水綜合利用，是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水和防洪等綜合利用的大型水利工程．該工程對解決下游片區(qū)的灌溉缺水及農(nóng)村人畜飲水有不可替代的作用，是解決區(qū)域缺水問題至關(guān)重要的有效途徑．龍開口輸水隧洞是小斷面輸水隧洞的代表，其全線工程包含的17條輸水隧洞涵蓋了小斷面輸水隧洞短、中、長、超長類型隧洞，其特殊地質(zhì)環(huán)境下的施工技術(shù)對于小截面隧道施工有著重要的借鑒意義．

目前國內(nèi)外對于大型地下隧道研究發(fā)展比較成熟，國內(nèi)南水北調(diào)工程中輸水隧洞的大量使用，促使大型輸水隧洞的研究理論與施工技術(shù)發(fā)展的比較成熟[1-5]．但是小型輸水隧洞的建設(shè)由于地質(zhì)差、機(jī)械化程度低、參考案例少等各方面因素的影響，導(dǎo)致實(shí)際施工難度大[6]．本文主要以龍開口輸水工程中15號隧洞為研究對象，主要從隧洞地質(zhì)條件和圍巖變形特點(diǎn)對施工中的錨噴法支護(hù)進(jìn)行了分析研究．

1 工程概況

龍開口電站水資源綜合利用一期隧洞工程輸水任務(wù)為永勝縣濤源鎮(zhèn)片區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉供水及人畜飲水．輸水隧洞共計(jì)17條，總長16 km，隧洞開挖斷面為城門形，最大涌水流量4.56 m3/s，最長隧洞12號隧洞(4.15 km)，最小凈斷面尺寸為15號隧洞(1.5 m×2.23 m)．工程具有高壓大流量突涌水、隧洞過長、小斷面等顯著特性．輸水隧洞施工采用鉆爆法施工，有軌出渣．

15號隧洞地處階地堆積臺地中等穩(wěn)定地貌區(qū)邊緣，地形坡度約10～15°左右，隧洞進(jìn)、出口段砂卵礫石呈散體結(jié)構(gòu)，屬Ⅴ類圍巖．洞線穿越Ⅲ級階地砂卵礫石層及P2β2致密狀、杏仁狀玄武夾凝灰?guī)r，基巖強(qiáng)～弱風(fēng)化狀態(tài)．隧洞埋深10～45 m，地下水類型為孔隙潛水與基巖裂隙水，埋深>40 m，位于洞頂板以下．

針對15號隧洞的地質(zhì)條件，施工中采用的是錨噴法，主要工藝是利用工字鋼鋼拱架、超前錨桿、砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土組成的錨噴復(fù)合支護(hù)方案．

2 加固機(jī)理

全長錨固的灌漿錨桿在圍巖中的受力狀態(tài)(圖1)研究理論，被廣泛采納的是中性點(diǎn)理論，即錨桿在圍巖中可能處在塑性、彈性等不同變形區(qū)域，錨桿的軸力分布則分為3部分：拉拔區(qū)、中性點(diǎn)和錨固區(qū)[7-8]．

圖1 灌漿錨桿應(yīng)力分配模型

從圖1中不難看出錨桿應(yīng)力分布情況，下側(cè)應(yīng)力為錨桿拉拔區(qū)，上側(cè)應(yīng)力為錨桿錨固區(qū)．通過對隧道模型應(yīng)力計(jì)算得到的彈塑性解推論得到的均勻內(nèi)壓下的圍巖塑性屈服半徑與襯砌結(jié)構(gòu)、加固圍巖、原始圍巖材料參數(shù)密切相關(guān)[9-10]．在圍巖塑性區(qū)半徑處，錨桿長度增加錨固到彈性區(qū)時(shí)，可充分發(fā)揮圍巖體的承載能力[11]．根據(jù)錨桿錨固區(qū)半徑與隧洞圍巖塑性區(qū)半徑的變化關(guān)系，選擇合理的錨桿長度可以經(jīng)濟(jì)有效的控制圍巖塑性區(qū)的變化范圍，解決了塑性區(qū)過大造成的支護(hù)困難，有利于隧洞的穩(wěn)定[12]．

