地下水封洞库在开挖中出现滑塌的地质因素分析处理

李世银 北京东方新星勘察设计有限公司

1 前言

近年来，我国建设地下水封洞库节奏逐渐加快，在全国各地已建设了多座地下水封洞库。随着国民经济的继续提高，未来国内将展开大规模的建设地下水封洞库，因此研究地下水封洞库建设过程中的一些重要环节及影响因素意义重大。相比于地面工程，地下工程的施工危险性较大，工程的难度系数较高，工程具有危险性、复杂性、多样性、综合性等特征。

地下水封洞库作为特殊的地下工程，其建设规模大，有着单条洞室跨度大、高直墙的特点。地下水封洞库施工是地下工程的一个难度较大的项目，在施工过程中极易出现塌方等事故，造成施工机械的损坏，甚至危及施工人员的安全。研究地下水封洞库施工工程中出现滑塌的地质因素，探究开挖时应当采用的施工措施和支护方式等，是地下水封洞库施工值得重视的课题。地下水封洞库是在稳定地下水位以下的岩体中挖掘的洞室，由洞室组成的储油洞罐（主洞室）、施工巷道、竖井、水幕巷道。

2 某地下水封洞库工程概况

地下水封洞库设计10条主洞室、3条主施工巷道、5条支施工巷道、10个工艺竖井、5个通风竖井及8条水幕巷道。主洞室按北偏东10°方向平行布置，主洞室设计顶标高-80m，底标高-110m，每条主洞室长度均为923m，设计洞跨20m，洞高30m，截面形状为直墙圆拱形。主洞室壁与相邻施工巷道壁之间设计净间距为30m，两个相邻主洞室之间设计净间距为40m。施工巷道入口有三处，分别位于洞库场地北部的西、中及东侧，3条主施工巷道施工开挖由北向南延展，至洞库南端交汇。施工巷道宽9.0m，高8.5m，支施工巷道宽8.5m，高7.5m。主洞室顶面25m以上（水幕底面标高为-55m）设置8条水幕巷道，垂直主洞室方向布置6条，平行主洞室方向布置2条。

3 地下水封洞库地质条件介绍

片麻状花岗岩是拟建洞库的主要岩体（约占洞库岩体的86%），灰色，部分呈浅灰~灰白色，中粒片麻、花岗结构，块状构造，片麻理产状一般为NE49°~100°∠23°~38°，主要矿物为斜长石、角闪石、石英、黑云母；部分地段暗色矿物定向排列不明显，属花岗闪长岩，矿物成分与片麻状花岗岩差异不大。岩体强风化带厚度较薄，呈散体状，岩体基本质量等级为Ⅴ级；中风化带厚度一般为15.00m~30.00m，局部超过40.00m，底面标高一般为-20m~-45m，局部低于-60m，岩体裂隙较发育，强度中等~较高，岩体基本质量等级一般为Ⅲ~Ⅳ级；微风化~未风化岩体裂隙稍发育，强度高，岩体基本质量等级一般为Ⅰ~Ⅱ级。

洞库所在区域位于粤桂隆起与桂湘赣褶皱带的交界处南段，二者以北东向的吴川大断裂为界。该区经历了加里东、华立西—印支、燕山、喜马拉雅构造阶段，早期以褶皱为主，中晚期以岩浆活动和断裂活动为主，构造较为复杂。库址区所在区域内岩浆岩发育，分布广泛，岩浆活动呈多旋回性，共有印支、燕山、喜马拉雅三个旋回。岩脉以晚期的石英脉、伟晶岩脉及煌斑岩脉为主，构造以脆性破裂为主，主要发育有断裂构造、节理裂隙密集带及区域性优势节理。

施工期实际揭露的主要地质构造与前期勘察基本一致。其中F1断层位于库区北侧以外，对库区工程地质影响不大。施工勘察时地下洞室开挖揭露主要大的构造为F2、F3断层破碎带。

各洞室开挖过程中揭露了L1~L8等贯通性的节理裂隙密集带，与前期勘察揭露特性基本一致。

施工勘察时对揭露的未成规模的局部节理密集带及长大节理等构造也进行了地质描述，这些构造多为F2、F3断层及L1~L8节理密集带衍生裂隙或者随机分布的长大节理，一般发育规模较小，不贯通，在洞室施工开挖时揭露。

4 滑塌地质因素分析

岩体是含有大量结构面的岩石所组成的结构体，在地下洞室的开挖中或者成形后，形成新的临空面，使得几组结构面通过一定的组合关系形成可能失稳的块体，围岩出现局部失稳的原因主要是由于岩体中的软弱结构面与洞室的临空面不利组合与临空面切割形成，围岩的局部失稳，在Ⅱ、Ⅲ类岩体中较为常见。

