高水敏性极软岩地下洞室底板超挖原因分析及应对措施

黄振伟，张 涛，赵冰波，杜胜华

(1.长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

在地下洞室开挖过程中，超挖现象几乎无法避免，只是超挖程度不同。从结构上看，与设计的理想洞室光滑轮廓相比，超挖引起的不平整轮廓会产生应力集中，导致围岩破坏或支护、衬砌结构受力条件恶化，影响结构安全。从施工方面看，超挖造成支护、衬砌施工困难，甚至还意味着超填，进一步增加施工成本、延长工期，影响工程效益。

大部分隧洞工程出现超挖的部位是边墙与顶拱，而对底板部位的超挖则没有引起足够的重视。目前国内外对隧洞超挖的研究主要集中在边墙、顶拱超挖原因[1-3]、超挖规律[4-5]、超挖控制措施[1，6-7]等方面。近年来，随着工程建设的快速发展，隧洞地质条件越来越复杂，施工中出现了底板超挖现象。本文以西藏拉洛水利枢纽工程引水发电隧洞为例，对地下洞室底板超挖原因进行分析，提出了技术可靠、经济合理、性能有效的工程处理措施，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

拉洛水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区，具灌溉、供水、发电、防洪、促进改善区域生态环境等综合效益[8]。主体工程于2015年开工建设，2019年9月下闸蓄水，2021年电站正式发电、灌区顺利试通水。

枢纽工程包括大坝、溢洪道、引水发电隧洞、电站等建筑物，水库总库容2.965亿m3，为大(2)型水利工程。引水发电隧洞长3 780.56 m，引水流量19.4 m3/s，加大引水流量23.3 m3/s，设计灌溉面积45.39万亩(3.026万hm2)。同时，利用灌溉引水流量及水量建厂发电，电站装机容量40 MW，多年平均发电量0.739 5亿kW·h。

引水线路区地貌为高原山地地貌，分水岭呈东西向展布，山顶高程4 639～4 967 m，相对高差350～950 m。分布基岩主要为侏罗系页岩，含钙质、泥质、碳质，局部夹薄层状板理化细晶灰岩。根据岩石物理力学性质试验成果(表1)，该页岩属极软岩(饱和单轴抗压强度在5 MPa以下)。线路通过向斜构造，岩层产状变化较大，翼部倾角40°～60°。岩体透水性微弱，但部分洞段可能出现渗水、滴水现象，为顺裂隙渗流，局部破碎带洞段可能出现线状流水。围岩为Ⅳ，Ⅴ类，分别长2 760.00，1 020.56 m，各占比73%，27%。

表1 引水发电隧洞页岩物理力学性质试验成果Tab.1 Test results of physical and mechanical properties of shale in diversion and power generation tunnel

该工程隧洞一般埋深100～150 m，最大埋深213 m。隧洞为无压洞，马蹄形断面，开挖断面530 cm×515 cm(宽×高)，采用系统喷锚或钢拱架作为初期支护，后期采用厚40～50 cm钢筋混凝土衬砌(图1)，混凝土强度等级为C25[9]。

图1 引水发电隧洞断面(尺寸单位：cm)Fig.1 Cross section of diversion and power tunnel

2 隧洞掘进施工

2.1 方案设计

根据初步设计报告和招标设计报告(以下简称“设计报告”)，引水隧洞采用全断面钻爆法开挖，手风钻钻孔爆破，中间掏槽、周边小药量光面爆破。0.5～1.0 m3侧卸式装载机装渣，3～5 t自卸汽车出渣。钻爆开挖过程中及时跟进以进行锚喷支护；对Ⅴ类围岩洞段设置钢支撑支护，并根据开挖围岩情况对Ⅳ类洞段设置钢支撑支护。由于岩性软弱，地应力相对较大，流变特征较为明显，因此在施工中每隔10～15 m进行洞室变形及围岩应力监测，在分析监测数据的基础上及时调整支护参数。后期衬砌和底板在隧洞分段开挖完成后一次性浇筑，先浇筑底板，然后铺设台车轨道，架设钢模台车施工钢筋混凝土衬砌。