圖2中可以看到開挖過程中鋼拱與圍巖壁之間的間隙塞入木質(zhì)楔塞，這樣隧洞圍巖初期的壓力則傳遞給鋼拱架，后期主要是由圍巖與鋼拱架空隙中噴射的混凝土層以及鋼筋網(wǎng)和鋼拱架腳部固定錨桿等間接傳給鋼拱架，鋼拱架也會后續(xù)被噴射混凝土覆蓋．在此過程中，鋼拱架、噴射的混凝土結(jié)構(gòu)層以及鋼筋網(wǎng)共同承擔(dān)圍巖的應(yīng)力應(yīng)變，完成了較好的支護(hù)[13]．

圖2 鋼拱架頂拱支護(hù)示意圖

3 整體支護(hù)方案

15號輸水隧洞洞身開挖高度為2.83 m，包含頂拱以上覆蓋層，洞口開挖直徑僅2.1 m，地質(zhì)條件差．為保證進(jìn)出口段的散亂砂卵礫石的穩(wěn)定，需要可靠的支護(hù)措施．確定隧洞進(jìn)出口支護(hù)方案時(shí)，主要比較了噴錨支護(hù)方案和預(yù)應(yīng)力錨固方案．錨噴法和預(yù)應(yīng)力錨固都是簡單、便捷可靠的臨時(shí)支護(hù)，對于圍巖結(jié)構(gòu)特別差的15號隧洞很適用[14]．但由于預(yù)應(yīng)力錨固主要應(yīng)用于巖層中，最終隧洞進(jìn)出口段的支護(hù)采取的是錨噴法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)再澆筑混凝土鎖扣[15]．隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示．

圖3 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

隧洞洞身則采用了錨噴的支護(hù)形式，爆破開挖過程中先用超前錨桿沿開挖輪廓線，以較大的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對前方圍巖的預(yù)錨固(預(yù)支護(hù))，防止爆破導(dǎo)致前進(jìn)方向坍塌．開挖出的掌子面則采用16號工字鋼鋼拱架支撐截面，一般鋼拱架間隔1 m起到洞身骨架作用，如圖4所示．由于開挖中圍巖脫落嚴(yán)重和松散比較嚴(yán)重，則利用直徑25 mm的中空注漿錨桿加固．利用鋼筋網(wǎng)包裹隧洞頂部和兩幫增加其整體穩(wěn)定性．頂拱與兩幫錨桿排距都按800 mm排布．在隧道開挖后立即噴射30 mm厚混凝土臨時(shí)支護(hù)，同時(shí)將局部超挖部分填平，待錨桿施工完成后，在開挖面前50 m進(jìn)行二次混凝土噴射，噴射厚度為100 mm．

圖4 隧洞支護(hù)現(xiàn)場

施工中嚴(yán)格遵循新奧法“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、快封閉”的理念進(jìn)行開挖支護(hù)．開挖過程中每次循環(huán)開挖結(jié)束都及時(shí)地進(jìn)行了噴射混凝土封閉，系統(tǒng)合理地進(jìn)行了錨噴柔性支護(hù)．

4 隧洞塌方治理技術(shù)

4.1 塌方原因分析

在施工過程中15號隧洞進(jìn)口掌子面約0+365～371樁號出現(xiàn)塌方，塌方高度約頂拱以上2.8 m，兩側(cè)塌方寬度約開挖邊線外2.0 m．如圖5所示，在原有的鋼拱支撐條件下，仍發(fā)生了塌方．對該處塌方原因分析表明該段巖層大部分為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖石組織結(jié)構(gòu)完全破壞，已崩解和分解成松散的土狀或沙狀，有很大的體積變化，中間可見軟弱泥夾層和細(xì)砂夾層，如圖6所示．隧洞處于地下水位以下，頂拱邊墻可見頻繁滴水現(xiàn)象，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，遇水強(qiáng)度急劇降低，透水性較好，抗剪強(qiáng)度、抗沖刷能力、凝聚力都很弱．由于泥質(zhì)粉砂巖層，透水性較好，強(qiáng)度低，遇雨季來臨，地下水位有一定提高，導(dǎo)致地下水動力增強(qiáng)，動水壓強(qiáng)增大，加之巖層之中存在更軟弱的泥夾層和細(xì)砂夾層，開挖時(shí)泥和細(xì)砂容易隨水流失，造成掏空現(xiàn)象，容易塌方．圍巖與軟弱夾層之間粘聚力極差，摩擦系數(shù)很小，圍巖不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，巖層近水平或傾向洞內(nèi)，容易形成滑動面，受到擾動或者下部圍巖強(qiáng)度不足以支撐上部圍巖壓力，也是形成塌方的主要原因．

