觀音閣輸水工程富水蠕變巖洞段支護技術研究

王萍

（桓仁縣水務局，遼寧 本溪117022）

1 工程背景

觀音閣輸水工程位于遼寧省中北部的太子河干流上，是將觀音閣水庫的水利用輸水隧洞和輸水管線輸入下游本溪市境內的大型輸水工程[1]，工程建成之后可以有效緩解本溪市城區和新城規劃區域的用水緊張問題。該工程主要由取水頭部、輸水隧洞、輸水管道、配水站及分支管線等工程構成。觀音閣水庫為太子河干流上的大型水庫，正常蓄水位255.2m，總庫容14.20億m3，水庫的靜調節水量為7.17億m3，可供水量為4.11億m3，可以有效保證工程的供水需求。

觀音閣輸水工程輸水隧洞的一標段主要穿越元古界沉積巖地層，埋深較大，在樁號18+811—26+489洞段存在中厚-厚層粉狀砂質泥巖夾泥質粉砂巖洞段，洞段的圍巖類別以Ⅲ類為主，前期的地質勘測顯示該洞段地應力水平較高，且地下水賦存比較豐富，具備發生中等擠壓和嚴重擠壓變形的條件[2]。因此，圍巖巖體的蠕變力學行為是設計施工中必須要考慮的問題。在諸多巖石流變現象中，蠕變是地下洞室工程施工中最為常見的破壞因素之一[3]。在地下洞室工程施工過程中，由于諸多人為因素的擾動，原本的應力平衡狀態被打破，開挖出露的巖體已經卸去原有的壓力，造成應力分布由原來的三向分布變為雙向分布，進而促進圍巖的加速蠕變，范圍將達到開挖半徑的3～5倍，傳統的支護加固方案并不能保證該洞段后續施工和運行期間的安全性[4]。基于此，此次研究以具體的工程背景為依托，針對圍巖的蠕變特性，提出一種在時間和空間層面均能有效控制圍巖蠕變的支護技術，以便為相關類似工程施工提供借鑒和指導。

2 富水蠕變巖洞段雙層錨注支護技術工藝

2.1 支護原理和原則

受到施工擾動作用的影響，研究洞段的地下水會進一步向巖體裂隙中滲透，并通過與巖石中的黏土礦物結合破壞巖石結構[5]。由于巖石的蠕變是一個長期過程，可以分為加速變形、恒速變形、減速變形的階段。因此，隧洞開挖之后的加速變形階段并不是最佳的支護加固時機，應在巖體變形釋放的工程力和本身的自撐力達到耦合最大時，再進行支護加固[6]。根據工程經驗和研究洞段的地質特點，應在開挖之后的20～40d內完成支護加固。

雙層錨注支護技術的基本原理是由輸水隧洞的表面向深部，通過錨桿和注漿形成兩層支護加固圈層，兩者共同作用，達到抵御隧洞圍巖變形的目的。同時，在加固施工過程中，兩層錨注層要具有一定的時序性，使圍巖內部難以控制的能量能夠進一步耗散，保證隧洞的長期穩定性。主要施工內容：

1）淺部錨桿支護。在輸水隧洞開挖完畢之后，利用錨桿對隧洞的淺部圍巖進行主動控制，形成以錨桿為主的隧洞圍巖淺部控制結構。

2）深部錨索支護。在構建起淺部錨桿支護結構之后，在深部圍巖部位實施錨索加固措施，構建起深部圍巖變形控制結構，而錨索本身可以在深淺兩個加固結構之間起到連接和協調作用。

3）淺部注漿加固。在研究洞段的淺部圍巖中實施注漿作業，與前期的錨桿支護結構共同構成錨注層加固體系，進一步提高淺部圍巖的強度和承載力。

4）深部注漿加固。在研究洞段的深部圍巖中實施注漿作業，與前期的錨索支護結構共同構成錨注層加固體系，進一步提高深部圍巖的強度和承載力。

2.2 支護工藝流程

根據支護原理，提出研究洞段的分時、分段雙層錨注支護加固方案，其具體的工藝流程：洞壁修整→初噴漿→淺層錨桿支護→深層錨索支護→復噴漿→淺層注漿→深層注漿→施工結束。在開挖洞段符合施工時間要求時，首先對隧洞的開挖表面進行必要的修整，然后進行初噴漿，提高圍巖的完整性，進行淺部、深部的錨桿、錨索及相關附屬結構支護和復噴漿，最后進行淺層和深層注漿，最終形成雙層深淺錨注支護結構體系。

