大断面高边墙导流隧洞柱状节理段施工综合应对措施

韩进奇，李洪伟，李 侃

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611730)

1 概述

白鹤滩水电站工程施工采用断流围堰、隧洞导流的方式，在左岸布置有3条导流隧洞，1#导流隧洞洞长2007．63m，柱状节理发育洞段主要分布在K0+435～0+925洞段，约占洞段总长的25%;2#导流隧洞洞长1791．31m，柱状节理发育洞段主要分布在K0+330～0+860洞段，约占洞室总长的32%;3#导流隧洞洞长1584．82m，柱状节理发育洞段主要分布在K0+245～0+760洞段，约占洞室总长的32．5%。

柱状节理是指出现在玄武岩质熔岩里的垂直节理，大部分呈多角形，它是在无上覆岩石压力的条件下由冷凝收缩而形成的。冷凝作用，使刚固结的岩石发生垂直于收缩方向的张裂隙，裂隙为两组或三组，从而构成断面为六边形、五边形或四边形的柱体形状。导流隧洞柱状节理洞段开挖断面为城门洞型，断面尺寸为19．7m×24．2m(宽×高)，边墙高度为18．44m。支护形式较多，主要有普通砂浆锚杆、锚垫板锚杆、涨壳式预应力锚杆，喷钢纤维混凝土、挂网、钢筋拱肋等。导流隧洞开挖长度长、断面尺寸大，开挖和支护工程量大。

2 地质条件

导流洞沿线岩体为单斜岩层，岩性为P2β23、P2β3、P2β41、P2β42层杏仁状玄武岩、隐晶～微晶玄武岩夹角砾熔岩和凝灰岩等，其中P2β3层的P2β32、P2β33发育柱状节理玄武岩，P2β32层主要为第二类柱状节理玄武岩，P2β33层主要为第一类柱状节理玄武岩，P2β2层顶部的P2β24为厚0．3 ～1．75m 的凝灰岩，P2β3层顶部的 P2β36为厚0．01 ～1．3m 的凝灰岩。

柱状节理是玄武岩中特有的构造，多见于厚层熔岩中，其形态大多呈一种规则的多边形长柱体，节理面形态以平直粗糙为主，部分为波状粗糙。柱状节理玄武岩开挖后易张开、松弛，原嵌合紧密的柱体因松弛形成局部掉块，施工中应注意爆破工艺，开挖后清撬工作要彻底并及时实施锚喷支护。

3 柱状节理洞段围岩松弛变形研究

3．1 监测断面与监测孔的布置

为研究柱状节理岩体在开挖强卸荷下的围岩松弛变形规律，在左岸导流隧洞中布置了8个断面开展围岩松弛效应测试(图1)，其中1#导流洞布置了两个监测断面，2#、3#导流洞各布置了三个监测断面，每个监测断面均在左右边墙及拱肩、顶拱布置有监测孔。

图1 典型监测断面布置图

监测孔采用多臂锚杆钻机、地质钻、高风压钻钻设。钻孔孔径均为75mm，孔深9m。

3．2 测试方法

本次监测采用单孔声波波速测试法和由岩体裂隙演化的数字钻孔摄像，声波测试仪器为中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM-SY5智能声波仪，声波探头采用万向电子器件有限公司生产的FSS-20型单孔声波检测换能器。单孔声波检测换能器的频率为20kHz，直径为50mm，换能器的结构为:发射至接收一距离为20cm，接受一至接收二距离为20cm。数字钻孔摄像设备为中国科学院武汉岩土力学研究所研制的 DPBCS系统，其对裂隙的最小分辨率为0．1～0．2 mm。

3．3 监测结果分析

本次测试采用声波测试，典型岩体波速变化曲线如图2、3所示。通过对左岸导流洞玄武岩柱状节理段松弛时效特性的现场监测数据进行综合分析后得到的主要结果如下:

(1)对布置在距开挖面30m附近的监测断面进行分析显示，上层柱状节理洞段松弛范围为2．5m左右。中层柱状节理距底板2m处的松弛深度为3m左右;距中层底板4m处的松弛深度为4m左右。