根据工程施工合同(以下简称“合同”)，地下洞室开挖包括洞线测量、施工期排水、照明和通风、钻孔爆破、围岩监测、塌方处理、完工验收前的维护，以及将开挖石渣运至指定地区堆存和进行废渣处理等工作。关于隧洞施工期排水，合同规定：承包人应根据项目法人提供的地下水勘探资料，估计排水量及排水范围，负责设计、采购、安装和维护全部地下施工排水系统，除非地下水涌水量超出预估数量和范围2倍以上；相关费用均包含在隧洞开挖工程量的每立方米工程单价中，项目法人不另行支付。

2.2 实施结果

参照“短进尺、弱爆破、强支护、微扰动、勤观测”的施工原则，在开挖过程中，采取光面爆破工艺控制开挖轮廓，隧洞底板预留30 cm作为保护层，两侧开挖排水沟，通过排水沟将水汇集到集水井后抽排出洞外。

在初期支护实施前，经参建四方联合验收，隧洞开挖的断面总体成型控制较好，底板未发现有明显的超挖，岩面光爆残孔率可达到85%以上。隧洞地下水主要呈沿裂隙面出现的渗水、滴水，局部破碎地段出现线状滴水，单点流量一般在0.1～0.5 L/min间，最大流量在10 L/min以下，采取了间歇性抽排水处理。

在施工过程中，地勘单位同步开展了施工地质工作。根据施工地质编录与观测资料，隧洞开挖揭露的围岩类别、地层岩性、岩层产状、地质构造、岩体结构、地应力水平及地下水等情况未发生改变。经召开技术咨询会议，专家组判断隧洞施工揭示的地质条件与前期勘察成果基本一致。

2.3 底板超挖情况

在隧洞底板混凝土浇筑前基础验收时，经测量断面形状，隧洞实际底板建基面凹凸不平，部分地段呈深槽状，且普遍低于设计底板开挖线，均出现了不同程度的超挖(图2)，清基前超挖部分呈含页岩碎屑的黏稠泥状(图3)。隧洞实际底板建基面低于设计高程0.2～1.0 m，平均超挖厚度50 cm，横断面上平均超挖面积2.51 m2(图2中阴影部分)，超挖工程量为9 494.06 m3。

图2 引水发电隧洞底板验收断面(尺寸单位：cm)Fig.2 Acceptance section of bottom floor of diversion and power tunnel

图3 隧洞底板超挖形成的黏稠泥Fig.3 Viscous mud formed by over-excavation of tunnel floor

由于底板整体均出现了超挖，底板旁侧的临时排水沟和集水井也因此被破坏，没有发挥相应的排水作用(图4)。

图4 隧洞底板旁侧被破坏的排水设施Fig.4 Damaged drainage facilities beside the tunnel floor

3 底板超挖原因分析

3.1 内 因

隧洞围岩为侏罗系页岩，岩性软弱，根据表1试验成果的干状态与饱和状态下岩石单轴抗压强度，其属极软岩。

该隧洞超挖厚度为0.2～1.0 m，页岩岩性软弱是底板超挖的内因。根据其他工程资料，吉牛水电站引水隧洞岩石为二云英片岩，干状态下岩石单轴抗压强度为13.9～39.7 MPa，饱和状态下岩石单轴抗压强度为10.3～30.0 MPa，属软岩-较软岩，底板超挖厚度为20～50 cm[10]。对比表明：软质岩隧洞易发生底板超挖，且在其他因素影响基本相同的条件下，岩性越软弱，超挖厚度越大。

3.2 外 因

3.2.1 机械设备反复碾压

在施工现场，隧洞内作业的机械设备主要为侧卸式装载机和自卸汽车，另外在每一开挖支护循环需使用斗容1 m3的反铲对开挖面进行危岩排险。根据施工过程中的现场观察，经机械设备多次碾压后，隧洞底板页岩被磨蚀，并进一步发展成凹槽状，且机械设备重量越大，碾压次数越多，超挖厚度越大。

引水隧洞长3 780.56 m，中间布置了1条施工支洞，开挖共4个工作面。单个工作面控制长度分别为1 763.20 m和2 017.36 m，按爆破单循环2.5 m 计算，底板被出渣车反复碾压，最多达1 600余次。因此，机械设备反复碾压是隧洞底板超挖的直接外因。

