(新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設計院， 新疆 阿勒泰 836500)

富蘊縣黃泥灘供水工程位于阿勒泰地區(qū)富蘊縣喀拉布勒根鄉(xiāng)境內(nèi)，烏倫古河中游出山口處—峽口水庫。工程區(qū)距富蘊縣118km，距“216國道”72km，距“福—恰公路”10km，其地理位置坐標為東經(jīng)88°39′～89°48′，北緯46°20′～46°31′。

黃泥灘供水工程采用引水隧洞從峽口水庫引水，隧洞總長度6.20km，斷面形式為城門洞形，底寬2.8m，高3.2m，縱坡1/1520； 引水干渠總長度15.50km，縱坡1/6500，梯形斷面，隧洞和引水渠設計流量為8.2m3/s，加大流量為10.2m3/s。本工程主要建筑物引水隧洞和引水干渠級別為4級，臨時建筑物圍堰和豎井建筑物級別為5級。

1 區(qū)域地質(zhì)概況與構(gòu)造穩(wěn)定性

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于阿爾泰山山前，額爾齊斯河與烏倫古河兩河間地塊的南緣，烏倫古河河畔北側(cè)，為阿爾泰山山前戈壁平原南部的一部分，地貌成因類型為構(gòu)造——剝蝕作用所形成，屬三級地貌類型。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露的地層巖性有：泥盆系中統(tǒng)(D2b)一套凝灰質(zhì)砂巖、角礫凝灰?guī)r、晶屑巖屑凝灰?guī)r； 第三系砂、泥巖和第四系沖洪積砂礫石、洪坡積碎石土、風塵砂等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與穩(wěn)定性

工程區(qū)位于著名的額爾齊斯擠壓帶南的恰烏卡爾斷褶帶內(nèi)，恰烏卡爾斷褶帶以東與烏倫古——三塘湖沉降帶相近，以南與烏倫古河斷裂帶毗鄰。同屬于準噶爾弧形復雜構(gòu)造帶內(nèi)的次一級構(gòu)造單元。經(jīng)復核，區(qū)內(nèi)雖新構(gòu)造運動活躍，但無發(fā)震記載，無活斷層存在。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》、《中國地震動反應譜周期區(qū)劃圖》，工程區(qū)相應的地震基本烈度為Ⅵ度，為基本穩(wěn)定區(qū)。

2 進洞口段圍巖特性與應力分布

2.1 圍巖工程地質(zhì)條件

樁號0+450進口洞臉段位于峽口水庫右岸烏倫古河殘蝕二級基座階地上，地形緩傾，坡降1%～2%，上覆巖體厚度在 14.5m左右。上部為古風化殼，厚9.7m左右，下部為安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r，強風化厚5m左右，巖體強度較低，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體多被切割呈次—碎塊狀，充填物多為葉臘石和泥質(zhì)軟弱礦物，巖塊間嵌合力較差； 結(jié)構(gòu)面與洞軸線夾角40°～70°的陡傾角裂隙，個別與洞軸線夾角10°～20°，圍巖完整性較差，總體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)； 爆破開挖后頂拱不斷有掉塊、坍塌，影響工程安全和施工進度?？傮w評價圍巖自穩(wěn)定性較差，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)將圍巖劃分為Ⅳ類。

2.2 圍巖應力分布特征

黃泥灘供水工程引水隧洞采用“城門洞”—直墻拱形，斷面形式2.8m×3.2m(寬×高)，洞身位于強—弱風化交替凝灰?guī)r體中，洞室開挖將打破原有平衡狀態(tài)引起圍巖內(nèi)部應力重新分布，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體重新調(diào)整，形成新的應力狀態(tài)。直接影響圍巖穩(wěn)定的是二次應力狀態(tài)，它與巖體的初始應力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關。理論分析如下：

普氏理論計算法：

洞身Ⅳ類圍巖開挖爆破中發(fā)現(xiàn)，圍巖多被層間小斷層、節(jié)理裂隙等錯綜復雜的結(jié)構(gòu)面切割，使其類似于松散介質(zhì)，開挖擾動后，頂部出現(xiàn)拱形分離體。拱形分離體以外的巖體仍保持平衡狀態(tài)，拱形分離體失穩(wěn)塌落后便形成一個塌落拱或稱自然平衡拱。平衡拱呈二次拋物線型，平衡拱下巖體的重量即為沿頂上圍巖壓力P或P′見圖1。

圖1 用平衡拱理論求圍壓圖式注 (a) 洞側(cè)壁穩(wěn)定； (b) 洞側(cè)壁不穩(wěn)定 b、b′——平衡拱底寬； h、h′——平衡拱高(坍落拱高)； φ——巖石內(nèi)摩擦角； P、P′——分別為洞側(cè)壁穩(wěn)定和不穩(wěn)定時的洞頂圍壓； E、E′——側(cè)壁單位面積上的圍壓

其計算公式為：

側(cè)向水平山巖壓力強度按松散體理論度，有下列公式：

式中：φ為巖石或土體的內(nèi)摩擦角；c為巖石或土體的黏聚力；σ為正應力(即洞頂巖、土體自重應力)；R為巖體極限抗壓強度，N/cm2。

則均布的側(cè)向水平山巖壓力為：e=(e1+e2)/2=(3.28+9.14)/2=6.21kN/m2。

從計算結(jié)果可知，坍落拱高h和洞室壓力拱寬b成正比，與巖石內(nèi)摩擦角φ成反比；φ值愈大坍落拱愈小，所面對的山巖壓力愈小，愈穩(wěn)定。因此，巖體自身堅硬程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育及抗剪強度等因素是決定隧洞成洞的關鍵，筆者認為應重點考慮。

