玛乌阿纳大坝导流洞开挖与支护概论

李君立

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710000

1 工程概况

阿尔及利亚玛乌阿纳大坝位于塞迪夫省，是阿国“北水南调”的重要节点工程[1]。导流洞工程位于坝址右岸，隧洞全长763.80m。洞身断面为马蹄形，最大开挖断面尺寸为5.57m×5.94m（高×宽），洞身采用钢筋混凝土衬砌。隧洞底坡直线段为1.8%，中间弯段为1.884%。

2 地质特点

2.1 地质条件复杂

导流洞位于大坝右岸山体中，洞身穿越多种地层。上游直线段为薄层、中厚层泥灰岩，节理裂隙发育，一般有三组结构面，分别为陡倾角纵向裂隙、水平及横向裂隙，围岩极为破碎。泥灰岩开挖后接触空气、水，迅速风化崩解，使得围岩稳定时间大为缩短，经常发生塌方掉块。中间弯段为泥灰岩与石灰岩互层段，中风化与微风化岩石交替出现。出口段为第三纪老黏土，节理裂隙不发育。

2.2 断层破碎带多且影响范围广

导流洞穿越多条破碎带，最大一条在隧洞内出露达30m。破碎带内围岩多含泥质夹层，胶结不良，常出现楔形、穹顶形塌方。出口段黏土岩与泥灰岩分界断层，整合接触，泥灰岩结构面表层已完全成粉末状松散颗粒，与松软土壤类似。石灰岩破碎带部分岩石虽然外观保持原状，但是用手一拨拉即碎裂成为5cm以内的小石子，属于散体状结构，已完全失去稳定能力。

2.3 地下水丰富

导流洞穿越山体节理裂隙发育，地下水十分丰富，所在山体腰部及河谷中有多处泉水出露。地下水补给来源主要是大气降水和裂隙水。在裂隙水的作用下，岩层泥化崩解，结构面胶结较差，结构松散，极易造成局部塌方。大量的地下水也对导流洞的正常施工造成了极大干扰[2]。

3 施工方法

3.1 导流洞开挖与支护综述

导流洞洞径较小，最小开挖断面底部宽度仅有3.34m，为方便大型设备施工，采用下部预留1m厚底板、上部全断面开挖的方案，贯通后再挖除底板。鉴于围岩较差，开挖过程中严格遵循“新奥法”施工原则，“短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”，确保围岩稳定，稳中求快。对于条件较好的II～IV类围岩，钻爆法掘进；稳定性较差的V类围岩，采用液压锤凿进。装载机出渣，支护及时跟进。支护分两种类型：3型支护系统锚杆、挂网喷混凝土和4型支护钢拱架、系统锚杆、挂网喷混凝土，支护类型根据测定的岩石破碎度RMR值确定。

3.2 钻爆法开挖方案

受当地火工材料种类限制，考虑到地下水较多，使用乳化炸药和毫秒延期电雷管分段微差爆破，炸药单耗约1.0kg/m3。手风钻凿孔，楔形掏槽，周边光面爆破。光爆孔采用不耦合间隔装药，线装药密度为125g/m。为减小爆破对围岩的震动，采用小抵抗线大孔距的布孔方案，孔距0.6～0.7m，排距0.35～0.45m。具体的爆破参数结合实际情况进行调整，单循环进尺一般II、III类围岩为3.0m，IV类围岩1.5～2.5m。

3.3 液压锤凿进法开挖方案

对于V类围岩，采用液压锤凿进，必须坚持短进尺、少扰动、早封闭、强支护，单循环进尺1m立即进行支护工作。

3.4 隧洞支护

导流洞围岩多为III～V类，大部分为IV～V类围岩，当岩石破碎度21≤RMR≤40采用4型支护，即：C25喷射混凝土5+4cm；系统锚杆Φ25x3000mm，排距1.5m（根据现场实际，可取消系统锚杆）；Φ6金属网片150X150mm，钢拱架采用I12工字钢，间距0.5～1.2m，并用Φ25螺纹钢筋与上一榀钢拱架焊接牢固。钢拱架由加工厂制作完成，现场拼装。

围岩破碎度在41≤RMR≤60采用3型支护，相较4型支护，取消钢拱架，初喷5cm素混凝土，系统锚杆Φ25x3000mm，排距1.5m，梅花形布置，挂钢筋网后再喷一层4cm厚的混凝土（根据围岩实际情况，可取消系统锚杆）。

3.5 特殊情况处理

（1）洞口边坡处理。导流洞进口岩层为泥灰岩，表面覆盖一层风化料，下面是风化泥灰岩，洞口边坡开挖后立即封闭。首先素喷5cm厚的C25混凝土，布置L=8.0m的ø25锚杆，a=2m，b=3.0m。而后铺设ø6 15×15cm2钢筋网，再喷4cm厚的混凝土。并布置排水孔、截水沟。