3.2.2 水

隧洞内的水主要来源于地下水，此外，钻爆施工用水也会在洞内形成积水。隧洞开挖过程中揭露的地下水为基岩裂隙水，多沿裂隙面渗水、滴水，局部断层发育处出现线状滴水。

页岩受水的影响较大，主要体现在失水干裂、遇水软化、浸水崩解。根据表1的试验成果，强风化、弱风化、微新页岩的软化系数分别为0.22，0.32，0.43，均小于0.75，属易软化岩石。页岩饱水后，岩石单轴抗压强度显著降低，仅为干抗压强度的0.22～0.43倍。页岩强度更低、超挖深度加大。因此，水是隧洞底板超挖的直接外因。

3.3 各因素综合影响

根据卓雷棚等[11]对软岩隧洞底板超挖受各因素影响的研究分析：① 无论洞底保持干状态还是积水状态，软岩底板在机械设备的反复循环荷载作用下均会发生超挖，干状态下软岩被碾压呈碎屑或岩粉，积水状态下呈泥状；② 机械设备轮压反复循环荷载作用次数越多、装载荷载越大，车辙下凹槽深度就越大；③ 在经历相同荷载、相同循环反复荷载的前提下，积水状态的车辙凹槽深度较干状态的大。

因此，结合拉洛水利枢纽工程引水发电隧洞施工状况，软弱岩石、机械设备反复碾压和水等多因素的综合作用将导致隧洞底板出现超挖，其中岩性软弱和机械设备反复碾压是超挖的必要因素，水(地下水和施工用水)是加剧超挖作用的外因。

4 底板超挖应对措施

4.1 工程处理措施

为减少或避免隧洞底板发生超挖，需要采取措施消除相关因素的不利影响：① 由于现有技术手段无法改变岩石软硬程度，因此只能对软弱岩石采取保护措施；② 可尽量采取轻型设备，以减轻机械设备反复碾压的影响；③ 可采取抽排水措施以消除水的不利影响。以下具体工程处理措施各有利弊，需根据实际情况选用。

(1) 预留保护层开挖。优点是隧洞底板超挖量明显减少；缺点是保护层厚度难以确定，不同位置超挖深度大小不一，局部未被机械设备碾压的地方甚至出现欠挖，造成二次处理工作量较大。

(2) 铺设洞渣料作为垫层。按隧洞设计断面开挖，并将部分渣料摊铺在底板上。优点是可减少出渣量，短期内可改善运输条件；缺点是垫层料也是软弱岩石，被碾压后逐步软化、泥化，将导致泥化厚度更大，长期运输更为困难。

(3) 铺设砂石料作为垫层。按隧洞设计断面开挖，从洞外运输质地较坚硬的砂石料摊铺在底板上。优点是对底板的保护快速且较为有效，缺点是将增加砂石料开采、运输等相关投资。

(4) 及时浇筑混凝土作为垫层或底板。现浇混凝土需养护4～5 d，碾压混凝土需养护1～2 d，可采用钢栈桥在养护期间临时通车。优点是可快速有效地保护底板，缺点是将增加混凝土生产、运输、浇筑等相关投资。

(5) 采用皮带机运输石渣。优点是取消了出渣车辆，减轻了对底板的直接碾压破坏；缺点是皮带机架设后与洞内支护衬砌等机械设备相互干扰大，小断面隧洞内无法实现平行作业。或可将大型设备替换为小型、轻型设备，采用小型机械设备配合人工进行清渣、出渣。

(6) 降低混凝土底板设计高程。根据底板超挖平均厚度，将底板设计高程降低，既能保证底板设计厚度，又能尽量减少混凝土回填量；缺点是因为隧洞底板超挖厚度不均衡，全洞段无法统一设计高程的降低标准，浇筑后的底板面将呈起伏状，衬砌施工时钢模台车行走困难，不便于运行期检修，也将造成一定水头损失。

(7) 加强抽排水。在隧洞底板两侧开挖临时排水沟，遇较大流量的出水点时增设排水孔，并将排水孔直接连接至排水沟中，间隔一定距离设置集水井，从集水井中抽水排出洞外。优点是通过抽排水可避免水在底板上漫溢，进而大大减轻超挖程度；缺点是排水设施不易维护。