2.3 支護工藝參數

結合相關工程經驗和研究洞段的實際情況，以及雙層錨注加固的工藝需求，確定施工工藝參數：

1）在洞壁修整方面，主要是對開挖完成的洞壁進行復查，清除洞壁表面的浮石，同時鑿毛洞壁；洞壁的初噴和復噴作業均采用C25水泥砂漿，厚度設計為5cm。

2）淺層錨桿加固采用長2.5m、直徑20.0mm的鋼筋錨桿；錨桿的間距和排距為1.0m，呈梅花型排列，根據隧洞開挖參數，每排錨桿包括11根，其中拱頂4根，左右邊幫各設置2根，底板3根，錨桿的布置方向與開挖面垂直。

3）深層錨索支護的設計要與錨桿交錯布置，排距和間距與錨桿設計一致。在錨索布置過程中，在孔中安裝注漿管，為全斷面注漿使用。錨索的長度為8.0m，采用直徑為17.8mm的高強度低松弛鋼絞線，其導向帽采用長0.4m的鋼管。

4）淺部注漿的注漿孔鉆孔直徑為50.0mm，深度為2.5m，間距為1.8m，排距為2.0m，注漿管的直徑為42.0mm，長度為1.5m，注漿壓力設定為3.0MPa；深部注漿利用與錨索同時安裝的注漿管實施，注漿壓力設定為7.0MPa。

5）正常注漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥和ACZ-1添加劑制作的純水泥漿液，其中添加劑的用量為水泥重量的9.5%，水灰比為0.8∶1。在需要大范圍堵漏注漿時，則采用水泥-水玻璃雙液漿進行注漿，其中水泥漿的配比不變，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.5，模數為2.7～3.1。

6）在注漿的時機選擇方面，按照先進行淺部圍巖注漿，后進行深部圍巖注漿的總體原則實施[7]。其中，淺部注漿在5排注漿管安裝完畢后立即進行，并在注漿完畢1d之后進行同位置的深部注漿作業。在同斷面的注漿順序上，應該先進行拱腰部位的注漿，然后進行頂拱部位的注漿，最后進行底板部位的注漿。

3 支護效果監測與評價

為了對表面位移和地下洞室工程的支護效果進行直觀反映，采用表面位移監測的方法對支護方案的支護效果進行評價[8]。首先按照已制定的支護方案，在研究洞段樁號18+820—18+840的洞段進行開挖支護施工，并對試驗洞段的表面位移進行監測。研究中共設置2個監測斷面，其中1號監測斷面設置在18+827部位，2號監測斷面設置在18+833斷面部位。每個監測斷面設置3個監測點，分別在拱頂、拱腰和底板部位，監測的頻率為每天一次，監測時間為50d。根據監測數據，繪制出如圖1所示的2個監測斷面不同監測點位的位移變形與時間之間的變化關系曲線。

圖1 監測斷面位移隨時間變化曲線

由圖1可知，1號斷面與2號斷面呈現出類似的特征，在支護完成10d時，隧洞拱頂、拱腰和底板的位移變形量1號斷面分別為111，191，60mm，2號斷面分別為117，228，80mm；變形速率1號斷面分別為11.1，19.1，6.0mm/d，2號斷面分別為11.7，22.8，8.0mm/d。由此可見，支護完成初期的隧道圍巖變形量較大，且拱頂和拱腰的位移變形明顯大于底板。在支護完成20d時，隧洞拱頂、拱腰和底板的位移變形量1號斷面分別為201，374，142mm，2號斷面分別為224，375，170mm；變形速率1號斷面分別為10.5，18.7，7.1mm/d，2號斷面分別為11.2，18.75，8.5mm/d。除了底板之外，其余部位的變形速率呈下降趨勢。在支護完成34d（1號斷面）和33d（2號斷面）之后，位移變形逐漸趨于穩定。

綜上所述，在隧洞開挖支護完成之后，圍巖的變形量隨時間的增加而增加，但是增加的速率逐步減小，最終趨于穩定，這說明本文提出的支護方案可以有效控制圍巖蠕變的有害變形，保證輸水隧洞的安全穩定。

4 結語

粉質砂泥巖在富水高地應力的雙重作用下，會呈現出十分顯著的蠕變效應，成為該地質環境下地下洞室工程開挖和支護過程中必須要考慮的重要因素。此次研究提出的支護方案可以有效控制圍巖蠕變的有害變形，保證輸水隧洞的安全穩定，對相關類似工程具有較強借鑒意義。當然，蠕變效應問題是地下洞室工程建設領域的重要課題，在今后的研究中需要針對圍巖巖體強度低，巖體破碎度高不易支護等問題進行深入研究，為類似工程施工建設提供更多的理論和實踐支持。