隧洞蚀变岩层洞段开挖支护施工技术研究与实践——以硬梁包水电站引水隧洞为例

周 国 平

(中国安能建设集团有限公司，北京 100071)

1 概 述

岩体蚀变(包括原生热液蚀变、动力构造蚀变和次生风化蚀变)及其引发的工程弱化效应是常见的工程地质问题之一。蚀变岩具有裂隙发育、结构破碎、稳定性差和强度低的特点[1，2]。广义的蚀变岩系指因热液作用、表生作用等引起岩石和矿物的次生变化而形成的岩石。其中热液作用包括充填、升华、蒸发等；表生作用主要包括沉积作用、固结成岩、地下水(包括地下热水)作用等，其中90%以上表生作用引起的蚀变减弱了岩石强度[3]。

蚀变通过改变岩体内部的矿物成分、结构-构造类型等改变原生岩体的力学特性，并由于蚀变的差异性造成岩体性状分布的不均匀，还可能在工程围岩中形成软弱岩带(夹层)甚至软弱结构面，极大地影响到岩体的工程性状[4]。因此，隧洞蚀变岩层洞段开挖支护需要采用相应的积极防护措施与方法以保证围岩稳定以及岩体支护结构的可靠性，确保施工安全。

近年来，国内外对于隧洞蚀变岩层洞段开挖支护的主要研究方向集中在岩体的物理化学性质以及工程特性两个方面，许多学者对此展开了专项研究。王旭东等[5，6]通过蚀变岩单轴压缩流变试验以及三轴压缩试验建立了蚀变岩的长期强度和流变本构模型以及应力-应变关系曲线的分阶段本构模型，得出了蚀变岩的抗剪强度指标与围压的相关关系，总结出蚀变岩的蠕变特性，为岩土工程的设计施工提供了重要的技术支撑。贾超等[7]利用有限元程序ANSYS对比分析了围岩蚀变段隧洞各关键部位的位移，对不同蚀变程度洞室的开挖支护方案提供了指导性依据。黄小军等[8]和王阳雪等[9]对琅琊山抽水蓄能电站蚀变岩及支护方式进行了研究，运用多种监测仪器动态化监控围岩状态，提出了信息化支护设计的理念。黄超群等[10]借助工程物探方法，总结出湖南平江抽水蓄能电站勘探平洞蚀变岩分布规律，并有针对性的提出了支护方案。

硬梁包水电站引水隧洞围岩中穿插有多种大小不同的辉绿岩脉，在内部以及外部动力地质作用下形成了蚀变岩层。引水隧洞在掘进过程中穿越蚀变岩地层时极易发生急剧变形、塌方、涌突水等各种工程地质问题，极大地影响到工程施工。笔者以硬梁包水电站引水隧洞工程为实例，采用控制爆破、加强地质预报、超前支护增加围岩的整体性、开挖后及时立钢支撑锚喷封闭等一系列工程措施，及时控制住塌方等地质灾害，保障了施工安全，所取得的经验可为类似工程施工提供参考。

硬梁包水电站位于四川省甘孜藏族自治州泸定县冷碛镇境内的大渡河干流上。工程规模为2等大(2)型，电站装4台机组，总装机容量为108万kW，采用混凝土闸和面板堆石坝+左岸引水系统+地下厂房的枢纽总布置方案。引水系统建筑物包括引水隧洞、调压室、压力管道等。

引水隧洞为两条平行布置的隧洞，引水隧洞在平面布置上共设置5个转弯点，转弯半径为200 m或80 m，1号、2号引水隧洞两洞中心间距为60 m，内径为13.1 m，进水口底高程为1 215 m，末端调压室处隧洞底高程为1 198 m,纵坡分别为i1=0.001 192、i2=0.001 183，洞长分别为14 316.909 m和144 20.679 m。

