高水敏性極軟巖地下洞室底板超挖原因分析及應(yīng)對措施

黃振偉，張 濤，趙冰波，杜勝華

(1.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

在地下洞室開挖過程中，超挖現(xiàn)象幾乎無法避免，只是超挖程度不同。從結(jié)構(gòu)上看，與設(shè)計的理想洞室光滑輪廓相比，超挖引起的不平整輪廓會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致圍巖破壞或支護、襯砌結(jié)構(gòu)受力條件惡化，影響結(jié)構(gòu)安全。從施工方面看，超挖造成支護、襯砌施工困難，甚至還意味著超填，進一步增加施工成本、延長工期，影響工程效益。

大部分隧洞工程出現(xiàn)超挖的部位是邊墻與頂拱，而對底板部位的超挖則沒有引起足夠的重視。目前國內(nèi)外對隧洞超挖的研究主要集中在邊墻、頂拱超挖原因[1-3]、超挖規(guī)律[4-5]、超挖控制措施[1，6-7]等方面。近年來，隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，隧洞地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，施工中出現(xiàn)了底板超挖現(xiàn)象。本文以西藏拉洛水利樞紐工程引水發(fā)電隧洞為例，對地下洞室底板超挖原因進行分析，提出了技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、性能有效的工程處理措施，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)，具灌溉、供水、發(fā)電、防洪、促進改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等綜合效益[8]。主體工程于2015年開工建設(shè)，2019年9月下閘蓄水，2021年電站正式發(fā)電、灌區(qū)順利試通水。

樞紐工程包括大壩、溢洪道、引水發(fā)電隧洞、電站等建筑物，水庫總庫容2.965億m3，為大(2)型水利工程。引水發(fā)電隧洞長3 780.56 m，引水流量19.4 m3/s，加大引水流量23.3 m3/s，設(shè)計灌溉面積45.39萬畝(3.026萬hm2)。同時，利用灌溉引水流量及水量建廠發(fā)電，電站裝機容量40 MW，多年平均發(fā)電量0.739 5億kW·h。

引水線路區(qū)地貌為高原山地地貌，分水嶺呈東西向展布，山頂高程4 639～4 967 m，相對高差350～950 m。分布基巖主要為侏羅系頁巖，含鈣質(zhì)、泥質(zhì)、碳質(zhì)，局部夾薄層狀板理化細晶灰?guī)r。根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果(表1)，該頁巖屬極軟巖(飽和單軸抗壓強度在5 MPa以下)。線路通過向斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀變化較大，翼部傾角40°～60°。巖體透水性微弱，但部分洞段可能出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象，為順裂隙滲流，局部破碎帶洞段可能出現(xiàn)線狀流水。圍巖為Ⅳ，Ⅴ類，分別長2 760.00，1 020.56 m，各占比73%，27%。

表1 引水發(fā)電隧洞頁巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果Tab.1 Test results of physical and mechanical properties of shale in diversion and power generation tunnel

該工程隧洞一般埋深100～150 m，最大埋深213 m。隧洞為無壓洞，馬蹄形斷面，開挖斷面530 cm×515 cm(寬×高)，采用系統(tǒng)噴錨或鋼拱架作為初期支護，后期采用厚40～50 cm鋼筋混凝土襯砌(圖1)，混凝土強度等級為C25[9]。

圖1 引水發(fā)電隧洞斷面(尺寸單位：cm)Fig.1 Cross section of diversion and power tunnel

2 隧洞掘進施工

2.1 方案設(shè)計

根據(jù)初步設(shè)計報告和招標設(shè)計報告(以下簡稱“設(shè)計報告”)，引水隧洞采用全斷面鉆爆法開挖，手風(fēng)鉆鉆孔爆破，中間掏槽、周邊小藥量光面爆破。0.5～1.0 m3側(cè)卸式裝載機裝渣，3～5 t自卸汽車出渣。鉆爆開挖過程中及時跟進以進行錨噴支護；對Ⅴ類圍巖洞段設(shè)置鋼支撐支護，并根據(jù)開挖圍巖情況對Ⅳ類洞段設(shè)置鋼支撐支護。由于巖性軟弱，地應(yīng)力相對較大，流變特征較為明顯，因此在施工中每隔10～15 m進行洞室變形及圍巖應(yīng)力監(jiān)測，在分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上及時調(diào)整支護參數(shù)。后期襯砌和底板在隧洞分段開挖完成后一次性澆筑，先澆筑底板，然后鋪設(shè)臺車軌道，架設(shè)鋼模臺車施工鋼筋混凝土襯砌。

