張小輝

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

下坂地水利工程已于2011年底建成運(yùn)行。引水洞為引水建筑物的主要部分，洞長(zhǎng)4584m，進(jìn)口底板高程2905m，出口底板高程2893m，比降0.26%，洞徑5.2m，設(shè)計(jì)最大流量89.69m3/s，最大埋深1300m。沿線穿越地層巖性為元古界角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖及華力西期的片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖，山體雄厚，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主，片理裂隙發(fā)育。由于洞線埋深大，地應(yīng)力高，巖爆發(fā)生頻繁，強(qiáng)度大，洞壁地下水滲流點(diǎn)多，部分點(diǎn)流量大，排水困難，對(duì)工程本身的建設(shè)造成了很大影響。

1 工程區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

下坂地水利工程位于喀喇昆侖山的峽谷地區(qū)，工程附近河谷寬度200m～300m，河床高程2900m～2750m，兩岸山峰高程4000m～5000m，山勢(shì)險(xiǎn)峻，植被稀少。

1.2 地層巖性

引水洞沿線穿越的地層主要由元古界副變質(zhì)巖系第1巖性段(Pta1)和古生界華力西期侵入巖(γ41)組成。

樁號(hào)0+000m～2+588m段，為元古界第一巖性段（Pta1）角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖，片麻理發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬。巖體一般為薄層～中厚層狀結(jié)構(gòu)，部分為塊狀結(jié)構(gòu)，較完整～完整，以微風(fēng)化～新鮮為主，部分弱～強(qiáng)風(fēng)化，片麻理產(chǎn)狀180°～268°∠35°～82°。洞線埋深 40m～900m。

樁號(hào) 2+588m～4+584m，為晚古生界（γ41）華力西期片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體以中厚層狀～塊狀結(jié)構(gòu)為主，少部分為薄層狀結(jié)構(gòu)，較完整～完整，多為微風(fēng)化～新鮮狀態(tài)，局部夾有大的軟巖脈。洞線最大埋深1380m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

引水洞樁號(hào)0+000m～0+862 m段，斷層較發(fā)育，開(kāi)挖揭示斷層57條，斷層寬度一般2cm～15cm，最大寬度達(dá)2.0m～4.5 m，斷帶內(nèi)充填物以碎裂巖為主，次為少量泥質(zhì)，大部分?jǐn)鄬訋ЫY(jié)構(gòu)致密、有膠結(jié)性，局部有滲水，出現(xiàn)少量坍方。

引水洞中段斷層不發(fā)育，斷層寬度一般1cm～30cm，最大寬度1.5m，內(nèi)充填以碎裂巖、巖屑為主，含少量泥質(zhì)，總體結(jié)構(gòu)致密，膠結(jié)良好，

出口段斷層不發(fā)育，但個(gè)別斷層的規(guī)模較大，斷層寬度一般2cm～100cm，最大寬度達(dá)6.9m～12.5m，內(nèi)充填以碎裂巖、巖屑為主，夾少量泥質(zhì)，大部結(jié)構(gòu)較致密，膠結(jié)較好。

開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)引水洞共穿越大小斷層89條，其中規(guī)模較大的、對(duì)洞室穩(wěn)定影響明顯的斷層有三條，寬度0.8m～7m，受滲水影響，斷層帶自穩(wěn)性能差。

元古界的角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖為副變質(zhì)巖，在工程區(qū)為一單斜構(gòu)造，片麻理發(fā)育，產(chǎn)狀180°～268°∠35°～82°，主要的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面多依其產(chǎn)狀生成，其中裂隙多為閉合型。

片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖為侵入巖，侵入巖的面理發(fā)育有一定規(guī)律性，似片麻狀，產(chǎn)狀185°～210°∠50°～87°，受其影響，主要的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面亦多依其產(chǎn)狀生成，其中裂隙多為閉合型。

2 引水洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題分析

2.1 巖爆

2.1.1 前期勘察階段對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)

