夾巖水利樞紐工程長石板隧洞施工開挖支護方案優化調整研究

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550008)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是國務院納入規劃建設的172項重大水利工程之一，同時也是貴州水利建設的“一號工程”，由水源工程、畢大供水工程、灌區骨干輸水工程等組成[1]。灌區骨干輸水工程由總干渠、北干渠、南干渠、金遵干渠等組成[2]。北干渠附廓前段共計6個施工標段，其中北干渠4標于白甫河左岸接北干3標白甫河倒虹管出口，于木白河右岸接北干5標木白河倒虹管進口，全標僅含長石板隧洞一座建筑物。長石板隧洞總長15.41km，進口底板高程1285.43m，出口底板高程1280.56m，坡降3.3‰。輸水為無壓流，設計流量Q=30m3/s，加大流量Q=32.7m3/s，隧洞斷面型式采用圓形，半徑r=2.6m，設計水深h=3.815m，加大水深h=4.168m。

2 隧洞K7+360～K8+950洞段開挖支護現狀

2.1 洞段已開挖揭露圍巖狀況

長石板隧洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用全斷面C25鋼筋混凝土襯砌，厚度分別為0.40m、0.40m和0.50m。共布置6條支洞，施工圖階段，經優化變更共開挖5條支洞(取消原2號支洞)。隧洞K7+360～K8+950洞段位于4號與5號支洞之間，其中K8+038～K9+950段地表為果木洼地。目前，4號支洞下游K7+350～K7+492洞段已經完成開挖支護。隧洞K7+360～K8+950洞段地質剖面見圖1。

圖1 隧洞K7+360～K8+950洞段地質剖面

根據開挖情況揭露，長石板隧洞及4號支洞在T1yn4地層內揭露的圍巖分為強風化和全風化兩類。一類是強風化狀態圍巖，為薄層泥質白云巖夾泥巖、泥灰巖，微裂隙發育，開挖爆破后洞周松動圈明顯，洞頂圍巖垮落、脫空嚴重，圍巖自穩能力差，無法實現長期自穩；二類是全風化狀態圍巖，為黃灰、灰色溶塌角礫巖，全風化狀態下為黏土夾少量碎石，無產狀及裂隙，類似土狀，干燥狀態下呈硬塑狀，遇水后呈軟塑狀，尤其底板及拱腳處巖體經施工擾動后則呈泥狀。爆破開挖后，洞頂圍巖垮塌嚴重，圍巖自穩時間極短(見圖2～圖5)。

2.2 隧洞開挖初期支護問題

強風化圍巖在富水狀態下垮落嚴重，但初期支護完成后，隧洞穩定性較好，未發生初期支護明顯開裂、

圖2 4號支洞全風化圍巖(濕潤狀態)

圖3 4號支洞全風化圍巖(富水狀態)

圖4 主洞出口全風化圍巖(干燥狀態)

圖5 主洞全風化圍巖(富水狀態)

變形現象；但全風化圍巖在富水狀態下，經施工擾動承載力及抗變形能力急劇下降，多處發生初期支護開裂、變形現象。目前，4號支洞已開挖完成，該洞揭露的圍巖均為全風化狀,且富水。4號支洞斷面為城門洞形,斷面尺寸7.2m×5.7m，在開挖過程中多次出現因拱腳變形引起拱圈開裂的現象。對底板進行30cm換填和25cm混凝土硬化后，未發現有明顯拱圈開裂、變形現象。4號洞上游主洞開挖至6+985樁號，圍巖多為強風化狀薄層泥質白云巖夾泥巖、泥灰巖；4號洞下游主洞開挖至7+495樁號，距離果木洼地約540m，已開挖的145m主洞圍巖均為全風化狀態，富水相當嚴重，自穩能力極差，施工開挖后必須及時進行加固支護處理。由于長石板隧洞設計開挖斷面為圓形，洞徑6.4m，開挖揭露圍巖以Ⅴ類為主，自穩條件極差，必須將支護鋼拱架及時閉合，以減小拱頂沉降和拱壁收斂程度。經施工現場實測數據分析，即便將鋼拱架底部進行及時閉合處理，但由于圓形洞底巖性軟弱、承載力差且浸水嚴重，施工中各種機械反復擾動后，基巖土體結構破壞、泥化嚴重，沉降及變形移位導致支護鋼拱架發生變形、噴混凝土開裂和滲水等問題[3]，變形量以8～10cm為主，最大甚至達到20cm以上(見圖6～圖9)。

圖6 4號支洞下游主洞拱圈開裂(a)

圖7 4號支洞下游主洞拱圈開裂(b)

圖8 4號支洞下游主洞拱圈開裂(c)

圖9 4號支洞下游主洞拱圈開裂(d)

長石板隧洞位于果木洼地下部尚未開挖的洞段均為淺埋隧洞，且地表多為水田，在汛期洼地有積水現象，推測該洞段圍巖均為全風化狀態且富水，與4號支洞及4號支洞下游K7+360～K8+038樁號段主洞圍巖情況類似，因此需對原主洞K7+360～K8+950樁號洞段的開挖斷面和初期支護方案進行調整。

3 隧洞K7+360～K8+950洞段開挖支護方案優化調整

長石板隧洞K7+360～K8+950洞段主要存在兩個問題：一是K7+360～K7+492為已經開挖支護段，鋼支撐發生較大變形，尤其是拱腳90°位置內凸嚴重，噴C20混凝土護壁出現開裂等現象，存在安全隱患，需要進行處理；二是針對前面K7+360～K7+492洞段出現的問題，后面K7+492～K8+950洞段的開挖及初期支護急需進行優化調整。