在主洞室5进入第四层（底层）右边墙桩号0+420m处开挖时，右边墙出现了岩体滑塌。根据现场调查，主洞室5右边墙滑塌高度延伸至洞室右边墙一层底板附近，塌方区域平均高约20m~25m，宽约20m~50m，深度约在2m~7m，塌方区总体上部深下部浅，呈倒三角体，滑塌方量约3000m3。

在主洞室5施工开挖时，第四层开挖采用边墙两侧留保护层预裂爆破法施工。在桩号0+420m~0+600m段第四层预裂爆破开挖后，两侧边墙按要求需要各留2m宽保护层，但由于开挖成型控制不好，底层仅保留了少量三角体；在施工单位对该段洞室右边墙底部的三角体保护层进行爆破开挖，爆破出渣2h后，右边墙出现岩体滑塌。塌方处滑塌地质模型如图1所示。

图1 主洞室5桩号0+420m处塌方地质模型图

表1 施工勘察与前期勘察揭露地质构造情况

塌方段岩体主要为燕山一期微风化片麻状花岗岩，灰白色，节理稍发育，岩体较破碎~较完整，洞室围岩等级主要为Ⅲ级（局部II级），岩体基本质量一般~较好，根据前期详勘及周边洞室实际开挖揭露情况，该段围岩并无断层、破碎带、蚀变带或节理裂隙密集带等不良地质构造发育。

塌方区岩体主要是受三组结构面切割形成不稳定块体，在第四层开挖后，隐伏结构面揭露出来，形成临空面，沿隐伏结构面出现滑塌，塌方段结构面组合切割形成滑落体地质因素模型如图2所示。

图2 滑塌地质因素分析模型

该段岩体内发育的结构面主要有三组，编号分别为J1、J2和J3，其总体产状及结构面特征如下。

结构面J1：走向SE180°，倾向NE90°，倾角50°~53°，节理面平直，隙宽1mm~3mm，节理面局部轻微蚀变，间距一般10cm~30cm，迹长大于30m，为主洞室四层内的隐伏结构面，在主洞室右边墙二层、三层开挖过程中，并未显现，第四层开挖后揭露，是造成洞室右边墙出现滑塌的主要结构面；

结构面J2：走向SW220°~230°，倾向NW310°~320°，倾角70°~80°，平直，闭合，间距一般20cm~40cm，局部密集发育，迹长10m~15m，在主洞室右边墙有揭露；

结构面J3：走向SW240°~250°，倾向SW150°~160°，倾角65°~70°，平直，闭合，间距一般10cm~20cm，迹长8m~10m，在主洞室右边墙有揭露。

在5#主洞室右边墙第二、三层开挖过程中，结构面J1隐伏于右边墙岩体内，并未揭露。第四层开挖后，揭露出隐伏结构面J1，其与结构面J2、J3相切割形成不稳定岩石块体。在第二、三层开挖过程中，该块体隐伏于右边墙，不存在临空面，不容易出现滑移，在第四层开挖完成后，形成了临空面，洞室右边墙爆破和出渣后，该块体沿结构面J1发生滑动，进而引起周围岩体塌方。当然，本次滑塌与施工开挖措施也有一定的关系。

5 塌方段处理措施

（1）对滑塌区两侧周围岩体进行加固加强支护：主要是对周围存在不稳定块体岩体增加了Φ28,L=12000mm系统锚杆和滑塌边界锁口锚杆。

（2）塌腔部位的处理方案：采取回填混凝土封堵塌腔，主要为分仓浇筑混凝土，分层逐级加高的方案，施工过程中主要为安装和拆卸模板时需要人员在周边作业，考虑施工安全，混凝土采用天泵浇筑到各个部位，天泵布置在安全区域泵送混凝土。回填混凝土共分14层浇筑，沿主洞室轴线方向最大浇筑长度为62.5m（第1层），最小浇筑长度为20m（第14层），第一层厚度3.1m，以上各层厚度为1.8m，最大高度为26.5m。沿垂直与主洞室轴线方向最大浇筑宽度为20m（第1层）。每层外侧各项布置台阶，台阶宽度根据覆盖整个滑塌区域和模板安装的要求确定，且不小于1m。

滑塌段回填处理及支护后，根据该区域监测数据，数据稳定，无异常，后续施工也未再出现类似情况。

6 结束语

综上所述，地下水封洞库施工有一定的地质风险，容易在高直墙施工过程中产生塌方等情况，严重影响工程的顺利进行。本文通过分析某地下洞库的各类地质因素以及工程特点，结合实际情况采取相应的支护措施，改善了该洞库的施工情况，帮助地下洞库工程稳步推进，为后续的工程提供了坚实的基础，也给地下水封洞库的施工提供了技术参考。