復雜特殊地質(zhì)特大斷面導流隧洞施工技術

盧 平，朱記偉，劉建林,2

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

1 導流隧洞綜述

1.1 導流隧洞相關概念的界定

隧洞導流指在施工基坑的上下游修筑圍堰擋水，使河水通過岸邊導流隧洞導向下游的施工導流。導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。從錦屏一級電站導流隧洞工程、小灣水電站導流隧洞、糯扎渡水電站導流隧洞、烏東德水電站導流隧洞等大型工程可以看出：復雜特殊的地質(zhì)條件主要有斷層破碎帶及其影響帶、軟弱巖層帶、巖體風化嚴重地段、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雜特殊地質(zhì)條件下斷面面積在120 m2以上的導流隧洞開挖與支護技術。

1.2 復雜特殊地質(zhì)導流隧洞施工難點及問題

地質(zhì)條件是影響導流隧洞工程施工的一個重要因素。導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側重點不同。導流隧洞在開挖前應根據(jù)圍巖地質(zhì)情況做好“超前探測、超前排水、超前支護”等工作，開挖鉆爆遵循“短進尺、控爆破、少擾動、早封閉、勤量測”的施工原則，加強工程地質(zhì)預報，進行超前導洞開挖，在摸清地質(zhì)情況后，再擴大穩(wěn)定及開挖施工，以確保施工安全通過。特別是復雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞的施工，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施工方案。

斷層破碎帶、Ⅴ類圍巖地層段和軟弱巖層帶導流隧洞的開挖及不良地質(zhì)地段的處理將構成導流隧洞施工的難點?？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或不適合圍巖情況的施工方法，并且又未及時采取其他補救措施，在施工時導致了塌方的發(fā)生。具體表現(xiàn)在：在輕微風化或裂隙較密集的圍巖和斷層破碎帶較窄且兩側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，這將導致工程延期，投資增大等。因此，在導流隧洞的開挖過程中，我們在掌握地質(zhì)條件的情況下，應選取合理的開挖與支護方法，避免上述問題的發(fā)生。所以說研究復雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞的開挖支護施工技術很有意義。

2 復雜特殊地質(zhì)特大斷面導流隧洞的開挖技術

開挖在導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計斷面、地質(zhì)條件以及技術水平等因素限制，一般采取的方法有所不同。復雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞的開挖方法一般有超前導洞法、預留核心土法、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)條件進行具體的開挖技術研究。

2.1 不良地質(zhì)地段的處理措施

在復雜特殊地質(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、軟弱巖層地段進行固結灌漿或設置懸吊錨桿進行加固處理；對巖溶發(fā)育地段須加強排水，并進行處理。如在實際工程思林水電站導流隧洞工程中，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等巖溶管道進行掛網(wǎng)錨噴、回填混凝土、加密配筋并進行灌漿等處理措施，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流隧洞的開挖

在斷層及破碎圍巖段上的特大斷面導流隧洞開挖應按“淺鉆孔，多循環(huán)，弱爆破”的方針進行，遵循自上而下的施工原則，采取合理的開挖程序進行分部分序開挖，在斷層部位進行超前支護，圍巖注漿加固、開挖后加強支護等。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：中部預留巖柱法；左右半洞開挖法；中導洞開挖法。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層開挖法。此外，對特大斷面的開挖，當工作面部分圍巖全部加固工程量大時，還可采用周邊導坑法。以上所述各種導流隧洞開挖法的具體情況見表3。

表3 導流隧洞開挖方法

在實際工程中，各施工單位都必須針對工程的地質(zhì)特征，仔細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”自上而下的順序施工，支護及時跟進，兩側開挖視地質(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，先進行上導洞開挖，再進行兩側擴挖，支護緊跟。中下層開挖時，仍然采用半幅開挖的方式[3]。清江水布埡導流隧洞進口段遇到F8區(qū)域性斷層，熔蝕張開劇烈，最大處達80 cm，影響范圍18 m，對進口及洞臉邊坡的穩(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，而采用了周邊導坑法[4]。在大管棚的超前支護下，拱部弧形導坑先進，再依次兩側開挖拱腳導坑和墻腳導坑，斷面開挖施工工序如圖1所示。

