某水电站引水隧洞蚀变围岩施工技术研究

张 树 军， 贺 宁 波， 周 志 东

(中国安能第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

某水电工程位于大渡河上，工程规模为二等大(2)型，电站安装4台机组，总装机容量为108万kW，采用混凝土闸和面板堆石坝+左岸引水系统+地下厂房的枢纽总布置方案。引水系统建筑物包括引水隧洞、调压室、压力管道等。两条引水隧洞平行布置，平均长度约14.4 km，洞径为13.5 m，两洞间距为60 m。

洞室围岩主要为晋宁-澄江期花岗岩，辉绿岩脉穿插其中。经过十亿多年的演化和运动，岩石受到碰撞、挤压、蚀变等作用造成岩体结构面发育，岩石破碎，花岗岩中长石蚀变严重，围岩质量下降，稳定性差，对施工造成重大影响。因此，如何对蚀变围岩进行分类并有针对性地采取有效的施工方法是施工中必须研究的课题，笔者对此进行了分析和阐述。

2 围岩蚀变程度的分类

2.1 蚀变岩的形成过程与原理

围岩蚀变系指围岩受到流体和热液作用发生的各种交代变质作用，是一个新的物理化学变化过程。

花岗岩的围岩蚀变主要是长石的化学变化，长石的化学变化一般包括水解作用和水溶作用。水解作用主要是水离解成H+和OH—离子，导致酸性反应或碱性反应。例如，正长石在水的作用下具有以下水解反应：

(1)

如果不是纯水，水中含有酸类物质，如碳酸，就会加速岩石的蚀变，因为碳酸根可以剥夺矿物中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子形成碳酸盐，破坏岩石矿物的原有结构。以正长石为例：

(2)

KOH、K2CO3等可溶盐及SiO2胶体会随水流失，而高岭土不溶于水残留下来，与花岗岩中稳定的SiO2或氧化铁等形成残留的蚀变岩。

2.2 蚀变岩蚀变程度的划分

目前对于围岩的蚀变程度尚未有标准，亦不易在现场掌控。笔者根据经验和实际情况，对某水电站围岩蚀变程度进行了探讨和初步划分，将其分成面蚀变和体蚀变，具体划分情况见表1。

表1 蚀变岩蚀变程度划分及围岩分类初判表

3 施工过程对蚀变岩采取的处理方法

针对不同的蚀变岩体，根据水利水电工程围岩分级方法并考虑岩石强度、岩体结构、地下水、地应力等因素[1]，在对围岩级别进行分级的基础上，笔者针对不同蚀变程度的围岩采取了不同的开挖支护监测措施。

3.1 围岩的超前预报

针对处于复杂多变蚀变岩体中的地下工程，其地质预报需要多种方法并用，引水隧洞施工采用的超前地质预报方法和手段很多，应以地质综合分析法为基础，针对不同洞段的地质情况和预报目的进行必要的技术经济比选，选择有针对性、适用性强的方法和设备，采用一种或几种方法的合理组合，达到预报准确、费用最低、占用时间最少的目标。对于一般洞段可以采用地质调查法、物探法进行超前预报；对于蚀变严重的重点洞段，可结合钻探进行验证。

(1)综合地质法。针对引水隧洞全段范围内的地形、地貌、地层岩性进行进一步的全面核查并进行地质编录：对引水隧洞全段进行地质编录是地质预报的基础，所配属的地质工程师非常重要，需要核对勘测资料、掌握引水隧洞所在地区的地层岩性、地质构造、不良地质及水文地质情况，为引水隧洞内的地质预报提供方向性的依据。

(2)物探法。远程与短程相结合。短程可采用地质雷达，对10～20 m范围内的岩体进行预报；远程采用TSP法，其技术特点为：预报距离在超前预报方法中最大，考虑到地震波干扰等因素其能准确预报的距离为100～200 m。该方法适用范围广，特别适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况；对于特别复杂的蚀变围岩，可以采用两种方法相结合；对于一般情况，采用TSP即可。

(3)钻探法。主要包括炮孔加深和超前深孔钻探。根据需要，在开挖掌子面上施做加深炮孔，对掌子面前方短距离范围内的地层及地下水情况进行进一步的详细探测。所加深的炮孔深度应不低于3 m。在中等复杂、复杂地段施作7个。对加深的超前炮孔应做好记录，发现异常情况及时通知超前地质预报组。