根據(jù)工程施工合同(以下簡稱“合同”)，地下洞室開挖包括洞線測量、施工期排水、照明和通風(fēng)、鉆孔爆破、圍巖監(jiān)測、塌方處理、完工驗收前的維護，以及將開挖石渣運至指定地區(qū)堆存和進行廢渣處理等工作。關(guān)于隧洞施工期排水，合同規(guī)定：承包人應(yīng)根據(jù)項目法人提供的地下水勘探資料，估計排水量及排水范圍，負責(zé)設(shè)計、采購、安裝和維護全部地下施工排水系統(tǒng)，除非地下水涌水量超出預(yù)估數(shù)量和范圍2倍以上；相關(guān)費用均包含在隧洞開挖工程量的每立方米工程單價中，項目法人不另行支付。

2.2 實施結(jié)果

參照“短進尺、弱爆破、強支護、微擾動、勤觀測”的施工原則，在開挖過程中，采取光面爆破工藝控制開挖輪廓，隧洞底板預(yù)留30 cm作為保護層，兩側(cè)開挖排水溝，通過排水溝將水匯集到集水井后抽排出洞外。

在初期支護實施前，經(jīng)參建四方聯(lián)合驗收，隧洞開挖的斷面總體成型控制較好，底板未發(fā)現(xiàn)有明顯的超挖，巖面光爆殘孔率可達到85%以上。隧洞地下水主要呈沿裂隙面出現(xiàn)的滲水、滴水，局部破碎地段出現(xiàn)線狀滴水，單點流量一般在0.1～0.5 L/min間，最大流量在10 L/min以下，采取了間歇性抽排水處理。

在施工過程中，地勘單位同步開展了施工地質(zhì)工作。根據(jù)施工地質(zhì)編錄與觀測資料，隧洞開挖揭露的圍巖類別、地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力水平及地下水等情況未發(fā)生改變。經(jīng)召開技術(shù)咨詢會議，專家組判斷隧洞施工揭示的地質(zhì)條件與前期勘察成果基本一致。

2.3 底板超挖情況

在隧洞底板混凝土澆筑前基礎(chǔ)驗收時，經(jīng)測量斷面形狀，隧洞實際底板建基面凹凸不平，部分地段呈深槽狀，且普遍低于設(shè)計底板開挖線，均出現(xiàn)了不同程度的超挖(圖2)，清基前超挖部分呈含頁巖碎屑的黏稠泥狀(圖3)。隧洞實際底板建基面低于設(shè)計高程0.2～1.0 m，平均超挖厚度50 cm，橫斷面上平均超挖面積2.51 m2(圖2中陰影部分)，超挖工程量為9 494.06 m3。

圖2 引水發(fā)電隧洞底板驗收斷面(尺寸單位：cm)Fig.2 Acceptance section of bottom floor of diversion and power tunnel

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

由于底板整體均出現(xiàn)了超挖，底板旁側(cè)的臨時排水溝和集水井也因此被破壞，沒有發(fā)揮相應(yīng)的排水作用(圖4)。

圖4 隧洞底板旁側(cè)被破壞的排水設(shè)施Fig.4 Damaged drainage facilities beside the tunnel floor

3 底板超挖原因分析

3.1 內(nèi) 因

隧洞圍巖為侏羅系頁巖，巖性軟弱，根據(jù)表1試驗成果的干狀態(tài)與飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度，其屬極軟巖。

