老撾南俄4水電站水工隧洞軟巖變形施工處理措施

黃 煒， 芶 仕 文， 楊 建 明， 劉 建 偉， 王 陽

(中國水利水電第十工程局有限公司 老撾公司，四川 成都 610037)

1 概 述

南俄4水電站采用一洞三機供水方式，引水系統由一條引水隧洞、調壓井、地下壓力鋼管、鋼岔管及三條支管組成。機組引用流量為107.3 m3/s，引水隧洞長約16.5 km，其中由中國水利水電第十工程局有限公司承建的C3標段為引水隧洞后段(H7+720.00～16+570.00)，控制洞室全長9.5 km，隧洞巖性主要以灰巖、砂巖、碳質板巖為主。

目前引水隧洞已全線貫通。在其開挖過程中，通過對監測數據進行分析得知：多處洞段在一期開挖支護完成后產生變形，主要表現為噴混凝土表面開裂和局部脫落、鋼支撐扭曲變形、鎖腳錨桿位移或拉伸斷裂等情況?，F場地質編錄結合區域地質調查資料顯示：所有變形洞室的區域圍巖均為碳質板巖。

碳質板巖為軟巖-極軟巖(室內試驗定名為碳質千枚巖)，屬于石炭系下統第一段(C1-1)灰黑色～黑色、微風化～新鮮的碳質板巖夾極少量碳質灰巖透鏡體；巖層產狀為N70°～80°W,NE∠75°～85°,巖體破碎，擠壓揉皺現象明顯，呈薄層狀結構；巖體板理發育，延伸長度超過開挖洞徑，板理面起伏光滑，其余結構面隨機發育，成組性不強。局部夾雜碳質灰巖透鏡體，巖層厚度小于1 cm，薄層狀-極薄層狀結構，結構面主要表現為板理面，隨機節理不發育，節理面起伏粗糙，按照隧洞圍巖等級劃分為V類圍巖。

碳質板巖段洞室開挖揭露掌子面處碳質板巖層間結合差，層面多有鏡面及擦痕，手觸感光滑，擠壓揉皺明顯，表現為明顯的推覆構造[1]。

室內試驗結果顯示：碳質板巖濕化性耐崩解性指數Id2為68.4%，濕化性耐崩解性指數Id3為51.69%，濕化性耐崩解性指數Id4為35.78%，濕化性耐崩解性指數Id5為20.85%。試驗結果表明：碳質板巖遇水易軟化崩解，但經五次循環后仍未完全崩解，表明其水理性質較差。闡述了對圍巖變形原因進行的分析及采取的施工處理措施。

2 變形原因分析

2.1 層間擠壓構造

根據現場開挖揭露的圍巖判定：該段碳質板巖受區域構造影響，斷層、層間擠壓小型構造發育，受層間擠壓影響，巖體間分布有軟弱夾層且巖體破碎，巖體呈碎裂結構，有千枚化現象，開挖揭露巖體抗風化能力弱，具有受裂隙水浸潤影響遇水易軟化、強度降低明顯的特征。

2.2 地下水影響

老撾地處東南亞地區，地下水資源豐富(尤其是雨季)，在洞室開挖過程中導致地下滲流場發生改變，且因碳質板巖的物理力學性質表現為遇水易軟化，軟巖流變(尤其是蠕變導致的大變形)。洞室開挖導致周圍巖體內的地下水明顯下降至洞室圍巖松動圈，造成邊墻下部側壓力及底部擠壓力增大，致使鋼支撐受到擠壓出現扭曲變形和洞室底凸現象。監測數據反映變形一直處于不收斂狀態且變形量持續增大。

2.3 設計方案中的支護強度不足

對于碳質板巖腰線部位的圍巖壓力采用普氏塌落拱理論進行計算。碳質板巖室內密度試驗成果見表1，普氏塌落巖體參數計算成果見表2。

表1 碳質板巖室內密度試驗成果表

表2 普氏塌落巖體參數計算成果表

根據普氏塌落拱的計算結果(圖1，表3)，現有開挖支護設計參數無法抵抗圍巖壓力且因軟巖巖體流變產生蠕變力，致使腰線及以下部位壓力較大，普通錨桿無法提供有效抗力。碳質板巖室內密度試驗成果見圖1，普氏塌落拱計算結果見表3。

圖1 碳質板巖室內密度試驗成果示意圖

表3 普氏塌落拱結果表計算表

3 采取的施工處理措施及取得的成果

3.1 增加設計支護強度

鑒于碳質板巖巖體強度低，巖體板理構造發育并出現擠壓揉皺現象，具有流變特性，圍巖的穩定主要受巖體強度控制。項目部在對普氏塌落拱計算結果進行對比分析后加強了主動防護力[2]。主要表現為：

(1)調整鋼支撐間距，將原設計方案中的間距1 m每榀改為0.5 m每榀；

(2) 邊墻支護錨桿環向間距由1 m加密至0.75 m；

(3)腰線至起拱線之間布置Φ25 mm，L=10 m的深孔錨桿，使其穿過塑性圈形成主動受力。

3.2 增加洞內排水孔

鑒于碳質板巖受地下水侵蝕易軟化，為防止地下水對圍巖的軟化破壞，在碳質板巖洞段增設了深孔排水孔，從而有利于巖體內地下水的排出。排水孔孔深以2.5～3倍洞徑為宜，以將外部地下水排出為目的。

