韓小妹,邵劍南,李怡芬

(1.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 概述

軟巖隧洞常常碰到圍巖飽和抗壓強度低，突涌水、裂隙發(fā)育、膨脹、巖爆、高地溫，施工過程不及時支護，會有塌方事故，甚至冒頂事故[1- 8]。

四川樂山官帽舟水電站區(qū)域巖性主要為泥質粉砂巖，夾粉砂性泥巖和砂巖。地下洞室圍巖分類主要為Ⅳ類圍巖，局部為Ⅴ類圍巖。雖然地下洞室建筑物多，隧洞長，豎井深，圍巖穩(wěn)定性差[9]，由于對軟巖隧洞的地質特性進行了正確分析，合理設計開挖支護方案，地下隧洞施工造價仍控制在施工前5年批準的初設概算之內，開挖支護工程造價還略微節(jié)省，施工工期與初設施工組織設計基本相同，且施工過程中未發(fā)生塌方等安全事故。

認清泥質粉砂巖和粉砂質泥巖的軟巖隧洞地質特性，才能優(yōu)化開挖支護設計，降低工程投資和控制長隧洞工程施工工期，有助于推動軟巖隧洞的項目前期設計進展順利和確保施工安全。

2 工程地質

2.1 泄洪放空洞地質條件

官帽舟水電站右岸布置一條采用龍?zhí)ь^形式半結合導流隧洞的泄洪放空洞，洞長0.61km，有壓段為洞徑7.5m圓形洞，龍?zhí)ь^段尺寸為7.5m×10m城門隧洞(寬×高，下同)，結合導流洞段尺寸為7.5m×11.5m城門隧洞。泄洪檢修閘門和工作閘門井布置在洞中，井身尺寸12.15m×11.5m(內徑，順水流向×垂直水流向，下同)，井深62m。

泄洪放空洞圍巖出露下沙溪廟組第三段泥質粉砂巖及粉砂質泥巖夾長石石英砂巖，弱～微風化狀態(tài)，以較軟巖為主，夾有堅硬巖。巖體產(chǎn)狀為330°/NE∠10°，和洞線大角度斜交，巖體呈中厚～厚層狀結構，裂隙不發(fā)育，巖體較完整，進水口至龍?zhí)ь^段洞內干燥。泄洪放空洞結合導流洞段地下水位高于洞頂，洞頂多處滴水、滲水。泄洪閘門井高程679～667m圍巖發(fā)育一組裂隙L273產(chǎn)狀為80°/NW∠80°，其為剪切性質，平直，面粗糙，偶夾泥質，間距50～150cm。

2.2 長引水發(fā)電隧洞地質條件

官帽舟水電站左岸布置一條長6.4km的長引水發(fā)電隧洞，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌，內徑6.2m；引水發(fā)電隧洞臨近廠房附近布置水室式調壓井，調壓井井深87.5m，井身主要為內徑尺寸21m的圓形井。

長引水發(fā)電隧洞經(jīng)過地段的地面高程普遍為700～850m，局部過沖溝處地面高程偏低，其洞線中部羊壩沖溝為洞身經(jīng)過的最深沖溝，溝底高程590～700m。洞身經(jīng)過地段出露的基巖為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾長石石英砂巖，隧洞沿線未發(fā)現(xiàn)大的區(qū)域構造斷層。隧洞穿過巖層主要為微風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾長石石英砂巖，近軸部兩側巖層產(chǎn)狀平緩，北西翼巖層產(chǎn)狀30°～70°/SE∠3°～15°，南東翼產(chǎn)狀30°～70°/NW∠3°～15°。隧洞經(jīng)過地層為碎屑巖，可視為隔水層，沿線可見多處泉水出露，地下水位普遍較高。開挖后，巖石結構面基本上處于較完整和完整，軟巖致密，防滲能力強。在局部洞頂位置出現(xiàn)滴水點和滲水點，但均未形成連續(xù)流量，大部分洞頂和邊墻均干燥。調壓井圍巖為弱風化～微風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾長石石英砂巖，以較軟巖為主，夾少量堅硬巖。巖體產(chǎn)狀40°/NW∠10°，巖體呈中厚層～厚層狀結構，較完整～完整，井身發(fā)育三組裂隙，井內干燥。