圖5 隧洞塌方現(xiàn)場

圖6 塌方地質(zhì)情況

4.2 塌方處理

在開挖支護(hù)前先進(jìn)行起拱線以上部位固結(jié)灌漿，因砂卵礫石難以成孔，固結(jié)灌漿采取短進(jìn)尺，鉆孔長1 m，灌漿通過3～4次循環(huán)完成約4.5 m灌漿段長，再進(jìn)入下一段工序．固結(jié)灌漿孔孔徑為0.5 m，孔深4.5 m每段次，灌漿采用凈水泥漿，漿液水灰比為0.45∶1～0.65∶1，灌漿壓力宜控制在0.2～0.5 MPa，漿液水灰比和灌漿壓力根據(jù)實(shí)際情況具體確定．灌漿固結(jié)完成后繼續(xù)按照超前錨桿支護(hù)，超前錨桿施工結(jié)束后進(jìn)行隧洞開挖，開挖每向前推進(jìn)0.5 m，立即進(jìn)行鋼支撐和混凝土噴射支護(hù)，鋼支撐間距500 mm，噴射的混凝土為C20，厚160 mm．支護(hù)完成后立即補(bǔ)打排水孔，排水孔采用φ50鋼管(花管如圖8)內(nèi)側(cè)端頭封閉，外口采用土工布包裹以防止細(xì)小砂礫石流出再次形成塌方．排水管長3.0 m，間距1.5 m，每排3孔分別在邊墻及頂拱位置，見圖7．

圖7 不良地質(zhì)隧洞支護(hù)斷面圖

圖8 排水花管示意圖

5 結(jié) 論

1)15號隧洞地質(zhì)與施工條件主要表現(xiàn)為：圍巖穩(wěn)定性差，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；受雨季地下水壓影響大，滲水嚴(yán)重；隧洞斷面小，施工面狹小等方面．這些特點(diǎn)給隧洞的施工帶來了一系列問題，對支護(hù)技術(shù)的要求更高，對以后類似工程地質(zhì)條件下的塌方治理有著重要的借鑒意義．

2)隧洞支護(hù)過程中的錨桿支護(hù)主要是控制錨固區(qū)圍巖產(chǎn)生一些滑落、坍塌等變形，保持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，加固圍巖的作用．經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，選取合適的錨桿實(shí)現(xiàn)了錨桿支護(hù)的一次性，避免了反復(fù)錨固施工．

3)鋼拱架支撐在破碎圍巖地段中的支護(hù)仍會發(fā)生嚴(yán)重的塌方事故．當(dāng)塌方發(fā)生時(shí)，鋼拱架復(fù)合支護(hù)有效的解決了破碎圍巖粘結(jié)力小、整體強(qiáng)度低的特性．在隧洞穿越復(fù)雜地層時(shí)，能更快，更經(jīng)濟(jì)更安全的完成施工目標(biāo)．

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[責(zé)任編輯 周文凱]

Support Technology of Water Conveyance Tunnel #15 and Tunnel Collapse Treatment in Longkaikou Hydropower Station

Chen Zhou1Wang Jianguo1Ding Hongchun2Liu Wenzhi1Yang Jiqing1Wang Lina1

(1. College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural Univ., Kunming 650201, China;2. Survey and Design Institute of Sinohydro Bureau 14 Co., Ltd., Kunming 650051, China)

Taking the Tunnel #15 of Longkaikou Water Conveyance Tunnel Project as the research object, the whole support scheme and the support scheme of the landslide section are summarized. The Tunnel #15 is in the broken rock zone, so in the process of crossing the complex stratum construction, the anchor-jet support method is selected. The effect of reinforcement structure on the surrounding rock is analyzed; and the concrete supporting mode of the collapse area in the construction is described in detail. The method of landslide treatment under the bad geological line in this tunnel has important reference significance for surrounding rock reinforcement and reinforcement under similarly geological conditions.

Longkaikou Hydropower Station； water conveyance tunnel； support technology； anchor spray method； landslide treatment

2016-11-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304087)；云南省科技廳基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目(2016FD029)；云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2016ZZX108)；中國水利水電第十四工程局有限公司科研合同(201411)

王建國(1987-)，男，講師，博士，從事工程爆破和巖石動力學(xué)方面的研究．E-mail：wangjg1987@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.003

TV672+.1

A

1672-948X(2017)03-0011-04