复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案优化

徐 懿

(贵州建设职业技术学院，贵州 贵阳 550028)

复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案优化

徐 懿

(贵州建设职业技术学院，贵州 贵阳 550028)

结合木里河卡基娃电站引水隧洞的开挖施工，分析了该电站引水隧洞施工中所遇见的几种典型地质条件的开挖支护方案，并对各方案的开挖支护措施作了具体阐述，以促进复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案的研究。

复杂地质条件，水工长隧洞，开挖支护，处理方案

1 工程概况

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，系木里河干流(上通坝—阿布地河段)水电规划“一库六级”的第二个梯级，是该河段梯级开发的“控制性水库”工程，电站采用混合式开发。

水库正常蓄水位2 850.00 m，正常蓄水位以下库容3.583亿m3；死水位2 800.00 m，相应死库容0.777亿m3；校核洪水位2 852.20 m，总库容3.745亿m3，具有年调节能力。拦河大坝为面板堆石坝，最大坝高171 m，电站采用混合开发方式，引水隧洞长6.36 km，电站装机容量452.4 MW，多年平均年发电量17.14亿kW·h。

引水线路经过区地形较完整，沟谷切割浅，洞线长约6.364 km，为典型的截弯取直线路。引水隧洞布置在木里河右岸，全长6 364 m，纵坡降4.40 ‰，为有压隧洞。断面型式为圆形，直径为8.2 m，隧洞垂直埋深一般为80 m～500 m，最深为810 m。引水隧洞在平面上共设有4个弯道，转弯半径均为100 m。第一个转弯点起点桩号K0+208 m，终点桩号K0+252.330 m，弯道中心角度25°7′11.83″；第二个转弯点起点桩号K1+982 m，终点桩号K2+027 m，弯道中心角度25°50′57.54″；第三个转弯点起点桩号K3+555 m，终点桩号K3+610 m，弯道中心角度31°47′7.08″；第四个转弯点起点桩号K6+235 m，终点桩号K6+287 m，弯道中心角度29°28′44.52″。引水隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌。引水隧洞共布置3条施工支洞，其中1号、3号支洞设置永久检修门，2号支洞封堵。同时，1号施工支洞内结合布置生态小电站压力管道。

隧洞永久支护方案为：Ⅲ类围岩洞段，衬砌厚30 cm；Ⅳ类围岩洞段，衬砌厚60 cm；Ⅴ类围岩洞段，衬砌厚80 cm。引水隧洞全段在顶拱120°范围内进行回填灌浆，对Ⅳ，Ⅴ类围岩洞段周边进行固结灌浆。洞室开挖后及时对顶拱240°范围内进行一期支护。

2 工程地质条件

根据电站地质勘察报告：卡基娃电站引水隧洞线路沿线无大沟谷，隧洞埋深总体较大，围岩为新鲜基岩。穿越区山体浑厚，隧洞埋深较大，地层岩性以奥陶系下统人公组(O1r)板岩和石英砂岩互层为主，岩体新鲜，地质构造较单一，无区域性断层通过。隧洞围岩以不稳定的Ⅳ类围岩为主，部分为局部不稳定的Ⅲ1,Ⅲ2类围岩，由于地层走向与洞轴线呈小角度相交，总体上对洞室稳定不利，隧洞的顶拱和内侧边墙相对外侧边墙稳定性较差；在线路的某一段围岩可能连续出现较软弱的板岩，洞室存在较大塑性变形的可能性；普尔断层穿过段可能造成大规模塌方，局部洞段可能出现涌水、突水现象，深埋的变质石英砂岩洞段可能产生轻微岩爆。

卡基娃水电站引水隧洞在开挖施工过程中，出现了较多典型性地质问题。本文就卡基娃电站引水隧洞2号施工支洞支0+201 m～支0+351 m断层破碎带处理、2号支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段和3号支洞控制上游连续软弱板岩段等典型洞段的开挖支护方案拟定，来研究讨论复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案的优化选择。

3 开挖支护施工方案选择

卡基娃电站引水隧洞全长6 364 m，纵坡降4.40 ‰，为有压隧洞。断面形式为圆形，直径为8.2 m。隧洞施工时，共布置3个支洞，从上游～下游依次为1号施工支洞、2号施工支洞、3号施工支洞，依次布置于引水隧洞K1+211 m，K3+661 m，K6+272 m。在隧洞开挖施工过程中，针对不同类别地质条件，施工主要采用了如下开挖支护方案：