引水洞巖爆的發(fā)生與地應(yīng)力的大小關(guān)系密切。初設(shè)階段長(zhǎng)江科學(xué)院巖基研究所《下坂地水利樞紐工程地應(yīng)力及巖爆研究報(bào)告》的結(jié)論為：引水洞進(jìn)口附近的最大水平主應(yīng)力為5.1MPa～7.7MPa，最小水平主應(yīng)力為3.7MPa～4.1MPa，其應(yīng)力量值隨深度的增加有所增大，最大水平主應(yīng)力方位為NE26°左右。出口段最大水平主應(yīng)力量為 8MPa～10MPa，最小水平主應(yīng)力為5MPa～7MPa，最大水平主應(yīng)力方位為260°～300°之間，平均為277.6°。并通過(guò)回歸計(jì)算分析，推測(cè)在引水隧洞最大埋深1380m時(shí)，圍巖應(yīng)力可能會(huì)以自重應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力量值預(yù)計(jì)將大于20MPa，水平應(yīng)力也有所增大，方向基本穩(wěn)定在NW10°左右。預(yù)測(cè)引水洞在埋深大于550m洞段可能發(fā)生中等巖爆，局部洞段可能發(fā)生嚴(yán)重巖爆。

2.1.2 施工期巖爆發(fā)生特征

施工期對(duì)洞內(nèi)地應(yīng)力情況未再作復(fù)核測(cè)試，從開(kāi)挖情況看，前期結(jié)論基本上是正確的，但巖爆強(qiáng)度實(shí)際是以中等巖爆為主，局部出現(xiàn)較強(qiáng)烈?guī)r爆。在開(kāi)挖過(guò)程中中等～強(qiáng)巖爆對(duì)施工進(jìn)展及安全性影響明顯。由于受地形條件限制，施工開(kāi)挖主要采用進(jìn)、出口兩個(gè)工作面進(jìn)行相對(duì)掘進(jìn)。以下對(duì)洞線上、下游段的巖爆強(qiáng)度及分布等特征進(jìn)行分析。

（1）引水洞上游開(kāi)挖段在樁號(hào)1+513.8m開(kāi)始出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，但影響不大。在樁號(hào)1+825m以后，埋深超過(guò)700m，巖爆進(jìn)入頻發(fā)階段，影響也明顯加大，巖爆發(fā)生有很大爆響聲，并多次造成人員受傷，對(duì)施工安全及洞形均有較大影響

上游開(kāi)挖段已發(fā)生的巖爆，一般在右壁拱腳上下位置，常形成一長(zhǎng)條形凹坑，在洞室左壁下部也有發(fā)生，但程度很輕。在樁號(hào)2+367m以后，左壁也明顯受到巖爆破壞。在樁號(hào)2+525m以后洞室頂拱也出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，而且在局部段造成很大破壞。有一點(diǎn)要說(shuō)明的是，同一巖爆強(qiáng)度并非連續(xù)發(fā)生，而是有一段嚴(yán)重、有一段稍輕地間斷性發(fā)生的。

總體來(lái)看，上游開(kāi)挖段巖爆的發(fā)生，與該段地應(yīng)力的量值增加及不利的片麻理產(chǎn)狀關(guān)系較大，其中有些巖爆發(fā)生段也有地下水活動(dòng)，這也說(shuō)明了巖爆發(fā)生因素的復(fù)雜性與預(yù)測(cè)的難度。

（2）下游開(kāi)挖段巖爆特征與上游略有區(qū)別，一般發(fā)生在右壁拱腳以上與洞軸線之間，巖爆塌落坑底為人字形、沿洞線方向?yàn)殚L(zhǎng)條狀，開(kāi)挖后巖爆發(fā)生時(shí)間較快，常在半天時(shí)間之內(nèi)，后期繼發(fā)的情況較少，短期內(nèi)穩(wěn)定后大多不再發(fā)生。上、下游巖爆表現(xiàn)的差異性與其巖性不同有關(guān)，應(yīng)屬正?，F(xiàn)象。

