溫定煜

（中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程及地質(zhì)條件概況

沙灣電站位于四川省的木里河上，為低閘引水式電站，引水隧洞全長(zhǎng)18 775m，開(kāi)挖斷面直徑7.2～9.6m。我局承攬7.3km隧洞段開(kāi)挖支護(hù)工程，隧洞沿線埋深：查布朗溝段48m，其它洞段在145～590m之間。

前期進(jìn)行240°拱冠斷面開(kāi)挖，底部預(yù)留2m，形成出渣路面保證足夠的路面寬度，方便機(jī)械施工。

施工洞段為奧陶系下統(tǒng)人公組（Olr）、瓦廠組（Olw）板巖、千枚巖夾少量變質(zhì)石英砂巖，總體屬軟巖，巖層總體產(chǎn)狀：N20°～30°W/SW∠15°～50°；主要發(fā)育茶布朗斷層（F4）以及勘察設(shè)計(jì)階段未查明的斷層等，擠壓揉皺強(qiáng)烈；地下水主要為構(gòu)造裂隙水及斷層帶水，一般中等發(fā)育，以滲水、滴水、線狀流水形式溢出，局部涌水。

根據(jù)已開(kāi)挖隧洞段地質(zhì)條件分析整理，圍巖以Ⅳ類(lèi)為主，斷層帶及涌水段為Ⅴ類(lèi)。Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)各占89%、11%（見(jiàn)表1）。

表1 沙灣電站隧洞圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)表

2 工程特點(diǎn)與施工難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

巖性主要由灰色極薄～薄層狀碳質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)板巖或千枚巖組成；擠壓揉皺較強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)屬碎裂結(jié)構(gòu)；巖層產(chǎn)狀與洞軸線夾角較小；板巖受水浸泡后迅速軟化，手可掰動(dòng)，局部手可捏碎搓成泥團(tuán)，圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短；地下水發(fā)育段圍巖變形快，多順巖層及裂隙組合易產(chǎn)生頂拱塌方；受水的作用掌子面超前核心土極易坍塌；板巖或千枚巖受水浸泡后的巖石力學(xué)指標(biāo)低，難以滿足承載力要求，易引起支護(hù)體系沉降、反拱變形等，受地下水的影響，變形問(wèn)題尤為突出，一期支護(hù)后，圍巖產(chǎn)生的收斂變形：底部最大達(dá)124mm、頂拱沉降最大達(dá)89mm。

2.2 工程施工難點(diǎn)

（1）施工作業(yè)開(kāi)挖支護(hù)人員幾乎站在淤泥土、雨水中作業(yè)，施工困難，效率低下。軟巖軟化系數(shù)低，遇水迅速軟化，圍巖開(kāi)挖后易塌方，施工人員須有超凡的施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)掌子面揭露的地質(zhì)情況及時(shí)作出準(zhǔn)確判斷，采取相應(yīng)的支護(hù)措施確保已支護(hù)段的洞身安全，否則易引起關(guān)門(mén)的特大安全事故。

（2）選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，對(duì)施工地質(zhì)條件作出及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷，是最大程度地規(guī)避沙灣隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)的最有效措施。根據(jù)沙灣隧洞地質(zhì)特征，首先應(yīng)在施工地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法選擇上采取確定圍巖地質(zhì)條件“四結(jié)合原則”，即地表和洞內(nèi)相結(jié)合原則、長(zhǎng)距離與短距離相結(jié)合原則、宏觀控制與微觀控制相結(jié)合原則，地質(zhì)法-物探法-導(dǎo)洞法相結(jié)合原則。然后由掌子面出露的圍巖條件篩選預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法預(yù)測(cè)圍巖類(lèi)別，再制定相應(yīng)的開(kāi)挖支護(hù)施工方法及措施保證施工順利進(jìn)行。

3 軟巖施工方案設(shè)計(jì)

由揭示的地質(zhì)和鉆孔情況，預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖類(lèi)型，確定穩(wěn)定性，然后根據(jù)其穩(wěn)定類(lèi)型選取不同的開(kāi)挖、支護(hù)和控制變形的施工技術(shù)方法。

3.1 圍巖基本穩(wěn)定型（Ⅳ1類(lèi)）

采用低密度0.5g/cm3、低猛度（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整）、高威力的光面爆破炸藥，周邊孔間距0.5m，輔助周邊孔間距0.6m，楔形掏槽，非電毫秒塑料導(dǎo)爆管引爆，全斷面開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺3m，Ф25L=4～5m的隨機(jī)錨桿隨掌子面跟進(jìn)，Ф22L=3m@1.5m系統(tǒng)錨桿和C20噴混凝土支護(hù)遲后于開(kāi)挖面控制在25～30m之間，支護(hù)和開(kāi)挖同步施工，既可以加快施工進(jìn)度，又可以控制圍巖變形，確保施工安全。

