引紅濟石調水工程引水隧洞不良地質洞段鉆爆法施工段軟弱圍巖塑性變形施工方案研究

王　瑜

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

引紅濟石調水工程引水隧洞不良地質洞段鉆爆法施工段軟弱圍巖塑性變形施工方案研究

王瑜

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

在水工隧洞施工中穿越較大規模斷層、軟巖及裂隙發育巖體破碎洞段及高地應力低彈模的圍巖破碎帶深埋洞段等不良地質洞段，極易發生圍巖失穩變形失穩等突發地質災害，造成一次支護的破壞，對施工安全造成威脅，特別是失穩后的二次加固其危險性和難度極大，本文結合陜西省引紅濟石調水工程實際施工經驗，提出了一整套的軟巖變形段施工處理方案，為工程的順利實施提供了技術支撐。

調水工程；引水隧洞；不良地質洞段；軟巖塑性變形；施工方案

1　工程概況

引紅濟石調水工程位于陜西省寶雞市太白縣，屬陜西省內的跨流域調水工程。該工程自秦嶺南麓紅巖河上游取水，通過穿越秦嶺的長隧洞自流調入秦嶺北麓石頭河上游桃川河，主體工程由低壩引水樞紐和輸水隧洞兩大部分組成。

隧洞進口位于關山樞紐下游560m的紅巖河左岸，出口在五里坡東桃川河左岸五里坡，拐點在太白縣城正南4km的石溝河畔小罐子村，全部位于秦嶺山區變質巖中，隧洞全長19.76km。

輸水隧洞設計流量13.5m3/s，無壓自流輸水，縱坡1/890、糙率0.014。鉆爆法施工斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×寬），掘進機法施工斷面為圓形，成洞直徑D3.0m。

輸水隧洞具有長、小、深、雜、難等特點。隧洞洞線較長，造成施工通風、運輸困難。洞身一般埋深150m～300m，最大埋深達450m，屬深埋隧洞。受地形條件限制，隧洞沿線洞底高程均低于太白盆地，施工時只有洞線上游中部小罐子附近有開挖斜支洞的條件，洞線下游部分斜支洞布設困難。

洞身斷面尺寸較小，由于設計引水流量較小，洞身斷面以施工合理斷面控制，圓形斷面設計開挖直徑3.9m，斷面面積11.95m2。圓拱直墻型斷面設計洞身最小開挖寬度為3.3m，高度3.55m，斷面面積10.54m2，給施工運輸、通風、排水和組織管理等帶來很大的困難。

因此在施工方法的選擇上，經多方案論證，原批復的初設推薦采用鉆爆+掘進機（TBM）聯合施工方案。即隧洞上段樁號0+009.56～8+700段采用鉆爆法施工，隧洞下段樁號8+700～19+726.80段采用TBM施工。

2　引水隧洞主要工程地質問題

自工程開工以來一直受到不良地質條件的影響，圍巖軟硬不均，軟弱圍巖斷層破碎帶變化頻繁，涌水量大，開挖后變形量大，對施工安全及進度影響非常大，原設計一次支護方案已不能滿足施工要求，因此，必須在分析明確地質條件的前提下有針對性的提出可行的變形段圍巖支護方案。

引紅濟石工程隧洞穿越秦嶺山間盆地，地質構造屬秦嶺褶皺帶東西向構造的次級向斜構造盆地，表部被第四系沖洪積和冰磧層覆蓋，地質條件復雜。工程區主要構造也沿東西向展布，受其影響，地質構造對東西向洞室圍巖穩定性影響比較明顯。而受工程建設條件限制，引水線路展布唯有東西向布設，因此出現較多洞室圍巖較差也符合該區域地質構造基本規律，主要原因如下：

（1）巖性復雜，巖性相變大。不僅有堅硬的花崗巖、大理巖、片麻巖，角閃片巖，而且夾有云母片巖和炭質片巖等軟巖，軟硬相間，軟巖往往隨機分布。

（2）工程區斷裂構造發育，不僅發育有與洞線平行的東西向區域大斷裂，而且發育一系列次生斷裂構造，致使巖石破碎，圍巖穩定性差。據地應力測試，隧洞最大水平地應力達43MPa，最大水平地應力方向為NE11°，基本與洞線垂直，因而影響洞室的穩定，特別是斷層破碎帶和軟巖段圍巖，易產生塑性變形和發生坍塌。

（3）區域斷層較勘察期分布位置有較大變化，技施第一次補勘查明F1、F1′及F2′分支斷層，在洞室K1+550～K3+150m段處圍成的三角區，受多條斷層相互挾持的影響，該段巖體十分破碎，對洞室的影響程度大Ⅳ、Ⅴ類圍巖的達1600m。

（4）受區域斷裂構造影響，整個洞室巖體中發育較多的次一級小斷層，該類斷層規模小，但發育較多，且分布隨機性強，無明顯的規律性。僅鉆爆段出露小斷層達231條，根據地質編錄資料統計累計影響長度達1100m。

（5）大理巖片理中所夾薄層與極薄層炭質片巖，狀如石墨，遇水極易泥化、軟化，使得大理巖的完整性受到破壞，加之大理巖具有“硬、脆、碎”的特點，施工爆破形成碎裂塊狀，坍塌掉塊現象較多。