圖1 周邊導坑法斷面開挖示意圖

2.3 軟弱巖層上導流隧洞的開挖

軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風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，是天然形成的復雜的地質(zhì)介質(zhì)。軟巖段特大斷面導流隧洞的開挖施工必須嚴格遵守“短進尺、多循環(huán)、弱爆破、強支護”的原則，決不能求快而冒進。軟巖隧洞開挖施工目前主要有超前導洞法、預留核心土法、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側重點不同。下面我主要從兩方面進行描述：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的軟弱巖層，采取分三層分部開挖或多層開挖法，每層嚴格控制分層開挖厚度，遵循“小進尺、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，施工嚴格遵循“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉”的原則，開挖后及時進行斷面驗收。

2.4 巖溶發(fā)育段上導流隧洞的開挖

巖溶發(fā)育地段在導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、順層風化溶濾帶和溶槽等，地質(zhì)條件復雜。大洞徑的導流隧洞在巖溶發(fā)育段施工時，應以封、堵、拉為原則，本著“先上部再下部”的處理順序，對溶洞進行處理。對出露的溶腔口部需進行清理、加固和拓寬處理。在溶洞空腔施工時，對于底板要進行再次回填，對溶洞通道、空腔內(nèi)部需進行清理和隨機支護。在對巖溶進行加固處理的基礎上采取分層分段臺階法開挖。同時，為確保施工安全，在擴挖時要以機械擴挖為主，弱爆破為輔。

3 復雜特殊地質(zhì)特大斷面導流隧洞的支護技術

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

3.1 斷層及其影響帶、卸荷帶和節(jié)理密集帶上導流隧洞的支護

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)合支護措施，才能抑制有害變形的發(fā)展。聯(lián)合支護的手段有掛網(wǎng)噴錨支護、格構梁配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護、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、工字鋼支撐，噴鋼纖維混凝土支護等。

掛網(wǎng)噴錨支護有兩種形式：初噴+錨桿+掛網(wǎng)+復噴；初噴+掛第一層網(wǎng)+復噴+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形式；在軟弱層較厚的主斷層帶，一般采用第二種支護形式。格構梁配合系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護，它適用于地質(zhì)條件極為惡劣的地段及隧洞進出口段和一些隧洞交叉段等特殊地段。格柵鋼架錨桿支護方法一般用在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，進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流隧洞，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，進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。如小灣導流隧洞在F7斷層及進、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，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流隧洞的支護

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。超前支護常用的手段有：超前小導管錨桿、小管棚及大管棚等。超前小導管錨桿、小管棚支護參數(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°，以不侵入設計斷面為宜；大管棚鋼管長度一般大于10 m，最長已達80 m。

表4 超前小導管錨桿、小管棚支護參數(shù)

3.3 圍巖破碎帶、圍巖變形強烈段導流隧洞的支護

在圍巖極其破碎、圍巖變形強烈等復雜特殊地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞的支護，主要采取水泥卷式預應力錨桿和中空自進式錨桿兩種新型錨桿支護類型。

水泥卷式預應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壓力，對恢復巖體三維受力狀態(tài)、提高巖體整體穩(wěn)定性極為有利。在錨筋類支護方式中，各種經(jīng)濟技術指標相對優(yōu)越甚至可以取代較淺層錨索支護。如小灣水電站導流隧洞進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級結構面對小斷層(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號導流隧洞漸變段(0+00～0+30m)采用了水泥卷式預應力錨桿加強支護[8]。

中空自進式錨桿在復雜特殊地質(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號導流隧洞0+160～0+237及2號導流隧洞0+215～0+287范圍的F7斷層出露洞段，就采用了中空自進式錨桿開挖支護[6,8]。

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

4 結 語

由于水工導流隧洞所遇到的工程地質(zhì)條件復雜，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是導流洞施工的重點和難點，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，在斷層部位還應采取有針對性的超前支護措施和開挖后加強支護等。其中短進尺、少藥量、強支護是圍巖類別較差的隧洞開挖的基本方案。通過對復雜地質(zhì)條件下特大斷面導流隧洞開挖與支護施工技術的大致分析研究，為今后類似復雜地質(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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