超前深孔钻探是对TSP预报等物探手段探测到的复杂蚀变岩体进行确认，以进一步探明前方地层的完整性、构造带及地下水发育情况(水量、水压、水温、悬浮物等)，超前地质钻孔的位置、孔深、数量、取芯等由地质人员根据物探预报成果并结合掌子面附近的地质情况经综合分析后确定。

3.2 开挖方式

对于轻度蚀变的Ⅱ、Ⅲ类围岩，可以采用全断面开挖法，将每个循环的进尺控制在3.5 m以内。对于Ⅳ类围岩，先进行8 m×8 m(宽×高)中导洞开挖，再进行左、右两侧保护层开挖。左右两侧保护层滞后中导洞2～3个循环跟进施工，围岩支护及时跟进。对于蚀变较强的Ⅴ类围岩(高岭土化蚀变)洞段，上半洞的开挖与支护采用上下台阶四步开挖法，以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、下两个台阶四个开挖面，各部位的开挖与支护采用沿隧洞纵向错开、平行推进的隧洞施工方法。

图1 系统原理和现场工作图

3.3 围岩的支护措施

对于蚀变较强的围岩，一般采取超前支护[2，3]的方式。超前支护主要采用超前注浆小导管。小导管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的钢花管，长度为5 m，注浆压力为0.1～0.5 MPa。必要时，可以选择小吨位的锚索进行加强支护，或采用管棚超前支护以防止蠕变和塌方等。

3.4 围岩的监测

地下工程的现场监控量测类型分为三类。

(1)目测观测。系指对围岩的破碎发育情况、洞室周边变形、支护结构开裂破坏等现象直接用肉眼进行观察，以此判断围岩的稳定情况。对于蚀变围岩，地质工程师必须联合钻爆工等勤观测。

(2)位移量测。系指通过专门量测设备为获取洞室周边位移、围岩内位移、地表下沉等与围岩和结构变形有关的位移信息进行的现场监控量测。位移量测为应用较广且值得推荐的测试项目，因为周边位移最能反映围岩与支护结构力学性态的变化，且量测设备简单、易于操作。本次采用的主要是净空收敛和顶拱下沉监测，净空收敛和顶拱下沉监测示意图见图2。

净空收敛监测 顶拱下沉监测 图2 净空收敛和顶拱下沉监测示意图

(3)应力量测。系指通过专门的量测设备为获取围岩与支护结构间的接触应力(荷载)、围岩及支护结构内部的应力状态、锚杆轴力等信息进行的现场监控量测。由于该隧洞断面较大，围岩蚀变强烈，该工程将其做为必测项目(虽然规范将其作为选作项目)。该工程主要针对强蚀变围岩加强监测，在现行的规范基础上适当加密了测点，一般增加1.5倍测点即可。

4 塌方规模的预测

面对如此复杂的蚀变围岩，按照现行规范施工难免会出现塌方，因此，必须对可能发生的塌方和已经塌方的规模大小进行必要的预测[4]，采取有针对性的措施，可以预防塌方或防止进一步塌方的发生。

塌方的高度可以根据式(1)[5]计算：

h=n(B+H)

(1)

式中h为塌方高度，单位m；B、H分别为隧洞开挖的跨度和高度，单位为m；n为荷载系数：n=0.43e0.64(S-1)；S为围岩类别。

由于地质条件复杂，在该隧洞开挖过程中曾发生过一次塌方，但当时没有及时探测到空腔的高度，而根据式(1)可以很容易地计算出大致的塌方高度为12.4 m，得出高度并实测出塌方的宽度b、结合塌方体积V估算出塌方长度，进而有效地指导了塌方处置。

5 结 语

复杂蚀变围岩地下洞室的开挖一般少见。由于围岩蚀变增加了施工的难度而与普通开挖不同，笔者根据大渡河某水电站引水隧洞的工程实践得出了以下几点认识：

(1)必须正确认识围岩蚀变的类型。本次施工对围岩蚀变进行了初步分类并根据所分类别指导施工。

(2)在施工过程中，针对不同蚀变围岩，合理选择地质预报、开挖方式、支护方式和监测手段十分重要。特别需要有针对性的进行加强支护。

(3)可能的塌方或塌方的规模可以估算，这一点有利于塌方的治理。