(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

大斷面尺寸導(dǎo)流洞圍巖開(kāi)挖通常導(dǎo)致巖體松弛卸荷，為確保施工期安全，隨洞室開(kāi)挖進(jìn)行系統(tǒng)的噴錨支護(hù)，后期為保證運(yùn)行期的安全，過(guò)流前洞室會(huì)進(jìn)一步實(shí)施混凝土襯砌[1-3]。受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及條件影響，隧洞邊墻和頂拱在進(jìn)行噴混凝土及后期襯砌混凝土施工前，洞壁巖面及噴混凝土表面均未進(jìn)行沖洗，存在粉塵污染等情況，可能導(dǎo)致各接觸面接觸不良，進(jìn)而對(duì)堵頭的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[4-7]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)襯砌混凝土、噴混凝土和圍巖接觸情況的相關(guān)文獻(xiàn)較少，所以，上述接觸面的研究對(duì)導(dǎo)流洞永久堵頭型式的選擇和工程安全運(yùn)行具有重要的意義。本文選取烏東德水電站5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段的上述接觸面進(jìn)行研究。

烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)梯級(jí)中的最上游梯級(jí)電站，電站裝機(jī)容量10 200 MW，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大(一)型工程，主要由高達(dá)270 m的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。施工期利用導(dǎo)流隧洞進(jìn)行前期導(dǎo)流。

烏東德水電站采用隧洞導(dǎo)流的方式，左右兩岸共布置5條導(dǎo)流洞，其中左岸2條、右岸3條。左岸1號(hào)與2號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程814 m，右岸3號(hào)與4號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程812 m；1～4號(hào)導(dǎo)流洞出口底板高程為800 m，隧洞斷面呈城門(mén)洞形，過(guò)流斷面尺寸為16.5 m×24 m(寬×高)；右岸5號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程830 m，出口底板高程為 824 m，過(guò)流斷面尺寸為12 m×16 m(寬×高)。導(dǎo)流洞永久堵頭擬采用直柱形結(jié)構(gòu)型式，以達(dá)到避免二次開(kāi)挖，簡(jiǎn)化施工、加快進(jìn)度的目的[8-12]。

為了查明堵頭段各接觸面的接觸情況，選取5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段進(jìn)行專題研究。收集堵頭段開(kāi)挖地質(zhì)編錄資料，結(jié)合該段地質(zhì)條件分別在邊墻及底板布置勘探鉆孔；利用鉆孔芯樣及彩電成果直觀判斷襯砌及圍巖各接觸面的結(jié)合情況；利用鉆孔聲波成果定量判斷各接觸面的接觸效果；利用平面超聲橫波成像檢測(cè)成果判斷各接觸面間是否存在缺陷，將勘察成果從點(diǎn)延伸至面；采取鉆孔芯樣進(jìn)行各接觸面間的室內(nèi)剪切試驗(yàn)，獲得抗剪強(qiáng)度參數(shù)；最終，以測(cè)試及試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，類比相似工程，給出堵頭段圍巖與噴混凝土接觸面、噴混凝土與襯砌混凝土接觸面的物理力學(xué)參數(shù)建議值。

1 基本地質(zhì)條件

烏東德水電站導(dǎo)流洞從進(jìn)口至出口穿越的地層為因民組(Pt2y)及落雪組第一段(Pt2l1)至第十段(Pt2l10)地層，巖性主要為灰?guī)r、白云巖、大理巖化白云巖、少量千枚巖及變質(zhì)砂巖[11-12]。

5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段位于樁號(hào)K0+715～K0+755，地層巖性為落雪組第一段第一亞段(Pt211-1)灰色薄層狀灰?guī)r，局部夾極薄層及薄層狀白云巖[10-12]，地層走向17°～43°，傾向107°～133°，傾角41°～55°，巖層走向與洞軸線夾角約30°～60°；圍巖為微新巖體，未見(jiàn)斷層出露，裂隙、巖溶不發(fā)育，地應(yīng)力以低地應(yīng)力為主，開(kāi)挖過(guò)程中洞壁總體干燥，偶見(jiàn)滲滴水現(xiàn)象，屬I(mǎi)V圍巖類。開(kāi)挖后頂拱弱卸荷深度一般為2～4 m；拱座弱卸荷深度一般為3～7 m；邊墻中部弱卸荷深度一般為3～8 m；邊墻底部弱卸荷深度一般為2～5 m。

