搜索
摘要：本文以构皮滩水电站右岸导流隧洞工程为例，对隧洞存在的地质缺陷种类进行了具体分析，并对其采取的处理对策作了简要的介绍。关键词：构皮滩水电站；隧洞；地质缺陷；处理对策中图分类号：TV554文献标识码：A引言在水利水电或其它工程建设中，由于地质条件本身的原因，存在对工程具有一定或不可忽视影响的某种或一些缺陷，通常把此种或这些缺陷称为地质缺陷。一般来说，地质缺陷是针对工程要求而言的，是一个相对概念，由此可见，它不能满足工程要求，需要采取具体的工程措施对其予以处理，才能符合或满足工程要求。本文拟以构皮滩水电站右岸导流隧洞工程为例，对该隧洞工程实践中存在的地质缺陷种类进行具体分析，并对采取的处理对策加以简要的介绍。1右岸导流隧洞工程地质概况构皮滩水电站是国家“十五计划”提出开工建设的大型水电站之一，是“西电东送”的龙头电站，亦是“黔电送粤”的标志性工程，为乌江上目前最大的水电站。施工导流隧洞是该水电站隧建设中的重大技术问题之一，布置方案是“左2右1、2低1高”（共3条），其中右岸导流隧洞是一条低洞，全长933m，进出口底板高程分别为430m、429m，断面形态采用平底马蹄型，断面净尺寸最大跨度、高度分别为15.6m、17.7m，开挖尺寸最大跨度、高度分别为18.6m、19.7m。该隧洞于2002年10月份开工，2004年11月上旬基本完工。右岸导流隧洞自下而上穿越奥陶系中统（O2sh+b）～二迭系中统（P2W1-2）各组岩层，其中O2sh+b、S1sh1、P1q、P1m、P2W1组（层）以碳酸盐岩类中灰岩为主，S1l、S1sh2、S2h、P1l组（层）以碎屑岩类中砂岩、粘土岩、粉砂质粘土岩为主，且为微新～新鲜状岩体，隧洞围岩按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－99）分类属Ⅱ～Ⅴ类。断层、层间错动及裂隙是主要地质构造形迹。隧洞沿线断层零星分布，主要为走向NWW及NW向，一般规模不大，宽度5～20cm，局部达1m，断层带主要由方解石或钙质胶结的角砾岩组成，少量由碎裂岩组成，沿其局部溶蚀；发育层间错动规模较大的主要有Fb115、Fb63、Fb59、Fb54、Fb81、Fb93、Fb88、Fb82、Fb112、Fb113、Fb114、Fb86、Fb91、Fb92，除Fb115层间错动分布于P1L组及S2h1-2层顶部外，其余分布于P1q、P1m组岩层，层间错动带宽0.1～1.0m，多由片状构造岩、角砾岩组成，少量或部分局部由碎裂岩、糜棱岩组成，部分沿其局部溶蚀，Fb115层间错动带局部泥化、软化；裂隙发育有3～4组，主要为走向NWW、NW及NNW或部分NNE～NE向，平均线密度1～3条/m，局部密集处可达5～8条/m，长度3～12m为主，宽度1～5mm，少数8～10mm，充填物以钙泥质、方解石为主，部分溶蚀，充填粘土。隧洞穿越碳酸盐岩类岩组主要属较强～强岩溶岩组，除发育W2、8号、6号岩溶系统外，沿断层或层间错动局部还发育一定规模的溶洞、溶隙，大部分为粘土全充填，少量为粘土半充填或无充填。据开挖揭示，W2岩溶系统地下水枯水期流量3～5L/s，最大流量达90L/s；8号岩溶系统未见明显的地下水流；6号岩溶系统地下水枯水期流量5～8L/s，最大流量大于120L/s。除岩溶系统地下水活动外，其余地段地下水活动较弱，局部见滴水或溶蚀部位微量渗水，雨后及汛期水量略增。2右岸导流隧洞工程地质缺陷种类右岸导流隧洞工程地质缺陷按其存在形式，主要有软岩、软弱夹层、岩溶系统、溶洞和溶隙、地下水活动五种类型，具体分析如下：2.1软岩根据业主提供的地质资料和施工中揭露出的围岩情况，可以看出，导流洞成洞条件最差的洞段主要是S2h+P1l组粘土岩、粉砂质粘土岩，其岩体完整性较差；自稳能力差，按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－99）围岩工程地质分类属软-极软岩。