（3）最強(qiáng)烈的巖爆發(fā)生在樁號(hào)2+545m～2+585m，洞段處于角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖與片麻狀花崗巖的巖性變換帶附近，埋深大于1050m，起初小塌方發(fā)生在左側(cè)壁及左拱腳，原因?yàn)閹r爆，發(fā)生于開(kāi)挖后約半天時(shí)。后來(lái)在大塌方前，巖爆聲音沉悶，似悶雷發(fā)于巖體深部，間斷有聲響發(fā)出，時(shí)間在開(kāi)挖后約一天。后續(xù)在處理過(guò)程中塌方不斷加大，產(chǎn)生超挖最厚處達(dá)11m，塌方量約七百多方。

本段強(qiáng)巖爆的產(chǎn)生原因應(yīng)是多方面的，與洞段所處的較高地應(yīng)力有關(guān)，也與區(qū)段內(nèi)的巖性、巖質(zhì)有關(guān)。巖爆強(qiáng)度為強(qiáng)烈?guī)r爆。塌方的發(fā)生與巖爆有關(guān)，同時(shí)由于片理及面理走向與洞向近平行，對(duì)巖爆的發(fā)生有利。另外，巖體中包含一條寬約0.4m～1.0m的角閃巖脈，由于巖脈兩側(cè)有寬度最大0.3m的一條明顯的巖質(zhì)變化帶，帶內(nèi)的巖體看似完整，實(shí)際呈松脆狀態(tài)，巖塊可用手輕易掰碎，開(kāi)挖后產(chǎn)生松馳且易隨巖爆塌落。它也是導(dǎo)致塌方一直沿巖脈向上部發(fā)展的主要原因。

2.2 地下水

引水洞內(nèi)地下水來(lái)源于結(jié)構(gòu)面中，一般為滲滴狀態(tài)。經(jīng)多次觀測(cè)，大部滲水點(diǎn)的流量開(kāi)挖初期較大，后來(lái)逐漸變小。有個(gè)別大的涌水點(diǎn)出水量達(dá)120L/min，流量較穩(wěn)定，季節(jié)性影響不明顯，顯示補(bǔ)給量較充分。經(jīng)實(shí)測(cè)并結(jié)合估算，洞內(nèi)總的滲流量為659L/min。

施工圖階段應(yīng)業(yè)主要求，設(shè)計(jì)院將原來(lái)的全線鋼筋砼襯砌優(yōu)化為鋼筋砼襯砌與噴錨支護(hù)兩種方式，而滲流地下水產(chǎn)生的外水壓力大小也成為確定支護(hù)方式區(qū)別的重要因素之一。

洞線中地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，受高山冰雪融水補(bǔ)給，多以潛流向河谷排泄，其中與洞線立體相交的一條支溝水流是最重要的補(bǔ)給源。經(jīng)計(jì)算，引水洞最高外水水頭440m，在樁號(hào)3+100m附近，由此向洞的上、下游發(fā)展水頭均變小。外水壓力折減系數(shù)根據(jù)圍巖類(lèi)別的不同按0.4～0.7取值，巖體質(zhì)量越差取值越大，大的斷層部位取1.0，經(jīng)折減后的外水壓力一般略高于或接近正常水位的內(nèi)水壓力，故內(nèi)水一般不會(huì)外滲。

3 處理建議

3.1 受巖爆影響的支護(hù)

（1）臨時(shí)支護(hù)

上游段施工中，在開(kāi)挖前對(duì)巖爆的預(yù)防與開(kāi)挖后的支護(hù)都采取了一定的措施，譬如加大裝藥量，采用超前錨桿及系統(tǒng)錨桿等方法，在部分洞段發(fā)揮出了一定的作用，但由于巖爆強(qiáng)度的不確定性較多，此方法仍在摸索階段。

