基于特大斷面復(fù)雜地質(zhì)的導(dǎo)流洞施工技術(shù)研究

王立平

(岫巖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 110000)

1 特大斷面復(fù)雜地質(zhì)的導(dǎo)流洞施工技術(shù)

1.1 導(dǎo)流洞的概述

河流上下游水流經(jīng)圍堰擋水和導(dǎo)流隧洞后流向下游，由此發(fā)揮導(dǎo)流洞的功能作用。其中，城門洞形、馬蹄形、圓形為工程中常見的導(dǎo)流斷面方式，有壓、無壓導(dǎo)流洞較為常用的為圓形和城門洞形、馬蹄形斷面。根據(jù)土石方工程施工規(guī)范，按照斷面尺寸可以將導(dǎo)流隧洞分為特大、大、中和小斷面，導(dǎo)流洞斷面分類，見表1。

表1 導(dǎo)流洞斷面分類

中國西南和西北地區(qū)建設(shè)有許多大中型水電站，水利工程施工地質(zhì)條件復(fù)雜，該區(qū)域常見的圍巖類型有Ⅳ-Ⅴ類。根據(jù)烏東德、糯扎渡、小灣水和一級錦屏水電站導(dǎo)流隧洞工程可知，含溶洞地段、巖體卸荷深度較大地段、巖體風(fēng)化嚴(yán)重地段、軟弱巖層帶、斷層影響帶及破碎帶等為主要的復(fù)雜特殊地質(zhì)條件。因此，文章探究了120m2以上導(dǎo)流洞在復(fù)雜地質(zhì)情況下的開挖及支護(hù)方法。

1.2 施工難點(diǎn)

工程地質(zhì)特征在很大程度上決定了導(dǎo)流隧洞施工方案的選擇，圍巖類別不同確定的施工技術(shù)和處理方法也不同，因此導(dǎo)流隧洞施工必須考慮工程地質(zhì)條件。開挖前，應(yīng)結(jié)合圍巖地質(zhì)條件做好超前支護(hù)、排水和探測等導(dǎo)流施工準(zhǔn)備工作，遵循少擾動、控爆破、勤量測、早封閉及短進(jìn)尺的原則開挖鉆爆，加強(qiáng)超前導(dǎo)洞開挖及工程地質(zhì)預(yù)報，全面掌握地質(zhì)情況后穩(wěn)定擴(kuò)大施工開挖，由此保證安全施工。特大斷面復(fù)雜地質(zhì)導(dǎo)流隧洞施工必須考慮圍巖地質(zhì)實(shí)際情況，設(shè)計符合安全施工要求的開挖支護(hù)方案。

導(dǎo)流隧洞施工的難點(diǎn)包括不良地質(zhì)段處理以及軟弱巖層帶、Ⅴ類圍巖地層段、斷層破碎帶導(dǎo)流隧洞開挖，由于未能系統(tǒng)掌握地質(zhì)情況，可能會選擇不適合圍巖地質(zhì)或不適用的施工技術(shù)，加之沒有及時采取補(bǔ)救措施而發(fā)生塌方。導(dǎo)流隧洞施工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：①在兩側(cè)巖體比較完整且斷層破碎帶較窄的地段和裂隙較密集或輕微風(fēng)化的圍巖處容易發(fā)生小塌方；②不同巖層交錯帶、同傾向或仙林?jǐn)鄬訋б壮霈F(xiàn)中等塌方；③較薄的洞頂巖層易發(fā)生冒頂，隧洞圍巖受雨季地下水滲透影響較大，加之雨水易軟化、強(qiáng)度低、松散性好等特點(diǎn)，二次襯砌前鼓脹和局部坍塌等現(xiàn)象較為常見；④若未能采取有效的措施對巖溶發(fā)育洞段及時處理，將對安全施工產(chǎn)生巨大的隱患，甚至?xí)龃笸顿Y、延誤工期等。所以，為防止開挖過程中出現(xiàn)上述問題，應(yīng)在充分掌握地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上選擇合適的導(dǎo)流隧洞開挖支護(hù)方案，系統(tǒng)分析導(dǎo)流洞施工方法具有重要意義[1-3]。

1.3 導(dǎo)流洞開挖技術(shù)

開挖支護(hù)屬于導(dǎo)流隧洞施工的核心環(huán)節(jié)和重要內(nèi)容，也是導(dǎo)流施工組織設(shè)計的主要內(nèi)容。受技術(shù)水平、地質(zhì)條件及斷面設(shè)計等條件限制，選取的開挖方法大多不同。其中，超前導(dǎo)流、臺階開挖、分層分部開挖及預(yù)留核心土法為特大斷面特殊復(fù)雜地質(zhì)導(dǎo)流隧洞開挖的主要方法，對此深入分析了各類地質(zhì)條件下導(dǎo)流隧洞的開挖技術(shù)。