2 襯砌及圍巖接觸情況研究

導(dǎo)流洞分三層開(kāi)挖，隨開(kāi)挖對(duì)邊墻及頂拱進(jìn)行了系統(tǒng)錨桿+0.2 m厚的噴混凝土初期支護(hù)，待隧洞全部開(kāi)挖完成后統(tǒng)一進(jìn)行了1.2 m厚的混凝土二次襯砌支護(hù)。

2.1 底板襯砌混凝土與巖體接觸情況

底板襯砌混凝土與巖體接觸情況主要通過(guò)鉆探取芯、鉆孔彩電及聲波測(cè)試進(jìn)行研究。

2.1.1鉆探取芯

堵頭段底板布置鉛直鉆孔5個(gè)，底板襯砌混凝土與巖體接觸部位襯砌混凝土芯樣斷面上，基巖所占芯樣斷面面積在70%～100%，平均86.4%；接觸面起伏不平，起伏差一般為4～5 cm。宏觀判斷基巖與襯砌混凝土接觸較好(見(jiàn)圖1)。

圖1 底板混凝土與巖體接觸部位典型鉆孔芯樣Fig.1 Typical drilling core containing interface of concreteliner and surrounding rock at tunnel floor

2.1.2鉆孔彩電及聲波測(cè)試

鉆孔彩電測(cè)試成果顯示，底板襯砌混凝土與基巖接觸部位整體接觸緊密，未見(jiàn)軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象；聲波測(cè)試顯示，底板襯砌混凝土聲波值一般約為4 600～4 800 m/s，襯砌混凝土與基巖接觸部位聲波值一般約為4 200～4 500 m/s，下伏基巖的聲波值一般約為4 000～5 000 m/s，襯砌混凝土與基巖接觸部位聲波值無(wú)明顯降低現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。

圖2 底板襯砌混凝土與基巖接觸面彩電及聲波測(cè)試典型成果Fig.2 TV and acoustic test of interface of concrete linerand surrounding rock at tunnel floor

綜上所述，5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段底板襯砌混凝土與基巖接合部位未見(jiàn)軟弱充填物、張開(kāi)及聲波值明顯降低現(xiàn)象，整體接觸緊密,膠結(jié)良好。

2.2 邊墻噴混凝土與巖體接觸情況

邊墻噴混凝土與巖體接觸情況主要通過(guò)水平鉆探取芯、鉆孔彩電、聲波測(cè)試及平面超聲橫波成像檢測(cè)進(jìn)行研究。

2.2.1鉆探取芯

堵頭段邊墻布置水平鉆孔9個(gè)。鉆探取芯顯示，邊墻噴混凝土與巖體接觸部位噴混凝土芯樣斷面上，基巖所占芯樣斷面面積有5個(gè)鉆孔為25%～54%(見(jiàn)圖3)，有4個(gè)鉆孔為82%～93%，平均60%；接觸面起伏不平，起伏差一般為2～12 cm。宏觀判斷噴混凝土與基巖接觸情況較底板略差。

圖3 邊墻噴混凝土與巖體接觸部位典型鉆孔芯樣Fig.3 Typical drilling core containing interface of concreteand surrounding rock at tunnel side wall

2.2.2鉆孔彩電及聲波測(cè)試

利用邊墻的9個(gè)水平鉆孔進(jìn)行了彩電及聲波測(cè)試。鉆孔彩電測(cè)試成果顯示，邊墻噴混凝土與基巖接觸部位整體膠結(jié)緊密-較緊密，未見(jiàn)明顯軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象；聲波測(cè)試顯示：邊墻噴混凝土聲波值一般約為4 200～4 600 m/s，噴混凝土與基巖接觸部位聲波值一般約為3 800～4 400 m/s，邊墻基巖的聲波值一般為4 000～5 200 m/s，在噴混凝土與基巖接觸部位4個(gè)鉆孔的聲波值有降低現(xiàn)象，一般較巖體降低約10%(見(jiàn)圖4)。