（2）洞脸处理。为确保施工安全，进洞前先进行锁口处理。洞脸形成后在洞口设计开挖线外布置锁口锚杆而后再开挖洞口。锁口部分预先进行0.15～0.2m的超挖，架设钢拱架。锁口锚杆分两排，内环距洞口钢拱架0.5m，锚杆间距0.5m；外环距内环1.0m，锚杆间距1.0m。施工时，预留外露长度0.2m，外露部分钢筋与洞口第一榀钢拱架焊为一体。然后挂钢筋网，喷混凝土。喷砼厚度0.15～0.2m，分3次喷完，使钢拱架与围岩形成整体。

（3）洞口段塌方。进口段掘进至桩号0+20m时发生塌方，塌方体填塞了从掌子面到桩号0+10m之间的几乎整个隧洞。分析原因主要是洞口覆盖层较浅，顶拱以上围岩风化严重，且对泥灰岩开挖后暴露在空气中风化崩解的特性认识不足，支护不够。

处理方案：经过现场试验，为避免塌方扩大，决定在塌方体上方钻孔，通过混凝土泵向塌方部位灌注混凝土。而后清理洞内塌方岩石，对开挖断面以内的回填混凝土挖除，并及时立拱架支护[3]。

（4）上游段F2断层破碎带。桩号0+72.6m拱顶发生小规模塌方，自左肩部一直延伸到右肩部位，塌方体深入顶拱以上围岩达2m。从现场看，围岩为三组裂隙分割成为碎裂镶嵌结构：分别是倾向SW的近乎平行于洞轴线的倾角达80°的陡倾裂隙，间距0.15m左右，走向垂直洞轴线、倾向SE的裂隙和倾向NW裂隙。裂隙部分填充，充填物以泥质为主，结构面在裂隙水的作用下发生软化，成为松散的结构体。掌子面开挖3h后，岩石如崩岸般一层层自掌子面中部向下自动剥落。

采取措施：按照新奥法支护的要求，立即对拱顶及侧壁进行素喷。而后清除塌方岩石，立钢拱架，间距缩小为0.5m，加密连接筋。为保证钢拱架能够支撑到围岩，在塌方部位用工字钢焊在拱架背面，另一端焊上垫板牢固地顶在围岩上。然后在钢拱架上挂模板，用混凝土将围岩与拱架间空隙填实。

塌方部位支护完毕，采用预留核心、环形开挖的方法。具体方案是：液压破碎锤掘进，掌子面中央部位保留，在掌子面上环形挖出立拱架的位置，单次进尺小于1m。立即对新开挖部位进行素喷，而后测量放线，按0.5m间距立钢拱架。随即进行喷砼作业。支护完成后再挖除中央核部，继续用液压锤环形开挖。此方案对工期的延误较小，且节省投资。

3.6 地下水处理

导流洞所在山体靠近河谷一侧有泉水出露，是地下水汇聚和出露的通道。导流洞上游段开挖至桩号0+164m时，掌子面出现涌水，实测最大流量176m3/h，持续达15天，并维持60m3/h的流量直至贯通。涌水对导流洞正常施工造成了严重影响，涌水初期排出洞内积水的时间就达两周之久，后期每天维护水泵、抽排水的时间达4h以上。

由于洞身裂隙发育，地下水出水点随掌子面不断前移，不宜采用封堵的办法。同时上游侧无法利用隧洞坡降自流排水，主要采用机械抽排的方式，在掌子面附近挖集水井，积水自流或由机械抽至集水井并最终排出洞外[4]。

4 结束语

玛乌阿纳大坝导流洞地质条件差，围岩复杂多变，穿越断层带多而长；地下水丰富，进口段泥灰岩遇水泥化崩解，出口段黏土岩遇水湿陷、甚至变成泥浆；洞径较小，施工机械、设备及管线难以布置，施工难度极大。经过技术人员和现场施工人员的艰苦努力，终于如期安全贯通。通过导流洞的开挖支护，对软弱破碎岩层、泥灰岩黏土岩遇水情况下隧洞的开挖支护提出以下几点施工经验和体会。

（1）泥灰岩具有遇空气、遇水快速风化崩解的特性，对于此类围岩的开挖，要及时进行良好的封闭喷护，避免进一步风化，防止围岩失稳；宜采用偏保守的重型支护。

（2）开挖软弱破碎岩层应对围岩进行超前处理，提前改善围岩状况，而后按照“短进尺、少扰动、早封闭、强支护”的原则，根据实际情况及时调整开挖方案，在确保安全的前提下尽可能加快施工进度。

（3）尽可能利用现有的地质地形资料，对隧洞沿线岩性及水文资料进行预判，对可能出现的不良地质情况及涌水等做到未雨绸缪。

（4）重视隧洞排水工作，尤其是对泥灰岩、黏土岩围岩内的渗水、涌水，及时采取措施，或排或堵，不仅有利于进行下一步工作，还能防止地下水对围岩稳定造成不利影响。