3.1 K7+360～K7+492變形段處理方案

針對已開挖及初期支護變形的K7+360～K7+492洞段，采用底部增設鋼橫撐及塊石回填的加固處理方案(見圖10)，待后期二次混凝土襯砌時根據現場情況變形斷面進行處理[4]。

圖10 K7+360～K7+492變形段處理方案

隧洞開挖支護變形段的處理方案為：先將隧洞變形段底部積水抽排干凈，并清除底部淤泥及雜物；在初期支護鋼支撐底部90°拱腳處增設橫撐(16號工字鋼，高160mm)；在橫撐至洞底范圍采用塊石回填，為便于排水，回填兩側塊石粒徑應比中間大；在塊石回填頂部表面增加厚10mm的臨時保護鋼板；根據開挖隧洞現場出水位置及出水量，合理設置集水井，并配備相應排水設施及時抽排洞底積水[5]。

3.2 K7+492～K7+542洞段開挖及初期支護方案

該段地質條件與K7+360～K7+492段類似，如按照原設計方案進行開挖和初期支護，勢必會存在鋼支撐變形、噴混凝土開裂和滲水等問題。為確保開挖及初期支護方案與工程具有較好的匹配性，施工階段選取K7+492～K7+542洞段共50m試驗段，分別采用城門洞形開挖支護(20m)和馬蹄形開挖支護(30m)兩種型式進行試驗，并在施工過程中監測斷面變形情況，根據試驗數據確定后續洞段的開挖及初期支護方案。試驗段開挖及支護方案見圖11。

K7+492～K7+542試驗段開挖及支護型式結構參數為：城門洞形和馬蹄形開挖支護以原圓形開挖支護結構為基礎，通過擴挖澆筑二次混凝土進行加固，其中，城門洞形開挖考慮頂拱及邊墻預留10cm變形量；鋼支撐：頂拱及邊墻采用型鋼支撐，型鋼采用16號工字鋼制作，每榀間距0.5m；鎖肩錨桿：鋼支撐肩部45°采用M20砂漿C25鎖肩錨桿，錨桿長3.0m，每端兩根；鎖腳錨桿：鋼支撐腳部45°采用M20砂漿C25鎖腳錨桿，錨桿長3.0m，每端兩根；系統錨桿：頂拱及邊墻采用M20砂漿C25錨桿，錨桿長3.0m，間排距1.5m；掛網噴混凝土：頂拱及邊墻采用單層φ8鋼筋網，間排距2.5cm×2.5cm；噴C20混凝土，厚度為1cm；頂拱120°范圍內采用φ42×4mm小導管，不注漿，長4.5m；洞底塊石回填：回填25cm厚塊石墊層，為便于排水兩側塊石粒徑應大，墊層上澆筑25cm厚C20混凝土底板，并設置伸縮縫，間距20m，縫寬2cm。

圖11 K7+492～K7+512洞段開挖及初期支護方案(單位：mm)

3.3 K7+542～K8+950洞段開挖及初期支護方案

隧洞K7+492～K7+542試驗段施工變形監測數據分析表明，洞段改為城門洞形和馬蹄形兩種開挖支護型式，開挖后圍巖整體條件均得到有效改善，初期支護后未出現變形、噴混凝土開裂等問題，開挖支護效果較好，能滿足工程安全穩定、高效優質施工需求。其中，馬蹄形開挖支護型式，其圍巖開挖量、后期回填量要比城門洞形小，單位施工成本低，最終K7+542～K8+950洞段優選馬蹄形開挖支護型式。根據試驗段監測結果，隧洞斷面開挖后會出現平均8～9cm的沉降變形，因此隧洞開挖支護需預留10cm變形量，即：K7+542～K8+950洞段采用的馬蹄形開挖支護方案，需在原圓形開挖支護的基礎上擴挖并考慮預留10cm變形量[見圖12，其余結構參數同圖11(b)]。

圖12 K7+542～K8+950洞段馬蹄形開挖及初期支護方案(單位：mm)

4 結 論

隧洞施工應根據洞段揭露圍巖條件及變形監測結果及時調整和確定開挖支護方案，確保工程安全可靠、經濟合理地施工建設。本文針對長石板隧洞施工開挖及支護方案優化調整實際，經分析研究得到以下主要結論：

a.長石板隧洞全風化圍巖在富水狀態下，經施工擾動基巖土體結構破壞、泥化嚴重，鋼支撐承載力及抗變形能力急劇下降，存在支護開裂、變形等問題。

b.根據隧洞已開挖洞段鋼支撐變形破壞現狀，結合工程地質條件，K7+360～K7+492洞段采用底部增設鋼橫撐及塊石回填的加固處理方案；K7+492～K7+542洞段作為試驗段，按城門洞形開挖支護(20m)和馬蹄形開挖支護(30m)兩種型式進行開挖及初期支護試驗，并監測斷面變形情況；根據試驗段監測分析成果，K7+542～K8+950洞段采用馬蹄形開挖支護型式，同時考慮擴挖預留10cm變形量。優化調整方案實施后，取得良好的開挖支護效果。

c.隧洞工程開挖施工中，應根據洞段不同圍巖條件并收集資料進行綜合分析，合理調整和確定開挖支護手段，使施工方案更加符合圍巖實際情況，確保施工安全。