大斷面高邊墻導流隧洞柱狀節理段施工綜合應對措施

韓進奇，李洪偉，李 侃

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730)

1 概述

白鶴灘水電站工程施工采用斷流圍堰、隧洞導流的方式，在左岸布置有3條導流隧洞，1#導流隧洞洞長2007．63m，柱狀節理發育洞段主要分布在K0+435～0+925洞段，約占洞段總長的25%;2#導流隧洞洞長1791．31m，柱狀節理發育洞段主要分布在K0+330～0+860洞段，約占洞室總長的32%;3#導流隧洞洞長1584．82m，柱狀節理發育洞段主要分布在K0+245～0+760洞段，約占洞室總長的32．5%。

柱狀節理是指出現在玄武巖質熔巖里的垂直節理，大部分呈多角形，它是在無上覆巖石壓力的條件下由冷凝收縮而形成的。冷凝作用，使剛固結的巖石發生垂直于收縮方向的張裂隙，裂隙為兩組或三組，從而構成斷面為六邊形、五邊形或四邊形的柱體形狀。導流隧洞柱狀節理洞段開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸為19．7m×24．2m(寬×高)，邊墻高度為18．44m。支護形式較多，主要有普通砂漿錨桿、錨墊板錨桿、漲殼式預應力錨桿，噴鋼纖維混凝土、掛網、鋼筋拱肋等。導流隧洞開挖長度長、斷面尺寸大，開挖和支護工程量大。

2 地質條件

導流洞沿線巖體為單斜巖層，巖性為P2β23、P2β3、P2β41、P2β42層杏仁狀玄武巖、隱晶～微晶玄武巖夾角礫熔巖和凝灰巖等，其中P2β3層的P2β32、P2β33發育柱狀節理玄武巖，P2β32層主要為第二類柱狀節理玄武巖，P2β33層主要為第一類柱狀節理玄武巖，P2β2層頂部的P2β24為厚0．3 ～1．75m 的凝灰巖，P2β3層頂部的 P2β36為厚0．01 ～1．3m 的凝灰巖。

柱狀節理是玄武巖中特有的構造，多見于厚層熔巖中，其形態大多呈一種規則的多邊形長柱體，節理面形態以平直粗糙為主，部分為波狀粗糙。柱狀節理玄武巖開挖后易張開、松弛，原嵌合緊密的柱體因松弛形成局部掉塊，施工中應注意爆破工藝，開挖后清撬工作要徹底并及時實施錨噴支護。

3 柱狀節理洞段圍巖松弛變形研究

3．1 監測斷面與監測孔的布置

為研究柱狀節理巖體在開挖強卸荷下的圍巖松弛變形規律，在左岸導流隧洞中布置了8個斷面開展圍巖松弛效應測試(圖1)，其中1#導流洞布置了兩個監測斷面，2#、3#導流洞各布置了三個監測斷面，每個監測斷面均在左右邊墻及拱肩、頂拱布置有監測孔。

圖1 典型監測斷面布置圖

監測孔采用多臂錨桿鉆機、地質鉆、高風壓鉆鉆設。鉆孔孔徑均為75mm，孔深9m。

3．2 測試方法

本次監測采用單孔聲波波速測試法和由巖體裂隙演化的數字鉆孔攝像，聲波測試儀器為中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RSM-SY5智能聲波儀，聲波探頭采用萬向電子器件有限公司生產的FSS-20型單孔聲波檢測換能器。單孔聲波檢測換能器的頻率為20kHz，直徑為50mm，換能器的結構為:發射至接收一距離為20cm，接受一至接收二距離為20cm。數字鉆孔攝像設備為中國科學院武漢巖土力學研究所研制的 DPBCS系統，其對裂隙的最小分辨率為0．1～0．2 mm。

3．3 監測結果分析

本次測試采用聲波測試，典型巖體波速變化曲線如圖2、3所示。通過對左岸導流洞玄武巖柱狀節理段松弛時效特性的現場監測數據進行綜合分析后得到的主要結果如下:

(1)對布置在距開挖面30m附近的監測斷面進行分析顯示，上層柱狀節理洞段松弛范圍為2．5m左右。中層柱狀節理距底板2m處的松弛深度為3m左右;距中層底板4m處的松弛深度為4m左右。