为应对该工程的底板超挖，采取了多种处理措施，包括预留30 cm保护层、设置排水沟和集水井、对局部洞段尝试采用浇筑混凝土垫层封闭。上述处理措施对底板超挖虽起到了一定程度的抑制作用，但仍不能彻底遏制，且在处理过程中占用了较多工期。此外还研究了铺设钢板、搭建钢栈桥、轨道或皮带机运输石渣等各种方案，但因为造价过高或适应性差最终未实施。

4.2 变更或索赔

隧洞底板超挖工程量为9 494.06 m3，设计开挖量为88 830 m3，超挖工作量占设计开挖量的10.7%，底板超挖也意味着需要增加相同的混凝土超填量。超挖和超填延误了工作进度，增加了成本，施工承包人要求通过设计变更或索赔来获得相应的补偿。为此，承包人向发包人提出：在隧洞施工过程中遇到不良地质条件，而设计报告、招标文件和合同未提出相关处理措施，在发包人要求加快施工进度的情况下，尽管承包人采取了多种处理措施，但仍发生了较严重的底板超挖，应作为设计变更，增加的相应投资由发包人支付。

(1) 根据水利部印发的水规计〔2012〕93号《水利工程设计变更管理暂行办法》第三条规定：设计变更是相对于已批准的初步设计所进行的修改活动；根据合同规定，对不可预见的地质原因引起的超挖，其费用由发包人承担，对可预见的地质原因引起的超挖和抽排水，其费用由承包人承担。在初步设计报告和招标设计报告中，均已详细说明了隧洞软质岩特性，预测了地下水出露形式和出水量，经施工开挖揭示，实际地质条件与前期地勘成果基本一致(且经专家咨询会同意)。因此，隧洞地质条件未发生改变，底板超挖应属于可预见的地质原因引起的一种情况。

(2) 招标文件和合同中已指出，石渣运输、抽排水等方案由承包人自行制定，在初设报告中已说明了软质岩易风化、软化、具流变特性等，并要求重视“隧洞施工”。作为有经验的承包人，应理解此处“隧洞施工”包括钻爆、清渣、出渣、支护、衬砌、抽排水等全过程。

(3) 承包人未能提供有关发包人要求加快施工进度的有效文件。此外，科学合理地预防底板超挖的发生和处理超挖问题不仅不会延缓反而有助于加快隧洞施工进度。

综上所述，承包人要求对隧洞底板超挖进行设计变更无正当理由，索赔事件也不成立。

5 结 论

本文通过对拉洛水利枢纽工程隧洞底板超挖原因和相应工程、商务处理措施进行分析，得到以下结论。

(1) 隧洞底板超挖现象因未引起足够重视、相关研究成果较少，经综合分析与对比研究表明：底板超挖是内、外因综合作用的结果，岩石岩性软弱属内因，机械设备反复碾压和水属外因；岩石软弱和机械设备反复碾压是必要因素，缺少任一因素均不会造成底板超挖，水(地下水和施工用水)在底板超挖过程中起加剧作用。

(2) 为减少或避免隧洞底板发生超挖，可采取预留保护层、铺设洞渣料/砂石料/浇筑混凝土垫层、皮带机运输石渣、加强抽排水等工程处理措施。各措施均有利弊，需根据实际情况选用可靠、经济、有效的处理方案。在底板超挖发生后，适当降低混凝土底板设计高程，可减少超填量，节约投资。

(3) 为避免在设计变更或索赔过程中发生纠纷，勘察单位应在设计报告中对隧洞围岩特别是软岩特性进行充分、全面的说明；设计单位应在设计报告(含图纸)中、发包人应在招标文件中明确提出因特殊地质条件而存在底板超挖的可能性；承包人在施工过程中，应保存相关的有效证据，对于具体处理方案，可报请发包人组织专家进行咨询或评审。

(4) 对软岩隧洞施工，承包人应在深刻理解设计报告、招标文件的基础上，重视可能发生的底板超挖问题，提前谋划，施工过程中应积极、主动处理，必要时持续优化相关处理方案。否则，会导致较为严重的底板超挖，最终延误工期、增加费用、造成损失。发包人应主动向承包人提供勘察设计资料，以帮助承包人加深对工程的认识。