2.3 軟巖特性分析

官帽舟水電站地下洞室主要為Ⅳ類圍巖，局部為Ⅲ類和Ⅴ類圍巖。根據(jù)規(guī)范[9]中對圍巖的穩(wěn)定性評價標準，Ⅳ類圍巖為不穩(wěn)定，圍巖自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。常規(guī)軟巖隧洞Ⅳ類圍巖一般都受構造影響、裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，地下水豐富，圍巖穩(wěn)定性差，需要及時進行系統(tǒng)支護，部分工程由于地下水滲水或者支護不及時發(fā)生了塌方[8]。

本工程地下洞室圍巖主要為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，為易風化類碎屑巖，地表巖體風化后粘粒含量較大，直接阻隔了地表水的下滲[10]。巖石完整性好，局部裂隙多呈微張～閉合狀，巖石致密，防滲性好，洞內干燥，極少部位有滴水點和滲水點，對圍巖穩(wěn)定有利。由于泥巖風化后抗剪強度急劇下降，因此地下洞室開挖后，需要及時進行噴混凝土封閉，防止進一步風化。

官帽舟水電站泄洪放空洞圍巖結構傾角為5°～10°，長引水發(fā)電系統(tǒng)圍巖結構傾角為3°～15°，圍巖傾角平緩，如千層餅層疊，對隧洞邊墻和豎井開挖穩(wěn)定有利；由于自重，隧洞洞頂容易塌方。因此需要及時加強對隧洞洞頂進行系統(tǒng)支護，防止洞頂?shù)魤K造成安全和經(jīng)濟事故，根據(jù)圍巖類別對隧洞邊墻進行系統(tǒng)或隨機支護即可。

3 開挖支護設計

3.1 泄洪放空洞開挖支護設計

泄洪放空洞有壓段為圓形隧洞，開挖洞徑為9.4m，開挖時噴0.15m厚的C20混凝土。頂拱120°范圍內采用Φ22mm錨桿@1.25m×1.25m、長L=3m、入巖深度2.9m(Φ22錨桿支護間距和長度下同)進行系統(tǒng)支護，兩側邊墻范圍采用Φ22mm錨桿隨機支護。在圍巖穩(wěn)定較差的地段，需要掛網(wǎng)噴錨，掛網(wǎng)鋼筋為Φ8mm@0.2m×0.2m(環(huán)向×縱向，掛網(wǎng)鋼筋直徑和間距下同)。

檢修閘門井和工作閘門井開挖外徑尺寸為16.5m×11.6m(順水流向長度×垂直水流向寬度)，采用自上而下開挖方式，井壁采用系統(tǒng)噴錨和掛網(wǎng)支護。開挖后噴0.15m厚的C20混凝土，系統(tǒng)錨桿Φ25mm@2m×2m(環(huán)向×縱向，下同)，L=6m、入巖5.5m和L=4.5m、入巖4m相間布置，錨桿均垂直開挖面。井頂3.5m寬圓環(huán)范圍內采用1m厚C25混凝土鎖口。

龍?zhí)ь^段開挖后尺寸為10.8m×14.65m；結合導流洞段開挖后尺寸為9.8m×13.65m?？紤]龍?zhí)ь^段下部凌空，因此龍?zhí)ь^段洞頂按照Ⅴ類圍巖、洞壁按照Ⅳ類圍巖支護設計。龍?zhí)ь^段隧洞頂拱和側墻均采用噴錨掛網(wǎng)支護和鋼拱架支護。噴0.15m厚的C20混凝土，錨桿支護采用Φ22mm錨桿系統(tǒng)支護。鋼拱架支護為I20a@1m，底板腳部采用槽鋼20a墊腳。頂拱120。范圍內采用超前錨桿Φ22@0.4m×1m(環(huán)向×縱向)，L=3m，入巖2.75m，上仰傾角10°，尾部與鋼拱架焊接(超前錨桿設計參數(shù)下同)。結合導流洞段噴0.1m厚的C20混凝土，頂拱120°范圍內采用Φ22mm錨桿系統(tǒng)支護，兩側邊墻范圍采用Φ22錨桿隨機支護；在圍巖穩(wěn)定較差的地段，需要隨機掛網(wǎng)。

