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        高水敏性極軟巖地下洞室底板超挖原因分析及應(yīng)對措施

        2022-11-23 09:07:00黃振偉趙冰波杜勝華
        水利水電快報 2022年11期
        關(guān)鍵詞:工程施工設(shè)計

        黃振偉,張 濤,趙冰波,杜勝華

        (1.長江巖土工程有限公司,湖北 武漢 430010; 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010)

        0 引 言

        在地下洞室開挖過程中,超挖現(xiàn)象幾乎無法避免,只是超挖程度不同。從結(jié)構(gòu)上看,與設(shè)計的理想洞室光滑輪廓相比,超挖引起的不平整輪廓會產(chǎn)生應(yīng)力集中,導致圍巖破壞或支護、襯砌結(jié)構(gòu)受力條件惡化,影響結(jié)構(gòu)安全。從施工方面看,超挖造成支護、襯砌施工困難,甚至還意味著超填,進一步增加施工成本、延長工期,影響工程效益。

        大部分隧洞工程出現(xiàn)超挖的部位是邊墻與頂拱,而對底板部位的超挖則沒有引起足夠的重視。目前國內(nèi)外對隧洞超挖的研究主要集中在邊墻、頂拱超挖原因[1-3]、超挖規(guī)律[4-5]、超挖控制措施[1,6-7]等方面。近年來,隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展,隧洞地質(zhì)條件越來越復雜,施工中出現(xiàn)了底板超挖現(xiàn)象。本文以西藏拉洛水利樞紐工程引水發(fā)電隧洞為例,對地下洞室底板超挖原因進行分析,提出了技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、性能有效的工程處理措施,可為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū),具灌溉、供水、發(fā)電、防洪、促進改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等綜合效益[8]。主體工程于2015年開工建設(shè),2019年9月下閘蓄水,2021年電站正式發(fā)電、灌區(qū)順利試通水。

        樞紐工程包括大壩、溢洪道、引水發(fā)電隧洞、電站等建筑物,水庫總庫容2.965億m3,為大(2)型水利工程。引水發(fā)電隧洞長3 780.56 m,引水流量19.4 m3/s,加大引水流量23.3 m3/s,設(shè)計灌溉面積45.39萬畝(3.026萬hm2)。同時,利用灌溉引水流量及水量建廠發(fā)電,電站裝機容量40 MW,多年平均發(fā)電量0.739 5億kW·h。

        引水線路區(qū)地貌為高原山地地貌,分水嶺呈東西向展布,山頂高程4 639~4 967 m,相對高差350~950 m。分布基巖主要為侏羅系頁巖,含鈣質(zhì)、泥質(zhì)、碳質(zhì),局部夾薄層狀板理化細晶灰?guī)r。根據(jù)巖石物理力學性質(zhì)試驗成果(表1),該頁巖屬極軟巖(飽和單軸抗壓強度在5 MPa以下)。線路通過向斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀變化較大,翼部傾角40°~60°。巖體透水性微弱,但部分洞段可能出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象,為順裂隙滲流,局部破碎帶洞段可能出現(xiàn)線狀流水。圍巖為Ⅳ,Ⅴ類,分別長2 760.00,1 020.56 m,各占比73%,27%。

        表1 引水發(fā)電隧洞頁巖物理力學性質(zhì)試驗成果Tab.1 Test results of physical and mechanical properties of shale in diversion and power generation tunnel

        該工程隧洞一般埋深100~150 m,最大埋深213 m。隧洞為無壓洞,馬蹄形斷面,開挖斷面530 cm×515 cm(寬×高),采用系統(tǒng)噴錨或鋼拱架作為初期支護,后期采用厚40~50 cm鋼筋混凝土襯砌(圖1),混凝土強度等級為C25[9]。