普氏理論計算的坍落拱和圍巖壓力是在圍巖力學性能一成不變的情況下得來的，而實際上洞室開挖后，巖體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的組合關系和力學強度，而不僅決定于巖石本身的強度。及時封閉已開挖巖面，保護巖體故有的承載能力使c、φ值不降低或少降低至關重要。

3 圍巖變形與破壞分析

隧洞施工開挖后，圍巖由于地應力超過巖石強度將發(fā)生破壞，其破壞形式主要決定于巖石類型和巖體結(jié)構(gòu)。對于堅硬的凝灰?guī)r質(zhì)彈性巖石，主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面形成塊體墜落或塌滑，如圖2(e)所示。對于半堅硬的或軟弱巖石，主要是塑性變形或蠕變，其變形范圍不僅是洞頂、洞壁，甚至洞底可能鼓起，如圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)所示。

圖2 軟弱及松散巖體有隧洞圍巖破壞形式(a) 洞頂坍方 (b)洞頂及側(cè)壁坍滑 (c)洞壁側(cè)鼓 (d)洞底鼓起 (e)松散巖層的馬蹄形坍落

4 科學的施工方法是成洞的關鍵

為了防止隧洞進口段圍巖的變形和破壞，黃泥灘引水隧洞進口洞身段根據(jù)地質(zhì)條件復雜和設計參數(shù)采用全斷面開挖法； 斷面形成后第一時間采用噴錨支護“新奧地利隧洞施工法”簡稱“新奧法”(NATM)，即巖石支護巖石，其特點是既適合于堅硬巖石，也適合于軟弱巖石，特別適合破碎、變質(zhì)易變形的施工困難段，因此在該洞挖中得到廣泛應用。

按“新奧法”施工要求，洞挖爆破設計采用微振控制爆破技術，實施光面爆破，以減輕對圍巖擾動，充分發(fā)揮圍巖的時效承載力。為保證安全起爆，采用塑料導爆管毫秒雷管起爆，并根據(jù)圍巖情況和爆破試驗結(jié)果，及時修正參數(shù)，以達到爆破最佳效果，減少超欠挖。

巖石爆破開挖主要采用風動鑿巖機(俗稱風鉆)型號YT—24氣腿式配合人力鑿進，施鉆過程遵循“短進尺、弱爆破、少擾動”原則，每回次鑿進尺控制在0.5～2.0m之間(根據(jù)每一回次圍巖類別、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和巖體完整性等方面跟蹤綜合判定)，進洞口段Ⅳ類圍巖每回次進尺大于等于1.0m。據(jù)據(jù)不同圍巖類別及結(jié)構(gòu)面，采用不同的布孔形式，周邊孔和導向孔大部分呈平行狀布置，掏槽孔多呈十字和梅花形布置； 爆破方式采用光面爆破，施工工藝嚴格按照測量布孔→鉆孔→裝藥爆破→通風排煙→安全處理→出碴→支護(本工程Ⅳ類圍巖一次支護：噴混凝土系統(tǒng)錨桿鋼拱架全斷面掛網(wǎng))的程序進行。

傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)總是在開挖后先作支撐，使開挖工作面推進到相當遠后，才能逐步拆除支撐進行襯砌。支撐只能在較少范圍內(nèi)與圍巖接觸，實際上，就等于允許圍巖有較長時間的松動變形，使松動帶發(fā)展得很寬。結(jié)果襯砌只能是“被動”地承受圍巖松動而形成的極大圍壓，所以其厚度必須足夠大。

和傳統(tǒng)洞挖工藝相比，噴錨支襯方法——“新奧法”具有開挖斷面小、節(jié)省支襯材料(經(jīng)濟)、巖體穩(wěn)定性好、施工速度快等優(yōu)點(見圖3)。

圖3 噴錨支襯與常規(guī)支襯比較

5 隧洞施工中超前預報是安全保障

洞挖過程中(地下工程)超前預報主要是加強施工期間的地質(zhì)工作，是在開挖之前，除根據(jù)開挖時揭露出來的實際地質(zhì)情況，校正補充地勘時未能查到的資料外，還要根據(jù)這些成果資料，分析推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，是否存在前期勘察時沒有查到的不良地質(zhì)體，以便預先采取措施。隧洞施工超前預報的內(nèi)容一般包括：?不良地質(zhì)預報及災害地質(zhì)預報，預報掌子面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議； ?水文地質(zhì)預報，預報洞內(nèi)涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評價其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響； ?斷層及其破碎帶的預報，預報斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水斷層，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對策； ?同巖類別及其穩(wěn)定性預報，預報掌子面前方的圍巖類別與設計是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時提供修改設計、調(diào)整支護類型、確定二次襯砌時間的建議等； ?預測隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動態(tài)變化。

2007年元月隧洞段公開招標后分3個標段施工，分一個進、出口洞臉，4個豎井，3個斜井共16個掌子面進行開挖掘進，施工洞挖過程中每一回次掌子面保證地質(zhì)人員第一時間到現(xiàn)場，進行地質(zhì)編錄、預報及建議，保證了6.2km隧洞順利平安全貫通并投入運行。

6 結(jié) 語

在斷層破碎帶、強弱風化交替結(jié)構(gòu)面發(fā)育、變質(zhì)易變形等的Ⅳ、Ⅴ類圍巖中成洞無疑是施工中的一大難題，合理的設計和適宜的施工工藝是成洞保證。富蘊縣黃泥灘引水隧洞順利貫通并投入運行充分驗證了先進理念和施工工藝的優(yōu)越性。