1.3.1 不良地質(zhì)段的處理措施

開挖前需先處理不良地段，如溶洞、軟弱巖層、斷層等特殊復(fù)雜地質(zhì)條件，不良地質(zhì)的加固處理技術(shù)，見表2。從表2可知，為確保工程安全施工以及提高斷層段圍巖的整體穩(wěn)定性，必須實(shí)行懸吊錨桿或固結(jié)灌漿等方法加固處理軟弱巖層堤段、斷層及其影響帶，加強(qiáng)排水提升巖溶發(fā)育地段強(qiáng)度。例如，針對導(dǎo)流隧洞施工遇到的河水倒灌、涌泥、涌水、巖溶發(fā)育等地質(zhì)問題，采取加密配筋、回填混凝土、掛網(wǎng)噴錨等措施對巖溶管道灌漿處理，創(chuàng)造良好的作業(yè)條件滿足隧洞的施工要求[4-5]。

表2 不良地質(zhì)的加固處理技術(shù)

1.3.2 破碎圍巖及斷層的開挖

按照弱爆破、多循環(huán)、淺鉆孔的原則開挖破碎圍巖段及斷層上的特大斷面導(dǎo)流隧洞，施工過程中必須采取合理的開挖程序和自上而下的施工方法，超前支護(hù)、注漿加固斷層部位及圍巖。分層分布開挖法為工程中較為常用的開挖方法，其中左右半洞開挖、中部預(yù)留巖柱、中導(dǎo)洞開挖為主要的上層開挖方法，人工光爆層、梯段爆破拉中槽、半幅開挖或半斷面開挖為常見的下層開挖方法[6]。若選擇三層開挖施工法，則保護(hù)層開挖或潛孔爆破開挖為第Ⅲ層開挖方法，此外全部加固特大斷面的開挖工作面圍巖時，若其工程量較大可實(shí)行周邊導(dǎo)坑法，統(tǒng)計整理不同開挖技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。導(dǎo)流隧洞開挖技術(shù)與優(yōu)勢，見表3。

表3 導(dǎo)流隧洞開挖技術(shù)與優(yōu)勢

不同的地質(zhì)條件，各施工單位都必須考慮項目實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)系統(tǒng)的分析，從而給出科學(xué)合理、適用于該工程的技術(shù)方案。

1.3.3 軟弱巖層的開挖

軟巖是指受風(fēng)化影響、構(gòu)造面切割、含膨脹性黏土礦物、孔隙度大、強(qiáng)度弱、膠結(jié)程度差的弱、軟、散、松的巖層，該類巖石多為天然形成的泥質(zhì)礦巖、粉砂巖、頁巖、泥巖。特大斷面軟巖段導(dǎo)流隧洞施工決不能快而冒進(jìn)，必須遵循強(qiáng)支護(hù)、多循環(huán)、段進(jìn)尺、弱爆破的原則。當(dāng)前，臺階分布開挖、預(yù)留核心土樣、超前導(dǎo)洞為軟巖開挖的常見工藝技術(shù)。

然而，軟弱工程的地質(zhì)特征因地域差異也存在較大不同，側(cè)重的技術(shù)和方法也存在差異。①軟弱巖層存在雨水易泥軟化、失水易干裂、多劈理、多泥軟弱面、多微裂隙、多層間剪切破壞等特點(diǎn)時，工程中多選用多層開挖或分三層分部開挖法，按照多循環(huán)、小進(jìn)尺的原則嚴(yán)格控制分層開挖厚度；②軟巖地段受極薄層、薄層大理巖化白云巖影響的情況下，工程中往往實(shí)行多層分布開挖法，按照早封閉、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的施工原則，開挖后及時驗(yàn)收斷面。

1.3.4 巖溶發(fā)育段的開挖

導(dǎo)流隧洞工程中經(jīng)常遇到巖溶發(fā)育地段，從形態(tài)上巖溶發(fā)育有溶槽、順層風(fēng)化溶濾帶、溶洞、落水洞、巖溶泉等。巖溶發(fā)育段施工時大洞徑導(dǎo)流隧洞應(yīng)遵循拉、封、堵的原則，對溶洞按照自上而下的順序加以處理，同時拓寬、加固、清潔處理出露的溶腔口部。溶洞空腔底板施工時需做回填處理，隨機(jī)支護(hù)和清理溶洞空腔內(nèi)部、通道，選用分層分段臺階法開挖加固處理后的巖溶。此外，采取以弱爆破為輔、以機(jī)械擴(kuò)挖為主的方式保證施工安全[7]。

2 特大斷面復(fù)雜地質(zhì)的導(dǎo)流洞支護(hù)技術(shù)

支護(hù)是保證隧洞后期施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著加固圍巖的重要作用。導(dǎo)流隧洞支護(hù)形式與設(shè)備、材料、工程概況、圍巖類型、開挖方式、隧洞尺寸等因素密切相關(guān)。

2.1 節(jié)理密集、卸荷、斷層及其影響帶導(dǎo)流洞支護(hù)

