某水電站引水隧洞蝕變圍巖施工技術(shù)研究

張 樹 軍， 賀 寧 波， 周 志 東

(中國安能第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

某水電工程位于大渡河上，工程規(guī)模為二等大(2)型，電站安裝4臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為108萬kW，采用混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統(tǒng)+地下廠房的樞紐總布置方案。引水系統(tǒng)建筑物包括引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等。兩條引水隧洞平行布置，平均長度約14.4 km，洞徑為13.5 m，兩洞間距為60 m。

洞室圍巖主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中。經(jīng)過十億多年的演化和運(yùn)動，巖石受到碰撞、擠壓、蝕變等作用造成巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石破碎，花崗巖中長石蝕變嚴(yán)重，圍巖質(zhì)量下降，穩(wěn)定性差，對施工造成重大影響。因此，如何對蝕變圍巖進(jìn)行分類并有針對性地采取有效的施工方法是施工中必須研究的課題，筆者對此進(jìn)行了分析和闡述。

2 圍巖蝕變程度的分類

2.1 蝕變巖的形成過程與原理

圍巖蝕變系指圍巖受到流體和熱液作用發(fā)生的各種交代變質(zhì)作用，是一個新的物理化學(xué)變化過程。

花崗巖的圍巖蝕變主要是長石的化學(xué)變化，長石的化學(xué)變化一般包括水解作用和水溶作用。水解作用主要是水離解成H+和OH—離子，導(dǎo)致酸性反應(yīng)或堿性反應(yīng)。例如，正長石在水的作用下具有以下水解反應(yīng)：

(1)

如果不是純水，水中含有酸類物質(zhì)，如碳酸，就會加速巖石的蝕變，因?yàn)樘妓岣梢詣儕Z礦物中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子形成碳酸鹽，破壞巖石礦物的原有結(jié)構(gòu)。以正長石為例：

(2)

KOH、K2CO3等可溶鹽及SiO2膠體會隨水流失，而高嶺土不溶于水殘留下來，與花崗巖中穩(wěn)定的SiO2或氧化鐵等形成殘留的蝕變巖。

2.2 蝕變巖蝕變程度的劃分

目前對于圍巖的蝕變程度尚未有標(biāo)準(zhǔn)，亦不易在現(xiàn)場掌控。筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，對某水電站圍巖蝕變程度進(jìn)行了探討和初步劃分，將其分成面蝕變和體蝕變，具體劃分情況見表1。

表1 蝕變巖蝕變程度劃分及圍巖分類初判表

3 施工過程對蝕變巖采取的處理方法

針對不同的蝕變巖體，根據(jù)水利水電工程圍巖分級方法并考慮巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地應(yīng)力等因素[1]，在對圍巖級別進(jìn)行分級的基礎(chǔ)上，筆者針對不同蝕變程度的圍巖采取了不同的開挖支護(hù)監(jiān)測措施。

3.1 圍巖的超前預(yù)報

針對處于復(fù)雜多變蝕變巖體中的地下工程，其地質(zhì)預(yù)報需要多種方法并用，引水隧洞施工采用的超前地質(zhì)預(yù)報方法和手段很多，應(yīng)以地質(zhì)綜合分析法為基礎(chǔ)，針對不同洞段的地質(zhì)情況和預(yù)報目的進(jìn)行必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，選擇有針對性、適用性強(qiáng)的方法和設(shè)備，采用一種或幾種方法的合理組合，達(dá)到預(yù)報準(zhǔn)確、費(fèi)用最低、占用時間最少的目標(biāo)。對于一般洞段可以采用地質(zhì)調(diào)查法、物探法進(jìn)行超前預(yù)報；對于蝕變嚴(yán)重的重點(diǎn)洞段，可結(jié)合鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)綜合地質(zhì)法。針對引水隧洞全段范圍內(nèi)的地形、地貌、地層巖性進(jìn)行進(jìn)一步的全面核查并進(jìn)行地質(zhì)編錄：對引水隧洞全段進(jìn)行地質(zhì)編錄是地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)，所配屬的地質(zhì)工程師非常重要，需要核對勘測資料、掌握引水隧洞所在地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，為引水隧洞內(nèi)的地質(zhì)預(yù)報提供方向性的依據(jù)。

(2)物探法。遠(yuǎn)程與短程相結(jié)合。短程可采用地質(zhì)雷達(dá)，對10～20 m范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行預(yù)報；遠(yuǎn)程采用TSP法，其技術(shù)特點(diǎn)為：預(yù)報距離在超前預(yù)報方法中最大，考慮到地震波干擾等因素其能準(zhǔn)確預(yù)報的距離為100～200 m。該方法適用范圍廣，特別適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況；對于特別復(fù)雜的蝕變圍巖，可以采用兩種方法相結(jié)合；對于一般情況，采用TSP即可。

(3)鉆探法。主要包括炮孔加深和超前深孔鉆探。根據(jù)需要，在開挖掌子面上施做加深炮孔，對掌子面前方短距離范圍內(nèi)的地層及地下水情況進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)探測。所加深的炮孔深度應(yīng)不低于3 m。在中等復(fù)雜、復(fù)雜地段施作7個。對加深的超前炮孔應(yīng)做好記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況及時通知超前地質(zhì)預(yù)報組。

超前深孔鉆探是對TSP預(yù)報等物探手段探測到的復(fù)雜蝕變巖體進(jìn)行確認(rèn)，以進(jìn)一步探明前方地層的完整性、構(gòu)造帶及地下水發(fā)育情況(水量、水壓、水溫、懸浮物等)，超前地質(zhì)鉆孔的位置、孔深、數(shù)量、取芯等由地質(zhì)人員根據(jù)物探預(yù)報成果并結(jié)合掌子面附近的地質(zhì)情況經(jīng)綜合分析后確定。