3.2 圍巖穩(wěn)定性差型（Ⅳ2類(lèi)）

薄層至中厚層泥、鈣、碳質(zhì)板巖互層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀與洞軸線交角較小，受水的作用局部軟化，手可掰成碎片，整體穩(wěn)定型差。針對(duì)其特點(diǎn)采用的施工工藝流程：全斷面開(kāi)挖——C25鋼纖維混凝土封閉掌子面——格柵安裝——超前支護(hù)、鎖腳錨桿施工——噴C20混凝土。采用新奧法施工，周邊孔間距0.4m，周邊孔采取Ф22乳化炸藥隔孔不連續(xù)裝藥。

線裝藥密度控制在50g/m，單方耗藥量為0.6kg/m3，為了減小圍巖變形，則首先用鋼釬維混凝土封閉整個(gè)掌子面，然后在頂拱輪廓線外25cm處120°范圍內(nèi)打兩排5m超前錨桿超前加固，超前錨桿相互搭接長(zhǎng)度2m，第一排超前錨桿仰角依據(jù)巖層傾角一般控制在15°～25°之間，錨桿外露部分與格柵鋼架焊接，薄層狀圍巖通過(guò)此排錨桿形成整體，為減少軟巖超挖量第二排超前錨桿穿過(guò)緊鄰掌子面格柵斷面打入巖體，仰角在5°以?xún)?nèi)，通過(guò)兩排錨桿串連而成的薄壁梁結(jié)構(gòu)增加其圍巖抵抗變形能力，加大開(kāi)挖單循環(huán)進(jìn)尺，循環(huán)進(jìn)尺在2.5～3m之間。格柵鋼架網(wǎng)噴C20混凝土緊隨掌子面，參數(shù)見(jiàn)表2。在有水地段進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)，采取下列措施：改變混凝土配合比，增加水泥用量，先噴干混合料，待其與涌水融合后，再逐漸加水噴射。噴射時(shí)，先從遠(yuǎn)離出水點(diǎn)處開(kāi)始，再逐漸向涌水點(diǎn)逼近，將散水集中，安設(shè)導(dǎo)管，將水引出，再向?qū)Ч鼙平鼑娚?。?dāng)涌水嚴(yán)重時(shí)，設(shè)置排水孔，邊排水邊噴射。噴射作業(yè)分段、分片由下而上順序進(jìn)行，每段長(zhǎng)度根據(jù)圍巖情況控制在1～4m，噴射后4h方能進(jìn)行爆破作業(yè)。

表2 整體短期穩(wěn)定型施工參數(shù)

3.3 圍巖不穩(wěn)定型（Ⅴ類(lèi)）

該類(lèi)型圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短或爆破后即將產(chǎn)生塌方。影響圍巖穩(wěn)定的主要因素有巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等，應(yīng)根據(jù)具體情況采取不同施工方法。

3.3.1 地下水處理施工方法

一段128m長(zhǎng)的洞段和另一段70m長(zhǎng)的洞段以線流、面滲和集中涌水的形式出現(xiàn)，涌水處流量達(dá)114m3/h，水溫37℃，如此大的滲流量薄層泥質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、千枚巖軟化成泥土，巖體各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)急劇下降，無(wú)法保證圍巖穩(wěn)定，施工人員難以進(jìn)入工作面，地下水問(wèn)題成了開(kāi)挖成功的關(guān)鍵，由于采取灌漿堵水的方法，對(duì)于軟巖是行之無(wú)效的，所以開(kāi)挖前在斷面水量集中處用風(fēng)鉆將φ50花管打入巖體，花管長(zhǎng)度4m出水口與橡膠軟管相接引排至排水溝，遠(yuǎn)離工作面。

3.3.2 斷層及其破碎帶施工方法

由于圍巖為軟巖，開(kāi)挖頂拱和掌子面存在面狀或線狀滲水，因此開(kāi)挖后的頂拱極易坍塌，防止坍塌應(yīng)對(duì)策略：①自掌子面沿輪廓線向前方巖體內(nèi)打入ф50@20mL=6m的超前小導(dǎo)管，支護(hù)好的鋼支撐、打入小鋼管和前方巖體形成的支撐體系臨時(shí)共同承受頂部土體壓力，在臨時(shí)支撐體系的保護(hù)下淺孔小炮或用風(fēng)鎬、挖掘機(jī)開(kāi)挖，單循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.8m；②在開(kāi)挖出的輪廓面上立即噴射厚度為5～10cm的鋼纖維混凝土封閉巖面，以提高噴層的抗拉和抗剪能力，及時(shí)控制圍巖變形；③支立型鋼打鎖腳錨桿，模噴混凝土封閉頂拱。

