复杂特殊地质特大断面导流隧洞施工技术

卢 平，朱记伟，刘建林,2

(1.西安理工大学，西安 710048；2.陕西省商洛市商洛学院，陕西 商洛 726000)

1 导流隧洞综述

1.1 导流隧洞相关概念的界定

隧洞导流指在施工基坑的上下游修筑围堰挡水，使河水通过岸边导流隧洞导向下游的施工导流。导流隧洞常用的断面形式主要有3种：圆形、城门洞型和马蹄形，对于有压隧洞一般采用圆形断面，对于无压隧洞一般采用城门洞形或马蹄形。依据《水利水电施工手册.第二卷 土石方工程》中平洞施工的规定，导流隧洞按断面尺寸分类，有小断面、中断面、大断面及特大断面之分，具体断面尺寸分类见表1。

表1 断面尺寸分类表

我国的大中型水电站主要分布在西北和西南地区，该地区地质环境条件复杂，Ⅳ～Ⅴ类围岩在水利工程施工中非常常见。从锦屏一级电站导流隧洞工程、小湾水电站导流隧洞、糯扎渡水电站导流隧洞、乌东德水电站导流隧洞等大型工程可以看出：复杂特殊的地质条件主要有断层破碎带及其影响带、软弱岩层带、岩体风化严重地段、岩体卸荷深度较大地段以及含溶洞地段等。所以本文研究的是在该复杂特殊地质条件下断面面积在120 m2以上的导流隧洞开挖与支护技术。

1.2 复杂特殊地质导流隧洞施工难点及问题

地质条件是影响导流隧洞工程施工的一个重要因素。导流隧洞工程施工方案的选择和确定在很大程度上是依据工程地质特征而制定的，针对不同的围岩类别，施工处理的方法和技术侧重点不同。导流隧洞在开挖前应根据围岩地质情况做好“超前探测、超前排水、超前支护”等工作，开挖钻爆遵循“短进尺、控爆破、少扰动、早封闭、勤量测”的施工原则，加强工程地质预报，进行超前导洞开挖，在摸清地质情况后，再扩大稳定及开挖施工，以确保施工安全通过。特别是复杂特殊地质条件下特大断面导流隧洞的施工，必须视不同的围岩地质情况制定适合本工程的开挖支护施工方案。

断层破碎带、Ⅴ类围岩地层段和软弱岩层带导流隧洞的开挖及不良地质地段的处理将构成导流隧洞施工的难点。可能会因为对地质情况掌握不够，从而选择了不合适的施工技术或不适合围岩情况的施工方法，并且又未及时采取其他补救措施，在施工时导致了塌方的发生。具体表现在：在轻微风化或裂隙较密集的围岩和断层破碎带较窄且两侧岩体比较完整的地段容易发生小塌方；在两条相邻、倾向相对的断层带或两种岩层交接带容易发生中等塌方；当洞顶岩层较薄时，易发生冒顶；在软弱岩层段，由于隧洞围岩松散、低强度、遇水易软化的特殊性和雨季丰富的地下水渗透等的影响，很容易出现局部坍塌和二次衬砌前的鼓胀；在岩溶发育洞段，如若对溶洞不能及时采取合理地处理措施，将会给施工带来安全隐患，这将导致工程延期，投资增大等。因此，在导流隧洞的开挖过程中，我们在掌握地质条件的情况下，应选取合理的开挖与支护方法，避免上述问题的发生。所以说研究复杂特殊地质条件下特大断面导流隧洞的开挖支护施工技术很有意义。

2 复杂特殊地质特大断面导流隧洞的开挖技术

开挖在导流隧洞工程施工工序中占有很重要的地位，它不仅是施工的重要环节而且是核心环节。开挖方法的选择受设计断面、地质条件以及技术水平等因素限制，一般采取的方法有所不同。复杂特殊地质条件下特大断面导流隧洞的开挖方法一般有超前导洞法、预留核心土法、台阶开挖法、分层分部开挖法等。下面我将针对如上所述的不同地质条件进行具体的开挖技术研究。

2.1 不良地质地段的处理措施

在复杂特殊地质条件下开挖施工，需先对断层、软弱岩层和溶洞等不良地段进行处理。从表2可知：在不良地段施工前，为提高断层段围岩的整体稳定性，确保施工及工程安全，须对断层及其影响带、软弱岩层地段进行固结灌浆或设置悬吊锚杆进行加固处理；对岩溶发育地段须加强排水，并进行处理。如在实际工程思林水电站导流隧洞工程中，最为突出的工程地质问题就是岩溶发育、涌水、涌泥及河水倒灌。通过对K30、K31、Sj2和Sj4等岩溶管道进行挂网锚喷、回填混凝土、加密配筋并进行灌浆等处理措施，为隧洞顺利施工创造了有利条件[1]。