(2)在地应力较高且右拱肩有掉块现象的洞段布置的监测断面的测试结果显示该区域松弛范围明显高于其他断面，距上层底板2m处的松弛范围为3m左右，距上层底板4m位置的松弛范围达到3．8m。

(3)在靠近断层附近布置的监测断面得到的测试结果显示松弛深度稍大，为3．5m左右。

因此可知，柱状节理的松弛变形除自身受到爆破卸荷影响而增大外，还与地应力的影响、错动带或其他节理裂隙产生的影响密切相关。

图2 监测断面钻孔T1-E6声波波速随深度变化曲线图

图3 监测断面钻孔T1-E12声波波速随深度变化曲线图

4 柱状节理段支护参数的优化

由于柱状节理洞段岩体开挖后易松弛的特点，在施工过程中边施工、边总结，并结合围岩松弛测试的结果，经多次会议讨论，最终确定对柱状节理洞段的支护参数进行了以下优化调整(表1)。

表1 柱状节理段支护形式优化对比表

5 柱状节理洞段施工采取的应对措施

5．1 柱状节理段第一层开挖施工

柱状节理洞段原开挖方案采用分三区进行施工(图4):中导洞先行，两侧扩挖滞后一定距离，“品”字型推进，后根据开挖的情况及对爆破效率进行分析后改为采用分两区进行开挖(图4):中、左侧先开挖，右侧滞后一定距离跟进。分两区开挖能减小开挖与支护的施工干扰，对及时组织支护施工有利，能够有效防止岩石长时间裸露引起松弛范围增大。

图4 柱状节理段第一层分区示意图

柱状节理洞段第一层开挖施工方法与其余洞段一致，均利用自制钻爆平台作为作业平台，采用人工持手风钻钻水平孔光爆开挖。

5．2 柱状节理段第一层支护施工

(1)支护施工程序。

柱状节理发育洞段范围较广，分布有Ⅱ类、Ⅲ1类、Ⅳ类围岩等。根据不同的围岩采取不同的支护方式，总体的支护程序为:

Ⅱ类、Ⅲ1类围岩洞段:随机排水孔→初喷6 cm厚钢纤维混凝土→系统锚杆施工→复喷9cm厚钢纤维混凝土。

Ⅳ类围岩洞段:随机排水孔→初喷6cm厚钢纤维混凝土→短系统锚杆施工→挂钢筋网→钢筋拱肋安装→普通预应力锚杆施工(必要时采用涨壳式预应力锚杆)→复喷9cm厚钢纤维混凝土。

①Ⅱ类、Ⅲ1类围岩柱状节理发育洞段支护程序。

对于柱状节理发育的Ⅱ类、Ⅲ1类围岩洞段，开挖完成后立即进行初喷6cm厚钢纤维混凝土封闭。钢纤维混凝土克服了素混凝土抗拉强度低、极限延伸率小和脆性等弱点，能够在初期形成一层具有较高的抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度的承载拱圈，有效防止柱状节理开挖完成后的松弛变形。对于有渗水的部位，需优先设排水孔引排渗水，再进行喷钢纤维混凝土封闭，防止围岩因渗透压力导致坍塌(图5)。

图5 柱状节理段受渗水影响喷混凝土后发生坍塌示意图

②Ⅳ类围岩柱状节理发育洞段支护程序。

对于柱状节理发育洞段同时存在缓倾角错动带、层面、随机节理裂隙、断层等不利地质构造存在的部位，需严格按照一炮一支护进行施工，否则极易发生坍塌(图6)。开挖完成后，按照设计支护形式在完成所有系统支护后方能进行下一循环的开挖支护施工。

(2)支护施工方法。

图6 柱状节理段受渗水影响喷混凝土后发生坍塌示意图

柱状节理段支护施工方法选择的关键在于如何形成快速支护。左岸导流隧洞的支护充分利用大型设备，实现了快速支护施工(图7)。主要采用的设备有多臂凿岩台车、湿喷台车、液压支护平台、吊车平台等。