該隧洞超挖厚度為0.2～1.0 m，頁巖巖性軟弱是底板超挖的內(nèi)因。根據(jù)其他工程資料，吉牛水電站引水隧洞巖石為二云英片巖，干狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度為13.9～39.7 MPa，飽和狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度為10.3～30.0 MPa，屬軟巖-較軟巖，底板超挖厚度為20～50 cm[10]。對比表明：軟質(zhì)巖隧洞易發(fā)生底板超挖，且在其他因素影響基本相同的條件下，巖性越軟弱，超挖厚度越大。

3.2 外 因

3.2.1 機械設(shè)備反復(fù)碾壓

在施工現(xiàn)場，隧洞內(nèi)作業(yè)的機械設(shè)備主要為側(cè)卸式裝載機和自卸汽車，另外在每一開挖支護循環(huán)需使用斗容1 m3的反鏟對開挖面進行危巖排險。根據(jù)施工過程中的現(xiàn)場觀察，經(jīng)機械設(shè)備多次碾壓后，隧洞底板頁巖被磨蝕，并進一步發(fā)展成凹槽狀，且機械設(shè)備重量越大，碾壓次數(shù)越多，超挖厚度越大。

引水隧洞長3 780.56 m，中間布置了1條施工支洞，開挖共4個工作面。單個工作面控制長度分別為1 763.20 m和2 017.36 m，按爆破單循環(huán)2.5 m 計算，底板被出渣車反復(fù)碾壓，最多達1 600余次。因此，機械設(shè)備反復(fù)碾壓是隧洞底板超挖的直接外因。

3.2.2 水

隧洞內(nèi)的水主要來源于地下水，此外，鉆爆施工用水也會在洞內(nèi)形成積水。隧洞開挖過程中揭露的地下水為基巖裂隙水，多沿裂隙面滲水、滴水，局部斷層發(fā)育處出現(xiàn)線狀滴水。

頁巖受水的影響較大，主要體現(xiàn)在失水干裂、遇水軟化、浸水崩解。根據(jù)表1的試驗成果，強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微新頁巖的軟化系數(shù)分別為0.22，0.32，0.43，均小于0.75，屬易軟化巖石。頁巖飽水后，巖石單軸抗壓強度顯著降低，僅為干抗壓強度的0.22～0.43倍。頁巖強度更低、超挖深度加大。因此，水是隧洞底板超挖的直接外因。

3.3 各因素綜合影響

根據(jù)卓雷棚等[11]對軟巖隧洞底板超挖受各因素影響的研究分析：① 無論洞底保持干狀態(tài)還是積水狀態(tài)，軟巖底板在機械設(shè)備的反復(fù)循環(huán)荷載作用下均會發(fā)生超挖，干狀態(tài)下軟巖被碾壓呈碎屑或巖粉，積水狀態(tài)下呈泥狀；② 機械設(shè)備輪壓反復(fù)循環(huán)荷載作用次數(shù)越多、裝載荷載越大，車轍下凹槽深度就越大；③ 在經(jīng)歷相同荷載、相同循環(huán)反復(fù)荷載的前提下，積水狀態(tài)的車轍凹槽深度較干狀態(tài)的大。

因此，結(jié)合拉洛水利樞紐工程引水發(fā)電隧洞施工狀況，軟弱巖石、機械設(shè)備反復(fù)碾壓和水等多因素的綜合作用將導(dǎo)致隧洞底板出現(xiàn)超挖，其中巖性軟弱和機械設(shè)備反復(fù)碾壓是超挖的必要因素，水(地下水和施工用水)是加劇超挖作用的外因。

4 底板超挖應(yīng)對措施

4.1 工程處理措施

為減少或避免隧洞底板發(fā)生超挖，需要采取措施消除相關(guān)因素的不利影響：① 由于現(xiàn)有技術(shù)手段無法改變巖石軟硬程度，因此只能對軟弱巖石采取保護措施；② 可盡量采取輕型設(shè)備，以減輕機械設(shè)備反復(fù)碾壓的影響；③ 可采取抽排水措施以消除水的不利影響。以下具體工程處理措施各有利弊，需根據(jù)實際情況選用。