圖2中的監測數據反映：施工排水孔前后其變形數據有明顯變化。雨季地下水增多，導致該部位變形速率明顯加大。在對該段施工深孔排水孔后，其變形速率明顯趨于穩定狀態。H14+193.5收斂點累計變形過程線見圖2。

圖2 H14+193.5收斂點累計變形過程線圖

3.3 增加檢測監測點及監測頻率

在引水隧洞內的碳質板巖段每隔10 m布設一處監測斷面，監測斷面在拱頂、兩側拱腰共布設了3個監測點(圖3)。收斂監測點線路布置情況見圖3。當有滲水及圍巖條件極差時，加密監測斷面間距至5 m[3]。在初支完成后于4 h內布置監測點，于12 h內讀取初始讀數(至少每天進行一次)。根據變形情況增大量測頻率并對量測數據進行分析，判斷圍巖的變形情況是否處于正常狀態，從而為施工安全和支護參數的確定提供科學的依據。

圖3 收斂監測點線路布置圖

施工過程中，及時對鋼支撐布置監測埋點并盡早收集變形段初支變形的初始數據，在該過程中加大監測頻率，按照監控量測位移管理等級采取相應的處理措施，將監測數據成果及時反饋至項目部。監控量測數據位移管理等級見表4。

表4 監控量測數據位移管理等級表

根據監控量測位移管理等級，當初支累計位移變形量小于設計極限位移值的1/3時，為三級管理狀態，可以正常施工；當初支累計位移變形量大于設計極限位移值的1/3、小于設計極限位移值的2/3時，進入二級管理狀態，及時增設鎖腳錨管或護拱對初期支護進行加固；若仍然出現變形無法控制的情況(當初支累計位移變形量大于設計極限位移值的2/3時)，進入一級管理狀態，應立即采取特殊處理措施：立即停止斷面施工，對掌子面進行封閉，對超限變形部位進行徑向注漿加固，同時立即上報、制定出進一步強化處理的措施。

3.4 底板仰拱及時跟進

每開挖完成12 m，立即跟進底部仰拱支護和底板混凝土澆筑。結合前期施工過程中已完成的仰拱底部出現的開裂、底凸現象，采取的主要應對施工措施為：

(1)底部仰拱增設鋼管樁Φ48 mm，L=6 m，梅花型布置，同時注入0.5∶1～1∶1的水泥漿液用于加固兩側墻腳，控制灌漿壓力不超過0.5 MPa，以防止結構底部的收斂變形。在鋼管管身設置花孔，孔徑6 mm，間距30 cm，梅花型布置，下傾角度為60°～70°。

(2)對滲水段及變形速率較大的洞段，采取仰拱基底深層鋼管注漿的方式進行加固處理，仰拱中部設置鋼管Φ50 mm×4 mm,L=9 m,間排距為2 m×2 m，梅花型布置，注入水泥漿液(0.5∶1～1∶1)。

(3) 為確保底板混凝土與基巖面緊密結合，底板采用C30微膨脹混凝土進行施工?；炷翝仓纬煽煽康难龌?，用以加強澆筑成型后的底部拱形支撐效應[4]。

3.5 預留變形空間

軟巖的開挖施工按照“先放后抗”的理念適當加大預留變形量。在變形初期，支護結構在保證安全、不出現坍塌的前提下具有一定的柔性，能適應一定的變形，適當的變形釋放了部分圍巖應力，之后，由于支護結構具有足夠的剛度與強度，在圍巖應力得到一定程度的釋放后，能在5～7個月左右的時間內抵抗剩余的圍巖應力。在南俄4工程碳質板巖段開挖過程中，根據《水工建筑物地下開挖工程施工規范》(SL378-2018)[5]及現場施工監測數據，在保證永久襯砌結構設計尺寸的前提下，邊墻及頂拱的預留變形量為20 cm。

4 結 語

軟巖隧洞施工遵照“短進尺、少擾動、強支護、早封閉成環、勤量測”[6]的原則，采取綜合治理措施，即加強超前支護、初期支護措施，增加對洞身圍巖的注漿以加固改良圍巖強度，有效抑制洞身圍巖的大變形。同時，增加襯砌厚度，加大襯砌鋼筋的型號，加強二次襯砌用以抵抗圍巖殘余變形能力，保證隧洞的施工安全和后期運營安全。

前期隧洞圍巖等級為Ⅳ級、Ⅴ級(非軟巖)時，采用的監測方法為傳統方法：沉降為高程測量，收斂為相對水平位移，監控數據初始值從點位布置開始記錄。但因點位布置存在間隔期，導致點位布置前初支已發生沉降收斂的數據未計入累計變形值，不能提供與設計斷面進行對比的數據，導致施工人員不能及時掌握初支斷面到侵限的剩余空間。針對軟巖大變形段采用傳統監控量測方法存在的漏洞，項目部采用坐標法監測，動態測量，采用初始量測與設計斷面對比的方法修正初始值，將累計變形值與設計斷面進行比較，進而為現場施工提供指導。