3.2 開挖方式

對于輕度蝕變的Ⅱ、Ⅲ類圍巖，可以采用全斷面開挖法，將每個循環(huán)的進(jìn)尺控制在3.5 m以內(nèi)。對于Ⅳ類圍巖，先進(jìn)行8 m×8 m(寬×高)中導(dǎo)洞開挖，再進(jìn)行左、右兩側(cè)保護(hù)層開挖。左右兩側(cè)保護(hù)層滯后中導(dǎo)洞2～3個循環(huán)跟進(jìn)施工，圍巖支護(hù)及時跟進(jìn)。對于蝕變較強(qiáng)的Ⅴ類圍巖(高嶺土化蝕變)洞段，上半洞的開挖與支護(hù)采用上下臺階四步開挖法，以弧形導(dǎo)坑開挖留核心土為基本模式，分上、下兩個臺階四個開挖面，各部位的開挖與支護(hù)采用沿隧洞縱向錯開、平行推進(jìn)的隧洞施工方法。

圖1 系統(tǒng)原理和現(xiàn)場工作圖

3.3 圍巖的支護(hù)措施

對于蝕變較強(qiáng)的圍巖，一般采取超前支護(hù)[2，3]的方式。超前支護(hù)主要采用超前注漿小導(dǎo)管。小導(dǎo)管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度為5 m，注漿壓力為0.1～0.5 MPa。必要時，可以選擇小噸位的錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，或采用管棚超前支護(hù)以防止蠕變和塌方等。

3.4 圍巖的監(jiān)測

地下工程的現(xiàn)場監(jiān)控量測類型分為三類。

(1)目測觀測。系指對圍巖的破碎發(fā)育情況、洞室周邊變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂破壞等現(xiàn)象直接用肉眼進(jìn)行觀察，以此判斷圍巖的穩(wěn)定情況。對于蝕變圍巖，地質(zhì)工程師必須聯(lián)合鉆爆工等勤觀測。

(2)位移量測。系指通過專門量測設(shè)備為獲取洞室周邊位移、圍巖內(nèi)位移、地表下沉等與圍巖和結(jié)構(gòu)變形有關(guān)的位移信息進(jìn)行的現(xiàn)場監(jiān)控量測。位移量測為應(yīng)用較廣且值得推薦的測試項(xiàng)目，因?yàn)橹苓呂灰谱钅芊从硣鷰r與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)的變化，且量測設(shè)備簡單、易于操作。本次采用的主要是凈空收斂和頂拱下沉監(jiān)測，凈空收斂和頂拱下沉監(jiān)測示意圖見圖2。

凈空收斂監(jiān)測 頂拱下沉監(jiān)測 圖2 凈空收斂和頂拱下沉監(jiān)測示意圖

(3)應(yīng)力量測。系指通過專門的量測設(shè)備為獲取圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的接觸應(yīng)力(荷載)、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)、錨桿軸力等信息進(jìn)行的現(xiàn)場監(jiān)控量測。由于該隧洞斷面較大，圍巖蝕變強(qiáng)烈，該工程將其做為必測項(xiàng)目(雖然規(guī)范將其作為選作項(xiàng)目)。該工程主要針對強(qiáng)蝕變圍巖加強(qiáng)監(jiān)測，在現(xiàn)行的規(guī)范基礎(chǔ)上適當(dāng)加密了測點(diǎn)，一般增加1.5倍測點(diǎn)即可。

4 塌方規(guī)模的預(yù)測

面對如此復(fù)雜的蝕變圍巖，按照現(xiàn)行規(guī)范施工難免會出現(xiàn)塌方，因此，必須對可能發(fā)生的塌方和已經(jīng)塌方的規(guī)模大小進(jìn)行必要的預(yù)測[4]，采取有針對性的措施，可以預(yù)防塌方或防止進(jìn)一步塌方的發(fā)生。

塌方的高度可以根據(jù)式(1)[5]計算：

h=n(B+H)

(1)

式中h為塌方高度，單位m；B、H分別為隧洞開挖的跨度和高度，單位為m；n為荷載系數(shù)：n=0.43e0.64(S-1)；S為圍巖類別。

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，在該隧洞開挖過程中曾發(fā)生過一次塌方，但當(dāng)時沒有及時探測到空腔的高度，而根據(jù)式(1)可以很容易地計算出大致的塌方高度為12.4 m，得出高度并實(shí)測出塌方的寬度b、結(jié)合塌方體積V估算出塌方長度，進(jìn)而有效地指導(dǎo)了塌方處置。

5 結(jié) 語

復(fù)雜蝕變圍巖地下洞室的開挖一般少見。由于圍巖蝕變增加了施工的難度而與普通開挖不同，筆者根據(jù)大渡河某水電站引水隧洞的工程實(shí)踐得出了以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)必須正確認(rèn)識圍巖蝕變的類型。本次施工對圍巖蝕變進(jìn)行了初步分類并根據(jù)所分類別指導(dǎo)施工。

(2)在施工過程中，針對不同蝕變圍巖，合理選擇地質(zhì)預(yù)報、開挖方式、支護(hù)方式和監(jiān)測手段十分重要。特別需要有針對性的進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

(3)可能的塌方或塌方的規(guī)模可以估算，這一點(diǎn)有利于塌方的治理。