高海拔地區(qū)鈣質(zhì)頁巖隧洞施工方法與施工技術(shù)研究

魏紅平

(中國安能集團第三工程局有限公司，成都，611130)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

拉洛水利樞紐工程地處西藏，海拔4200多米，德羅引水隧洞受地質(zhì)活動影響，圍巖體破碎、穩(wěn)定性差、類別較低，進行地下工程施工一般難度較大。主要地質(zhì)情況如下：

隧洞圍巖主要為侏羅系遮拉組(J2Z)頁巖，含泥質(zhì)、炭質(zhì)，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r。巖石單軸飽和抗壓強度均值5.9MPa，屬于軟巖。巖體裂隙主要發(fā)育以下三組：①走向NW，傾NE或SW，傾角30°～60°；②走向NE，傾NW或SE，傾角60°～直立；③走向近北，傾E或W，傾角40°～70°。地表裂隙多張開，砂巖裂隙延伸長3m～5m；頁巖裂隙短小。

德羅隧洞線路通過的斷層規(guī)模較小，一般為裂隙性斷層(如f9、f10、f11、f12、f13等)，破碎帶寬度數(shù)十厘米。地層接觸帶(如巖漿巖與侏羅系)、軟硬巖間擠壓帶(如砂巖與頁巖)形成破碎帶巖性軟弱，結(jié)構(gòu)極破碎，并可能貯存地下水，圍巖穩(wěn)定性差，在埋深較大的部位容易出現(xiàn)大變形，在埋深較小的洞段容易引起塌方，上述洞段圍巖穩(wěn)定問題較突出。

隧洞進、出口段與斷層破碎帶等洞段圍巖類別為Ⅴ類；洞身巖體為軟巖，圍巖類別為Ⅳ類，穩(wěn)定性較差。IV1類、IV2類、Ⅴ類圍巖長度分別為2292m、3655m、1589m，占洞長百分比分別為30.4%、48.5%、21.1%。

隧洞巖性主要為含碳泥質(zhì)鈣質(zhì)頁巖夾少量薄層砂巖、極薄層狀灰?guī)r，巖溶現(xiàn)象不發(fā)育、局部有巖漿巖(輝綠巖)侵入。根據(jù)有關(guān)公式對隧洞涌水量進行估算：全隧洞初期最大涌水量、正常涌水量分別為700.3m3/d、178.6m3/d。地下水作用使隧洞圍巖性狀逐漸惡化，特別是破碎帶、軟巖遇水后軟化、崩解，易引起圍巖大變形與坍塌。隧洞最大埋深213m，處于低地應(yīng)力水平，隧洞最大埋深部位最大水平主應(yīng)力9.1MPa、自重應(yīng)力5.3MPa。

1.2 鈣質(zhì)頁巖的主要特點

德羅引水隧洞圍巖主要為鈣質(zhì)頁巖，主要為Ⅴ類、Ⅳ類，裂隙水普遍存在，巖石抗壓強度低，水理性差，易風(fēng)化。具體特點如下：

(1)易風(fēng)化

德羅隧洞巖性主要為侏羅系含碳鈣質(zhì)頁巖，巖性軟弱，抗風(fēng)化作用能力差，且受構(gòu)造等影響，差異風(fēng)化明顯，局部呈帶狀風(fēng)化。據(jù)鉆孔揭露，一般微新頁巖柱狀巖心暴露1～2周后就會基本解體。

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，已開挖巖石將其堆棄在渣場，暴露在空氣中，在失水狀態(tài)下，塊狀的石渣在1～2周就會風(fēng)化崩解為碎塊狀。

(2)水理性差

德羅隧洞全部巖石均為頁巖，遇水極易崩解泥化，與其水理性密切相關(guān)。頁巖溶水性高，持水度大，由于本身巖性較軟，而洞內(nèi)賦存的地下水極為豐富，巖石在與水作用過程中極易崩解泥化，成為淤泥，從而造成大量的超挖，給施工帶來了極大的難度和成本消耗。

(3)巖石強度及結(jié)構(gòu)特征

德羅隧洞頁巖巖石單軸飽和抗壓強度均值5.9MPa，含泥質(zhì)、炭質(zhì)，夾薄層狀砂巖，屬于軟巖。巖石結(jié)構(gòu)多為薄層狀，局部為散體、碎塊狀結(jié)構(gòu)。

(4)圍巖類別

隧洞進、出口段與斷層破碎帶等洞段圍巖類別為Ⅴ類，其余洞段為Ⅳ類。洞內(nèi)頁巖為軟巖，含炭泥質(zhì)，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r，不利組合面多，受滲水影響進一步減弱層間結(jié)合強度，沿結(jié)構(gòu)面易滑動，尤其是原生軟弱夾層及結(jié)構(gòu)面、臨空面易引起巖體失穩(wěn)而導(dǎo)致掉塊和塌方。