(2)在地應力較高且右拱肩有掉塊現象的洞段布置的監測斷面的測試結果顯示該區域松弛范圍明顯高于其他斷面，距上層底板2m處的松弛范圍為3m左右，距上層底板4m位置的松弛范圍達到3．8m。

(3)在靠近斷層附近布置的監測斷面得到的測試結果顯示松弛深度稍大，為3．5m左右。

因此可知，柱狀節理的松弛變形除自身受到爆破卸荷影響而增大外，還與地應力的影響、錯動帶或其他節理裂隙產生的影響密切相關。

圖2 監測斷面鉆孔T1-E6聲波波速隨深度變化曲線圖

圖3 監測斷面鉆孔T1-E12聲波波速隨深度變化曲線圖

4 柱狀節理段支護參數的優化

由于柱狀節理洞段巖體開挖后易松弛的特點，在施工過程中邊施工、邊總結，并結合圍巖松弛測試的結果，經多次會議討論，最終確定對柱狀節理洞段的支護參數進行了以下優化調整(表1)。

表1 柱狀節理段支護形式優化對比表

5 柱狀節理洞段施工采取的應對措施

5．1 柱狀節理段第一層開挖施工

柱狀節理洞段原開挖方案采用分三區進行施工(圖4):中導洞先行，兩側擴挖滯后一定距離，“品”字型推進，后根據開挖的情況及對爆破效率進行分析后改為采用分兩區進行開挖(圖4):中、左側先開挖，右側滯后一定距離跟進。分兩區開挖能減小開挖與支護的施工干擾，對及時組織支護施工有利，能夠有效防止巖石長時間裸露引起松弛范圍增大。

圖4 柱狀節理段第一層分區示意圖

柱狀節理洞段第一層開挖施工方法與其余洞段一致，均利用自制鉆爆平臺作為作業平臺，采用人工持手風鉆鉆水平孔光爆開挖。

5．2 柱狀節理段第一層支護施工

(1)支護施工程序。

柱狀節理發育洞段范圍較廣，分布有Ⅱ類、Ⅲ1類、Ⅳ類圍巖等。根據不同的圍巖采取不同的支護方式，總體的支護程序為:

Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖洞段:隨機排水孔→初噴6 cm厚鋼纖維混凝土→系統錨桿施工→復噴9cm厚鋼纖維混凝土。

Ⅳ類圍巖洞段:隨機排水孔→初噴6cm厚鋼纖維混凝土→短系統錨桿施工→掛鋼筋網→鋼筋拱肋安裝→普通預應力錨桿施工(必要時采用漲殼式預應力錨桿)→復噴9cm厚鋼纖維混凝土。

①Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖柱狀節理發育洞段支護程序。

對于柱狀節理發育的Ⅱ類、Ⅲ1類圍巖洞段，開挖完成后立即進行初噴6cm厚鋼纖維混凝土封閉。鋼纖維混凝土克服了素混凝土抗拉強度低、極限延伸率小和脆性等弱點，能夠在初期形成一層具有較高的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強度的承載拱圈，有效防止柱狀節理開挖完成后的松弛變形。對于有滲水的部位，需優先設排水孔引排滲水，再進行噴鋼纖維混凝土封閉，防止圍巖因滲透壓力導致坍塌(圖5)。

圖5 柱狀節理段受滲水影響噴混凝土后發生坍塌示意圖

②Ⅳ類圍巖柱狀節理發育洞段支護程序。

對于柱狀節理發育洞段同時存在緩傾角錯動帶、層面、隨機節理裂隙、斷層等不利地質構造存在的部位，需嚴格按照一炮一支護進行施工，否則極易發生坍塌(圖6)。開挖完成后，按照設計支護形式在完成所有系統支護后方能進行下一循環的開挖支護施工。

(2)支護施工方法。

圖6 柱狀節理段受滲水影響噴混凝土后發生坍塌示意圖

柱狀節理段支護施工方法選擇的關鍵在于如何形成快速支護。左岸導流隧洞的支護充分利用大型設備，實現了快速支護施工(圖7)。主要采用的設備有多臂鑿巖臺車、濕噴臺車、液壓支護平臺、吊車平臺等。