當導流洞襯砌澆筑完成后，進行泄洪放空洞龍?zhí)ь^開挖支護，龍?zhí)ь^底部圍巖厚度少，甚至部分凌空，且龍?zhí)ь^末尾與導流洞相交處“泄0+296.453(導0+304.135～泄0+302.953(導0+310.635)”段疊加側墻高度最高為20.955m，需要對龍?zhí)ь^末尾段底部導流洞進行加固支護后，方可開挖上部龍?zhí)ь^。龍?zhí)ь^末尾加固支護設計詳見圖1～2，其加固支護方案如下:

(1)導流洞頂拱增加橫梁支撐@0.5m，橫梁為工字鋼25b。

(2)橫梁支撐與導流洞側墻每側之間布設15mm厚鋼板，通過錨筋錨固鋼板與襯砌之間的連接。錨筋Ф20mm，L=1.5m，入襯砌深度1m，錨筋共計15根。鋼板與橫梁工字鋼之間需要焊接牢固。

(3)橫梁支撐中部布設槽鋼20連系梁，需要與橫支撐工字鋼焊接牢固。

圖1 龍?zhí)ь^末尾底部加固縱剖面圖

圖2 龍?zhí)ь^末尾底部加固橫剖面圖

(4)導流洞底板澆筑2～3m厚度的C30混凝土墊層，固定鋼拱架。

(5)下閘蓄水后需要掃孔導流洞結合段側墻原設計的排水孔，確保此段結構在蓄水期間外水壓力折減。

(6)在泄洪放空洞龍?zhí)ь^新增排水孔，新增Ф80mm排水孔，L=5m，孔排距2.5m，上仰角度大于等于5°，以便降低側墻的外水壓力。

表1 官帽舟地下洞室設計和實際開挖支護對比表

3.2 長引水發(fā)電隧洞開挖支護設計

長引水發(fā)電隧洞開挖后洞徑7.4～7.6m。洞頂Ⅳ類、洞壁Ⅲ類和洞頂Ⅲ類、洞壁Ⅲ類圍巖的隧洞段，開挖后均采用噴錨和掛網(wǎng)支護。開挖后噴0.1m厚的C20混凝土，隧洞頂拱120°范圍內采用Φ22錨桿系統(tǒng)支護，兩側邊墻范圍采用Φ22錨桿隨機支護。在圍巖穩(wěn)定較差的地段，需要掛網(wǎng)噴錨。

洞頂Ⅴ類、洞壁Ⅳ類圍巖隧洞段采用系統(tǒng)噴錨、掛網(wǎng)和超前支護。開挖后噴0.2m厚C20混凝土外，頂拱120°范圍內采用超前錨桿支護，全斷面采用格柵拱架。格柵拱架由4根Φ22鋼筋焊接組成格柵，格柵分為四片，其中拱部2片，邊墻2片，通過連接鋼板和螺栓連接。格柵拱架安裝后采用Φ16光面鋼筋作為連系筋，環(huán)向間距為1m。為了開挖后立即進行一次支護，以確保圍巖穩(wěn)定，格柵拱架間距為1m，與開挖循環(huán)進尺一致。格柵拱架與錨桿端頭焊接固定。格柵拱架剛度和柔度適中，通過與錨桿焊接固定，格柵與圍巖密貼，安裝后立即用噴射混凝土填塞格柵拱架與圍巖的間隙，因而格柵拱架強度得以充分發(fā)揮。原設計采用型鋼I20b拱架@0.5～0.7m，由于圓形洞徑小，鋼拱架剛度大，難以彎曲成圓洞形狀，即使鋼拱架與錨桿焊接固定，但由于實際爆破開挖面不平整，開挖面與型鋼拱架之間普遍有凌空現(xiàn)象，只有當洞頂局部圍巖產(chǎn)生明顯下沉變形時，型鋼拱架支護上覆變形荷載，型鋼拱架有明顯變形，型鋼強度才得以充分發(fā)揮。通過優(yōu)化調整，修改為格柵拱架，拱架間距適當加大，與開挖循環(huán)進尺1m一致，不僅支護投資明顯降低，而且加大了施工進度，縮短工期。

