复杂地质条件下隧洞开挖遇到的问题及解决方法

复杂地质条件下隧洞开挖遇到的问题　及解决方法　赵健飞　郭钰欣　周夏腾／中国水利水电第十四工程局有限公司　【摘　要】　齐热哈塔尔水电站工程引水隧洞在开挖过程中遇到了许多施工因难，主要有深埋长隧洞通风散烟　设计、塌方、岩爆以及高地热问题等，通过参建各方的共同努力，最终逐一解决了这些问题，顺利完成了开　挖任务。　【关键词】引水隧洞　施工困难解决方法　ｉＪｊⅡ．找Ｉｑ　尔．　洲　水利水电＂发ＪＥ逐渐阳高原、高海　里尔Ｉｆ】晚期侵入岩体　各地层特　搜分布　卜：　ＪｔＺ　界变质柑：　性以变质『．人Ｊ　Ｋ柑、片眯状他　村　拔等峡　地　转移。这些地　一般地形、地质条件复　氍影响　索较多．发电系统大多采用引水隧　隧　的）｛：挖过程Ｉｆ】．的期地质勘探虽然可以给　蜓为复杂。笔者根据齐　为主．肤　深灰色．【｝１细粒结陶．块状、次块状陶造或　片麻状构造．致街－　硬．主要分　隧洲｝ｌｉ４　１　Ｊ．　怀　】　·定的指导．ｆｌｌ　际情况　段进门段．洞段长Ｊｆ｛＝约１．３８ｋｎ１．ｆ　汁Ｅ约３（）．　ｎ　热哈塔尔水电站　ｊＩ水隧洞ｌｊ：　施Ｉ：实践，从隧洞开挖过　ｔｌ　趔钊的主　ｌ　雉入于．结合脱场处理情况．总结经　验　’　．　今』ｔ　此芡Ｉ：　施Ｉ　提供参考依据。　加　东中晚期伎入　：以似斑状片麻状仡岗　或化　岗片麻岩为主，火少｝｛｛＝黑色斜Ｋ，『｛　结构．块状或片麻状构造．主　分　段长度约：Ｉ－．１　２ｋｉｎ．【ｈ－比约　．１　、　条带．ｒ｝１　．料ｌ牲　小　段未端．洲　１　工程概况　弁热哈塔尔水Ｉ乜站』：　为低闸坝｝∈隧洞引水式Ｉ乜　站．　边式地　Ｊ‘　．电站总装机容量２１０ＭＷ。首部　河　、泄洪闸及隧洞进水ｕ。发电　ｊｌ　，总长１　５６６（）．８６ｍ，纵坡为３．Ｏ　．　．２．２　地质构造　几Ｉｌ】‘界变质　片　技片麻州　状为ＮＷ３２ｔｌ　～５；１【＿。　ＳＷ／＿二６（）。。片理、片庥　硬层　止　‘州Ｈ线人体‘ｔ　小『ｆ　】度卡｝】交。　水业筑物包｝　水隧洲似Ｊ　道／】　千¨ｆ　．（）　０　挖断　果＿ＥＨ　５蹄肜．直径１．７ｍ　２．３　ｌｉ要Ｉ：程地质问题　（１）岩爆。１：氍　备发ｑｉ　爆的有利条件，文脱　在：隧洞Ｉ：程位＝｝　地先活动强烈的　比仑ＬＩＩ地【Ｘ．　Ｉ：＝ＩＪ　隧ｆｌ，４通过地Ｉｘ：　｝　昆仑尚ＩＩＪ区．｝ｆ｝线地势陡峻．　地Ｉｌｌ　线　－２，１Ｏ０～ｔ　６００ｍ．最低处为塔什库尔１：河谷。沿　发ｆ　．｝ＪＪ俐深瞍一舣ｆｉ－８Ｏ（）～２０００ｍ，…坡坡度　（）　～　ｆ）　．多仃陡崖分　．隧洞沿线大部分地　．发板块的挤压下，　较强的Ｉ　ｘ＝域　力环境；嘲边地震　…脱地心　Ｊ　收　活动慢度大．频度岛：为高ＩＪＪ峡　地形．　所对本Ｉ　程的地心　测试和分析．　｝ｆｆ铍怖疏。根据地质勘探成果，陔段引水隧　崭Ｉ｝　．局部位于ＪＶ、Ｖ类围　集中Ｉｘ：；隧洞埋深夫，槲巾囝地顷科学院地顷　Ｊ学研究　深１　２１０ｍ处嫩人』、　度　力值达２８．２ＭＰａ．ｆ】挑＇ｄ－Ｙ３　）７７世．上　ｉｉ，４人　分ｆ　ｊ　ｌ】、…　隧洲　深人．；ｆ｝线穿过多处断层及破碎带。　超过１　６３０ｍ．桩　Ｙｔ　ｒ　１（）【）附近达到引水隧洲的　人埋　２工程地质条件　２．Ｉ　地　｝｛，ｌ＝　深ｌ　７２（）ｍ，地应力ｆｆｆｌＪ『能会　『■：隧洞穿过的【　块状硬脆性岩石．　