大型导流洞的主要工程地质问题与工程处理

1大型导流洞的主要工程地质问题与工程处理钟谷良李积伦聂强郭绪元张超锋二滩水电开发责任有限公司官地建设管理局（筹）,620021摘要：通过三板溪、官地两座水电站的工程实践和国内已建或在建大型工程的调查，分析了国内大型导流洞存在的主要工程地质问题，进一步阐述和深化了“早进洞、晚出洞”、“重支护、轻衬砌”等设计支护理念，提出了适合于大型导流洞不良地质洞段的工程处理措施。关键词：导流洞断层锚喷支护控制1前言导流洞是大多山区狭窄河流水电站枢纽工程施工的主要导流方式，随着我国水电站建设的发展，导流洞的规模不断刷新，渡汛标准和下闸后的挡水水头越来越高。目前，国内的最大导流洞群为溪落度水电站，标准过流断面开挖尺寸21×23m，进口开挖断面最大的已建工程为龙滩水电站，开挖尺寸达26.15×24.883m，其次为三板溪水电站，最大开挖大断面为25.68×23.15m，闸门挡水水头已接近或超过100m。受水电站枢纽布置条件制约，导流洞进出口部位边坡工程地质条件一般较差，高边坡稳定问题较为突出；进口渐变段洞室跨度较大，围岩稳定问题突出；由于导流洞洞身长度较大，其洞身地质情况存在较大的不确定性。通过国内已建和在建大型工程的调查，大型导流洞在开挖支护施工过程中，多数曾发生规模不等的塌方或工程事故，有些水电站由于地质条件和不合理开挖支护等原因，出现了特大型塌方事件，造成重大损失。导流洞的施工期、运行期到下闸后堵头完成前的安全对整个工程的安全影响较大，针对其设计和施工特点和特殊性，有必要对导流洞的设计、施工中存在的问题做进一步分析、总结。2导流洞边坡工程处理针对导流洞进出口边坡地质条件较差的情况，且其开挖方案可能受到附近建筑物的制约，导流洞布置方案应尽可能有利于降低边坡高度，边坡开挖设计一般不宜采用大开挖方案，同时应尽量避免顺坡向等不利结构面切脚临空。三板溪、官地等水电站的工程实践证明，对于风化强烈的高陡岩质边坡，通过强支护措施来保证边坡稳定是可行的。三板溪水电站导流洞进口布置在左岸相对单薄的山嘴部位，岩性为凝灰质砂岩夹极2008四川省水文地质工程地质学术交流会----学术交流(3)2薄层板岩，断层发育，岩体风化强烈，上部分布较厚的全风化岩体和松散残坡积物，原设计边坡高度近120m，针对边坡为反向坡、整体稳定条件较好的特点，边坡高度经优化后为70m，施工阶段进口段又向上游调整了3m，边坡采用喷锚支护，最大锚固深度为9m。官地水电站坝址断层、陡缓错动带发育，节理裂隙密集，两岸岸坡较陡，岩体风化卸荷强烈。左右岸各设一条导流洞，最大开挖断面25.50×25.25m，过流断面16m×19m。右岸导流洞出口上方布置了上坝公路，公路以下自然坡高近110m，自然坡度较陡，岩性为强风化枕状玄武岩，顺坡向错动带发育，岩体为Ⅳ类至Ⅴ类。上坝公路在施工中曾发生较大塌方，原设计开挖坡高达80~90m，经优化后，采取了不开挖边坡直接斜出洞的方式，出口向下游调整了近45m，出口洞段形成视跨度达26米的半边洞。调整后的边坡采取了喷锚支护和锚索加固措施，为保证半边洞岩体稳定，进洞前对洞周采取了锚索深锁口特殊加固措施，最大锚固深度为40m。以上2个工程通过采用“早进洞、晚出洞”和加强支护的方法，大大降低了边坡开挖高度，减少了开挖量，总体上节约了施工工期和工程投资。3导流洞围岩加固处理3.1不良地质洞段加固处理导流洞洞身结构稳定主要取决于围岩的自身稳定，围岩在开挖期的稳定是导流洞工程建设的关键。目前，国内通常采用衬砌限裂设计和考虑支护与衬砌相互作用效应以优化混凝土衬砌结构，而围岩稳定是衬砌结构优化的先决条件。“重支护、轻衬砌”，即“洞室稳定应主要通过适当的加强支护和施工措施来保证”应成为导流洞支护设计与施工理念。工程实践表明，通过超前锚杆支护、系统喷锚支护以及钢支撑等常规支护形式的有机结合，采用合理的支护参数，并针对不利结构面的性状和不稳定块体的组合特征合理调整超前支护和系统支护锚杆布置方式可以充分发挥围岩自承能力，达到较好的加固效应，是解决大跨度不良地质洞段施工期围岩稳定问题快速有效的途径之一。