高海拔地区钙质页岩隧洞施工方法与施工技术研究

魏红平

(中国安能集团第三工程局有限公司，成都，611130)

1 工程概况

1.1 地质情况

拉洛水利枢纽工程地处西藏，海拔4200多米，德罗引水隧洞受地质活动影响，围岩体破碎、稳定性差、类别较低，进行地下工程施工一般难度较大。主要地质情况如下：

隧洞围岩主要为侏罗系遮拉组(J2Z)页岩，含泥质、炭质，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩。岩石单轴饱和抗压强度均值5.9MPa，属于软岩。岩体裂隙主要发育以下三组：①走向NW，倾NE或SW，倾角30°～60°；②走向NE，倾NW或SE，倾角60°～直立；③走向近北，倾E或W，倾角40°～70°。地表裂隙多张开，砂岩裂隙延伸长3m～5m；页岩裂隙短小。

德罗隧洞线路通过的断层规模较小，一般为裂隙性断层(如f9、f10、f11、f12、f13等)，破碎带宽度数十厘米。地层接触带(如岩浆岩与侏罗系)、软硬岩间挤压带(如砂岩与页岩)形成破碎带岩性软弱，结构极破碎，并可能贮存地下水，围岩稳定性差，在埋深较大的部位容易出现大变形，在埋深较小的洞段容易引起塌方，上述洞段围岩稳定问题较突出。

隧洞进、出口段与断层破碎带等洞段围岩类别为Ⅴ类；洞身岩体为软岩，围岩类别为Ⅳ类，稳定性较差。IV1类、IV2类、Ⅴ类围岩长度分别为2292m、3655m、1589m，占洞长百分比分别为30.4%、48.5%、21.1%。

隧洞岩性主要为含碳泥质钙质页岩夹少量薄层砂岩、极薄层状灰岩，岩溶现象不发育、局部有岩浆岩(辉绿岩)侵入。根据有关公式对隧洞涌水量进行估算：全隧洞初期最大涌水量、正常涌水量分别为700.3m3/d、178.6m3/d。地下水作用使隧洞围岩性状逐渐恶化，特别是破碎带、软岩遇水后软化、崩解，易引起围岩大变形与坍塌。隧洞最大埋深213m，处于低地应力水平，隧洞最大埋深部位最大水平主应力9.1MPa、自重应力5.3MPa。

1.2 钙质页岩的主要特点

德罗引水隧洞围岩主要为钙质页岩，主要为Ⅴ类、Ⅳ类，裂隙水普遍存在，岩石抗压强度低，水理性差，易风化。具体特点如下：

(1)易风化

德罗隧洞岩性主要为侏罗系含碳钙质页岩，岩性软弱，抗风化作用能力差，且受构造等影响，差异风化明显，局部呈带状风化。据钻孔揭露，一般微新页岩柱状岩心暴露1～2周后就会基本解体。

在施工过程中发现，已开挖岩石将其堆弃在渣场，暴露在空气中，在失水状态下，块状的石渣在1～2周就会风化崩解为碎块状。

(2)水理性差

德罗隧洞全部岩石均为页岩，遇水极易崩解泥化，与其水理性密切相关。页岩溶水性高，持水度大，由于本身岩性较软，而洞内赋存的地下水极为丰富，岩石在与水作用过程中极易崩解泥化，成为淤泥，从而造成大量的超挖，给施工带来了极大的难度和成本消耗。

(3)岩石强度及结构特征

德罗隧洞页岩岩石单轴饱和抗压强度均值5.9MPa，含泥质、炭质，夹薄层状砂岩，属于软岩。岩石结构多为薄层状，局部为散体、碎块状结构。

(4)围岩类别

隧洞进、出口段与断层破碎带等洞段围岩类别为Ⅴ类，其余洞段为Ⅳ类。洞内页岩为软岩，含炭泥质，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩，不利组合面多，受渗水影响进一步减弱层间结合强度，沿结构面易滑动，尤其是原生软弱夹层及结构面、临空面易引起岩体失稳而导致掉块和塌方。

(5)地下水

在地下水作用下，岩体软化使岩石强度进一步降低，同时地下水对软弱结构面胶结物的软化、泥化作用明显。

由于裂隙发育，地下水以裂隙水形态大面积普遍存在，开挖后沿裂隙漫散式渗出，局部出现涌水，对围岩长期侵蚀加速了岩石软化，造成塌方和掉块。

洞内地下水量造成底板泥化，增加了施工的难度。

2 施工方法

2.1 开挖方法

严格按照批准的爆破设计进行爆破，采用光面爆破工艺控制开挖轮廓。为确保爆破效果，进行多次爆破试验，每次爆破的爆破设计均经过监理方严格审查，通过后实施。爆破施工过程中做到精细化管理，一是爆破制度职责精细化，严格执行规范和行业标准，全过程实施监控，加强人员技术的培养和深造；二是爆破质量安全控制精细化，确定质量安全控制的关键点，细化并明确各个环节工艺流程的安全操作程序，使整个生产过程中质量安全处于受控状态。严格控制孔距、单耗药量等各项爆破参数。

2.2 支护方法

2.2.1 底板及边顶拱支护

(1)边顶拱封闭：爆破后及时进行排危出渣等后续工作，跟进支护。开挖后4h左右开始支护，6h左右完成该循环的支护。

(2)底板封闭：开挖150m左右将洞内开挖及支护工序暂停，进行底板处理，处理程序为：地板清理→验收编录→垫层混凝土浇筑→等强(整个过程14d左右)。底板处理完成后再继续进行开挖支护，阻止底板基岩进一步深层泥化下切，在一定程度上减小了超挖。