引水隧洞1号施工支洞、2号施工支洞控制段主洞桩号范围为0+050～3+995，工程施工完毕2条施工支洞均进行封堵。引水隧洞总体布置情况见图1。

图1 引水隧洞总布置图

2 隧洞开挖中出现的地质问题

引水隧洞地层岩性主要为晋宁-澄江期花岗岩，辉绿岩脉穿插其中，岩石类别为Ⅲ类～Ⅴ类，其中Ⅲ类围岩占比约为61%、Ⅳ类围岩占比约为25%、Ⅴ类围岩占比约为14%。

2020年4月22日，1号施工支洞控制段2号引水隧洞上游掌子面开挖至(引2)1+157桩号，围岩揭露为辉绿岩脉，C类蚀变，桩号(引2)1+160～1+150段左侧拱腰出现塌方。2020年5月23日，2号施工支洞控制段1号引水隧洞上游掌子面开挖至(引1)2+906桩号后揭露显示围岩出现D类蚀变，整个掌子面岩体软弱，呈碎裂结构，局部为散体结构，岩体自稳能力极差。掌子面顶拱右侧部位发生塌方，塌方长度(顺洞轴线)为5 m，高度约为5～6 m，为Ⅴ类围岩，已喷混凝土封闭。2020年5月25日，在桩号2+906处原塌方部位出现二次塌方，塌腔位于掌子面顶拱右侧部位，塌腔深5～6 m，宽度为6～7 m，高度约6～9 m。掌子面塌方情况见图2。

图2 掌子面塌方

3 针对围岩蚀变段采取的开挖支护技术

对于隧洞蚀变岩层洞段，主要遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的原则进行施工。首先，第一时间处理塌方掌子面以确保围岩安全稳定；在保证安全施工的前提下，采用上、下台阶预留核心土法进行后续的开挖支护。

3.1 掌子面塌方处理措施

(1)对掌子面立即喷C25钢纤维混凝土进行封闭，在现有喷C25混凝土配合比的基础上每m3增加钢纤维40 kg，封闭厚度为10 cm。喷混凝土封闭后掌子面仍存在垮塌、掉块掉渣等现象时，在垮塌部位继续补喷钢纤维混凝土直至围岩岩面稳定。

(2)掌子面喷钢纤维后及时施做A50排水孔以利于裂隙水的排放，单个排水孔深度为6 m，在掌子面随机进行布置。

(3)喷钢纤维混凝土封闭后及时布置围岩收敛观测点并连续24 h进行围岩收敛观测。在掌子面基本区域稳定且能保证施工安全的前提下再增加随机锚杆，随机锚杆为C28普通砂浆锚杆，在边顶拱段120°范围随机布置，锚杆深入基岩的长度不小于6 m。

(4)随机锚杆施工完成后进行系统挂钢筋网，钢筋网片采用A6钢筋，间排距为15 cm，钢筋挂网完成后复喷C25钢纤维混凝土15 cm厚，并施工系统锚杆。

(5)及时施工I20a型钢支撑，型钢支撑间距为0.75 m；同时，在塌腔部位增设钢支撑副拱与I20a型钢支撑焊接牢固。钢支撑、副拱均设置锁脚锚杆，锁脚锚杆采用C28，沿钢支撑两侧交替布置，入岩长度为5.6 m，锁脚锚杆外露端顶部要求弯折0.2 m并与钢支撑翼缘双面焊接牢固，外露端长度以与钢支撑、副拱能够焊接牢固为宜。

3.2 上、下台阶预留核心土法施工工艺

(1)引水隧洞Ⅴ类围岩蚀变洞段上半洞开挖支护采用上下台阶四步开挖法，以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，分上、下两个台阶四个开挖面，其主要施工工序及工艺流程如下：

①引水隧洞Ⅴ类围岩蚀变洞段上半洞上、下两个台阶四个开挖面施工工序见图3、4。

图3 上、下两个台阶四个开挖面施工工序示意图

图4 上、下两个台阶四个开挖面施工工序透视图

②引水隧洞Ⅴ类围岩蚀变洞段上半洞上、下两个台阶四个开挖面施工工艺流程见图5。

(2)上台阶上部弧形导坑开挖主要施工步骤。

图5 上、下两个台阶四个开挖面施工工艺流程图

①在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留上台阶核心土。核心土长度宜为3～5 m(当围岩较差时留5 m，围岩较好时可留3 m)，宽度宜为隧洞开挖宽度的1/3～1/2(可以有效的防止软弱围岩开挖面失稳，同时提供了作业平台)，开挖循环进尺最大不得超过1 m(开挖进尺要求不得大于1 m，主要考虑的是开挖进尺过大将导致围岩暴露面积过大、降低了围岩自身承载能力，其次，进尺过大延长了开挖工作面的封闭时间)。

②上台阶主要是采用弱爆破或机械开挖，本工程机械开挖先用铣挖机挖出主断面轮廓，并沿开挖轮廓线内侧预留50 cm厚围岩，用铣挖机进行修边。铣挖机施工情况见图6、7。

图6 铣挖机修边示意图

③开挖后立即初喷3～5 cm厚的混凝土(增强围岩自稳能力，避免围岩长时间暴露而产生掉块)，并及时进行喷、锚、网系统支护，架设I20a钢支撑，在距离钢支撑单元接头30～50 cm位置处紧贴其两侧边沿布设锁脚锚杆，锁脚锚杆顶部弯折20 cm与钢支撑牢固焊接，最后分层复喷混凝土至设计厚度。