注：上部及中上部相對(duì)反射強(qiáng)度較大的紅色區(qū)域及青色條帶為襯砌混凝土中配筋所致，⑧區(qū)域?yàn)榻佑|較差部位。圖5 導(dǎo)流洞邊墻平面超聲橫波檢測(cè)典型成果圖(左側(cè)邊墻K0+730～K0+735)Fig.5 Plane ultrasonics-wave imaging detection at tunnel side wall (left side wall K0 +730 ～ K0 +735)

2.2.3平面超聲橫波成像檢測(cè)

在5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段兩側(cè)邊墻1 m高的部位進(jìn)行了平面超聲橫波成像檢測(cè)，檢測(cè)長(zhǎng)度50 m，面積100 m2。檢測(cè)成果顯示，檢測(cè)范圍內(nèi)存在11處異常，深度一般1.16～1.58 m，單一異常面積一般0.035～0.289 m2，總異常面積1.464 m2(見(jiàn)圖5)。分析顯示，異常部位均位于噴混凝土與基巖接觸部位附近，可能受掛網(wǎng)的影響，噴混凝土與基巖局部接觸較差。

綜上所述，5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段邊墻噴混凝土與基巖接合部位未見(jiàn)軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象，整體膠結(jié)緊密-較緊密；局部結(jié)合相對(duì)較差，存在聲波值降低及平面超聲橫波相對(duì)反射強(qiáng)度較大的現(xiàn)象，但其范圍有限，僅占1.5%左右；總體較底板混凝土與基巖的接觸質(zhì)量略差。

2.3 邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸情況

邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸情況主要通過(guò)水平鉆探取芯、鉆孔彩電、聲波測(cè)試及平面超聲橫波成像檢測(cè)進(jìn)行研究。

2.3.1鉆探取芯

堵頭段邊墻布置水平鉆孔9個(gè)。鉆探取芯顯示，襯砌混凝土與噴混凝土接觸緊密，接觸部位未見(jiàn)軟弱充填物及縫隙(見(jiàn)圖6)，僅有1個(gè)鉆孔芯樣沿接觸面出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖6 邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸部位典型鉆孔芯樣Fig.6 Typical drilling core containing interface of concreteliner and concrete at tunnel side wall

2.3.2鉆孔彩電及聲波測(cè)試

利用邊墻的9個(gè)水平鉆孔進(jìn)行了彩電及聲波測(cè)試。鉆孔彩電測(cè)試成果顯示，邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸部位整體接觸緊密，未見(jiàn)軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象；聲波測(cè)試顯示，邊墻襯砌混凝土聲波值一般為4 500～4 800 m/s，襯砌混凝土與噴混凝土接觸部位聲波值一般為4 400～4 700 m/s，邊墻噴混凝土聲波值一般為4 200～4 600 m/s，接觸部位未見(jiàn)聲波值降低現(xiàn)象(見(jiàn)圖7)。

圖7 邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸面彩電及聲波測(cè)試典型成果Fig.7 TV and acoustic test of interface of concrete linerand concrete at tunnel side wall

2.3.3平面超聲橫波成像檢測(cè)

5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段兩側(cè)邊墻平面超聲橫波成像檢測(cè)成果顯示，邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸面附近未見(jiàn)異常。

綜上所述，5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接合部位未見(jiàn)軟弱充填物、張開(kāi)及聲波值明顯降低現(xiàn)象，整體接觸緊密、膠結(jié)良好。