2.2断层破碎带及软弱夹层右岸导流洞施工中出现多处断层破碎带及层间错动带、粘土岩及页岩夹层、风化溶滤带。破碎带由于岩体破碎松散，整体结构差，抗压能力极低，是影响隧洞稳定的关键所在。软弱夹层一般规模不大，宽度5～20cm，局部达1m，充填物以钙泥质、方解石为主，部分溶蚀，充填粘土。断层破碎带及软弱夹层的处理对地下洞室的围岩稳定与支护结构安全起着决定性的作用。2.3岩溶系统在隧洞开挖过程中，主要揭示出了6#岩溶系统、8#岩溶系统（K8溶洞段）、W2岩溶系统。W2岩溶系统地下水枯水期流量3～5L/s，最大流量达90L/s；8号岩溶系统未见明显的地下水流；6号岩溶系统地下水枯水期流量5～8L/s，最大流量大于120L/s。2.4溶洞和溶隙溶洞和溶隙在碳酸盐岩中发育，隧洞开挖过程中，共发现大小溶洞10多处，规模不等，其中最大的为k8溶洞，揭露直径约3m，经探明，溶洞呈漏斗状，内部充填料为黄褐色沙土，饱和面干状。其余溶洞均为直径20~50cm不等，内部为充填、半充填、无充填三种。2.5地下水活动右岸导流隧洞因开挖形成空腔，部分地下水在运移过程中向该部位汇集，并产生渗流压力等外水压力，对隧洞稳定和施工影响也较大。3右岸导流隧洞工程地质缺陷处理对策根据上述地质缺陷种类，下面对工程实践中采取的处理对策分别加以简要的介绍。3.1软岩施工导流隧洞软岩段开挖断面为16.8m×20.5m，分三层进行开挖，自上而下分层厚度分别为8.6m、8.4m和3.5m。上层开挖最初采用“核心土支撑法”进行开挖，中下层开挖采用中部拉槽超前开挖，两侧预留3m保护层开挖相对滞后的施工方法。开挖遵循“短进尺、强支护、弱爆破、少扰动、勤测量、紧封闭”的原则，以确保施工安全和围岩稳定。上层开挖前，采用直径25mm，L=4.5m的超前锚杆进行超前支护，极软岩洞段采用直径40mm，L=6.0m小导管注浆超前支护措施。开挖后暂不出渣，经安全处理、平碴后，及时架设钢拱架（拱架与拱架之间采用钢筋纵向连接），在钢拱架背后挂钢筋网，对局部超挖部位拱架与岩面之间采用块石填充密实，同时进行径向锁脚锚杆（长度4.5m，直径25mm，环向间距2.0m）施工，锁脚锚杆外露部分弯成“L”型，与钢拱架焊接成整体，然后喷钢纤维混凝土进行封闭。为防止下层开挖时顶层支撑的失稳，在顶层钢拱架脚壁面实施两排深孔紧固锚杆，长度9m，梅花形布置，间排距1.0m。孔口钢垫板厚度2cm，直径20cm，采用孔口螺帽旋扭进行张拉紧固。由于钢拱架背面与岩壁之间是块石充填的，存在空隙，为了使钢拱架与围岩岩壁问紧密结合，提高充填块石承载力，限制松软围岩产生过大变形，充分调动围岩自稳能力，顶层开挖到一定进尺后，对钢拱架与围岩间充填块石的空隙进行及时回填灌浆。灌浆孔梅花型布置，问排距3m，灌浆压力控制在0.2~0.3MPa。回填灌浆完成后，分段进行花管锚杆施工，花管锚杆直径50mm、长度6m、间排距1.5m×1.5m，管内插入直径18mm钢筋，并灌注水泥砂浆，替代系统锚杆。中下层中部拉槽超前开挖，两侧保护层先开挖一侧，开挖完成后立即进行支护，支护方法及程序除没有超前锚杆外，其余与顶层支护相同，支护完成后再进行另一侧的开挖支护。成洞后及时埋设施工期临时监测设施，并进行观测，通过勤量测，及时反馈信息，指导开挖支护施工，通过变形观测，如发现局部围岩变形速率陡增，采取一次支护措施后尚不能满足稳定要求时，立即进行砼衬砌施工。二次混凝土结构衬砌完成达到一定强度后，立即进行系统固结灌浆施工。3.2断层破碎带及软弱夹层处理对于导流洞顶拱施工中出现的断层破碎带，在进入破碎带之前，在掌子面倾斜15°打超前锚杆，待开挖揭露后，立即进行喷浆，并在层间两侧的稳定岩体打锚杆，然后用工字钢，横跨区间焊接，间距约50cm一根，中间用钢筋连接后再喷混凝土封闭。对于宽度较大的破碎带，用工字钢制成弧拱，在洞壁打固定锚杆，并与拱架焊接，每排间距60~80cm，然后排与排之间连成整体，并挂钢筋网后喷浆封闭。