引红济石调水工程引水隧洞不良地质洞段钻爆法施工段软弱围岩塑性变形施工方案研究

王　瑜

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

引红济石调水工程引水隧洞不良地质洞段钻爆法施工段软弱围岩塑性变形施工方案研究

王瑜

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

在水工隧洞施工中穿越较大规模断层、软岩及裂隙发育岩体破碎洞段及高地应力低弹模的围岩破碎带深埋洞段等不良地质洞段，极易发生围岩失稳变形失稳等突发地质灾害，造成一次支护的破坏，对施工安全造成威胁，特别是失稳后的二次加固其危险性和难度极大，本文结合陕西省引红济石调水工程实际施工经验，提出了一整套的软岩变形段施工处理方案，为工程的顺利实施提供了技术支撑。

调水工程；引水隧洞；不良地质洞段；软岩塑性变形；施工方案

1　工程概况

引红济石调水工程位于陕西省宝鸡市太白县，属陕西省内的跨流域调水工程。该工程自秦岭南麓红岩河上游取水，通过穿越秦岭的长隧洞自流调入秦岭北麓石头河上游桃川河，主体工程由低坝引水枢纽和输水隧洞两大部分组成。

隧洞进口位于关山枢纽下游560m的红岩河左岸，出口在五里坡东桃川河左岸五里坡，拐点在太白县城正南4km的石沟河畔小罐子村，全部位于秦岭山区变质岩中，隧洞全长19.76km。

输水隧洞设计流量13.5m3/s，无压自流输水，纵坡1/890、糙率0.014。钻爆法施工断面为圆拱直墙型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×宽），掘进机法施工断面为圆形，成洞直径D3.0m。

输水隧洞具有长、小、深、杂、难等特点。隧洞洞线较长，造成施工通风、运输困难。洞身一般埋深150m～300m，最大埋深达450m，属深埋隧洞。受地形条件限制，隧洞沿线洞底高程均低于太白盆地，施工时只有洞线上游中部小罐子附近有开挖斜支洞的条件，洞线下游部分斜支洞布设困难。

洞身断面尺寸较小，由于设计引水流量较小，洞身断面以施工合理断面控制，圆形断面设计开挖直径3.9m，断面面积11.95m2。圆拱直墙型断面设计洞身最小开挖宽度为3.3m，高度3.55m，断面面积10.54m2，给施工运输、通风、排水和组织管理等带来很大的困难。

因此在施工方法的选择上，经多方案论证，原批复的初设推荐采用钻爆+掘进机（TBM）联合施工方案。即隧洞上段桩号0+009.56～8+700段采用钻爆法施工，隧洞下段桩号8+700～19+726.80段采用TBM施工。

2　引水隧洞主要工程地质问题

自工程开工以来一直受到不良地质条件的影响，围岩软硬不均，软弱围岩断层破碎带变化频繁，涌水量大，开挖后变形量大，对施工安全及进度影响非常大，原设计一次支护方案已不能满足施工要求，因此，必须在分析明确地质条件的前提下有针对性的提出可行的变形段围岩支护方案。

引红济石工程隧洞穿越秦岭山间盆地，地质构造属秦岭褶皱带东西向构造的次级向斜构造盆地，表部被第四系冲洪积和冰碛层覆盖，地质条件复杂。工程区主要构造也沿东西向展布，受其影响，地质构造对东西向洞室围岩稳定性影响比较明显。而受工程建设条件限制，引水线路展布唯有东西向布设，因此出现较多洞室围岩较差也符合该区域地质构造基本规律，主要原因如下：

（1）岩性复杂，岩性相变大。不仅有坚硬的花岗岩、大理岩、片麻岩，角闪片岩，而且夹有云母片岩和炭质片岩等软岩，软硬相间，软岩往往随机分布。

（2）工程区断裂构造发育，不仅发育有与洞线平行的东西向区域大断裂，而且发育一系列次生断裂构造，致使岩石破碎，围岩稳定性差。据地应力测试，隧洞最大水平地应力达43MPa，最大水平地应力方向为NE11°，基本与洞线垂直，因而影响洞室的稳定，特别是断层破碎带和软岩段围岩，易产生塑性变形和发生坍塌。

（3）区域断层较勘察期分布位置有较大变化，技施第一次补勘查明F1、F1′及F2′分支断层，在洞室K1+550～K3+150m段处围成的三角区，受多条断层相互挟持的影响，该段岩体十分破碎，对洞室的影响程度大Ⅳ、Ⅴ类围岩的达1600m。

（4）受区域断裂构造影响，整个洞室岩体中发育较多的次一级小断层，该类断层规模小，但发育较多，且分布随机性强，无明显的规律性。仅钻爆段出露小断层达231条，根据地质编录资料统计累计影响长度达1100m。

（5）大理岩片理中所夹薄层与极薄层炭质片岩，状如石墨，遇水极易泥化、软化，使得大理岩的完整性受到破坏，加之大理岩具有“硬、脆、碎”的特点，施工爆破形成碎裂块状，坍塌掉块现象较多。

