官帽舟水电站软岩地下洞室开挖支护设计研究

韩小妹,邵剑南,李怡芬

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

1 概述

软岩隧洞常常碰到围岩饱和抗压强度低，突涌水、裂隙发育、膨胀、岩爆、高地温，施工过程不及时支护，会有塌方事故，甚至冒顶事故[1- 8]。

四川乐山官帽舟水电站区域岩性主要为泥质粉砂岩，夹粉砂性泥岩和砂岩。地下洞室围岩分类主要为Ⅳ类围岩，局部为Ⅴ类围岩。虽然地下洞室建筑物多，隧洞长，竖井深，围岩稳定性差[9]，由于对软岩隧洞的地质特性进行了正确分析，合理设计开挖支护方案，地下隧洞施工造价仍控制在施工前5年批准的初设概算之内，开挖支护工程造价还略微节省，施工工期与初设施工组织设计基本相同，且施工过程中未发生塌方等安全事故。

认清泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的软岩隧洞地质特性，才能优化开挖支护设计，降低工程投资和控制长隧洞工程施工工期，有助于推动软岩隧洞的项目前期设计进展顺利和确保施工安全。

2 工程地质

2.1 泄洪放空洞地质条件

官帽舟水电站右岸布置一条采用龙抬头形式半结合导流隧洞的泄洪放空洞，洞长0.61km，有压段为洞径7.5m圆形洞，龙抬头段尺寸为7.5m×10m城门隧洞(宽×高，下同)，结合导流洞段尺寸为7.5m×11.5m城门隧洞。泄洪检修闸门和工作闸门井布置在洞中，井身尺寸12.15m×11.5m(内径，顺水流向×垂直水流向，下同)，井深62m。

泄洪放空洞围岩出露下沙溪庙组第三段泥质粉砂岩及粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，弱～微风化状态，以较软岩为主，夹有坚硬岩。岩体产状为330°/NE∠10°，和洞线大角度斜交，岩体呈中厚～厚层状结构，裂隙不发育，岩体较完整，进水口至龙抬头段洞内干燥。泄洪放空洞结合导流洞段地下水位高于洞顶，洞顶多处滴水、渗水。泄洪闸门井高程679～667m围岩发育一组裂隙L273产状为80°/NW∠80°，其为剪切性质，平直，面粗糙，偶夹泥质，间距50～150cm。

2.2 长引水发电隧洞地质条件

官帽舟水电站左岸布置一条长6.4km的长引水发电隧洞，全断面采用钢筋混凝土衬砌，内径6.2m；引水发电隧洞临近厂房附近布置水室式调压井，调压井井深87.5m，井身主要为内径尺寸21m的圆形井。

长引水发电隧洞经过地段的地面高程普遍为700～850m，局部过冲沟处地面高程偏低，其洞线中部羊坝冲沟为洞身经过的最深冲沟，沟底高程590～700m。洞身经过地段出露的基岩为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，隧洞沿线未发现大的区域构造断层。隧洞穿过岩层主要为微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，近轴部两侧岩层产状平缓，北西翼岩层产状30°～70°/SE∠3°～15°，南东翼产状30°～70°/NW∠3°～15°。隧洞经过地层为碎屑岩，可视为隔水层，沿线可见多处泉水出露，地下水位普遍较高。开挖后，岩石结构面基本上处于较完整和完整，软岩致密，防渗能力强。在局部洞顶位置出现滴水点和渗水点，但均未形成连续流量，大部分洞顶和边墙均干燥。调压井围岩为弱风化～微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，以较软岩为主，夹少量坚硬岩。岩体产状40°/NW∠10°，岩体呈中厚层～厚层状结构，较完整～完整，井身发育三组裂隙，井内干燥。

2.3 软岩特性分析

官帽舟水电站地下洞室主要为Ⅳ类围岩，局部为Ⅲ类和Ⅴ类围岩。根据规范[9]中对围岩的稳定性评价标准，Ⅳ类围岩为不稳定，围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。常规软岩隧洞Ⅳ类围岩一般都受构造影响、裂隙发育，岩体完整性较差，地下水丰富，围岩稳定性差，需要及时进行系统支护，部分工程由于地下水渗水或者支护不及时发生了塌方[8]。

本工程地下洞室围岩主要为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，为易风化类碎屑岩，地表岩体风化后粘粒含量较大，直接阻隔了地表水的下渗[10]。岩石完整性好，局部裂隙多呈微张～闭合状，岩石致密，防渗性好，洞内干燥，极少部位有滴水点和渗水点，对围岩稳定有利。由于泥岩风化后抗剪强度急剧下降，因此地下洞室开挖后，需要及时进行喷混凝土封闭，防止进一步风化。