2.2.2 超前支护及加强支护

遇到围岩破碎部位和大跨度部位(交叉口和回车道等)，增加超前锚杆和随机锚杆及格栅网架等加强支护。

2.3 排水措施

遇到较大的涌水点，增加排水孔，并将排水孔直接连接到排水沟中，减少地下水影响。随着隧洞进尺的加深，采取分级接力式排水的方式，将地下水从设置在避车道的集水坑内分段抽排至洞外。洞内渗水量较设计预估量增加较大，同时底板泥化，成为泥浆，不能有效排除，增加了施工难度。

3 面临的主要问题

3.1 地应力影响

隧洞区地应力以构造应力为主导，最大水平主应力方向21°～37°，与隧洞轴线夹角6°～56°。隧洞最大埋深213m，处于低地应力水平，隧洞最大埋深部位最大水平主应力9.1MPa，自重应力5.3MPa，接近围岩抗压强度(6MPa～8MPa)，岩石应力比接近1，局部存在软岩大变形的可能。

洞壁与层面交角较小，在地应力作用下易出现顺层理面松弛。当地应力相对较高且有地下水参与条件下，开挖后软岩洞壁围岩位移较大，持续时间较长，甚至出现不收敛变形，并使初期一般支护出现开裂或破损现象，对施工安全及工程运行等造成影响。洞室开挖后，由于爆破振动和应力重分布的影响，会在靠近洞壁的周围形成松动区和塑性区。由于开挖后破坏了洞室周围岩体的原始应力状态，使之重新分布，导致边墙和顶拱的围岩出现剥落，造成超挖。

隧洞围岩均为页岩，属于软岩，存在塑性变形问题，特别是有地下水的情况下，页岩易软化、崩解，围岩自稳时间短。虽然进行了及时强支护，还是存在部分洞段在支护后产生了挤压变形。

3.2 施工过程中的扰动

受底板页岩崩解遇水泥化等物理特性影响，经施工机械往复行走碾压，极易造成表层岩体呈碎块状，加之动荷载扰动侵蚀，底板岩石将产生泥化物，在地下水拌和作用下，页岩泥化则形成泥浆，最终导致底板大量侵蚀下切，造成洞室底板基岩设计标高下陷。这种情况在施工中页岩将不断地遵循崩解—泥化—碾压—遇水—泥浆—冲蚀的过程，循环剥离底板页岩。

3.3 底板泥化问题

上述钙质页岩自身水理性差，在自身蠕变、施工扰动等因素影响下，底板极易发生泥化，给施工带来较大麻烦。若底板泥化现象不采取有效控制措施，将对工程造成巨大经济损失，也给安全带来极大风险。就经济损失而言，采用原施工工艺，底板泥化严重，超挖工程量无法控制，同时超填量随之增加，费用巨大。就安全风险而言，底板泥化，基岩下陷，工字钢将悬空，支护作用下降，围岩稳定性差，安全风险极大。基岩泥化后，泥浆淤积，底板下陷，作业人员、机械设备无法正常施工，设备轮胎破损、机械零件破坏、洞内设施破坏、工作环境变差，严重影响后续工序衔接，施工过程中耗用大量人力物力抽泥浆，出渣速度降低，施工进度得不到保证。

4 解决措施

4.1 加强排水和及时支护

针对钙质页岩水理性差，遇水软化的问题，加强排水和及时支护是首要的措施。加强洞内集中涌水部位排出，可以减轻钙质页岩进一步泥化；采取支护措施后，对岩石暴露面及时进行封闭，可以防止岩石风化，减轻岩石进一步泥化。根据现场情况必要时增加超前锚杆和超前小导管灌浆等支护措施，减少因围岩自身整体性和稳定性差而引起的塌方、掉块、片帮等，从而控制超挖。

底板采用C25垫层混凝土进行封闭，防止底板与水进一步接触，堵塞了泥化渠道，同时也减轻施工对底板的扰动。

4.2 铺设钢板

针对掌子面附近未能及时浇筑垫层的部位，采用铺设钢板以增加施工机械设备对底板基岩传递荷载的受力面，从而减小对基岩的扰动深度。

底板开挖后，保留部分石渣，对底板进行整平，并及时铺设3cm厚钢板，可有效减小施工机械设备对底板基岩的扰动，减轻泥化现象。具体流程为：开挖平底—底板铺设钢板—继续开挖或洞身支护—取出钢板—底板清理—浇筑垫层混凝土。

在隧洞开挖过程中跟进铺设3cm厚钢板，每掘进约150m后，将钢板取走，再对底板淤积泥浆进行清理并浇筑混凝土垫层以封闭底板，垫层混凝土采用C25标号，顶面高程在衬砌结构混凝土以下。为减少混凝土等对下道工序施工的影响，在新浇筑垫层混凝土3d后铺设3cm钢板以满足施工机械和车辆通行需求。

此方案可有效增加设备车辙与底板的接触面积，每延米需要消耗钢板约990kg。

4.3 预留保护层

开挖过程中，发现底板产生了严重的泥化下切现象后，采取了预留30cm保护层的措施，以减小施工过程中底板围岩泥化对建基面产生的影响。

5 取得的效果

该施工方案从西藏高海拔地区钙质页岩特点出发，提出西藏高海拔地区钙质页岩隧道开挖方法、支护方法。尤其针对钙质页岩泥化问题，采用及时支护，加强地下水排除，及时浇筑底板垫层，采用掌子面铺设钢板的方式，防止钙质页岩泥化，减小超挖1万余方，同时降低机械损耗，提高了经济效益，为西藏高海拔地区类似隧道开挖及支护施工提供可供借鉴的经验。