3.3.3 地下水發(fā)育并擠壓揉皺發(fā)育段的施工方法

采用超前勘探、管棚、錨桿、分層分部開(kāi)挖、型鋼噴混凝土的綜合支護(hù)等方法。

1）掌子面坍塌問(wèn)題分析及控制

因掌子面地下水較大，呈面狀、股狀滲流，極薄層泥質(zhì)、鈣質(zhì)、碳質(zhì)板巖、千枚巖軟化成糜磷狀，再加上前方土體為超前小導(dǎo)管的受力支點(diǎn)，因此掌子面在水的作用和頂拱土體壓力的共同作用下極易發(fā)生坍塌，只要前方掌子面滑動(dòng)乃至坍塌過(guò)多，則超前小導(dǎo)管前方支點(diǎn)失去作用，這樣小導(dǎo)管和頂拱土體隨同掌子面坍塌，造成大塌方，所以掌子面坍塌的控制是關(guān)鍵。在遇到富水的軟巖開(kāi)挖中，為了避免掌子面發(fā)生滑塌，采用分層分部開(kāi)挖法，先進(jìn)行上部開(kāi)挖，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在5m左右，再開(kāi)挖兩側(cè)，中間留核心土控制前方土體變形，若掌子面出現(xiàn)流土則用巖性較好的洞渣換填核心土反壓，最后施工中間部分核心土。分層分部開(kāi)挖法見(jiàn)圖1。

圖1 分層分部開(kāi)挖法示意圖

2）初期支護(hù)

（1）開(kāi)挖后立即噴射C20鋼纖維混凝土封閉巖面，周邊巖面厚度5cm，掌子面厚度10cm，防止圍巖卸荷后遇空氣急劇風(fēng)化，控制圍巖整體變形。

（2）型鋼緊貼巖面支護(hù)，型鋼規(guī)格I20b工字鋼，型鋼中對(duì)中間距可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為50～80cm，拱腳、拱肩共設(shè)置8根定位錨桿輔以Φ25L＝4.0m隨機(jī)錨桿進(jìn)行固定支撐。上臺(tái)階支護(hù)型鋼時(shí)，型鋼底腳處鋪設(shè)鋼板以增大受力面積，鋼板厚度1cm，寬度40cm，縱向鋪設(shè)，型鋼之間采取角鋼或Φ25鋼筋三角連接，確保型鋼整體受力。型鋼接腿前需在接腿的下臺(tái)階次榀型鋼渣體上打入Φ50小導(dǎo)管，以阻擋前方渣體溜渣引起坍塌，由于軟巖各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)極低，為了防止支護(hù)結(jié)構(gòu)受頂部土壓力作用發(fā)生整體沉降變形，采取型鋼底部縱向連接I20型鋼并澆筑斷面為40cm×30cmC20鋼筋混凝土地梁，型鋼外側(cè)鋪設(shè)Φ6.5@20cm×20cm網(wǎng)格鋼筋，C20噴射混凝土與型鋼面噴齊平。初期支護(hù)工藝見(jiàn)圖2。

圖2 初期支護(hù)工藝圖

4 施工期安全監(jiān)測(cè)

施工期間采用了信息化監(jiān)測(cè)手段來(lái)保證隧洞施工安全，隧洞監(jiān)測(cè)主要對(duì)圍巖進(jìn)行變形觀測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器主要采用TR702全站儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀等。量測(cè)斷面縱向間距設(shè)置：Ⅳ1類(lèi)圍巖150m，Ⅳ2類(lèi)圍巖50m，Ⅴ類(lèi)圍巖10m，坍塌體始終位置均布置，施工過(guò)程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表3，隧洞周邊位移和頂拱沉降見(jiàn)表4。

表3 施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表

表4 隧洞周邊位移和頂拱沉降值

5 結(jié)語(yǔ)及體會(huì)

在地下水豐富的軟巖洞段采取小管棚超前支護(hù)時(shí)應(yīng)擬用臺(tái)階開(kāi)挖法以降低開(kāi)挖高度，減小圍巖壓力；爆破后隨即初噴5cm～10cm的C20鋼纖維混凝土封閉周邊及掌子面可減小圍巖的松動(dòng)圈。

在不穩(wěn)定圍巖施工中，采取小管棚超前支護(hù)時(shí)，擬用兩排小導(dǎo)管，第一排小導(dǎo)管施作梁效應(yīng)，第二排施作灌漿加固作用，只要間排距控制在30～40cm之間，前后管棚搭接長(zhǎng)度大于1.5m，均能通過(guò)不良地質(zhì)段；采用小管棚施工工藝，避免大管棚施工工藝的高成本投入，可取得良好的綜合性?xún)r(jià)比。

變形是軟巖隧洞的特性，尤其是地下水豐富的千枚巖、泥質(zhì)板巖支護(hù)段變形量更大，因此開(kāi)挖施工斷面應(yīng)適當(dāng)放大5～10cm，否則變形后侵占結(jié)構(gòu)斷面較多，影響支護(hù)質(zhì)量。

軟巖施工中應(yīng)特別注意返拱變形，隧洞底部變形易使剛性或柔性的邊頂拱初期支護(hù)產(chǎn)生貫通裂縫，甚至脫離巖面失去支護(hù)作用，為了避免產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，可采用以下兩種方法：（1）沿著剛性或柔性的環(huán)向支撐打系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿，（2）在剛性或柔性支撐底部挖槽澆筑縱梁混凝土或?qū)位炷亮骸?/p>