官帽舟水电站泄洪放空洞围岩结构倾角为5°～10°，长引水发电系统围岩结构倾角为3°～15°，围岩倾角平缓，如千层饼层叠，对隧洞边墙和竖井开挖稳定有利；由于自重，隧洞洞顶容易塌方。因此需要及时加强对隧洞洞顶进行系统支护，防止洞顶掉块造成安全和经济事故，根据围岩类别对隧洞边墙进行系统或随机支护即可。

3 开挖支护设计

3.1 泄洪放空洞开挖支护设计

泄洪放空洞有压段为圆形隧洞，开挖洞径为9.4m，开挖时喷0.15m厚的C20混凝土。顶拱120°范围内采用Φ22mm锚杆@1.25m×1.25m、长L=3m、入岩深度2.9m(Φ22锚杆支护间距和长度下同)进行系统支护，两侧边墙范围采用Φ22mm锚杆随机支护。在围岩稳定较差的地段，需要挂网喷锚，挂网钢筋为Φ8mm@0.2m×0.2m(环向×纵向，挂网钢筋直径和间距下同)。

检修闸门井和工作闸门井开挖外径尺寸为16.5m×11.6m(顺水流向长度×垂直水流向宽度)，采用自上而下开挖方式，井壁采用系统喷锚和挂网支护。开挖后喷0.15m厚的C20混凝土，系统锚杆Φ25mm@2m×2m(环向×纵向，下同)，L=6m、入岩5.5m和L=4.5m、入岩4m相间布置，锚杆均垂直开挖面。井顶3.5m宽圆环范围内采用1m厚C25混凝土锁口。

龙抬头段开挖后尺寸为10.8m×14.65m；结合导流洞段开挖后尺寸为9.8m×13.65m。考虑龙抬头段下部凌空，因此龙抬头段洞顶按照Ⅴ类围岩、洞壁按照Ⅳ类围岩支护设计。龙抬头段隧洞顶拱和侧墙均采用喷锚挂网支护和钢拱架支护。喷0.15m厚的C20混凝土，锚杆支护采用Φ22mm锚杆系统支护。钢拱架支护为I20a@1m，底板脚部采用槽钢20a垫脚。顶拱120。范围内采用超前锚杆Φ22@0.4m×1m(环向×纵向)，L=3m，入岩2.75m，上仰倾角10°，尾部与钢拱架焊接(超前锚杆设计参数下同)。结合导流洞段喷0.1m厚的C20混凝土，顶拱120°范围内采用Φ22mm锚杆系统支护，两侧边墙范围采用Φ22锚杆随机支护；在围岩稳定较差的地段，需要随机挂网。

当导流洞衬砌浇筑完成后，进行泄洪放空洞龙抬头开挖支护，龙抬头底部围岩厚度少，甚至部分凌空，且龙抬头末尾与导流洞相交处“泄0+296.453(导0+304.135～泄0+302.953(导0+310.635)”段叠加侧墙高度最高为20.955m，需要对龙抬头末尾段底部导流洞进行加固支护后，方可开挖上部龙抬头。龙抬头末尾加固支护设计详见图1～2，其加固支护方案如下:

(1)导流洞顶拱增加横梁支撑@0.5m，横梁为工字钢25b。

(2)横梁支撑与导流洞侧墙每侧之间布设15mm厚钢板，通过锚筋锚固钢板与衬砌之间的连接。锚筋Ф20mm，L=1.5m，入衬砌深度1m，锚筋共计15根。钢板与横梁工字钢之间需要焊接牢固。

(3)横梁支撑中部布设槽钢20连系梁，需要与横支撑工字钢焊接牢固。

图1 龙抬头末尾底部加固纵剖面图

图2 龙抬头末尾底部加固横剖面图

(4)导流洞底板浇筑2～3m厚度的C30混凝土垫层，固定钢拱架。

(5)下闸蓄水后需要扫孔导流洞结合段侧墙原设计的排水孔，确保此段结构在蓄水期间外水压力折减。

(6)在泄洪放空洞龙抬头新增排水孔，新增Ф80mm排水孔，L=5m，孔排距2.5m，上仰角度大于等于5°，以便降低侧墙的外水压力。

表1 官帽舟地下洞室设计和实际开挖支护对比表

3.2 长引水发电隧洞开挖支护设计

长引水发电隧洞开挖后洞径7.4～7.6m。洞顶Ⅳ类、洞壁Ⅲ类和洞顶Ⅲ类、洞壁Ⅲ类围岩的隧洞段，开挖后均采用喷锚和挂网支护。开挖后喷0.1m厚的C20混凝土，隧洞顶拱120°范围内采用Φ22锚杆系统支护，两侧边墙范围采用Φ22锚杆随机支护。在围岩稳定较差的地段，需要挂网喷锚。