三板溪水电站导流洞进口渐变段存在F56、f13、Fd4等多条断层，顺洞向长大陡倾角裂隙密集发育，围岩呈碎裂结构，中等风化，为Ⅳ类。在0+40~0+65洞段，f13、Fd4和顺洞向规模较小的断层在顶拱形成一大型不稳定块体，块体高达20余米，块体方量近1000方。通过预应力锚索、15深长锚杆和9米锚杆3种加固方案比较，最后采取了5~9米纵向和环向双向超前锚杆和断层上下盘关键块体的针对性加强锚固（锚固深度为9m）等措施以及合理的分区开挖程序和精细化开挖控制手段（见图1），在开挖支护施工过程3中整个渐变段只发生2起小型掉块，围岩变形亦得到了有效控制，成功解决了大型不稳定块体施工期稳定问题。3.51.843.5导流洞中心线上层扩挖一期Ⅱ8.0已开挖上层中导洞3.51.843.5超前锚杆（ф25各二排a×b=1m×1mL=5.0m）超前锚杆（ф25各二排a×b=1m×1mL=5.0m）上层扩挖一期Ⅰ上层扩挖二期Ⅱ25.68上层扩挖二期ⅠL1EL330.0EL327.0上层扩挖三期超前锚杆ф28L=9.0ma×b=1.5m×1.5m每边各二排图1三板溪导流洞进口段（渐变段）上层洞扩挖超前支护断面图入岩8.0m、外露1.0m锚杆32@2500×1250入岩5.0m、外露1.0m锚杆28@2500×1250导流洞中心线喷钢纤维混凝土边墙范围厚度150mm1930015304211505846Rθ横切洞身Fd4横切洞身f13横切洞身f13顺洞向F不稳定块体锚杆32@1000入岩9.0m图2三板溪导流洞进口段（渐变段）系统支护、块体加强支护图官地水电站水电站左右岸导流洞发育3组以上节理，陡缓节理交错切割，围岩多为Ⅲ和Ⅳ类，进出口洞段多为Ⅳ类，部分为Ⅴ类。左岸导流洞进口渐变段受F2断层和多条缓倾角错动带切割，顺洞向节理裂隙亦较发育，岩体风化卸荷强烈，围岩多为Ⅳ类，局部为Ⅴ类，围岩稳定条件差。导流洞进口段原采用戴帽式施工方案，工期较常规做法多2个月，通过对支护参数的调整，仍采用了全断面开挖支护后再进行衬砌施工的常规方案。顶拱原系统支护参数Φ25，4.5m和9.0m锚杆，间排距1.2m×1.5m调整后为9m，Φ32@1.0m，并针对顺洞向延伸较长的中陡角错动带在洞室扩挖前进行缝合锚固处理。在导流洞中下层快速下挖过程中，拱脚应力虽出现了突变，仍保证了围岩整体稳定。官地水电站左岸导流洞洞身段受顺洞向中陡角断层F8切割，且顶拱存在多条缓倾角错动4带，F8在右边墙不同高程上切脚临空，影响长度达400余米，形成的潜在不稳定块体高度最高达16米，水平发育深度达12米。主要措施为多排深度9米~15米不等的3Φ32锚杆束（见图3）。3.2塌方处理国内导流洞工程在开挖施工过程中，多发生过塌方，部分甚至发生特大塌方事故（见表1），对工期、投资造成重大影响，并造成人员财产损失。塌方多与断层等结构面不利组合和施工措施不当有关，有的和设计方案不合适、支护强度不足也有一定关系。塌方后，隧洞施工难度和处理费用将大大增加，塌方处理工期少则2~3个月，多则半年。塌方处理存在较大的安全风险，应对塌方原因进行调查，对塌方形成的空腔体型、结构面及其不稳定组合情况进行分析论证，制定出技术上可行、投资和工期上合理的加固处理措施。官地水电站右岸导流洞进口渐变段为中等风化玄武岩，发育陡缓多组顺洞向或横切或斜切洞身的节理裂隙和错动带，围岩呈碎裂至碎块状结构，总体上为Ⅳ类。渐变段上层洞采用两侧导洞先开挖，中间预留岩柱后开挖的开挖程序，设计支护参数为4.5/9.0m，Φ25@1.5×1.2m，加钢支撑。在右侧洞先行贯通并完成支护情况下，当右侧洞和中间岩柱交替开挖至0+18时，0+18~0+33尚未开挖的部分向临空方向滑移坍塌导致顶拱0+12~0+33顶拱发生较大规模塌方，塌方高度达12米，方量约1500方。