图7 铣挖机掌子面开挖示意图

(3)左、右两侧下台阶的开挖支护施工。

①下台阶滞后上台阶掌子面3～5 m后进行，开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不超过1.5 m，左侧、右侧台阶错开2～3 m，开挖后立即初喷3～5 cm厚的混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长I20a钢支撑，在距离钢支撑单元接头30～50 cm位置处紧贴其两侧边沿布设锁脚锚杆，锁脚锚杆顶部弯折20 cm并与钢支撑牢固焊接，最后分层复喷混凝土至设计厚度。

②左、右两侧下台阶采用人工配合机械开挖，先用铣挖机挖出主断面轮廓，然后沿开挖轮廓线内侧预留50 cm厚围岩，用铣挖机进行修边。

(4)上、下台阶预留核心土的开挖支护施工。

①按照上台阶、下台阶顺序分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

②上、下台阶预留核心土开挖均以机械开挖(反铲挖掘机、液压破碎锤或铣挖机)为主，必要时辅以弱爆破。

③喷钢纤维混凝土封闭后及时布置围岩收敛观测点并连续24 h进行围岩收敛观测，在掌子面基本区域稳定且能保证施工安全的前提下再增加随机锚杆，随机锚杆为C28普通砂浆锚杆，在边顶拱段120°范围随机布置，锚杆深入基岩的长度不小于6 m。

3.3 围岩监控量测措施

(1)为了保证科学施工，确保围岩结构的安全稳定，在掌子面初喷混凝土后，及时开展了现场监控量测工作。施工阶段，隧洞的监控量测主要是对隧洞开挖后围岩变化情况及支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情并作为调整和修改支护设计的依据。依据测量结果确定二次衬砌施作的时间，确保隧洞围岩和支护结构的变位与应力不超过有关规定。

(2)Ⅴ类围岩拟按照30 m的间距布置监测断面，每个断面布置3组测点，测点应牢固可靠，严防爆破损坏。采用全站仪徕卡TS60进行观测，围岩收敛观测应在每次开挖后12 h内取得初读数，最迟不得大于24 h且在下一循环开挖前必须完成。

(3)对开挖工作面的观察在每次开挖后进行。当观察中发现围条件恶化时，立即采取相应的处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定。对已施工洞段的观察每天至少进行一次，主要观察喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态。

(4)引水隧洞的量测项目主要为围岩收敛观测。根据量测资料，将围岩变形值与允许变形值进行比较，从而确定下一步施工采取的措施，Ⅴ类围岩变形管理等级对策表见表1。

表1 Ⅴ类围岩变形管理等级对策表

(5)统计汇总塌方段围岩收敛监测数据，观测点的变形数值应满足U0﹤50 mm，管理等级为Ⅲ级，可正常施工(表2)。

表2 隧洞塌方段监测数据表

4 结 语

(1)辉绿岩脉蚀变带区域进行隧洞施工极易发生急剧变形、塌方、涌突水等各种工程地质问题，极大程度地影响到工程质量及施工安全。在施工过程中必须采取合理的应对措施，选择合适的开挖支护方法保证工程顺利施工。

(2)本隧洞塌方段工程地质条件差、成洞困难，采用超前小导管超前支护，架设钢拱架与喷锚网构成纵、横向整体的支护体系，阻止和限制了围岩变形，被加固的围岩与支护结构共同受力，从而进一步提高了“围岩-支护体系”的承载能力。

(3)隧洞发生塌方后，迅速喷C25钢纤维混凝土封闭掌子面，避免再次塌方。之后及时布置围岩收敛观测点并连续24 h进行围岩收敛观测，确保围岩安全稳定后第一时间进行支护作业。后续开挖中以机械开挖为主以减少对围岩的爆破振动，同也必须注意对机械开挖轮廓线的控制措施，避免超挖。

(4)按照笔者所述的开挖支护方法进行施工，通过围岩收敛监测可以提前预测险情，有效地避免塌方等工程地质灾害的发生，安全顺利通过蚀变岩层洞段。同时，通过监测本隧洞塌方段的表现、反映出来的围岩性质特点，为本工程或类似工程的施工提供借鉴、依据和指导作用。

(5)因蚀变岩的受力特性比较复杂，施工过程中应结合现场实际情况合理判断岩体状态，及时调整支护结构的形式及参数以保证围岩的稳定，从而避免出现工程地质问题。