洞顶Ⅴ类、洞壁Ⅳ类围岩隧洞段采用系统喷锚、挂网和超前支护。开挖后喷0.2m厚C20混凝土外，顶拱120°范围内采用超前锚杆支护，全断面采用格栅拱架。格栅拱架由4根Φ22钢筋焊接组成格栅，格栅分为四片，其中拱部2片，边墙2片，通过连接钢板和螺栓连接。格栅拱架安装后采用Φ16光面钢筋作为连系筋，环向间距为1m。为了开挖后立即进行一次支护，以确保围岩稳定，格栅拱架间距为1m，与开挖循环进尺一致。格栅拱架与锚杆端头焊接固定。格栅拱架刚度和柔度适中，通过与锚杆焊接固定，格栅与围岩密贴，安装后立即用喷射混凝土填塞格栅拱架与围岩的间隙，因而格栅拱架强度得以充分发挥。原设计采用型钢I20b拱架@0.5～0.7m，由于圆形洞径小，钢拱架刚度大，难以弯曲成圆洞形状，即使钢拱架与锚杆焊接固定，但由于实际爆破开挖面不平整，开挖面与型钢拱架之间普遍有凌空现象，只有当洞顶局部围岩产生明显下沉变形时，型钢拱架支护上覆变形荷载，型钢拱架有明显变形，型钢强度才得以充分发挥。通过优化调整，修改为格栅拱架，拱架间距适当加大，与开挖循环进尺1m一致，不仅支护投资明显降低，而且加大了施工进度，缩短工期。

调压井竖井深83.5m，开挖直径为23.3m。井壁采用系统喷锚和挂网支护。开挖后喷混凝土厚度为0.15m，系统锚杆Φ25mm@2m×2m，L=6m、入岩5.5m和L=4.5m、入岩4m相间布置，锚杆均垂直开挖面。井顶3.5m宽圆环范围内采用1m厚C25混凝土锁口。

4 现场开挖支护及其围岩稳定效果

官帽舟泄洪放空洞和长引水发电隧洞的泥质粉砂岩和粉砂质泥岩容易风化，自稳时间短，在施工过程中，钻孔爆破开挖1m后，就立即按照设计方案进行喷混凝土进行封闭。在施工过程中，根据对隧洞各部位的地质特性的新认识，施工时地下洞室的锚杆支护、挂网支护和洞顶超前支护与设计方案略有不同，设计方案和实际施工情况对比详见表1。

根据表1可以看出，由于水平隧洞的洞顶围岩结构倾角比较平缓，洞顶围岩稳定性差，施工阶段洞顶按照设计方案进行系统锚杆支护；边墙围岩稳定性相对好，泄洪放空洞龙抬头边墙锚杆支护，由设计方案的系统支护调整为随机支护。由于软岩地下洞室完整性好，在施工阶段，原设计方案的系统挂网全部调整为随机挂网，泄洪放空洞龙抬头段的系统超前支护和钢拱架方案调整为取消，顶拱Ⅴ类的引水发电隧洞段系统超前支护和钢拱架方案调整为随机方案。虽然泄洪闸门井和调压井的洞壁围岩为Ⅳ类，井身稳定性较好，但是井身开挖直径大，井身深，施工周期长，自上而下开挖施工，一旦洞壁风化剥落掉块，容易造成生命和财产安全事故，因此竖井井身进行了系统锚杆支护。

泄洪放空洞和长引水发电隧洞的开挖支护和衬砌浇筑施工周期分别约18个月和30个月，除了隧洞洞顶自重下坠和竖井洞壁喷混凝土受雨天冲刷掉落，导致这两个位置的局部部位偶尔掉落小石子，隧洞其他部位未发现异常变形现象，官帽舟地下洞室施工未造成任何安全事故。

5 结语

泥质粉砂岩和粉砂质泥岩在我国四川、重庆、贵州普遍存在，随着我国西南水电的日益开发和供水灌溉工程的兴建，越来越多的中小型枢纽工程地下洞室为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。如目前正在开展可行性研究设计阶段的四川亭子口灌区工程，其推荐的主要灌溉输水方式为隧洞，隧洞长度约为571km，约占总输水方式长度54.2%。软岩隧洞开挖支护对合理控制工程投资和确定施工工期具有关键意义。

本文分析了官帽舟软岩地下洞室特性，分享了其开挖支护设计成功经验，可供类似泥质粉砂岩和粉砂质泥岩等软岩地下洞室工程的支护设计进行借鉴。