下游段的巖爆預(yù)防，一般在開(kāi)挖后及時(shí)采用系統(tǒng)錨固、噴砼的支護(hù)措施，以防止后續(xù)巖爆的發(fā)展，也有一定的效果。

中間段在樁號(hào)2+540m～2+629m與2+644m～2+710m兩段，頻繁發(fā)生巖爆，對(duì)生產(chǎn)安全及進(jìn)度影響嚴(yán)重，后經(jīng)參建工程的各方慎重研究，決定臨時(shí)支護(hù)采用鋼拱架加掛鋼筋網(wǎng)并噴砼支護(hù)：鋼拱架采用16#工字鋼，布設(shè)于原設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面之外，拱架間距0.5m～1.5m一榀；隨機(jī)錨桿采用φ25錨桿（長(zhǎng)度3m，并與鋼拱架牢固焊接），鋼拱架之間用φ25鋼筋連接（長(zhǎng)1.2m，搭接0.2m，間距1m）；掛雙層0.1m×0.1m的φ8鋼筋網(wǎng)，一層緊貼巖壁，一層焊接在鋼拱架外??；噴護(hù)C20混凝土厚度與鋼拱架平齊。

其中在樁號(hào)2+545m～2+585m的巖爆最為強(qiáng)烈，導(dǎo)致接連發(fā)生幾次塌方，由于安全不能保證，最終采用砼注漿法先封堵塌方段，再重新開(kāi)挖通過(guò)該段。工程在本段付出了沉重的代價(jià)，處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。

（2）永久支護(hù)

巖爆對(duì)設(shè)計(jì)的砼襯砌方案段的安全性一般不會(huì)構(gòu)成影響，問(wèn)題的焦點(diǎn)主要表現(xiàn)在優(yōu)化后的噴錨支護(hù)方案段（引水洞樁號(hào)1+780m～4+308m）中，針對(duì)不同強(qiáng)度巖爆的處理方法應(yīng)有所不同，建議對(duì)巖石呈片狀崩落的部位采用噴砼措施，而在較厚的有塊狀巖石崩落部位，可采用噴砼與錨桿聯(lián)合支護(hù)。還可根據(jù)具體圍巖狀況采用“噴砼＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)的方式。由于預(yù)防巖爆而采用的支護(hù)措施宜與永久支護(hù)統(tǒng)籌考慮。

3.2 排水

施工期地下水問(wèn)題的影響主要是排水工作量很大。上游開(kāi)挖段由于設(shè)計(jì)比降原因，完全依賴(lài)抽排。距離最長(zhǎng)的時(shí)候，抽水管道增加至平行的三條管道，管徑均大于10cm，且中間經(jīng)過(guò)兩次進(jìn)入?yún)R流池并重新加壓的過(guò)程。上下游貫通后，上游的排水問(wèn)題才得到緩解。

施工后期，根據(jù)地下水的活動(dòng)性及折算的外水水頭值，建議原設(shè)計(jì)的砼襯砌段一般可采取直接封堵的方式處理，局部若有外水壓力起控制條件，可根據(jù)實(shí)際情況考慮在圍巖與襯砌砼之間設(shè)置排水系統(tǒng)。建議對(duì)優(yōu)化后噴錨支護(hù)洞段可采用打排水孔的方式，將施工期出現(xiàn)滲水部位的水通過(guò)導(dǎo)管排出。對(duì)斷層部位的出水點(diǎn)，導(dǎo)管宜采用具有反濾功能的軟式排水管，避免細(xì)顆粒流失。

4 結(jié)語(yǔ)

在該引水洞施工中，巖爆與地下水的影響一直表現(xiàn)突出，一度成為制約工程進(jìn)展的瓶頸。本文以現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)編錄調(diào)查成果為依據(jù)，對(duì)滲流地下水及巖爆現(xiàn)象進(jìn)行認(rèn)真分析，為最終進(jìn)行工程處理起到了應(yīng)有的作用。陜西水利