5．3 柱狀節理段第二層的開挖施工

柱狀節理段第二層開挖利用直邊墻的結構特征，采取深孔預裂、梯段爆破的方式進行開挖。

圖7 第一層支護施工方法示意圖

預裂爆破就是提前將巖體在爆破沖擊波的作用下拉開一條預裂線，以減小中部梯段開挖對邊墻的影響，通常梯段爆破會滯后預裂爆破一段時間。預裂爆破會使已成縫的巖體暴露在空氣中，結合柱狀節理玄武巖開挖后易松弛的特點，預裂縫兩側巖體會逐漸張開、松弛，造成松動圈擴大，逐層剝落，將直接影響到邊墻的穩定性。

避免超前預裂導致柱狀節理段圍巖暴露時間長而導致松弛圈增大。對于柱狀節理段，主要采用深孔光面爆破的方式進行開挖;另外，也有部分洞段采用預裂爆破，但梯段爆破與相應段的預裂爆破同時進行，通過非電雷管微差起爆方式保證預裂孔先于主爆孔爆破。兩種方式均可解決超前預裂所帶來的柱狀節理段結構面暴露時間長的問題。相對而言，光面爆破由于線裝藥量小，更能減小爆破松動圈，更有利于柱狀節理段的圍巖穩定。

圖8 第二層開挖方法示意圖

5．4 柱狀節理段第二層的支護施工

第二層開挖支護時嚴格按以下時間段進行支護施工(圖8):

開挖完成后，1周內完成初噴鋼纖維混凝土封閉，20d內完成6m系統錨桿支護，1個月內完成所有系統支護施工。第二層支護施工仍采用大型設備進行快速支護，有效遏制了柱狀節理松弛變形，取得了較好的成效，左岸導流洞柱狀節理的松弛深度最大未超過4m。

柱狀節理段的支護施工充分利用大型設備，實現了快速支護施工。采用的設備有多臂鑿巖臺車、濕噴臺車、液壓支護平臺、吊車平臺等。

5．5 柱狀節理段第三層的開挖、支護施工

第三層開挖施工主要采用手風鉆水平光爆開挖，其支護程序與第二層一致。

6 柱狀節理洞段開挖支護易發生的問題及對策

6．1 錨桿孔塌孔

問題:由于柱狀節理段圍巖易松弛，錨桿孔成孔后極易發生塌孔，導致錨桿無法安裝。

對策:柱狀節理段采取施工大孔(孔徑64mm或76mm)的方式保證了錨桿成孔率。對于施工了大孔仍無法安裝錨桿的，采取自進式錨桿進行替代施工，預應力錨桿則采用漲殼式預應力錨桿進行替代。

6．2 柱狀節理段易坍塌

問題:據左岸導流隧洞柱狀節理洞段實際開挖情況，柱狀節理發育段開挖后需及時進行支護，否則易發生坍塌掉落。

對策:嚴格按程序進行支護施工，及時完成噴鋼纖維混凝土封閉及系統錨桿支護。

6．3 拱肩部位掉塊

問題:在導流洞開挖支護施工階段，通過制定合理的施工程序，及時進行隨機支護和系統支護，加強現場安全管理，未發生重大安全事故。但就工程本身而言，在導流洞開挖支護完成后進行混凝土澆筑施工時，右側拱肩部位在平行于最大主應力方向多處發生片幫、掉塊(圖9)。

圖9 右側拱肩高地應力破壞分析圖

對策:通過對導流洞地質情況進行分析后認為其主要原因是:左、右岸導流洞屬于中等～高應力區。左岸導流洞第一主應力為NW向，緩傾SE，量值為14．2 ～22．4MPa，洞軸線方向為 N25°W～近SN，容易在右拱肩部位產生應力集中。第一層開挖后，應力集中區主要在拱肩一帶，造成右側頂拱地應力較高，當應力集中到一定程度時，就會產生片幫剝離現象。第二層開挖后，應力集中從拱肩向邊墻一帶擴展，隨邊墻臨空面加大，松弛深度逐漸增大且隨時間的延長松弛持續發展，產生漸進式破壞;若有陡傾角裂隙小角度切割邊墻，則松弛發生的速度更快、范圍更大。