(1) 預(yù)留保護層開挖。優(yōu)點是隧洞底板超挖量明顯減少；缺點是保護層厚度難以確定，不同位置超挖深度大小不一，局部未被機械設(shè)備碾壓的地方甚至出現(xiàn)欠挖，造成二次處理工作量較大。

(2) 鋪設(shè)洞渣料作為墊層。按隧洞設(shè)計斷面開挖，并將部分渣料攤鋪在底板上。優(yōu)點是可減少出渣量，短期內(nèi)可改善運輸條件；缺點是墊層料也是軟弱巖石，被碾壓后逐步軟化、泥化，將導(dǎo)致泥化厚度更大，長期運輸更為困難。

(3) 鋪設(shè)砂石料作為墊層。按隧洞設(shè)計斷面開挖，從洞外運輸質(zhì)地較堅硬的砂石料攤鋪在底板上。優(yōu)點是對底板的保護快速且較為有效，缺點是將增加砂石料開采、運輸?shù)认嚓P(guān)投資。

(4) 及時澆筑混凝土作為墊層或底板。現(xiàn)澆混凝土需養(yǎng)護4～5 d，碾壓混凝土需養(yǎng)護1～2 d，可采用鋼棧橋在養(yǎng)護期間臨時通車。優(yōu)點是可快速有效地保護底板，缺點是將增加混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑等相關(guān)投資。

(5) 采用皮帶機運輸石渣。優(yōu)點是取消了出渣車輛，減輕了對底板的直接碾壓破壞；缺點是皮帶機架設(shè)后與洞內(nèi)支護襯砌等機械設(shè)備相互干擾大，小斷面隧洞內(nèi)無法實現(xiàn)平行作業(yè)?；蚩蓪⒋笮驮O(shè)備替換為小型、輕型設(shè)備，采用小型機械設(shè)備配合人工進行清渣、出渣。

(6) 降低混凝土底板設(shè)計高程。根據(jù)底板超挖平均厚度，將底板設(shè)計高程降低，既能保證底板設(shè)計厚度，又能盡量減少混凝土回填量；缺點是因為隧洞底板超挖厚度不均衡，全洞段無法統(tǒng)一設(shè)計高程的降低標準，澆筑后的底板面將呈起伏狀，襯砌施工時鋼模臺車行走困難，不便于運行期檢修，也將造成一定水頭損失。

(7) 加強抽排水。在隧洞底板兩側(cè)開挖臨時排水溝，遇較大流量的出水點時增設(shè)排水孔，并將排水孔直接連接至排水溝中，間隔一定距離設(shè)置集水井，從集水井中抽水排出洞外。優(yōu)點是通過抽排水可避免水在底板上漫溢，進而大大減輕超挖程度；缺點是排水設(shè)施不易維護。

為應(yīng)對該工程的底板超挖，采取了多種處理措施，包括預(yù)留30 cm保護層、設(shè)置排水溝和集水井、對局部洞段嘗試采用澆筑混凝土墊層封閉。上述處理措施對底板超挖雖起到了一定程度的抑制作用，但仍不能徹底遏制，且在處理過程中占用了較多工期。此外還研究了鋪設(shè)鋼板、搭建鋼棧橋、軌道或皮帶機運輸石渣等各種方案，但因為造價過高或適應(yīng)性差最終未實施。

4.2 變更或索賠

隧洞底板超挖工程量為9 494.06 m3，設(shè)計開挖量為88 830 m3，超挖工作量占設(shè)計開挖量的10.7%，底板超挖也意味著需要增加相同的混凝土超填量。超挖和超填延誤了工作進度，增加了成本，施工承包人要求通過設(shè)計變更或索賠來獲得相應(yīng)的補償。為此，承包人向發(fā)包人提出：在隧洞施工過程中遇到不良地質(zhì)條件，而設(shè)計報告、招標文件和合同未提出相關(guān)處理措施，在發(fā)包人要求加快施工進度的情況下，盡管承包人采取了多種處理措施，但仍發(fā)生了較嚴重的底板超挖，應(yīng)作為設(shè)計變更，增加的相應(yīng)投資由發(fā)包人支付。