表2 不良地质地段处理措施表

2.2 断层及破碎围岩段上导流隧洞的开挖

在断层及破碎围岩段上的特大断面导流隧洞开挖应按“浅钻孔，多循环，弱爆破”的方针进行，遵循自上而下的施工原则，采取合理的开挖程序进行分部分序开挖，在断层部位进行超前支护，围岩注浆加固、开挖后加强支护等。开挖主要采用的是分层分部开挖法(常用两层开挖法或三层开挖法)。上层开挖采用的方法有：中部预留岩柱法；左右半洞开挖法；中导洞开挖法。下层开挖方法：半断面开挖法或半幅开挖法；梯段爆破拉中槽、人工光爆层开挖法。当采用的是三层开挖时，第Ⅲ层开挖采用浅孔爆破开挖或保护层开挖法。此外，对特大断面的开挖，当工作面部分围岩全部加固工程量大时，还可采用周边导坑法。以上所述各种导流隧洞开挖法的具体情况见表3。

表3 导流隧洞开挖方法

在实际工程中，各施工单位都必须针对工程的地质特征，仔细全面地分析工程具体情况，制定适合本工程的、合理的施工方案。如：糯扎渡水电站F3断层及其影响带位于3号导流隧洞1+481.2～1+529段，其中主断层宽约8～17 m，桩号1+489～1+514，F5断层位于3号导流隧洞0+760～0+790段，中断层带宽约30 m，断层带主要为破碎岩、角砾岩、糜棱岩、石英脉等，围岩稳定性及完整性很差。F3主断层开挖采用了分层法施工，共分上、中、下三层施工[2,3]。上层开挖采用“核心留台法”施工，中、下层采用半幅开挖法施工。上层又分七区，按先“中间后两侧”自上而下的顺序施工，支护及时跟进，两侧开挖视地质情况，先开挖软岩后开挖硬岩，确保了施工安全。而F5断层上层开挖时，先进行上导洞开挖，再进行两侧扩挖，支护紧跟。中下层开挖时，仍然采用半幅开挖的方式[3]。清江水布垭导流隧洞进口段遇到F8区域性断层，熔蚀张开剧烈，最大处达80 cm，影响范围18 m，对进口及洞脸边坡的稳定十分不利。在该段断层破碎带不良地质段，考虑到该导流洞的特大开挖断面，工作面部分围岩全部加固工程量大，而采用了周边导坑法[4]。在大管棚的超前支护下，拱部弧形导坑先进，再依次两侧开挖拱脚导坑和墙脚导坑，断面开挖施工工序如图1所示。

图1 周边导坑法断面开挖示意图

2.3 软弱岩层上导流隧洞的开挖

软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。软岩段特大断面导流隧洞的开挖施工必须严格遵守“短进尺、多循环、弱爆破、强支护”的原则，决不能求快而冒进。软岩隧洞开挖施工目前主要有超前导洞法、预留核心土法、台阶分部开挖法等。

然而，同为软弱地质，不同地域的工程地质特征也是各不相同的，施工处理的方法和技术侧重点不同。下面我主要从两方面进行描述：①对于具有多层间剪切破碎、多泥软化面、多劈理、多微裂隙、失水易干裂、遇水易泥软化等特点的软弱岩层，采取分三层分部开挖或多层开挖法，每层严格控制分层开挖厚度，遵循“小进尺、多循环”的原则施工。②对受因民组薄层-极薄层大理岩化白云岩影响的软岩地段，采取多层分部开挖法，施工严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的原则，开挖后及时进行断面验收。

2.4 岩溶发育段上导流隧洞的开挖

岩溶发育地段在导流隧洞工程施工中非常常见，岩溶发育的形态主要有岩溶泉、落水洞、溶洞、顺层风化溶滤带和溶槽等，地质条件复杂。大洞径的导流隧洞在岩溶发育段施工时，应以封、堵、拉为原则，本着“先上部再下部”的处理顺序，对溶洞进行处理。对出露的溶腔口部需进行清理、加固和拓宽处理。在溶洞空腔施工时，对于底板要进行再次回填，对溶洞通道、空腔内部需进行清理和随机支护。在对岩溶进行加固处理的基础上采取分层分段台阶法开挖。同时，为确保施工安全，在扩挖时要以机械扩挖为主，弱爆破为辅。

3 复杂特殊地质特大断面导流隧洞的支护技术

支护是导流隧洞施工不可缺少的一个环节，它通过对围岩进行加固，保证了后期隧洞施工的安全。复杂特殊地质条件下导流隧洞的支护形式与围岩类别、隧洞的工况、隧洞的大小、开挖形式及支护的材料和设备有着密不可分的关系。

3.1 断层及其影响带、卸荷带和节理密集带上导流隧洞的支护

Ⅴ类围岩、断层带、断层影响带、卸荷带及节理密集带，由于岩体软弱破碎，再加上构造影响，开挖后变形发展迅速，则需要采取刚性较大的联合支护措施，才能抑制有害变形的发展。联合支护的手段有挂网喷锚支护、格构梁配合系统锚杆、挂网、喷混凝土联合支护、格栅钢架或型钢拱架配合系统锚杆、挂网、喷混凝土联合支护、工字钢支撑，喷钢纤维混凝土支护等。