多为　至　轴抗　强度多人　：ｌ（）（）ＭＩ　ｒ【；隧洞　大部分柑体的完　忭较好；隧洲人　分地段少水．　无水。　川水发电ｉｌ，１穿过的地层依次有：元古　变质岩、　综上所述，本１　程隧洞在　人、地腹　Ｉ　、　·　５７　·　硬脆、岩体较完整、无水和少水的洞段，具备发生岩爆　的可能。主要包括：Ⅱ、Ⅲ类的变质闪长岩、片麻状花　岗岩洞段；大断层的下盘；深切沟谷附近。　（２）突涌水与外水压力。本隧洞地下水不丰富，一　般洞段为无水和仅有少量渗水，地下水主要富集在深切　沟谷和少量较大断层及影响带、裂隙密集带附近。　（３）地温问题。工程区处于新构造运动活跃区，大　部分洞段围岩主要为较完整的片麻状花岗岩，地应力　高，地下水贫乏，易于热量积聚而不利于散失。结合温　泉、钻孔地温实测结果判断，部分洞段可能存在６Ｏ℃甚　至更高的地温。　３开挖过程中遇到的问题及解决办法　本标段隧洞开挖施工的主要步骤：分别从主洞和　１＃支洞开始掘进，１＃支洞与主洞贯通后开始分上下游　开挖，３个工作面同时进行。　３．１长隧洞通风散烟设计　齐热隧洞洞线长，洞径较小且埋深大，主洞口距离　１＃支洞交叉处２６３２ｍ，支洞长１６２５ｍ，通风散烟问题　直接影响隧洞开挖进度。通风采用压人式风管机械通　风，首先进行通风量计算。　隧洞基本参数：开挖面积Ａ一２７．８ｍ　（按Ⅲ类围岩　开挖断面计算）；隧洞最长通风长度Ｌ一３５１０ｍ；单位体　积耗药量１．３６ｋｇ／ｍ。；一次爆破用药量Ｇ一１３２．３ｋｇ（每　次爆破进尺３．５ｍ）；洞内最多作业人数ｍ一１Ｏ人；风量　备用系数ｋ一１．２；炮烟抛掷长度Ｌ。一１５＋Ｇ／５—　４１．５ｍ；爆破后通风时间取ｔ一３０ｍｉｎ；取管道平均百米　漏风率Ｐ　一１．２　。　根据隧洞内空气最小流速　一０．１５ｍ／ｓ的要求，工作　面风量Ｑｌ一６０ＶｏＡ一６０×０．１５×２７．８＝２５０．２（ｎ１３／ｒａｉｎ）。　根据洞内每个施工人员需要的新鲜空气量ｑ一　３．０ｍ　／ｒａｉｎ计算工作面风量Ｑ　一ｋｑｍ一１．２×３．０×１０—　３６．０（ｍ。／ｍｉｎ）。　按爆破使用的最多炸药用量计算风量：　々Ｑ　＿一　Ｑ。一　Ｇ（ＡＬ。）。　一　丽　一１４５．７（ｍ。／ｒａｉｎ）　漏风系数Ｐ一（１一Ｐ　×　）　一（　ｚ　×　）　一１．７３　故设计风量：Ｑ—Ｐ×ｍａｘ（Ｑ　，Ｑ　，Ｑ　）一１．７３×　２５０．２—４３２．８（ｒｎ。／ｍｉｎ），平均风速　一Ｑ／Ａ一４３２．８／　·　５只　·　２７．８—０．２６（ｍ／ｓ）。　依据以上计算参数选择西安交通大学咸阳ＳＤＤＹ—　Ｉ型轴流风机，功率为７５ｋＷ，设计风量为７１７ｍ。／ｒａｉｎ，　布置两台，分别从主洞和１＃支洞进行通风散烟，能满　足施工要求。　３．２塌方　塌方是隧道施工中比较常见、比较典型的一种事　故。以齐热哈塔尔水电站工程引水隧洞Ｙ０＋０００～Ｙ４＋　５００段出现的３次塌方为例介绍相应的处理措施。　隧洞开挖至桩号Ｙ１＋１１０～Ｙ１＋１３０段时连续出现　４次塌方，主要位于隧洞左顶拱处，最大塌腔高度　９．７８ｍ，纵向１８．５～２０．０ｍ，横向４．０～５．０ｍ。本次发　生塌方段为Ｆ。断层，断层走向ＮＷ３００。～３３０。，倾角　ＳＷ７０。～８０。，该段岩体破碎，夹有黑云母片岩、糜棱　岩，充填紧密。塌方出现后，按照架立工字钢拱架、钢　拱架之上喷射回填砂浆０．５ｍ的顺序进行；所有的塌方　出露面进行喷Ｃ２５混凝土封闭，厚度５ｃｍ左右，随机锚　杆支护，侧墙进行挂钢筋网；钢拱架以上的塌腔部位采　用声１ＯＯ钢管满堂脚手架搭设，对侧墙进行支撑，承重　采用垂直工字钢。　