5．3 柱状节理段第二层的开挖施工

柱状节理段第二层开挖利用直边墙的结构特征，采取深孔预裂、梯段爆破的方式进行开挖。

图7 第一层支护施工方法示意图

预裂爆破就是提前将岩体在爆破冲击波的作用下拉开一条预裂线，以减小中部梯段开挖对边墙的影响，通常梯段爆破会滞后预裂爆破一段时间。预裂爆破会使已成缝的岩体暴露在空气中，结合柱状节理玄武岩开挖后易松弛的特点，预裂缝两侧岩体会逐渐张开、松弛，造成松动圈扩大，逐层剥落，将直接影响到边墙的稳定性。

避免超前预裂导致柱状节理段围岩暴露时间长而导致松弛圈增大。对于柱状节理段，主要采用深孔光面爆破的方式进行开挖;另外，也有部分洞段采用预裂爆破，但梯段爆破与相应段的预裂爆破同时进行，通过非电雷管微差起爆方式保证预裂孔先于主爆孔爆破。两种方式均可解决超前预裂所带来的柱状节理段结构面暴露时间长的问题。相对而言，光面爆破由于线装药量小，更能减小爆破松动圈，更有利于柱状节理段的围岩稳定。

图8 第二层开挖方法示意图

5．4 柱状节理段第二层的支护施工

第二层开挖支护时严格按以下时间段进行支护施工(图8):

开挖完成后，1周内完成初喷钢纤维混凝土封闭，20d内完成6m系统锚杆支护，1个月内完成所有系统支护施工。第二层支护施工仍采用大型设备进行快速支护，有效遏制了柱状节理松弛变形，取得了较好的成效，左岸导流洞柱状节理的松弛深度最大未超过4m。

柱状节理段的支护施工充分利用大型设备，实现了快速支护施工。采用的设备有多臂凿岩台车、湿喷台车、液压支护平台、吊车平台等。

5．5 柱状节理段第三层的开挖、支护施工

第三层开挖施工主要采用手风钻水平光爆开挖，其支护程序与第二层一致。

6 柱状节理洞段开挖支护易发生的问题及对策

6．1 锚杆孔塌孔

问题:由于柱状节理段围岩易松弛，锚杆孔成孔后极易发生塌孔，导致锚杆无法安装。

对策:柱状节理段采取施工大孔(孔径64mm或76mm)的方式保证了锚杆成孔率。对于施工了大孔仍无法安装锚杆的，采取自进式锚杆进行替代施工，预应力锚杆则采用涨壳式预应力锚杆进行替代。

6．2 柱状节理段易坍塌

问题:据左岸导流隧洞柱状节理洞段实际开挖情况，柱状节理发育段开挖后需及时进行支护，否则易发生坍塌掉落。

对策:严格按程序进行支护施工，及时完成喷钢纤维混凝土封闭及系统锚杆支护。

6．3 拱肩部位掉块

问题:在导流洞开挖支护施工阶段，通过制定合理的施工程序，及时进行随机支护和系统支护，加强现场安全管理，未发生重大安全事故。但就工程本身而言，在导流洞开挖支护完成后进行混凝土浇筑施工时，右侧拱肩部位在平行于最大主应力方向多处发生片帮、掉块(图9)。

图9 右侧拱肩高地应力破坏分析图

对策:通过对导流洞地质情况进行分析后认为其主要原因是:左、右岸导流洞属于中等～高应力区。左岸导流洞第一主应力为NW向，缓倾SE，量值为14．2 ～22．4MPa，洞轴线方向为 N25°W～近SN，容易在右拱肩部位产生应力集中。第一层开挖后，应力集中区主要在拱肩一带，造成右侧顶拱地应力较高，当应力集中到一定程度时，就会产生片帮剥离现象。第二层开挖后，应力集中从拱肩向边墙一带扩展，随边墙临空面加大，松弛深度逐渐增大且随时间的延长松弛持续发展，产生渐进式破坏;若有陡倾角裂隙小角度切割边墙，则松弛发生的速度更快、范围更大。

