浅谈输水洞施工中根据围岩的变形规律所采取的工程措施

田雪竹

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000）

1 工程概述

新疆西部地区某水利工程为输水隧洞，目前是我国在极软岩层中建成的最长极软岩隧洞，洞身段全长14.89km，洞轴线方向177.5°，过流断面为马蹄形，设计尺寸为5.2m×5.2m，为无压隧洞，隧洞进口底板高程603.10m，出口底板高程584.9m，坡降1/1050。隧洞洞身段一般埋深40～50m，最大埋深80m。

2 软岩和极软岩变形的总规律

根据输水隧洞的观测结果，软岩和极软岩隧洞开挖后，围岩变形有以下特点：

a.变形量值特别巨大，相当一部分观测断面实测变形已经大大超过《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50087—2001）规定的允许值，不完全符合岩石隧洞的变形特征。

b.洞室开挖后，围岩的流变变形明显，第三系砂岩约占全部变形的20%，泥岩约占60%，有些观测部位尚无收敛的趋势，在软岩与极软岩地层中修建地下洞室应特别注意这一问题。

c.在软岩与极软岩地层中，开挖断面的大小对变形影响较大，当仅开挖上导洞时，虽然开挖跨度较大，但开挖高度较小、断面积较小，等效直径4.24m，所以开始变形较小，发展也不快。但当开挖下导洞时，随着开挖断面扩大，变形迅速增大，尤其是两侧边墙变形增长极快，对围岩稳定不利。

d.开挖进尺对围岩变形影响很大，特别是开挖下导洞时，每开挖1.0m，都会产生较大的变形，其速率可接近20mm/d，而且这一速率可能在半天之内完成，因此日变形量可达40mm，这是十分危险的，必须采取有效的控制措施。

3 软岩和极软岩隧洞的设计原则

由于软岩和极软岩隧洞洞体开挖后变形量大，空间效应与时间效应均较为明显，且由于软岩和极软岩隧洞地层形成较为复杂，岩性分布无一定规律，地层中含水量大小也无定数，设计工作必须根据监测结果采用动态设计的原则，根据变形规律确定开挖方式、开挖程序、开挖进尺、一次支护参数、永久衬砌参数与时机。为此应采用如下设计原则：

a.根据初设阶段提供的地质条件，沿线的地层、岩性和结构设计特点及运行要求，进行专门的施工期、永久运行期的安全监测设计，并通过招标方式确定实施安全监测任务的单位，定期、适时开展监测工作，监测项目、监测布置也应根据地质变化及时调整。

b.现场设计代表应根据监测结果及时调整洞室的开挖进尺，调整一次支护的参数，如是否使用超前锚杆、格栅拱架型式、间距、锚杆长度等。

c.根据监测数据，需对设计作出重大调整时，应根据现场试验或理论计算进行验证。

d.现场设计应与施工、地质、监测有机配合，作到调整及时有效。

e.为了信息处理及时，监测单位应向设计、施工、监理、地质、建设单位发送监测日报，每周发送周报，每月发送月报，定期发送阶段安全监测分析报告。当发生变形特别巨大，变形速率超过允许警界线时，应立即发送安全监测紧急通报，并立即通知有关部门商量对策，采取工程措施。

f.施工地质部门应跟班进行地质测绘，作出地质预报，遇有重大变化应及时通知相关单位采取相应措施。

4 施工过程中必须遵守的原则与规定

由于软岩和极软岩洞室开挖后围岩变形量值巨大，时间与空间效应明显，如变形量值与速率得不到有效控制，有害变形会不断发展，造成围岩失稳和塌方。

输水隧洞为了保障安全施工，防止围岩失稳和杜绝塌方事故，制定了“短进尺，勤监测，快支护，早衬砌”的12字方针，并按这12字方针编制了各工序的安全施工手册，参建单位都应严格执行。