3　软弱围岩施工方案研究

由于洞身断面尺寸较小，洞身断面以施工合理断面控制，因此隧洞采用先开挖贯通后衬砌的施工方案，致使由上述原因造成的变形对一次支护破坏很大，同时对施工安全也造成了严重威胁。针对以上情况结合在现场实际施工中已进行的一些有益的探索并总结出了一些经验，其中最重要的就是在开挖后及时对此类洞段进行强支护，且加强排水，并保证支护圈的封闭和拱脚的稳定。采用模筑混凝土衬砌进行封闭，减少外界对围岩的扰动，同时混凝土衬砌通过自身的刚度也能抵抗围岩的部分塑性蠕变形，防止二次应力集中，不失为一种加强支护的有效措施，也给人一种安全感。因此提出了“边打边衬”施工方案，但由于本工程断面小此方案对隧洞施工期的洞内运输有较大的影响，也会增加工程量和投资，因此仅在需要边打边衬的局部洞段进行处理。

3.1边打边衬的适用条件的判别

边打边衬方案主要是在以下几种存在软弱围岩且水量丰富的不良地质洞段所采取的具有针对性的特殊处理措施，因此对具体洞段是否适用于采用边打边衬方案需要有一定的判别标准，从掌握资料分析可进行边打边衬方案的围岩条件主要有以下几种。

3.1.1较大规模断层带的穿越

其特点是断层与隧洞夹角小，交汇距离长，断层带物质松散无强度夹杂断层泥，由于断层挤压错动严重，角砾粒径小，大多1cm～5cm。地下水活动中等～强烈，呈淋雨状出露，局部股状涌水，涌水流量达到或超过150L/min～200L/min，因涌水会加速岩体风化泥化，降低结构面抗剪强度故此类情况可考虑提前衬砌。

3.1.2软岩及裂隙发育，岩体破碎洞段

灰白色糜棱岩、炭质片岩、云母石英片岩等软岩，强度低，遇水易泥化段及洞段岩性虽为大理岩等强度较高的围岩，但裂隙发育，岩体破碎的洞段。如遇地下水活动较强，局部有滴水及线状流水情况会对围岩产生较大不利影响的情况也可考虑提前衬砌。

3.1.3高地应力低弹模的围岩破碎带

隧洞埋深超过150m的洞段，属深埋隧洞，存在较大地应力。深埋隧洞在高地应力作用下，软弱围岩常易引起二次应力集中、塑性蠕变及坍塌变形严重等工程地质问题也可考虑提前衬砌。

3.2判定的主要依据

以上仅是对边打边衬的适用条件做了说明，但对其判定还应通过一些可靠的技术手段支持，其应包括：

3.2.1地质超前预报资料

因为如采用边挖边衬方案，则隧洞的开挖断面必须扩挖，因此决定了边打边衬方案必须具有提前性，这也就要求我们在开挖施工前必须做好地质超前预报工作，为地质编录人员判断前方围岩变化情况和可能出现的各种不利因素提高可靠资料；目前可行的超前探测方法主要有电测、超前钻、地质雷达、洞内检测等，但每种探测手段都有其局限性，因此，在超前探测时应尽可能利用多种方法相互配合，才能取得良好的效果。

3.2.2紧跟掌子面的施工监测数据

紧跟掌子面的施工监测数据对我们了解掌子面附近已开挖洞段围岩变化具有重要的参考价值，也是我们对围岩进行评价和选择衬砌时机的重要依据，因此对此数据的收集也是十分必要的。

3.3方案设计

虽然上述几种情况的影响程度与作用机理不尽相同，其应对措施也应具有针对性和灵活性。同时考虑到因本隧洞断面较小如按原设计二次衬砌对这些洞段进行提前衬砌则会缩小施工断面对施工造成影响，因此在提前衬砌后内断面尺寸按Ⅲ类围岩开挖断面3.7m×3.6m（高×宽）设计，其主要处理措施为：

3.3.1拱直墙方案

此方案适用于遇水易软化的糜棱岩、炭质片岩等软岩洞段，其提前衬砌主要是为了减少地下水活动对围岩的泥化软化。衬砌可采用C25混凝土全断面衬砌，衬砌断面型式仍为圆拱直墙断面，并按照本隧洞排水设计图，埋设排水管以阻断渗水对围岩的浸泡；

其主要形式为二次衬砌C25钢筋混凝土厚度400mm，成洞尺寸3.7m×3.6m（高×宽）抗渗标号W6，抗冻标号F100；墙背预埋φ50mm软式透水管。

为增强衬砌对各种情况的适应性，其配筋形式共分为中型和重型两种，根据围岩条件进行选择。

图1　扩挖断面开挖及一次支护设计图

图2　扩挖断面二次衬砌设计图

3.3.2马蹄形方案

此方案适用于高地应力低弹模的围岩破碎带及受断层带影响、围岩整体性差等常易引起边墙收缩、顶拱下沉等工程地质问题的，应采用近似于马蹄形的圆拱曲墙断面，解决断面侧墙段的收缩变形等问题。

其主要形式为二次衬砌C25钢筋混凝土厚度400mm，顶拱及侧墙均为圆弧，底板仍为平底板。成洞尺寸3.7m×3.4m（高×宽）抗渗标号W6，抗冻标号F100；墙背预埋φ50mm软式透水管。

4　结语

引红济石工程地质复杂多变，尤其是软弱围岩的变形处理一直困扰施工的正常进展，此方案在工程施工中多处洞段成功的运用，有效解决了施工中的问题，有力保障了工程的顺利实施，目前工程钻爆法施工段已全部完工，所有采用此方案施工段再没有出现二次变形失稳问题。陕西水利

（责任编辑：畅妮）

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