针对隧洞Ⅲ类围岩，隧洞开挖支护主要以随机锚杆+喷5 cm厚C20混凝土支护为主；

针对隧洞Ⅳ类围岩，隧洞开挖支护主要以系统锚杆+φ6.5钢筋网(15 cm×15 cm)+喷10 cm厚C20混凝土支护为主；

针对隧洞Ⅴ类围岩，隧洞开挖支护主要以型钢支撑(Ⅰ18～Ⅰ20，间距75 cm～100 cm)+系统锚杆+φ6.5钢筋网(15 cm×15 cm)+喷12 cm厚C20混凝土支护为主。型钢型号、布置间距根据围岩揭露、地下水、开挖质量等情况进行选定。

特殊地质洞段开挖支护方案根据特定地质条件优选。

卡基娃引水隧洞开挖，其支护方案除复杂地质洞段外，基本按照上述方案实施。

4 复杂地质条件的开挖支护方案

4.1 2号施工支洞支0+201 m～支0+351 m断层破碎带塌方段开挖支护处理

由于此洞段埋深较浅，处于普尔大断层带，断裂带宽度较大，且岩层走向与线路走向呈小角度相交，节理裂隙发育，围岩极其破碎，涌水较大，施工过程出现了多次塌方。鉴于洞段地质情况，洞段开挖支护采用了如下施工方案：

1)超前支护。超前注浆小导管(φ42×3.5 mm，L=6 m)在隧道顶拱环向120°布置，间距30 cm，环向间距30 cm，纵向排距1.5 m。由于顶拱涌水量较大，水泥浆液注浆无法起到相应作用，对此采用掺加水玻璃进行双液灌浆止水，待涌水止住后再进行超前导管的注浆施工。

2)拱架支护。采用Ⅰ20b型钢拱架支护，每榀钢拱架设置16根锁脚锚杆(φ25，L=3 m)；每榀拱架间距50 cm，拱架之间采用Φ22钢筋连接，间距20 cm。由于空腔堆积物较多，而且还不断有块石掉落，采用Ⅰ20b型钢制作成拱上拱提高拱顶承载力(根据实际情况定)。

3)系统支护及喷混凝土。跨过空腔后拱顶部分设置10根系统锚杆(φ25，L=3 m)，间排距1 m，梅花形布置；超前小导管及锁脚锚杆均与型钢拱架焊接牢靠。型钢拱架内外侧均布置一层φ6.5钢筋网(15 cm×15 cm)，网片与型钢拱架焊接牢靠；每完成一榀即喷C20混凝土封闭，喷射厚度15 cm。

4)施工程序。由于掌子面塌方体已堆至拱顶以上，开挖时采用分上、下两部的分部开挖支护方式进行施工。利用塌方体修筑一个操作平台，先进行掺水玻璃的双液灌注施工，待涌水止住后再进行注浆小导管的施工，待导管施工完成后开挖30 cm～40 cm进行钢支撑、连接筋、钢筋网与喷混凝土施工，待此循环完成后再进行下一循环的施工。直至支撑至较好围岩洞段后再进行下半洞钢支撑的接腿施工。

4.2 2号支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段开挖支护处理

引水隧洞K3+961 m～K3+985 m段围岩地质结构较差,岩体节理裂隙发育，岩石产状差,顶拱结构形成极不稳定体。在开挖施工过程中，引水隧洞K3+961～K3+985段顶拱出现大塌方，空腔高度大于8 m，总塌方量约1 100 m3。

根据现场塌方情况，该塌方段采用分上、下导坑分别进行处理的处理方案，具体处理方案如下：

1)上导坑处理方案。

超前支护。超前注浆小导管(φ42×3.5，L=6 m)环向120°布置，间距30 cm，环向间距30 cm，纵向排距1.5 m。由于顶拱有渗水外渗，对渗水量较大部位，采用掺加水玻璃进行双液灌浆止水，待涌水止住后再进行超前导管的注浆施工。

型钢支撑。采用Ⅰ20b工字钢型钢拱架，间距60 cm；每榀钢拱架设置18根锁脚锚杆(φ22，L=3 m)。拱架之间采用Φ22钢筋连接，间距50 cm。拱架上部铺设φ6.5(15 cm×15 cm)网片与型钢拱架焊接牢靠。