3　軟弱圍巖施工方案研究

由于洞身斷面尺寸較小，洞身斷面以施工合理斷面控制，因此隧洞采用先開挖貫通后襯砌的施工方案，致使由上述原因造成的變形對一次支護破壞很大，同時對施工安全也造成了嚴重威脅。針對以上情況結合在現場實際施工中已進行的一些有益的探索并總結出了一些經驗，其中最重要的就是在開挖后及時對此類洞段進行強支護，且加強排水，并保證支護圈的封閉和拱腳的穩定。采用模筑混凝土襯砌進行封閉，減少外界對圍巖的擾動，同時混凝土襯砌通過自身的剛度也能抵抗圍巖的部分塑性蠕變形，防止二次應力集中，不失為一種加強支護的有效措施，也給人一種安全感。因此提出了“邊打邊襯”施工方案，但由于本工程斷面小此方案對隧洞施工期的洞內運輸有較大的影響，也會增加工程量和投資，因此僅在需要邊打邊襯的局部洞段進行處理。

3.1邊打邊襯的適用條件的判別

邊打邊襯方案主要是在以下幾種存在軟弱圍巖且水量豐富的不良地質洞段所采取的具有針對性的特殊處理措施，因此對具體洞段是否適用于采用邊打邊襯方案需要有一定的判別標準，從掌握資料分析可進行邊打邊襯方案的圍巖條件主要有以下幾種。

3.1.1較大規模斷層帶的穿越

其特點是斷層與隧洞夾角小，交匯距離長，斷層帶物質松散無強度夾雜斷層泥，由于斷層擠壓錯動嚴重，角礫粒徑小，大多1cm～5cm。地下水活動中等～強烈，呈淋雨狀出露，局部股狀涌水，涌水流量達到或超過150L/min～200L/min，因涌水會加速巖體風化泥化，降低結構面抗剪強度故此類情況可考慮提前襯砌。

3.1.2軟巖及裂隙發育，巖體破碎洞段

灰白色糜棱巖、炭質片巖、云母石英片巖等軟巖，強度低，遇水易泥化段及洞段巖性雖為大理巖等強度較高的圍巖，但裂隙發育，巖體破碎的洞段。如遇地下水活動較強，局部有滴水及線狀流水情況會對圍巖產生較大不利影響的情況也可考慮提前襯砌。

3.1.3高地應力低彈模的圍巖破碎帶

隧洞埋深超過150m的洞段，屬深埋隧洞，存在較大地應力。深埋隧洞在高地應力作用下，軟弱圍巖常易引起二次應力集中、塑性蠕變及坍塌變形嚴重等工程地質問題也可考慮提前襯砌。

3.2判定的主要依據

以上僅是對邊打邊襯的適用條件做了說明，但對其判定還應通過一些可靠的技術手段支持，其應包括：

3.2.1地質超前預報資料

因為如采用邊挖邊襯方案，則隧洞的開挖斷面必須擴挖，因此決定了邊打邊襯方案必須具有提前性，這也就要求我們在開挖施工前必須做好地質超前預報工作，為地質編錄人員判斷前方圍巖變化情況和可能出現的各種不利因素提高可靠資料；目前可行的超前探測方法主要有電測、超前鉆、地質雷達、洞內檢測等，但每種探測手段都有其局限性，因此，在超前探測時應盡可能利用多種方法相互配合，才能取得良好的效果。

3.2.2緊跟掌子面的施工監測數據

緊跟掌子面的施工監測數據對我們了解掌子面附近已開挖洞段圍巖變化具有重要的參考價值，也是我們對圍巖進行評價和選擇襯砌時機的重要依據，因此對此數據的收集也是十分必要的。

3.3方案設計

雖然上述幾種情況的影響程度與作用機理不盡相同，其應對措施也應具有針對性和靈活性。同時考慮到因本隧洞斷面較小如按原設計二次襯砌對這些洞段進行提前襯砌則會縮小施工斷面對施工造成影響，因此在提前襯砌后內斷面尺寸按Ⅲ類圍巖開挖斷面3.7m×3.6m（高×寬）設計，其主要處理措施為：

3.3.1拱直墻方案

此方案適用于遇水易軟化的糜棱巖、炭質片巖等軟巖洞段，其提前襯砌主要是為了減少地下水活動對圍巖的泥化軟化。襯砌可采用C25混凝土全斷面襯砌，襯砌斷面型式仍為圓拱直墻斷面，并按照本隧洞排水設計圖，埋設排水管以阻斷滲水對圍巖的浸泡；

其主要形式為二次襯砌C25鋼筋混凝土厚度400mm，成洞尺寸3.7m×3.6m（高×寬）抗滲標號W6，抗凍標號F100；墻背預埋φ50mm軟式透水管。

為增強襯砌對各種情況的適應性，其配筋形式共分為中型和重型兩種，根據圍巖條件進行選擇。

圖1　擴挖斷面開挖及一次支護設計圖

圖2　擴挖斷面二次襯砌設計圖

3.3.2馬蹄形方案

此方案適用于高地應力低彈模的圍巖破碎帶及受斷層帶影響、圍巖整體性差等常易引起邊墻收縮、頂拱下沉等工程地質問題的，應采用近似于馬蹄形的圓拱曲墻斷面，解決斷面側墻段的收縮變形等問題。

其主要形式為二次襯砌C25鋼筋混凝土厚度400mm，頂拱及側墻均為圓弧，底板仍為平底板。成洞尺寸3.7m×3.4m（高×寬）抗滲標號W6，抗凍標號F100；墻背預埋φ50mm軟式透水管。

4　結語

引紅濟石工程地質復雜多變，尤其是軟弱圍巖的變形處理一直困擾施工的正常進展，此方案在工程施工中多處洞段成功的運用，有效解決了施工中的問題，有力保障了工程的順利實施，目前工程鉆爆法施工段已全部完工，所有采用此方案施工段再沒有出現二次變形失穩問題。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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