對于節(jié)理密集帶、卸荷帶、斷層影響帶、斷層帶和Ⅴ類圍巖，開挖變形受地質(zhì)構(gòu)造、軟弱破碎巖體影響發(fā)展循序，為有效抑制有害變形發(fā)展必須實(shí)行剛性較大的聯(lián)合支護(hù)措施。其中，噴鋼纖維混凝土支護(hù)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)、系統(tǒng)錨桿配合格構(gòu)梁、工字鋼支撐及掛網(wǎng)噴錨支護(hù)等為常用的聯(lián)合支護(hù)方法。

初噴→掛網(wǎng)→復(fù)噴→錨桿→掛網(wǎng)→再噴以及初噴→錨桿→掛網(wǎng)→復(fù)噴為掛網(wǎng)噴錨支護(hù)的兩種形式，前者主要適用于較厚軟弱層的主斷層，后一種支護(hù)形式適用于圍巖破碎地帶、軟弱帶較窄斷層及其影響帶。針對一些隧洞交叉段、隧洞進(jìn)出口段及地質(zhì)條件非常惡劣的地段一般選用噴混凝土、掛網(wǎng)、格構(gòu)梁配合系統(tǒng)錨桿的聯(lián)合支護(hù)；對于地質(zhì)條件較差的洞身斷層破碎帶、進(jìn)出口段、Ⅳ和Ⅴ類圍巖段通常選用格柵鋼架錨桿指數(shù)；工字鋼支撐的耐久性好且能夠承受較大的山巖壓力，在巖層破碎且不穩(wěn)定堤段具有良好的實(shí)用性。例如，云南土卡河水電站，將噴混凝土、掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿配合格柵鋼架支護(hù)應(yīng)用于洞身斷層破碎帶、進(jìn)出口段和Ⅳ和Ⅴ類圍巖段導(dǎo)流施工；小灣導(dǎo)流隧洞利用工字鋼20b制成的鋼支撐支護(hù)F7斷層、較大跨度進(jìn)出口段等不良地質(zhì)，鋼纖維混凝土噴射方法為“濕噴法”。

2.2 巖溶地段和軟弱圍巖的導(dǎo)流洞支護(hù)

超前支護(hù)為突水、涌水、富水及圍巖破碎帶、軟弱圍巖等地段的常用方法，為保證施工安全通過實(shí)行加固圍巖、封堵地下水等措施。超前大管棚、小管棚、小導(dǎo)管錨桿為超前支護(hù)的常用手段，其中大管棚鋼管的上仰角以不侵入設(shè)計斷面為基準(zhǔn)，一般為2°-5°，鋼管中心間距25-30cm，直徑80-128mm，長度10-80m；小管棚、小導(dǎo)管錨桿支護(hù)參數(shù)值，見表4。

表4 支護(hù)參數(shù)

2.3 圍巖變形強(qiáng)烈、破碎帶導(dǎo)流洞支護(hù)

目前，中空自進(jìn)式錨桿和水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿為特大復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)流隧洞支護(hù)的兩種新類型，對于圍巖變形強(qiáng)烈、圍巖極其破壞等地質(zhì)的處理具有較強(qiáng)適用性性。

水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿能夠快速提供支護(hù)壓力，通過主動施力提高巖體穩(wěn)定性和三維受力性能，相對于其他錨筋類支護(hù)方式具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，特殊條件下能夠替代淺層錨索支護(hù)。例如，受次塊狀、塊狀巖體及夾雜少量片巖黑云花崗片麻巖等條件限制，加之圍巖穩(wěn)定性差以及擠壓面、小斷層Ⅳ級結(jié)構(gòu)面發(fā)育，選取水泥卷式預(yù)應(yīng)力錨桿作為小灣水電站2號導(dǎo)流隧洞進(jìn)口漸變段的加強(qiáng)支護(hù)方式[8]。

中空自進(jìn)式錨桿替代普通砂漿錨桿可以有效解決注漿不飽滿、無法插桿、塌孔等問題，對提高圍巖整體穩(wěn)定性、承載力及發(fā)揮錨桿支護(hù)作用具有明顯成效。例如，將中空自進(jìn)式錨桿開挖支護(hù)應(yīng)用于F7斷層出露洞段的小灣水電站，顯著提升了圍巖穩(wěn)定性和承載力。

總體而言，為確保施工安全通過應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇適用于各類不良堤段的導(dǎo)流隧洞支護(hù)形式。

3 結(jié) 論

為解決導(dǎo)流隧洞施工過程中遇到的不良地質(zhì)條件，確保洞室安全施工，應(yīng)綜合考慮各方面因素選擇合理的開挖方法和開挖程序，采取有效的開挖后加強(qiáng)支護(hù)、超前支護(hù)措施加固斷層部位。其中，隧洞開挖圍巖類別較差的施工原則為強(qiáng)支護(hù)、少藥量、短進(jìn)尺。通過深入分析不同地質(zhì)條件下的隧洞施工技術(shù)，可為其它類似工程安全施工提供科學(xué)指導(dǎo)。