该问题出现后，主要采取了以下措施进行应对处理(图 10、11、12、13):

方案一:

(1)在超过掉块区域2m的范围布置φ6．5@15cm×15cm钢筋网。

(2)在钢筋网的外侧，根据锚杆的间排距牢固焊接φ22的通长龙骨钢筋，布置成网状，将钢筋网压紧。

(3)钢筋网布置完成后喷C25混凝土覆盖。

图10 右侧顶拱掉块加强支护示意图

图11 右侧顶拱掉块加强支护实施效果图

方案二:

(1)在不稳定岩体区域轮廓线以外2m范围内布置GPS2型主动防护网进行防护，主动防护网由支撑绳、钢丝绳网和铅丝格栅构成。防护网支撑绳采用φ16钢绳与系统锚杆牢固连接，支撑绳内铺设4m×4m的DO/08/300型菱形钢丝绳网，每张钢绳网与支撑绳之间采用φ8钢绳缝合，钢绳网内部铺设S0/2．2/50铅丝格栅网。

(2)主动防护网与系统锚杆之间采用吊环进行连接，吊环采用φ16圆钢制作，圆环直径为10 cm，与系统锚杆的连接采用双面焊接，如果长度足够也可以采用单面焊接，焊接长度需满足相关规范要求。

7 反思与总结

图12 导流洞右侧顶拱掉块防护示意图

图13 导流洞右侧顶拱掉块防护实施效果图

白鹤滩水电站导流隧洞施工已基本完成，整体来说取得了较好成果，但在柱状节理洞段施工过程中采取的一些方法、经验还是值得反思与总结的。笔者希望通过对导流隧洞柱状节理洞段施工过程中出现的难题以及采取的应对措施的介绍，能对今后大断面、高边墙的柱状节理隧洞施工提供借鉴、参考。

(1)柱状节理洞段由于岩体开挖后易松弛、剥落，自稳性差，在右岸导流洞施工时局部岩体松弛范围曾超过8m，从而引起大范围的塌落。左岸导流隧洞柱状节理洞段施工时吸取了右岸施工经验，开挖后及时进行了支护封闭，有效防止了岩体剥落导致松动圈逐层增大。所以，柱状节理洞段施工中的及时跟进支护是关键。

(2)柱状节理洞段爆破应尽量减小总装药量和最大单响药量，减小围岩爆破松动圈的范围。爆破后及时封闭支护，初期支护采用初喷钢纤维混凝土效果较好，钢纤维混凝土能克服素混凝土抗拉强度低、极限延伸率小和性脆等弱点，能够在初期形成一层具有较高抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度的承载拱圈，从而能够有效地防止柱状节理开挖完成后的松弛变形。

(3)岩体渗水会极大地影响柱状节理洞段的稳定，若不及时引排渗水，将会引发大范围的坍塌。左岸1#导流隧洞k0+450桩号附近第一层顶拱施工时，顶拱部位出现了少量的岩体渗水，若未进行排水设施施工就进行喷混凝土封闭，将导致岩体渗水无法正常排出，并在节理裂隙中累积、流动，将进一步降低岩体间的粘结性，导致松动圈进一步扩大，顶拱发生大范围坍塌。在柱状节理洞段施工中要加强观察，对于渗水部位要先做好引排措施后进行喷混凝土封闭支护施工。

(4)针对柱状节理洞段岩体裸露后易松弛的特点，梯段爆破施工应控制分层高度，分层不宜超过8m，控制分层高度能有效减小围岩的变形，且能快速跟进支护，防止松动圈的进一步扩大。梯段爆破方式不宜采用超前预裂，需采用光爆或同步预裂爆破。笔者建议:优先采用光爆开挖。

(5)柱状节理洞段分布较广，在出露缓倾角错动带的附近，需预测错动带在顶拱出露的位置，并沿错动带施工锚垫板锚杆加强支护，必要时增加挂钢筋网支护。

［1］ 水力发电工程地质勘察规范，GB50827-2006［S］．