边墙上的断层破碎带采用喷浆封闭的方法使其胶结自持稳定或挖掉破碎带体后浇筑混凝土。对导流洞顶拱施工中出现的软岩夹层，处理方法与断层破碎带相同。边墙上出现的软弱夹层挖掉后，在完整的岩石两侧打锚杆再浇筑混凝土，增加侧向抗推力。3.3岩溶系统处理3.3.16#岩溶系统处理在导流洞上层开挖至K0+81～K0+88洞段时，顶部岩石成块状分布，岩体裂隙渗水较大，在开挖过程中边顶拱出现多次坍塌和掉块。根据业主提供的地质资料，经探明，该段为6#岩溶系统分支。在进入岩溶之前，通过渗水点确定了溶岩的确切方位，并通过超前钻探查明，该溶岩系统属溶隙发育岩层，首先打超前锚杆进行超前支护，并根据用水量的大小，在涌水部位掏槽周围回填混凝土，内埋两根直径159mm的钢管引接至排水坑，并配置充足的排水设备，以防涌水过大影响施工和造成人身财产损失。在超前支护和渗水引排完成后，采取短进尺，弱爆破的方法进行边顶拱开挖，开挖后对溶岩周围岩石破碎带打随机锚杆、挂网喷混凝土、固结灌浆进行加强支护。该洞段的下挖是先在中部拉槽开挖，两侧各保留3m的岩体，然后对两侧边墙岩体进行固结灌浆和锚杆支护处理。3.3.2W2岩溶系统处理W2岩溶系统揭露于上层右侧壁，溶洞口呈不规则椭圆形，可见深度大于3m，宽0.4～0.6m，高40～60cm，周围岩壁完整，地下水枯水期实测流量为3～5L/s，雨季溶洞涌水量较大，最大可达90L/s，为保证洞室的正常施工，对溶洞进行C25混凝土封堵，同时预埋直径273mm钢管引至洞外集水坑。3.3.38#岩溶系统处理2003年4月4日在导流洞上半洞导洞开挖至0+340后，从0+368向上游开始扩挖，开挖至0+356时发现右侧拱顶出现一直径3m的溶洞，内部充填料为黄褐色沙土，饱和面干状。经参建各方现场勘察，决定将该段由原II类围岩改定为V类，随即采用超前管棚加工字钢支撑向上游继续开挖。随着开挖进行，在0+350处发现溶洞已经超过洞顶向左侧延伸，经地质雷达勘测，溶洞向上部发育，未测出高度，但上下游方向和左右测范围基本可确定。定为K8溶洞。2003年7月5日，该段右侧工字钢严重变形，上游段可见到0+340处岩坎。初步确定加固方案为：将已经处理完毕的工字钢下部用圆木支撑，将变形部分用潜孔钻打孔插入轻轨进行加固。该方案实施后，施工进展顺利。7月19日中午，在右侧6榀工字钢下接施工时，由于临近标段大吨位爆破震动影响，0+357~0+342段工字钢完全垮塌。为了进行塌方处理，经各方研究，确定在塌方体超前灌浆的同时，从附近1#交通洞向塌方体打一条2x2m的探洞，并于9月22日钻进至导流洞上部K8溶洞，发现该溶洞呈漏斗状，上部已成空腔。隧决定从将塌方材料外运，在渣体上浇筑混凝土。在将回填混凝土浇筑超过洞顶7m后，重新从洞内处理。期间下游侧回填混凝土与溶洞边壁之间又发生两次塌方，后采取从洞内将空腔用混凝土回填的方案，于2004年1月7日通过该洞段。3.4溶洞和溶隙处理导流洞穿越的地层上段主要为灰岩，属溶洞、溶隙发育地层。在隧洞开挖过程中，根据具体情况，对溶洞、溶隙采用掏槽回填混凝土、灌浆等技术予以处理。导流洞中揭示出的K8大型溶洞处理上面已经陈述，其余较小溶洞视发育规模对充填、半充填溶洞深度小于或等于1.5B～3B（溶洞最大宽度）者，充填物全部清挖，深度大于深度1.5B～3B者，充填物清挖深度1.5B～3B，回填混凝土处理，对无充填溶洞回填混凝土深度亦按上述标淮控制。对渗水或涌水量大的部位，设置集中排水坑，并配置充足的排水设备进行抽排。3.5对地下水活动的处理除岩溶系统地下水处理外，其余部位采取系统排水孔，渗滴水、集中渗水部位增加随机排水孔。4结语构皮滩水电站右岸导流隧洞工程对不同种类的地质缺陷，采取不同的处理措施，取得了良好的效果，在运行期间，经历多个汛期的考验，使用一切正常。实践证明，所采取的处理是合理的、恰当的，值得类似工程参考借鉴。作者介绍：杨奇峰（1979-），男，河南人，工程师，学士，从事水利水电工程施工