隧洞开挖至Ｙ３＋９６６时发生塌方，根据开挖揭露　的地层来看，该段隧洞围岩以断层带物质（碎裂岩、　糜棱岩）为主，且无胶结，潮湿，局部渗水量较大。　断层走向ＮＷ３００。～３２０。，倾向ＳＷ，倾角５０。～７Ｏ。，　后续发生多次塌方。针对塌方体采用上下台阶、分段　逐步少量清理塌方碎石，逐段支护，稳中求进的方式　进行；掌子面采用预留核心土，超前锚杆及时施工及　两侧工字钢及时跟进的方式进行开挖。对于已架立工　字钢拱架洞段进行喷Ｃ２５混凝土封闭、锚杆支护、侧　墙挂钢筋网等支护处理。钢支撑立柱外边墙为坍塌堆　积体或人工填筑体，松散、块状、破碎，进行固结灌　浆加固处理。钢支撑顶部空腔部位采用回填灌浆的方　式进行加固处理。　隧洞开挖至Ｙ４＋０４０桩号处掌子面发生塌方，塌方　体沿掌子面向下游呈带状分布，断层带走向与隧洞走向　近似平行进深约６～１０ｍ，顶部形成高约６ｍ的塌腔，带　内物质为未胶结的碎裂岩、糜棱岩等构造产物，并且有　大量地下水。处理时按照架立工字钢拱架、喷Ｃ２５混凝　土封闭、锚杆支护、侧墙挂钢筋网等支护处理，钢支撑　立柱外边墙为坍塌堆积体或人工填筑体，松散、块状、　破碎，对其进行固结灌浆加固处理。　３．３岩爆　在完整坚硬的脆性岩体中开挖地下工程，围岩岩　体从三面受压状态转变为切向受压、径向受拉的状态；　开挖瞬间使得洞壁切向应力突然增加达到并超过岩体　强度时，围岩岩体处于超应力状态，其所能承受的应　变不足以释放由于应力增加而积聚的弹性能，从而发　生破坏；破坏时伴随着声响，破裂后的岩块以板状、　片状或块状的形式剥落或弹射的方式脱离母岩，形成　岩爆。　在齐热隧洞大部分Ⅱ类以及Ⅲ类围岩开挖过程　中，均遇到了不同程度的岩爆，埋深分别在１１４．８～　１０６２．５４ｍ不等，此处围岩完整性好，岩性为片麻　状花岗岩，以轻微、轻微一中等、中等岩爆为主；　空间上具有明显的连续性，最大连续长度１　５０ｍ；　时间上具有明显的滞后性和持续性，局部剥落时间　长达２年之久；初次发生时间在半小时至几十天内　均有发生。　轻微岩爆一般发生于右侧边墙、右侧起拱线或右侧　顶拱部位，一般形成连续破坏，形成三角形剥落坑，多　呈钝角形。有轻微声响或者无声，声响多呈劈裂声，似　玻璃碎裂声音，多数无剥落或者片状剥落，持续时　间短。　轻微一中等岩爆一般集中于右侧拱顶或起拱线部　位，空间上具有明显的连续性，导致右侧起拱线部位连　续形成三角形破坏面，多呈钝角形或Ｖ形爆坑。轻微声　响，有时似闷雷声，岩块随声而落，局部有弹射，岩爆　发生后岩爆区的剥落持续发生，局部最大剥落深度达　到１．４ｍ。　中等岩爆一般发生于顶拱范围内，从左侧起拱线至　右侧起拱线和掌子面及侧墙均有发生，同时伴随弹射、　爆落和爆坑，持续剥落后洞壁呈Ｌ形、Ｖ形或阶梯形。　有似闷雷或雷管爆炸的声响，岩块随声而落，并同时伴　有弹射和掌子面弹射现象。　岩爆防治的主要工程措施有：　（１）调整开挖方式，采用短进尺、多循环的开挖方　式，每排孔深１．０ｈ１．５ｍ，降低一次爆破用药量，减小　爆破对围岩的扰动。并采用光面爆破，以降低围岩应力　集中。　（２）在高地应力洞段侧顶拱部位布置超前钻孔或排　孔，进行超前应力解除，在围岩内部形成破碎带，使掌　子面及洞壁岩石应力提前释放。隧洞径向应力释放孔孔　径为５０ｍｍ，深度为１．５～２ｍ。　