調壓井豎井深83.5m，開挖直徑為23.3m。井壁采用系統(tǒng)噴錨和掛網(wǎng)支護。開挖后噴混凝土厚度為0.15m，系統(tǒng)錨桿Φ25mm@2m×2m，L=6m、入巖5.5m和L=4.5m、入巖4m相間布置，錨桿均垂直開挖面。井頂3.5m寬圓環(huán)范圍內采用1m厚C25混凝土鎖口。

4 現(xiàn)場開挖支護及其圍巖穩(wěn)定效果

官帽舟泄洪放空洞和長引水發(fā)電隧洞的泥質粉砂巖和粉砂質泥巖容易風化，自穩(wěn)時間短，在施工過程中，鉆孔爆破開挖1m后，就立即按照設計方案進行噴混凝土進行封閉。在施工過程中，根據(jù)對隧洞各部位的地質特性的新認識，施工時地下洞室的錨桿支護、掛網(wǎng)支護和洞頂超前支護與設計方案略有不同，設計方案和實際施工情況對比詳見表1。

根據(jù)表1可以看出，由于水平隧洞的洞頂圍巖結構傾角比較平緩，洞頂圍巖穩(wěn)定性差，施工階段洞頂按照設計方案進行系統(tǒng)錨桿支護；邊墻圍巖穩(wěn)定性相對好，泄洪放空洞龍?zhí)ь^邊墻錨桿支護，由設計方案的系統(tǒng)支護調整為隨機支護。由于軟巖地下洞室完整性好，在施工階段，原設計方案的系統(tǒng)掛網(wǎng)全部調整為隨機掛網(wǎng)，泄洪放空洞龍?zhí)ь^段的系統(tǒng)超前支護和鋼拱架方案調整為取消，頂拱Ⅴ類的引水發(fā)電隧洞段系統(tǒng)超前支護和鋼拱架方案調整為隨機方案。雖然泄洪閘門井和調壓井的洞壁圍巖為Ⅳ類，井身穩(wěn)定性較好，但是井身開挖直徑大，井身深，施工周期長，自上而下開挖施工，一旦洞壁風化剝落掉塊，容易造成生命和財產(chǎn)安全事故，因此豎井井身進行了系統(tǒng)錨桿支護。

泄洪放空洞和長引水發(fā)電隧洞的開挖支護和襯砌澆筑施工周期分別約18個月和30個月，除了隧洞洞頂自重下墜和豎井洞壁噴混凝土受雨天沖刷掉落，導致這兩個位置的局部部位偶爾掉落小石子，隧洞其他部位未發(fā)現(xiàn)異常變形現(xiàn)象，官帽舟地下洞室施工未造成任何安全事故。

5 結語

泥質粉砂巖和粉砂質泥巖在我國四川、重慶、貴州普遍存在，隨著我國西南水電的日益開發(fā)和供水灌溉工程的興建，越來越多的中小型樞紐工程地下洞室為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。如目前正在開展可行性研究設計階段的四川亭子口灌區(qū)工程，其推薦的主要灌溉輸水方式為隧洞，隧洞長度約為571km，約占總輸水方式長度54.2%。軟巖隧洞開挖支護對合理控制工程投資和確定施工工期具有關鍵意義。

本文分析了官帽舟軟巖地下洞室特性，分享了其開挖支護設計成功經(jīng)驗，可供類似泥質粉砂巖和粉砂質泥巖等軟巖地下洞室工程的支護設計進行借鑒。