        圖1 引水發(fā)電隧洞斷面(尺寸單位:cm)Fig.1 Cross section of diversion and power tunnel

        2 隧洞掘進施工

        2.1 方案設(shè)計

        根據(jù)初步設(shè)計報告和招標設(shè)計報告(以下簡稱“設(shè)計報告”),引水隧洞采用全斷面鉆爆法開挖,手風鉆鉆孔爆破,中間掏槽、周邊小藥量光面爆破。0.5~1.0 m3側(cè)卸式裝載機裝渣,3~5 t自卸汽車出渣。鉆爆開挖過程中及時跟進以進行錨噴支護;對Ⅴ類圍巖洞段設(shè)置鋼支撐支護,并根據(jù)開挖圍巖情況對Ⅳ類洞段設(shè)置鋼支撐支護。由于巖性軟弱,地應(yīng)力相對較大,流變特征較為明顯,因此在施工中每隔10~15 m進行洞室變形及圍巖應(yīng)力監(jiān)測,在分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上及時調(diào)整支護參數(shù)。后期襯砌和底板在隧洞分段開挖完成后一次性澆筑,先澆筑底板,然后鋪設(shè)臺車軌道,架設(shè)鋼模臺車施工鋼筋混凝土襯砌。

        根據(jù)工程施工合同(以下簡稱“合同”),地下洞室開挖包括洞線測量、施工期排水、照明和通風、鉆孔爆破、圍巖監(jiān)測、塌方處理、完工驗收前的維護,以及將開挖石渣運至指定地區(qū)堆存和進行廢渣處理等工作。關(guān)于隧洞施工期排水,合同規(guī)定:承包人應(yīng)根據(jù)項目法人提供的地下水勘探資料,估計排水量及排水范圍,負責設(shè)計、采購、安裝和維護全部地下施工排水系統(tǒng),除非地下水涌水量超出預估數(shù)量和范圍2倍以上;相關(guān)費用均包含在隧洞開挖工程量的每立方米工程單價中,項目法人不另行支付。

        2.2 實施結(jié)果

        參照“短進尺、弱爆破、強支護、微擾動、勤觀測”的施工原則,在開挖過程中,采取光面爆破工藝控制開挖輪廓,隧洞底板預留30 cm作為保護層,兩側(cè)開挖排水溝,通過排水溝將水匯集到集水井后抽排出洞外。

        在初期支護實施前,經(jīng)參建四方聯(lián)合驗收,隧洞開挖的斷面總體成型控制較好,底板未發(fā)現(xiàn)有明顯的超挖,巖面光爆殘孔率可達到85%以上。隧洞地下水主要呈沿裂隙面出現(xiàn)的滲水、滴水,局部破碎地段出現(xiàn)線狀滴水,單點流量一般在0.1~0.5 L/min間,最大流量在10 L/min以下,采取了間歇性抽排水處理。

        在施工過程中,地勘單位同步開展了施工地質(zhì)工作。根據(jù)施工地質(zhì)編錄與觀測資料,隧洞開挖揭露的圍巖類別、地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力水平及地下水等情況未發(fā)生改變。經(jīng)召開技術(shù)咨詢會議,專家組判斷隧洞施工揭示的地質(zhì)條件與前期勘察成果基本一致。

        2.3 底板超挖情況

        在隧洞底板混凝土澆筑前基礎(chǔ)驗收時,經(jīng)測量斷面形狀,隧洞實際底板建基面凹凸不平,部分地段呈深槽狀,且普遍低于設(shè)計底板開挖線,均出現(xiàn)了不同程度的超挖(圖2),清基前超挖部分呈含頁巖碎屑的黏稠泥狀(圖3)。隧洞實際底板建基面低于設(shè)計高程0.2~1.0 m,平均超挖厚度50 cm,橫斷面上平均超挖面積2.51 m2(圖2中陰影部分),超挖工程量為9 494.06 m3。

        圖2 引水發(fā)電隧洞底板驗收斷面(尺寸單位:cm)Fig.2 Acceptance section of bottom floor of diversion and power tunnel

        圖3 隧洞底板超挖形成的黏稠泥Fig.3 Viscous mud formed by over-excavation of tunnel floor

        由于底板整體均出現(xiàn)了超挖,底板旁側(cè)的臨時排水溝和集水井也因此被破壞,沒有發(fā)揮相應(yīng)的排水作用(圖4)。

        圖4 隧洞底板旁側(cè)被破壞的排水設(shè)施Fig.4 Damaged drainage facilities beside the tunnel floor