4.1 关于洞室开挖安全规定

a.采用非爆破方法开挖，主要目的是不扰动围岩，保护围岩固有的承载能力。

b.短进尺，隧洞开挖每循环进尺不得大于1.5m，变形特大地段不得大于0.5m，循环进尺应根据监测结果按设计通知及时调整。

c.采用分部开挖方式开挖，第Ⅰ次序开上导洞，并预留核心土，上导洞领先下导洞3～5m，第Ⅱ次序开挖下导洞，第Ⅲ次序开挖底板。下导洞的每循环开挖进尺和上导洞相同。

d.下导洞开挖分左右两侧进行，一侧领先另一侧1～2个循环，目的是减缓变形速率，防止变形突然释放。

e.开挖时预留变形量50～80mm。

f.对于地下水或上层滞水发育地段，底板开挖后采用素混凝土封闭。

g.严格控制开挖轮廓尺寸，每开挖一个循环后立即进行量测，绘制开挖图和地质素描图。

4.2 关于一次支护

a.一次支护必须在开挖后立即施作，开挖一个循环支护一个循环，本开挖循环没支护完成不得进行下一循环的开挖。

b.一次支护的施工程序为：安装超前锚杆→开挖→安装格栅拱架→第一次喷射混凝土→布置钢筋网、绑扎连接筋→安装锚杆→第二次喷射混凝土→视需要滞后1～2个循环第三次喷射混凝土。

c.一次支护完成后在设计的观测断面安装监测仪器，并立即开展监测工作，监测仪器安装位置距开挖面的距离不大于1.0m。

d.格栅拱架的间距应和开挖进尺一致，上导洞部位格栅拱架安装后，以锁脚锚杆固定，系统锚杆、超前锚杆应与格栅拱架焊接，下导洞格栅拱架应在底板开挖控制线以下0.5m设置0.5m×0.5m×0.5m的早强混凝土基座，基座混凝土强度等级为C20。

e.一次支护的格栅拱架、钢筋网、喷射混凝土、连接筋、系统锚杆、锁脚锚杆、超前锚杆必须按国家制定的工程质量检测标准规定进行施工和质量控制。

f.依据监测结果，设计单位应及时以设计变更通知的形式调整一次支护的相关参数，如是否需要设置超前锚杆，超前错杆范围、长度、根数，是否需要改变格栅拱架结构型式等。

g.根据变形监测结果，确定是否需要进行二次临时支护，并确定其方案和支护参数。

4.3 关于永久衬砌时间的确定

按永久性水工建筑物结构受力最小原则，隧洞的永久衬砌应该在围岩变形全部释放后施作较为合理。实际上《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50087—2001）与《水工隧洞设计规范》（SL279—2002）均有相应的规定，例如GB50087－2001第5.3.5条例规定：

采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列三项标准时进行：

a.隧洞周边水平收敛速度不小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。

b.隧洞周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降。

c.隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

SL279—2002第6.2.4条也规定：采取了支护或加固措施的围岩，根据其稳定状况，可不计或小计围岩压力。

对于具有大变形和流变效应明显的软岩、极软岩而言，要达到上述标准，需要较长时间，一次支护需要较大刚度，否则会发生围岩失稳，甚至发生较大塌方。

根据砂岩中多点位移计监测结果和洞周收敛量测的结果分析，当距开挖面3.0倍洞径时，围岩变形的“空间效应”基本完成，超过3.0倍开挖洞径后，围岩变形主要来源于“时间效应”，3.0倍洞径后以后剩余变形的大小主要取决于岩体流变特性。

对于含砾砂岩、砂岩和泥质砂岩而言，岩体变形的“时间效应”较小，时间效应曲线衰减也较快，如砂岩20天后，围岩变形速率小于0.1mm/d，并已接近稳定或基本稳定。也就是说，当隧洞开挖距掌子面30m时需时间约20天，此时进行永久衬砌，衬砌所承受的围岩压力已经很小，埋设在2＋720桩号的多点位移计监测结果就可以证明这一点。该仪器显示衬砌后，衬砌只承受了0.12 mm的剩余变形。

对于砂质泥岩与泥岩而言，由于流变效应较大，开挖至5.0倍洞径距离后，尽管空间效应引起的变形已经完成，但仍有较大“时间效应”引起的变形，这一变形如不加以限制将会造成极大的危害，将使施工无法正常进行，此时也只能采取衬砌的措施通过。

基于上述分析，从保证安全施工的角度出发，输水隧洞按“快衬砌”的原则施工，以永久性混凝土衬砌遏制有害变形的发展，为此要求施工单位严格开挖30～50m（V类围岩30m，IV～V类围岩40m，IV类围岩50m）之后必须要求施工永久性衬砌，开挖超过上述规定尚未进行永久衬砌时停止掘进，待衬砌至上述规定后方可允许继续开挖作业，其次还对于变形较大部位采取增加衬砌结构厚度或增加混凝土强度等级等措施。■