由于塌方空腔高，顶拱上采用异型Ⅰ20b工字钢架加工而成的钢拱架，工字钢应紧贴岩面。

系统支护及喷混凝土。跨过空腔后拱顶部分设置10根系统锚杆(φ25，L=3.0 m，间排距1.5 m梅花形布置)；超前小导管及锁脚锚杆均与型钢拱架焊接牢靠。型钢拱架内外侧均布置一层φ6.5钢筋网(15 cm×15 cm)，网片与型钢拱架焊接牢靠；每完成一榀即进行C20喷混凝土封闭，喷射厚度15 cm。

2)下导坑处理方案。

为确保后期混凝土浇筑前开挖下导洞的施工安全，使前期支护达到整体受力效果，下导坑开挖时,需预开挖Ⅰ20b工字钢支护尺寸,下导坑Ⅰ20b工字钢拱架支撑与上导坑Ⅰ20b工字钢拱架连接成整圆。拱架之间采用Φ22钢筋连接，间距100 cm均匀布置。

在塌方部位抢险施工期间，需要增加的支护措施现场监理可根据以上原则及现场实际情况先行安排施工。

4.3 3号支洞控制上游连续软弱板岩段等典型洞段的开挖支护

卡基娃引水隧洞3号支洞上游控制段主要以连续软弱板岩为主，且部分洞段有少量渗水，开挖后出露围岩泥化较快，围岩自稳性较差。

对此洞段的开挖，爆破采用密孔、少药量、低进尺的开挖方式，开挖后及时进行支护。对无渗水洞段，支护以型钢支撑(Ⅰ18，间距100 cm)+系统锚杆(φ25，L=3.0 m，间排距1.5 m梅花形布置)+φ6.5钢筋网(15 cm×15 cm)+喷12 cm厚C20混凝土支护为主。如遇渗水洞段，则在进行型钢支撑后，立即采用注浆小导管掺加水玻璃进行双液灌浆止水，再进行锚杆和挂网喷混凝土处理。

5 结语

卡基娃水电站引水隧洞施工过程中部分洞段出现了复杂地质条件，隧洞开挖施工相继出现了大断层、塌方和连续软弱板岩洞段，因施工中采取的措施及时、合理，使隧洞复杂地质洞段开挖未出现大的伤亡。结合卡基娃电站引水隧洞复杂地质条件洞段开挖支护与国内相关工程隧洞开挖支护经验，水工隧洞对复杂地质条件洞段的开挖支护方案总结如下：

1)作好地质勘查与隧洞开挖地质监测与预报，为开挖方案制定提供依据。

2)合理利用新奥法，及早作好初期喷混凝土支护，及时封闭开挖暴露围岩，合理确定系统支护的喷锚参数。

3)对于自稳时间短，喷锚初期支护强度不足以稳定洞体的软弱破碎、浅埋软岩、严重偏压、岩溶、流泥、砂层、砂卵、砾层、破碎以及大面积淋水或涌水地层隧道施工，可采用辅助措施和锚喷支护相结合的加固办法进行施工。

4)地质条件较差，围岩比较破碎的洞段开挖支护方案按“先深探、管超前、预注浆、小断面、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、常量测”的原则组织。

[1] 丁 阳.复杂地质条件下隧道结构的设计与施工[J].施工技术，2003(8)：24-25.

[2] 赫建岗.隧道超前小导管注浆工艺及注浆量计算的探讨[J].山西交通科技，2004(6)：17-18.

[3] 顾永智.不良地质条件隧道施工影响因素及超前预报方法[J].中华建设，2011(5)：71-72.

Long hydraulic tunnel excavation support scheme optimization under complicated geological conditions

Xu Yi

(GuizhouVocationalCollegeofConstruction,Guiyang550028,China)

Combining with the diversion tunnel excavation of Mulihe Kajiwa power station, the paper analyzes diversion tunnel excavation scheme under several typical geological conditions of the power station, and specifically describes their own excavation support measures, with a view to promote the long tunnel excavation support scheme research under complicated geological conditions.

complicated geological conditions, long hydraulic tunnel, excavation support, processing scheme

2015-04-05

徐 懿(1974- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)17-0162-02

U455

A