        3 底板超挖原因分析

        3.1 內(nèi) 因

        隧洞圍巖為侏羅系頁巖,巖性軟弱,根據(jù)表1試驗成果的干狀態(tài)與飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度,其屬極軟巖。

        該隧洞超挖厚度為0.2~1.0 m,頁巖巖性軟弱是底板超挖的內(nèi)因。根據(jù)其他工程資料,吉牛水電站引水隧洞巖石為二云英片巖,干狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度為13.9~39.7 MPa,飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度為10.3~30.0 MPa,屬軟巖-較軟巖,底板超挖厚度為20~50 cm[10]。對比表明:軟質(zhì)巖隧洞易發(fā)生底板超挖,且在其他因素影響基本相同的條件下,巖性越軟弱,超挖厚度越大。

        3.2 外 因

        3.2.1 機械設(shè)備反復碾壓

        在施工現(xiàn)場,隧洞內(nèi)作業(yè)的機械設(shè)備主要為側(cè)卸式裝載機和自卸汽車,另外在每一開挖支護循環(huán)需使用斗容1 m3的反鏟對開挖面進行危巖排險。根據(jù)施工過程中的現(xiàn)場觀察,經(jīng)機械設(shè)備多次碾壓后,隧洞底板頁巖被磨蝕,并進一步發(fā)展成凹槽狀,且機械設(shè)備重量越大,碾壓次數(shù)越多,超挖厚度越大。

        引水隧洞長3 780.56 m,中間布置了1條施工支洞,開挖共4個工作面。單個工作面控制長度分別為1 763.20 m和2 017.36 m,按爆破單循環(huán)2.5 m 計算,底板被出渣車反復碾壓,最多達1 600余次。因此,機械設(shè)備反復碾壓是隧洞底板超挖的直接外因。

        3.2.2 水

        隧洞內(nèi)的水主要來源于地下水,此外,鉆爆施工用水也會在洞內(nèi)形成積水。隧洞開挖過程中揭露的地下水為基巖裂隙水,多沿裂隙面滲水、滴水,局部斷層發(fā)育處出現(xiàn)線狀滴水。

        頁巖受水的影響較大,主要體現(xiàn)在失水干裂、遇水軟化、浸水崩解。根據(jù)表1的試驗成果,強風化、弱風化、微新頁巖的軟化系數(shù)分別為0.22,0.32,0.43,均小于0.75,屬易軟化巖石。頁巖飽水后,巖石單軸抗壓強度顯著降低,僅為干抗壓強度的0.22~0.43倍。頁巖強度更低、超挖深度加大。因此,水是隧洞底板超挖的直接外因。

        3.3 各因素綜合影響

        根據(jù)卓雷棚等[11]對軟巖隧洞底板超挖受各因素影響的研究分析:① 無論洞底保持干狀態(tài)還是積水狀態(tài),軟巖底板在機械設(shè)備的反復循環(huán)荷載作用下均會發(fā)生超挖,干狀態(tài)下軟巖被碾壓呈碎屑或巖粉,積水狀態(tài)下呈泥狀;② 機械設(shè)備輪壓反復循環(huán)荷載作用次數(shù)越多、裝載荷載越大,車轍下凹槽深度就越大;③ 在經(jīng)歷相同荷載、相同循環(huán)反復荷載的前提下,積水狀態(tài)的車轍凹槽深度較干狀態(tài)的大。

        因此,結(jié)合拉洛水利樞紐工程引水發(fā)電隧洞施工狀況,軟弱巖石、機械設(shè)備反復碾壓和水等多因素的綜合作用將導致隧洞底板出現(xiàn)超挖,其中巖性軟弱和機械設(shè)備反復碾壓是超挖的必要因素,水(地下水和施工用水)是加劇超挖作用的外因。

        4 底板超挖應(yīng)對措施

        4.1 工程處理措施

        為減少或避免隧洞底板發(fā)生超挖,需要采取措施消除相關(guān)因素的不利影響:① 由于現(xiàn)有技術(shù)手段無法改變巖石軟硬程度,因此只能對軟弱巖石采取保護措施;② 可盡量采取輕型設(shè)備,以減輕機械設(shè)備反復碾壓的影響;③ 可采取抽排水措施以消除水的不利影響。以下具體工程處理措施各有利弊,需根據(jù)實際情況選用。