該問題出現后，主要采取了以下措施進行應對處理(圖 10、11、12、13):

方案一:

(1)在超過掉塊區域2m的范圍布置φ6．5@15cm×15cm鋼筋網。

(2)在鋼筋網的外側，根據錨桿的間排距牢固焊接φ22的通長龍骨鋼筋，布置成網狀，將鋼筋網壓緊。

(3)鋼筋網布置完成后噴C25混凝土覆蓋。

圖10 右側頂拱掉塊加強支護示意圖

圖11 右側頂拱掉塊加強支護實施效果圖

方案二:

(1)在不穩定巖體區域輪廓線以外2m范圍內布置GPS2型主動防護網進行防護，主動防護網由支撐繩、鋼絲繩網和鉛絲格柵構成。防護網支撐繩采用φ16鋼繩與系統錨桿牢固連接，支撐繩內鋪設4m×4m的DO/08/300型菱形鋼絲繩網，每張鋼繩網與支撐繩之間采用φ8鋼繩縫合，鋼繩網內部鋪設S0/2．2/50鉛絲格柵網。

(2)主動防護網與系統錨桿之間采用吊環進行連接，吊環采用φ16圓鋼制作，圓環直徑為10 cm，與系統錨桿的連接采用雙面焊接，如果長度足夠也可以采用單面焊接，焊接長度需滿足相關規范要求。

7 反思與總結

圖12 導流洞右側頂拱掉塊防護示意圖

圖13 導流洞右側頂拱掉塊防護實施效果圖

白鶴灘水電站導流隧洞施工已基本完成，整體來說取得了較好成果，但在柱狀節理洞段施工過程中采取的一些方法、經驗還是值得反思與總結的。筆者希望通過對導流隧洞柱狀節理洞段施工過程中出現的難題以及采取的應對措施的介紹，能對今后大斷面、高邊墻的柱狀節理隧洞施工提供借鑒、參考。

(1)柱狀節理洞段由于巖體開挖后易松弛、剝落，自穩性差，在右岸導流洞施工時局部巖體松弛范圍曾超過8m，從而引起大范圍的塌落。左岸導流隧洞柱狀節理洞段施工時吸取了右岸施工經驗，開挖后及時進行了支護封閉，有效防止了巖體剝落導致松動圈逐層增大。所以，柱狀節理洞段施工中的及時跟進支護是關鍵。

(2)柱狀節理洞段爆破應盡量減小總裝藥量和最大單響藥量，減小圍巖爆破松動圈的范圍。爆破后及時封閉支護，初期支護采用初噴鋼纖維混凝土效果較好，鋼纖維混凝土能克服素混凝土抗拉強度低、極限延伸率小和性脆等弱點，能夠在初期形成一層具有較高抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強度的承載拱圈，從而能夠有效地防止柱狀節理開挖完成后的松弛變形。

(3)巖體滲水會極大地影響柱狀節理洞段的穩定，若不及時引排滲水，將會引發大范圍的坍塌。左岸1#導流隧洞k0+450樁號附近第一層頂拱施工時，頂拱部位出現了少量的巖體滲水，若未進行排水設施施工就進行噴混凝土封閉，將導致巖體滲水無法正常排出，并在節理裂隙中累積、流動，將進一步降低巖體間的粘結性，導致松動圈進一步擴大，頂拱發生大范圍坍塌。在柱狀節理洞段施工中要加強觀察，對于滲水部位要先做好引排措施后進行噴混凝土封閉支護施工。

(4)針對柱狀節理洞段巖體裸露后易松弛的特點，梯段爆破施工應控制分層高度，分層不宜超過8m，控制分層高度能有效減小圍巖的變形，且能快速跟進支護，防止松動圈的進一步擴大。梯段爆破方式不宜采用超前預裂，需采用光爆或同步預裂爆破。筆者建議:優先采用光爆開挖。

(5)柱狀節理洞段分布較廣，在出露緩傾角錯動帶的附近，需預測錯動帶在頂拱出露的位置，并沿錯動帶施工錨墊板錨桿加強支護，必要時增加掛鋼筋網支護。

［1］ 水力發電工程地質勘察規范，GB50827-2006［S］．