下坂地引水洞施工中的巖爆與地下水問題處理

張小輝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院 陜西 咸陽 712000）

下坂地水利工程已于2011年底建成運行。引水洞為引水建筑物的主要部分，洞長4584m，進口底板高程2905m，出口底板高程2893m，比降0.26%，洞徑5.2m，設(shè)計最大流量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片麻巖及華力西期的片麻狀黑云斜長花崗巖，山體雄厚，巖質(zhì)堅硬，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，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，強度大，洞壁地下水滲流點多，部分點流量大，排水困難，對工程本身的建設(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，山勢險峻，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0+000m～2+588m段，為元古界第一巖性段（Pta1）角閃黑云二長片麻巖，片麻理發(fā)育，巖質(zhì)堅硬。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，以微風化～新鮮為主，部分弱～強風化，片麻理產(chǎn)狀180°～268°∠35°～82°。洞線埋深 40m～900m。

樁號 2+588m～4+584m，為晚古生界（γ41）華力西期片麻狀黑云斜長花崗巖，巖質(zhì)堅硬，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0+000m～0+862 m段，斷層較發(fā)育，開挖揭示斷層57條，斷層寬度一般2cm～15cm，最大寬度達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)，大部分斷層帶結(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，但個別斷層的規(guī)模較大，斷層寬度一般2cm～100cm，最大寬度達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)問題分析

2.1 巖爆

2.1.1 前期勘察階段對巖爆的預(yù)測

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)階段長江科學院巖基研究所《下坂地水利樞紐工程地應(yīng)力及巖爆研究報告》的結(jié)論為：引水洞進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°。并通過回歸計算分析，推測在引水隧洞最大埋深1380m時，圍巖應(yīng)力可能會以自重應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力量值預(yù)計將大于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)生嚴重巖爆。

2.1.2 施工期巖爆發(fā)生特征

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

（1）引水洞上游開挖段在樁號1+513.8m開始出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，但影響不大。在樁號1+825m以后，埋深超過700m，巖爆進入頻發(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，對施工安全及洞形均有較大影響

上游開挖段已發(fā)生的巖爆，一般在右壁拱腳上下位置，常形成一長條形凹坑，在洞室左壁下部也有發(fā)生，但程度很輕。在樁號2+367m以后，左壁也明顯受到巖爆破壞。在樁號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。有一點要說明的是，同一巖爆強度并非連續(xù)發(fā)生，而是有一段嚴重、有一段稍輕地間斷性發(fā)生的。

總體來看，上游開挖段巖爆的發(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，這也說明了巖爆發(fā)生因素的復(fù)雜性與預(yù)測的難度。

（2）下游開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、沿洞線方向為長條狀，開挖后巖爆發(fā)生時間較快，常在半天時間之內(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)屬正常現(xiàn)象。

（3）最強烈的巖爆發(fā)生在樁號2+545m～2+585m，洞段處于角閃黑云二長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，原因為巖爆，發(fā)生于開挖后約半天時。后來在大塌方前，巖爆聲音沉悶，似悶雷發(fā)于巖體深部，間斷有聲響發(fā)出，時間在開挖后約一天。后續(xù)在處理過程中塌方不斷加大，產(chǎn)生超挖最厚處達11m，塌方量約七百多方。

本段強巖爆的產(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)。巖爆強度為強烈?guī)r爆。塌方的發(fā)生與巖爆有關(guān)，同時由于片理及面理走向與洞向近平行，對巖爆的發(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，實際呈松脆狀態(tài)，巖塊可用手輕易掰碎，開挖后產(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)地下水來源于結(jié)構(gòu)面中，一般為滲滴狀態(tài)。經(jīng)多次觀測，大部滲水點的流量開挖初期較大，后來逐漸變小。有個別大的涌水點出水量達120L/min，流量較穩(wěn)定，季節(jié)性影響不明顯，顯示補給量較充分。經(jīng)實測并結(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)計院將原來的全線鋼筋砼襯砌優(yōu)化為鋼筋砼襯砌與噴錨支護兩種方式，而滲流地下水產(chǎn)生的外水壓力大小也成為確定支護方式區(qū)別的重要因素之一。

洞線中地下水類型為基巖裂隙水，受高山冰雪融水補給，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給源。經(jīng)計算，引水洞最高外水水頭440m，在樁號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)水一般不會外滲。

3 處理建議

3.1 受巖爆影響的支護

（1）臨時支護

上游段施工中，在開挖前對巖爆的預(yù)防與開挖后的支護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，一般在開挖后及時采用系統(tǒng)錨固、噴砼的支護措施，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2+540m～2+629m與2+644m～2+710m兩段，頻繁發(fā)生巖爆，對生產(chǎn)安全及進度影響嚴重，后經(jīng)參建工程的各方慎重研究，決定臨時支護采用鋼拱架加掛鋼筋網(wǎng)并噴砼支護：鋼拱架采用16#工字鋼，布設(shè)于原設(shè)計開挖斷面之外，拱架間距0.5m～1.5m一榀；隨機錨桿采用φ25錨桿（長度3m，并與鋼拱架牢固焊接），鋼拱架之間用φ25鋼筋連接（長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弧；噴護C20混凝土厚度與鋼拱架平齊。

其中在樁號2+545m～2+585m的巖爆最為強烈，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，再重新開挖通過該段。工程在本段付出了沉重的代價，處理時間長達數(shù)月。

（2）永久支護

巖爆對設(shè)計的砼襯砌方案段的安全性一般不會構(gòu)成影響，問題的焦點主要表現(xiàn)在優(yōu)化后的噴錨支護方案段（引水洞樁號1+780m～4+308m）中，針對不同強度巖爆的處理方法應(yīng)有所不同，建議對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。還可根據(jù)具體圍巖狀況采用“噴砼＋錨桿＋鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護的方式。由于預(yù)防巖爆而采用的支護措施宜與永久支護統(tǒng)籌考慮。

3.2 排水

施工期地下水問題的影響主要是排水工作量很大。上游開挖段由于設(shè)計比降原因，完全依賴抽排。距離最長的時候，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)過兩次進入?yún)R流池并重新加壓的過程。上下游貫通后，上游的排水問題才得到緩解。

施工后期，根據(jù)地下水的活動性及折算的外水水頭值，建議原設(shè)計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)。建議對優(yōu)化后噴錨支護洞段可采用打排水孔的方式，將施工期出現(xiàn)滲水部位的水通過導(dǎo)管排出。對斷層部位的出水點，導(dǎo)管宜采用具有反濾功能的軟式排水管，避免細顆粒流失。

4 結(jié)語

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展的瓶頸。本文以現(xiàn)場的地質(zhì)編錄調(diào)查成果為依據(jù)，對滲流地下水及巖爆現(xiàn)象進行認真分析，為最終進行工程處理起到了應(yīng)有的作用。陜西水利