(5)地下水

在地下水作用下，巖體軟化使巖石強度進一步降低，同時地下水對軟弱結(jié)構(gòu)面膠結(jié)物的軟化、泥化作用明顯。

由于裂隙發(fā)育，地下水以裂隙水形態(tài)大面積普遍存在，開挖后沿裂隙漫散式滲出，局部出現(xiàn)涌水，對圍巖長期侵蝕加速了巖石軟化，造成塌方和掉塊。

洞內(nèi)地下水量造成底板泥化，增加了施工的難度。

2 施工方法

2.1 開挖方法

嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的爆破設(shè)計進行爆破，采用光面爆破工藝控制開挖輪廓。為確保爆破效果，進行多次爆破試驗，每次爆破的爆破設(shè)計均經(jīng)過監(jiān)理方嚴(yán)格審查，通過后實施。爆破施工過程中做到精細(xì)化管理，一是爆破制度職責(zé)精細(xì)化，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全過程實施監(jiān)控，加強人員技術(shù)的培養(yǎng)和深造；二是爆破質(zhì)量安全控制精細(xì)化，確定質(zhì)量安全控制的關(guān)鍵點，細(xì)化并明確各個環(huán)節(jié)工藝流程的安全操作程序，使整個生產(chǎn)過程中質(zhì)量安全處于受控狀態(tài)。嚴(yán)格控制孔距、單耗藥量等各項爆破參數(shù)。

2.2 支護方法

2.2.1 底板及邊頂拱支護

(1)邊頂拱封閉：爆破后及時進行排危出渣等后續(xù)工作，跟進支護。開挖后4h左右開始支護，6h左右完成該循環(huán)的支護。

(2)底板封閉：開挖150m左右將洞內(nèi)開挖及支護工序暫停，進行底板處理，處理程序為：地板清理→驗收編錄→墊層混凝土澆筑→等強(整個過程14d左右)。底板處理完成后再繼續(xù)進行開挖支護，阻止底板基巖進一步深層泥化下切，在一定程度上減小了超挖。

2.2.2 超前支護及加強支護

遇到圍巖破碎部位和大跨度部位(交叉口和回車道等)，增加超前錨桿和隨機錨桿及格柵網(wǎng)架等加強支護。

2.3 排水措施

遇到較大的涌水點，增加排水孔，并將排水孔直接連接到排水溝中，減少地下水影響。隨著隧洞進尺的加深，采取分級接力式排水的方式，將地下水從設(shè)置在避車道的集水坑內(nèi)分段抽排至洞外。洞內(nèi)滲水量較設(shè)計預(yù)估量增加較大，同時底板泥化，成為泥漿，不能有效排除，增加了施工難度。

3 面臨的主要問題

3.1 地應(yīng)力影響

隧洞區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方向21°～37°，與隧洞軸線夾角6°～56°。隧洞最大埋深213m，處于低地應(yīng)力水平，隧洞最大埋深部位最大水平主應(yīng)力9.1MPa，自重應(yīng)力5.3MPa，接近圍巖抗壓強度(6MPa～8MPa)，巖石應(yīng)力比接近1，局部存在軟巖大變形的可能。

洞壁與層面交角較小，在地應(yīng)力作用下易出現(xiàn)順層理面松弛。當(dāng)?shù)貞?yīng)力相對較高且有地下水參與條件下，開挖后軟巖洞壁圍巖位移較大，持續(xù)時間較長，甚至出現(xiàn)不收斂變形，并使初期一般支護出現(xiàn)開裂或破損現(xiàn)象，對施工安全及工程運行等造成影響。洞室開挖后，由于爆破振動和應(yīng)力重分布的影響，會在靠近洞壁的周圍形成松動區(qū)和塑性區(qū)。由于開挖后破壞了洞室周圍巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，使之重新分布，導(dǎo)致邊墻和頂拱的圍巖出現(xiàn)剝落，造成超挖。

隧洞圍巖均為頁巖，屬于軟巖，存在塑性變形問題，特別是有地下水的情況下，頁巖易軟化、崩解，圍巖自穩(wěn)時間短。雖然進行了及時強支護，還是存在部分洞段在支護后產(chǎn)生了擠壓變形。