（３）在可能发生岩爆洞段，对干燥的岩壁面喷水　湿润。　（４）轻微岩爆对施工基本不造成影响，不进行支护　或者锚杆局部支护；轻微一中等岩爆采用径向锚杆＋钢　筋网片＋喷射混凝土的联合支护形式，掌子面采用５ｃｍ　后的喷射混凝土防护；中等岩爆的岩爆区会发生持续剥　落，采取柔性防护网＋喷射混凝土或者径向锚杆＋钢筋　网片＋喷射混凝土，部分采用钢拱架支护，掌子面采用　５～ｌＯｃｍ的喷射混凝土进行防护。　岩爆一般在开挖后几小时内发生，有的延续时间较　长，多数具有不同程度的声响，岩体随声而落。因此，　开挖完成后的巡视和检查对于岩爆的防治具有积极　意义。　３．４涌水与渗水　隧洞自开挖开始就出现不同程度的涌水和渗水，　ＹＯ＋１４８￣Ｙ０＋１４９右侧拱脚发现股状流水，ＹＯ＋１７１　～ＹＯ＋１７３右侧拱脚发现股状流水，且随着开挖的深　入，水量逐渐增大，为保证隧洞开挖处于干地施工，故　进行排水规划并进行专项抽排水。　主洞开挖工作面采用掌子面设临时集水坑，水泵抽　排至集水井，经主排水管路统一引排至污水处理系统净　化。根据隧洞的结构型式，为不影响施工时交通，集水　井采用结构边线外扩挖，排水工作完成后采用主洞衬砌　同标号混凝土回填，便于排水设施的布置，集水井尺寸　为２ｍ×２ｍＸ　２ｍ（长×宽×深）；排水主管路采用４英　寸钢管，法兰盘连接，布设隧洞腰线位置，与供水管路　平行布置。　１＃施工支洞开挖支护时，沿程布置排水管线并设　集水井，水流经抽排至支洞口处理后排入河道。支洞开　挖完成后，分上下游开始主洞开挖，上游主洞水流流至　交叉口集水井处经支洞管路排出，下游在掌子面设临时　集水坑，分段接力抽排至交叉口集水井，经支洞管路　排出。　施工过程中根据实际涌水渗水情况在集水井中布置　水泵并经常检查维修，防止出现堵塞等情况。　３．５高地热施工　《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（ＳＬ　３７８—　２００７）规定洞室平均温度不应超过２８℃，超过时施工中　就要采取适当的降温措施。引水隧洞在开挖至桩号Ｙ７　＋０１０处时，气温逐渐升高，岩石完整性好且干燥无水。　开挖至桩号Ｙ８＋０６８处时，掌子面实测最高环境温度　７０￣Ｃ，岩石表面温度８２～９６℃，局部伴随１４７℃高温气　体喷出。初步判断高地热发生的原因是由于喀喇昆仑山　地质活动造成的地热所致。　洞内温度超过３Ｏ℃时，对施工造成极大影响，主要　有：人工施工难度大，机械施工效率低，爆破效果不理　想且存在安全隐患，对测量精度有影响，影响后期施工　质量。　为降低掌子面施工温度，利用综合降温处理措施：　以通风为主，辅助隔热保冷、喷洒低温冷水、加强地质　预报等。　布置隔热风筒，加强通风，增加空气对流，带出高　温气体；通风Ｅｌ放置冰块，冷却空气；经常性洒水降　温；进行地质预报提前了解前方岩体情况，做好相应施　工准备；采用耐高温炸药进行爆破作业。　·　５９　·　烟设计、塌方段处理、岩爆防治措施、抽排水设计以及　４　小结　齐热哈塔尔水电站工程引水隧洞为深埋长隧洞，开　挖过程中遇到了许多问题，如通风散烟问题、塌方、岩　爆、涌水与渗水、高地热施工等，但经过合理的通风散　高温施工措施等已经解决了上述问题，顺利完成了隧洞　开挖任务。对于大多数隧洞的开挖来说，上述问题极有　可能会遇到，因此，这些问题的成功解决对于其他类似　工程具有一定的借鉴意义。　·　６０　·