(1) 根據(jù)水利部印發(fā)的水規(guī)計〔2012〕93號《水利工程設(shè)計變更管理暫行辦法》第三條規(guī)定：設(shè)計變更是相對于已批準的初步設(shè)計所進行的修改活動；根據(jù)合同規(guī)定，對不可預(yù)見的地質(zhì)原因引起的超挖，其費用由發(fā)包人承擔(dān)，對可預(yù)見的地質(zhì)原因引起的超挖和抽排水，其費用由承包人承擔(dān)。在初步設(shè)計報告和招標設(shè)計報告中，均已詳細說明了隧洞軟質(zhì)巖特性，預(yù)測了地下水出露形式和出水量，經(jīng)施工開挖揭示，實際地質(zhì)條件與前期地勘成果基本一致(且經(jīng)專家咨詢會同意)。因此，隧洞地質(zhì)條件未發(fā)生改變，底板超挖應(yīng)屬于可預(yù)見的地質(zhì)原因引起的一種情況。

(2) 招標文件和合同中已指出，石渣運輸、抽排水等方案由承包人自行制定，在初設(shè)報告中已說明了軟質(zhì)巖易風(fēng)化、軟化、具流變特性等，并要求重視“隧洞施工”。作為有經(jīng)驗的承包人，應(yīng)理解此處“隧洞施工”包括鉆爆、清渣、出渣、支護、襯砌、抽排水等全過程。

(3) 承包人未能提供有關(guān)發(fā)包人要求加快施工進度的有效文件。此外，科學(xué)合理地預(yù)防底板超挖的發(fā)生和處理超挖問題不僅不會延緩反而有助于加快隧洞施工進度。

綜上所述，承包人要求對隧洞底板超挖進行設(shè)計變更無正當(dāng)理由，索賠事件也不成立。

5 結(jié) 論

本文通過對拉洛水利樞紐工程隧洞底板超挖原因和相應(yīng)工程、商務(wù)處理措施進行分析，得到以下結(jié)論。

(1) 隧洞底板超挖現(xiàn)象因未引起足夠重視、相關(guān)研究成果較少，經(jīng)綜合分析與對比研究表明：底板超挖是內(nèi)、外因綜合作用的結(jié)果，巖石巖性軟弱屬內(nèi)因，機械設(shè)備反復(fù)碾壓和水屬外因；巖石軟弱和機械設(shè)備反復(fù)碾壓是必要因素，缺少任一因素均不會造成底板超挖，水(地下水和施工用水)在底板超挖過程中起加劇作用。

(2) 為減少或避免隧洞底板發(fā)生超挖，可采取預(yù)留保護層、鋪設(shè)洞渣料/砂石料/澆筑混凝土墊層、皮帶機運輸石渣、加強抽排水等工程處理措施。各措施均有利弊，需根據(jù)實際情況選用可靠、經(jīng)濟、有效的處理方案。在底板超挖發(fā)生后，適當(dāng)降低混凝土底板設(shè)計高程，可減少超填量，節(jié)約投資。

(3) 為避免在設(shè)計變更或索賠過程中發(fā)生糾紛，勘察單位應(yīng)在設(shè)計報告中對隧洞圍巖特別是軟巖特性進行充分、全面的說明；設(shè)計單位應(yīng)在設(shè)計報告(含圖紙)中、發(fā)包人應(yīng)在招標文件中明確提出因特殊地質(zhì)條件而存在底板超挖的可能性；承包人在施工過程中，應(yīng)保存相關(guān)的有效證據(jù)，對于具體處理方案，可報請發(fā)包人組織專家進行咨詢或評審。

(4) 對軟巖隧洞施工，承包人應(yīng)在深刻理解設(shè)計報告、招標文件的基礎(chǔ)上，重視可能發(fā)生的底板超挖問題，提前謀劃，施工過程中應(yīng)積極、主動處理，必要時持續(xù)優(yōu)化相關(guān)處理方案。否則，會導(dǎo)致較為嚴重的底板超挖，最終延誤工期、增加費用、造成損失。發(fā)包人應(yīng)主動向承包人提供勘察設(shè)計資料，以幫助承包人加深對工程的認識。