3.2 施工過程中的擾動

受底板頁巖崩解遇水泥化等物理特性影響，經(jīng)施工機械往復(fù)行走碾壓，極易造成表層巖體呈碎塊狀，加之動荷載擾動侵蝕，底板巖石將產(chǎn)生泥化物，在地下水拌和作用下，頁巖泥化則形成泥漿，最終導(dǎo)致底板大量侵蝕下切，造成洞室底板基巖設(shè)計標(biāo)高下陷。這種情況在施工中頁巖將不斷地遵循崩解—泥化—碾壓—遇水—泥漿—沖蝕的過程，循環(huán)剝離底板頁巖。

3.3 底板泥化問題

上述鈣質(zhì)頁巖自身水理性差，在自身蠕變、施工擾動等因素影響下，底板極易發(fā)生泥化，給施工帶來較大麻煩。若底板泥化現(xiàn)象不采取有效控制措施，將對工程造成巨大經(jīng)濟損失，也給安全帶來極大風(fēng)險。就經(jīng)濟損失而言，采用原施工工藝，底板泥化嚴(yán)重，超挖工程量無法控制，同時超填量隨之增加，費用巨大。就安全風(fēng)險而言，底板泥化，基巖下陷，工字鋼將懸空，支護作用下降，圍巖穩(wěn)定性差，安全風(fēng)險極大?；鶐r泥化后，泥漿淤積，底板下陷，作業(yè)人員、機械設(shè)備無法正常施工，設(shè)備輪胎破損、機械零件破壞、洞內(nèi)設(shè)施破壞、工作環(huán)境變差，嚴(yán)重影響后續(xù)工序銜接，施工過程中耗用大量人力物力抽泥漿，出渣速度降低，施工進度得不到保證。

4 解決措施

4.1 加強排水和及時支護

針對鈣質(zhì)頁巖水理性差，遇水軟化的問題，加強排水和及時支護是首要的措施。加強洞內(nèi)集中涌水部位排出，可以減輕鈣質(zhì)頁巖進一步泥化；采取支護措施后，對巖石暴露面及時進行封閉，可以防止巖石風(fēng)化，減輕巖石進一步泥化。根據(jù)現(xiàn)場情況必要時增加超前錨桿和超前小導(dǎo)管灌漿等支護措施，減少因圍巖自身整體性和穩(wěn)定性差而引起的塌方、掉塊、片幫等，從而控制超挖。

底板采用C25墊層混凝土進行封閉，防止底板與水進一步接觸，堵塞了泥化渠道，同時也減輕施工對底板的擾動。

4.2 鋪設(shè)鋼板

針對掌子面附近未能及時澆筑墊層的部位，采用鋪設(shè)鋼板以增加施工機械設(shè)備對底板基巖傳遞荷載的受力面，從而減小對基巖的擾動深度。

底板開挖后，保留部分石渣，對底板進行整平，并及時鋪設(shè)3cm厚鋼板，可有效減小施工機械設(shè)備對底板基巖的擾動，減輕泥化現(xiàn)象。具體流程為：開挖平底—底板鋪設(shè)鋼板—繼續(xù)開挖或洞身支護—取出鋼板—底板清理—澆筑墊層混凝土。

在隧洞開挖過程中跟進鋪設(shè)3cm厚鋼板，每掘進約150m后，將鋼板取走，再對底板淤積泥漿進行清理并澆筑混凝土墊層以封閉底板，墊層混凝土采用C25標(biāo)號，頂面高程在襯砌結(jié)構(gòu)混凝土以下。為減少混凝土等對下道工序施工的影響，在新澆筑墊層混凝土3d后鋪設(shè)3cm鋼板以滿足施工機械和車輛通行需求。

此方案可有效增加設(shè)備車轍與底板的接觸面積，每延米需要消耗鋼板約990kg。

4.3 預(yù)留保護層

開挖過程中，發(fā)現(xiàn)底板產(chǎn)生了嚴(yán)重的泥化下切現(xiàn)象后，采取了預(yù)留30cm保護層的措施，以減小施工過程中底板圍巖泥化對建基面產(chǎn)生的影響。

5 取得的效果

該施工方案從西藏高海拔地區(qū)鈣質(zhì)頁巖特點出發(fā)，提出西藏高海拔地區(qū)鈣質(zhì)頁巖隧道開挖方法、支護方法。尤其針對鈣質(zhì)頁巖泥化問題，采用及時支護，加強地下水排除，及時澆筑底板墊層，采用掌子面鋪設(shè)鋼板的方式，防止鈣質(zhì)頁巖泥化，減小超挖1萬余方，同時降低機械損耗，提高了經(jīng)濟效益，為西藏高海拔地區(qū)類似隧道開挖及支護施工提供可供借鑒的經(jīng)驗。