2.4 剪切試驗(yàn)及接觸面力學(xué)參數(shù)建議

利用鉆孔芯樣采集了6組樣品進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，其中噴混凝土與襯砌混凝土接觸部位取樣5組，噴混凝土與基巖接觸面取樣1組(見(jiàn)表1)。試驗(yàn)成果顯示,襯砌混凝土與噴混凝土接觸部位抗剪斷強(qiáng)度f(wàn)值在1.07～1.31，平均值1.204；C′值在7.19～8.33 MPa，平均值為7.84 MPa?？辜魪?qiáng)度f(wàn)值在0.619～0.705，平均值0.669；C′值在1.54～1.90 MPa，平均值為1.76 MPa。噴混凝土與基巖接觸面試樣剪切試驗(yàn)中，抗剪斷強(qiáng)度f(wàn)值為1.33，C′值為5.79 MPa；抗剪強(qiáng)度f(wàn)值為0.721，C′值為2.11 MPa。

表1 各接觸面抗剪試驗(yàn)成果Tab.1 The shear test results of interfaces

綜合分析鉆探取芯揭示情況，物探測(cè)試及室內(nèi)剪切試驗(yàn)等成果，類比其它工程給出各接觸面的抗剪強(qiáng)度建議值。建議底板襯砌混凝土與基巖接觸面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f值取0.9～1.1，C′值取0.9～1.1 MPa；邊墻噴混凝土與基巖接觸面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′值取0.8～0.9，C′值取0.7～0.9 MPa；邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接觸面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′值取0.9，C′值取0.9 MPa(見(jiàn)表2)。

表2 各接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)地質(zhì)建議值表Tab.2 The suggested values of shear strength parametersof interfaces

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 為保證大斷面尺寸導(dǎo)流洞的施工及運(yùn)行期安全，導(dǎo)流洞一般隨開(kāi)挖進(jìn)行系統(tǒng)的噴錨支護(hù)，并在過(guò)流前實(shí)施混凝土襯砌。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)襯砌混凝土、噴混凝土和圍巖接觸情況研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

本文綜合利用鉆孔取芯、鉆孔彩電、聲波測(cè)試及平面超聲橫波成像檢測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)等手段，以點(diǎn)及面、相互補(bǔ)充、彼此輔證，查明了堵頭段各接觸面的接觸狀況；以測(cè)試及試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，類比相似工程，結(jié)合地質(zhì)條件，提出堵頭段圍巖與噴混凝土接觸面、噴混凝土與襯砌混凝土接觸面的物理力學(xué)參數(shù)建議值，為堵頭設(shè)計(jì)提供依據(jù)，這一研究方法及成果可為其他類似工程提供借鑒。

(2) 右岸5號(hào)導(dǎo)流隧洞永久擋水堵頭擬設(shè)計(jì)長(zhǎng)度40.0 m，堵頭段地層巖性為落雪組第一段第一亞段(Pt211-1)灰色薄層狀灰?guī)r，局部夾極薄層狀及薄層狀白云巖；巖體微新，裂隙不發(fā)育；巖體質(zhì)量為Ⅲ1級(jí)。

(3) 5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段底板襯砌混凝土與基巖接觸部位整體接觸緊密、膠結(jié)良好，接觸面未見(jiàn)軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象；建議結(jié)合部位抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取f′為0.9～1.1,C′為0.9～1.1 MPa。

(4) 5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段邊墻噴混凝土與基巖接觸部位未見(jiàn)明顯軟弱充填物及張開(kāi)現(xiàn)象，但考慮到邊墻建基巖體在噴混凝土之前附著的施工粉塵未進(jìn)行清洗，且受開(kāi)挖面凹凸不平及掛網(wǎng)等影響，噴混凝土與邊墻建基巖體之間有部分接觸較差～差，建議結(jié)合部位抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取f′為0.8～0.9,C′為0.7～0.9 MPa。

(5) 5號(hào)導(dǎo)流洞堵頭段邊墻襯砌混凝土與噴混凝土接合部位整體接觸緊密、膠結(jié)良好，接觸面未見(jiàn)張開(kāi)現(xiàn)象。建議結(jié)合部位抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取f′為0.9,C′為0.9 MPa。