        (1) 預留保護層開挖。優(yōu)點是隧洞底板超挖量明顯減少;缺點是保護層厚度難以確定,不同位置超挖深度大小不一,局部未被機械設(shè)備碾壓的地方甚至出現(xiàn)欠挖,造成二次處理工作量較大。

        (2) 鋪設(shè)洞渣料作為墊層。按隧洞設(shè)計斷面開挖,并將部分渣料攤鋪在底板上。優(yōu)點是可減少出渣量,短期內(nèi)可改善運輸條件;缺點是墊層料也是軟弱巖石,被碾壓后逐步軟化、泥化,將導致泥化厚度更大,長期運輸更為困難。

        (3) 鋪設(shè)砂石料作為墊層。按隧洞設(shè)計斷面開挖,從洞外運輸質(zhì)地較堅硬的砂石料攤鋪在底板上。優(yōu)點是對底板的保護快速且較為有效,缺點是將增加砂石料開采、運輸?shù)认嚓P(guān)投資。

        (4) 及時澆筑混凝土作為墊層或底板?,F(xiàn)澆混凝土需養(yǎng)護4~5 d,碾壓混凝土需養(yǎng)護1~2 d,可采用鋼棧橋在養(yǎng)護期間臨時通車。優(yōu)點是可快速有效地保護底板,缺點是將增加混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑等相關(guān)投資。

        (5) 采用皮帶機運輸石渣。優(yōu)點是取消了出渣車輛,減輕了對底板的直接碾壓破壞;缺點是皮帶機架設(shè)后與洞內(nèi)支護襯砌等機械設(shè)備相互干擾大,小斷面隧洞內(nèi)無法實現(xiàn)平行作業(yè)?;蚩蓪⒋笮驮O(shè)備替換為小型、輕型設(shè)備,采用小型機械設(shè)備配合人工進行清渣、出渣。

        (6) 降低混凝土底板設(shè)計高程。根據(jù)底板超挖平均厚度,將底板設(shè)計高程降低,既能保證底板設(shè)計厚度,又能盡量減少混凝土回填量;缺點是因為隧洞底板超挖厚度不均衡,全洞段無法統(tǒng)一設(shè)計高程的降低標準,澆筑后的底板面將呈起伏狀,襯砌施工時鋼模臺車行走困難,不便于運行期檢修,也將造成一定水頭損失。

        (7) 加強抽排水。在隧洞底板兩側(cè)開挖臨時排水溝,遇較大流量的出水點時增設(shè)排水孔,并將排水孔直接連接至排水溝中,間隔一定距離設(shè)置集水井,從集水井中抽水排出洞外。優(yōu)點是通過抽排水可避免水在底板上漫溢,進而大大減輕超挖程度;缺點是排水設(shè)施不易維護。

        為應(yīng)對該工程的底板超挖,采取了多種處理措施,包括預留30 cm保護層、設(shè)置排水溝和集水井、對局部洞段嘗試采用澆筑混凝土墊層封閉。上述處理措施對底板超挖雖起到了一定程度的抑制作用,但仍不能徹底遏制,且在處理過程中占用了較多工期。此外還研究了鋪設(shè)鋼板、搭建鋼棧橋、軌道或皮帶機運輸石渣等各種方案,但因為造價過高或適應(yīng)性差最終未實施。

        4.2 變更或索賠

        隧洞底板超挖工程量為9 494.06 m3,設(shè)計開挖量為88 830 m3,超挖工作量占設(shè)計開挖量的10.7%,底板超挖也意味著需要增加相同的混凝土超填量。超挖和超填延誤了工作進度,增加了成本,施工承包人要求通過設(shè)計變更或索賠來獲得相應(yīng)的補償。為此,承包人向發(fā)包人提出:在隧洞施工過程中遇到不良地質(zhì)條件,而設(shè)計報告、招標文件和合同未提出相關(guān)處理措施,在發(fā)包人要求加快施工進度的情況下,盡管承包人采取了多種處理措施,但仍發(fā)生了較嚴重的底板超挖,應(yīng)作為設(shè)計變更,增加的相應(yīng)投資由發(fā)包人支付。