塌方后调查发现，该段存在交切的横切或斜切洞身的长大裂隙和夹泥错动带以及一组缓倾角结构面，在顶拱形成“人”字形不稳定组合；在未开挖的部分存在一组向洞外和右侧临空出露的风化裂隙和1组顺洞向结构面。由于未开挖部分3面临空，构成了以上2组结构面组合5的块体向临空方向滑移的条件。主要加固处理措施如下（图4）：(1)满堂排架和钢拱架联合对空腔支撑，拱钢上铺设SNS柔性防护网保护。(2)拱脚以上沿环向、上下游沿塌方面纵向分别布设2Φ32，L＝9.0m锚筋束或锚杆，上层洞边墙锚杆调整为L＝9m，Φ32。(3)沿长大结构面布置L＝9~12m，2Φ32锚筋束。沿控制塌方的断层或错动带布置缝合式锚杆。(4)边墙下卧前布置超前锚筋束进行锚固。(5)利用锚杆孔对破碎或松动围岩进行低压灌浆固结加固。(6)加密监测。图4官地水电站右岸导流洞渐变段塌方及处理图表1国内大型导流洞主要工程地质问题与主要工程处理措施工程名称洞身开挖（过流）尺寸主要地质问题施工情况与主要工程处理措施紫坪铺10．7×10．7煤质页岩、泥质粉砂岩等软岩、F3断层、出口外覆岩体单薄，瓦斯等。出口段及边坡多次塌方。管棚、拱脚锁脚锚杆、径向自钻式悬挂锚杆、灌浆,、拱座施加钢管桩、锚筋束等,溪洛渡21×23，闸门竖井断面跨度达34玄武岩，多为Ⅲ类或Ⅳ类危岩，局部有Ｖ类危岩。洞间岩壁薄，最薄处仅16m。小导管、超前锚杆、超前预固结灌浆、自进式锚杆、预应力锚杆、对穿锚筋桩或对穿锚索、预裂爆破、小湾21．21×24．11(16×19)F7断层。钢拱架、小导洞超前、洞口洞挖改为槽挖、洞脸设预应力锚杆锁口。龙滩(16×21)最大24.883×26.15砂板岩，右岸导流洞断层和层间错动发育，存在断层切割形成的大楔形体，左岸进口段为断层影响的Ⅳ类围岩。右岸洞身多处塌方，边顶拱塌方高度达10余米。左岸进口发生特大塌方。预应力或自钻式预应力锚杆、管棚锦屏一级(15×19)17.4×21.2大理岩、砂岩，主要为Ⅲ、Ⅳ类围岩，顺洞向中倾角层间挤压面、断层和反倾向结构面形成不稳定组合。洞身段发生大变形和特大塌方。塌方段：预应力或锚筋桩；长洞身变形段：锚索。公伯峡16×18.5Ⅳ、Ⅴ类围岩，岩体较破碎，风化强烈，断层带充填无胶结的糜棱岩和破碎岩，Ⅴ类围岩处于古全风化的花岗岩体中，裂隙性潜水较发育。Ⅳ类围岩洞段发生特大塌方。董青（15×17）砂岩、粉砂岩夹粘土岩（页岩）。缓倾角岩层走向与洞轴线交角较小，且局部洞段层间挤压褶皱较发育，部分洞段为岩体破碎带，为Ⅳ类~Ⅴ类围岩。上覆岩体较薄，仅一倍多洞径，成洞条件较差。洞身段发生特大塌方。塌方空腔回填混凝土，空腔以上布置与地表对穿的预应力锚索。官地右岸导流洞进口渐变段塌方处理历时近2个月，在中下层开挖过程中，对中层支护6参数亦进行了适当调整，增设了长度为9米、间排距1.2米的系统锚筋束或锚杆。整个渐变段开挖支护仅用了3个月，由于洞身上部加固措施得当，在中下层快速下卧中，围岩变形未出现明显异常，未发生安全事故。4不良地质洞段开挖支护控制“短进尺、弱爆破、加强支护”是不良地质洞段施工应遵循的基本原则。为保证不良地质洞段大跨度洞室施工期稳定，提倡精细化施工。首先，开挖程序应有利于洞室稳定、有利于不稳定块体或不利结构面的分区逐层分步加固处理。国内大型导流洞通常分上、中、下3~4层开挖，上层洞的开挖一般有左右半洞开挖支护、左右导洞先行开挖支护施工后进行中部预留岩柱的开挖和中导洞先行开挖支护后进行两侧扩挖等三种“分层分区”开挖的施工方案。对于稳定性较差的围岩，第一种施工方案分区开挖断面过大，开挖过程易发生塌方，不宜采用；第二种施工方案存在中间岩柱不易成型甚至坍塌、岩柱应力集中、拱效应滞后且较差的问题，亦不利于长锚杆施工；第三种方案在开挖期间可以保持规则的城门洞形，有利于发挥围岩自身拱效应，有利于不稳定块体或不利结构面的分区分步加固处理。因此，导流洞渐变段的开挖应尽可能采用“中导洞先行、两侧扩挖”的施工方案。第二，应严格控制爆破规模，进行精细化开挖，采用多循环、密孔、少孔或单孔起爆方式，尽量降低单响药量，对于以Ⅳ、Ⅴ类为