挂网喷锚支护有两种形式：初喷+锚杆+挂网+复喷；初喷+挂第一层网+复喷+锚杆+挂第二层网+再喷。在软弱带较窄的断层带及其影响带、围岩破碎地带，一般采用第一种支护形式；在软弱层较厚的主断层带，一般采用第二种支护形式。格构梁配合系统锚杆、挂网、喷混凝土联合支护，它适用于地质条件极为恶劣的地段及隧洞进出口段和一些隧洞交叉段等特殊地段。格栅钢架锚杆支护方法一般用在Ⅳ、Ⅴ类围岩段，进出口段及洞身断层破碎带等地质条件差的地段。如云南土卡河水电站导流隧洞，在Ⅳ、Ⅴ类围岩段，进出口段及洞身断层破碎带采用了格栅钢架配合系统锚杆、挂网、喷混凝土联合支护法[5]。工字钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层，能承受很大的山岩压力，耐久性好。如小湾导流隧洞在F7断层及进、出口跨度较大等不良地质条件下就采用了工20b工字钢弯制而成的钢支撑支护，采用“湿喷法”喷钢纤维混凝土[6]。

3.2 软弱围岩和岩溶地段导流隧洞的支护

软弱围岩、围岩破碎带以及富水、涌水、突水等地段，通常要采用超前支护手段，以加固围岩、封堵地下水，从而保障施工安全通过。超前支护常用的手段有：超前小导管锚杆、小管棚及大管棚等。超前小导管锚杆、小管棚支护参数[7]可参考表4选取。大管棚钢管直径一般Φ80～127 mm,钢管中心间距25～30 cm，上仰角为2°～5°，以不侵入设计断面为宜；大管棚钢管长度一般大于10 m，最长已达80 m。

表4 超前小导管锚杆、小管棚支护参数

3.3 围岩破碎带、围岩变形强烈段导流隧洞的支护

在围岩极其破碎、围岩变形强烈等复杂特殊地质条件下特大断面导流隧洞的支护，主要采取水泥卷式预应力锚杆和中空自进式锚杆两种新型锚杆支护类型。

水泥卷式预应力锚杆是一种能迅速提高 岩体整体稳定性的主动施力锚杆。它对开挖后的围岩可尽早提供支护压力，对恢复岩体三维受力状态、提高岩体整体稳定性极为有利。在锚筋类支护方式中，各种经济技术指标相对优越甚至可以取代较浅层锚索支护。如小湾水电站导流隧洞进口渐变段部位因围岩岩性主要为黑云花岗片麻岩(MV-1)夹少量片岩，块状和次块状岩体，Ⅳ级结构面对小断层(f)和挤压面(gm)较发育，围岩稳定性较差，在变形较大的2号导流隧洞渐变段(0+00～0+30m)采用了水泥卷式预应力锚杆加强支护[8]。

中空自进式锚杆在复杂特殊地质条件下取代了普通砂浆锚杆，克服了普通砂浆锚杆诸如塌孔、无法插杆、注浆不饱满等难题，发挥了锚杆支护的作用，提高了围岩的承载能力，保证了围岩的整体稳定性。如小湾水电站在1号导流隧洞0+160～0+237及2号导流隧洞0+215～0+287范围的F7断层出露洞段，就采用了中空自进式锚杆开挖支护[6,8]。

总之，在实际工程中，导流隧洞在不良地段的支护形式要根据工程的实际情况选择，保证施工安全通过。

4 结 语

由于水工导流隧洞所遇到的工程地质条件复杂，施工时需综合考虑各方面的情况。不良地质条件下洞身的开挖与支护是导流洞施工的重点和难点，选择合理的开挖程序和开挖方法，才能保证洞室的施工安全。同时，在断层部位还应采取有针对性的超前支护措施和开挖后加强支护等。其中短进尺、少药量、强支护是围岩类别较差的隧洞开挖的基本方案。通过对复杂地质条件下特大断面导流隧洞开挖与支护施工技术的大致分析研究，为今后类似复杂地质工程的施工可提供一些参考价值，具有积极意义。

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[1] 朱代强. 思林水电站导流洞工程地质问题与工程处理[J]. 贵州水力发电,2006,(6):24-27.

[2] 李春雁,杨保才,马志勇,等. 糯扎渡水电站导流洞穿越F3断层开挖施工技术[J]. 云南水力发电,2009,(5):54-57.

[3] 杨玺成,郭 超. 糯扎渡水电站右岸3#导流洞特大洞室开挖支护综合施工技术[J]. 水利水电技术,2009,(6):37-40.

[4] 李生宏. 复杂地质条件下特大断面导流隧洞施工技术研究[J]. 铁道标准设计,2004,(10):70-73,101.

[5] 秦中平,吴朝月,彭战旗. 土卡河水电站软岩导流隧洞设计与施工[J]. 云南水力发电,2006,(6):25-27,30.

[6] 臧学义,周旭东. 小湾水电站导流隧洞F_7断层段施工技术总结[J]. 水力发电,2004,(10):54-56.

[7] 任金明,李新宇,胡永福,等. 大型水工隧洞初期及超前支护技术应用实例[J]. 水电与新能源,2011,(5):4-7.

[8] 余传永. 几种典型开挖支护施工技术在小湾水电站导流隧洞施工中的应用[J]. 才智,2010,20:60-62.