        (1) 根據(jù)水利部印發(fā)的水規(guī)計〔2012〕93號《水利工程設(shè)計變更管理暫行辦法》第三條規(guī)定:設(shè)計變更是相對于已批準的初步設(shè)計所進行的修改活動;根據(jù)合同規(guī)定,對不可預見的地質(zhì)原因引起的超挖,其費用由發(fā)包人承擔,對可預見的地質(zhì)原因引起的超挖和抽排水,其費用由承包人承擔。在初步設(shè)計報告和招標設(shè)計報告中,均已詳細說明了隧洞軟質(zhì)巖特性,預測了地下水出露形式和出水量,經(jīng)施工開挖揭示,實際地質(zhì)條件與前期地勘成果基本一致(且經(jīng)專家咨詢會同意)。因此,隧洞地質(zhì)條件未發(fā)生改變,底板超挖應(yīng)屬于可預見的地質(zhì)原因引起的一種情況。

        (2) 招標文件和合同中已指出,石渣運輸、抽排水等方案由承包人自行制定,在初設(shè)報告中已說明了軟質(zhì)巖易風化、軟化、具流變特性等,并要求重視“隧洞施工”。作為有經(jīng)驗的承包人,應(yīng)理解此處“隧洞施工”包括鉆爆、清渣、出渣、支護、襯砌、抽排水等全過程。

        (3) 承包人未能提供有關(guān)發(fā)包人要求加快施工進度的有效文件。此外,科學合理地預防底板超挖的發(fā)生和處理超挖問題不僅不會延緩反而有助于加快隧洞施工進度。

        綜上所述,承包人要求對隧洞底板超挖進行設(shè)計變更無正當理由,索賠事件也不成立。

        5 結(jié) 論

        本文通過對拉洛水利樞紐工程隧洞底板超挖原因和相應(yīng)工程、商務(wù)處理措施進行分析,得到以下結(jié)論。

        (1) 隧洞底板超挖現(xiàn)象因未引起足夠重視、相關(guān)研究成果較少,經(jīng)綜合分析與對比研究表明:底板超挖是內(nèi)、外因綜合作用的結(jié)果,巖石巖性軟弱屬內(nèi)因,機械設(shè)備反復碾壓和水屬外因;巖石軟弱和機械設(shè)備反復碾壓是必要因素,缺少任一因素均不會造成底板超挖,水(地下水和施工用水)在底板超挖過程中起加劇作用。

        (2) 為減少或避免隧洞底板發(fā)生超挖,可采取預留保護層、鋪設(shè)洞渣料/砂石料/澆筑混凝土墊層、皮帶機運輸石渣、加強抽排水等工程處理措施。各措施均有利弊,需根據(jù)實際情況選用可靠、經(jīng)濟、有效的處理方案。在底板超挖發(fā)生后,適當降低混凝土底板設(shè)計高程,可減少超填量,節(jié)約投資。

        (3) 為避免在設(shè)計變更或索賠過程中發(fā)生糾紛,勘察單位應(yīng)在設(shè)計報告中對隧洞圍巖特別是軟巖特性進行充分、全面的說明;設(shè)計單位應(yīng)在設(shè)計報告(含圖紙)中、發(fā)包人應(yīng)在招標文件中明確提出因特殊地質(zhì)條件而存在底板超挖的可能性;承包人在施工過程中,應(yīng)保存相關(guān)的有效證據(jù),對于具體處理方案,可報請發(fā)包人組織專家進行咨詢或評審。

        (4) 對軟巖隧洞施工,承包人應(yīng)在深刻理解設(shè)計報告、招標文件的基礎(chǔ)上,重視可能發(fā)生的底板超挖問題,提前謀劃,施工過程中應(yīng)積極、主動處理,必要時持續(xù)優(yōu)化相關(guān)處理方案。否則,會導致較為嚴重的底板超挖,最終延誤工期、增加費用、造成損失。發(fā)包人應(yīng)主動向承包人提供勘察設(shè)計資料,以幫助承包人加深對工程的認識。

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