下坂地引水洞施工中的岩爆与地下水问题处理

2012-04-14张小辉

陕西水利 2012年6期

张小辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院陕西咸阳 712000）

下坂地水利工程已于2011年底建成运行。引水洞为引水建筑物的主要部分，洞长4584m，进口底板高程2905m，出口底板高程2893m，比降0.26%，洞径5.2m，设计最大流量89.69m3/s，最大埋深1300m。沿线穿越地层岩性为元古界角闪黑云二长片麻岩及华力西期的片麻状黑云斜长花岗岩，山体雄厚，岩质坚硬，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，片理裂隙发育。由于洞线埋深大，地应力高，岩爆发生频繁，强度大，洞壁地下水渗流点多，部分点流量大，排水困难，对工程本身的建设造成了很大影响。

1 工程区地质条件

1.1 地形地貌

下坂地水利工程位于喀喇昆仑山的峡谷地区，工程附近河谷宽度200m～300m，河床高程2900m～2750m，两岸山峰高程4000m～5000m，山势险峻，植被稀少。

1.2 地层岩性

引水洞沿线穿越的地层主要由元古界副变质岩系第1岩性段(Pta1)和古生界华力西期侵入岩(γ41)组成。

桩号0+000m～2+588m段，为元古界第一岩性段（Pta1）角闪黑云二长片麻岩，片麻理发育，岩质坚硬。岩体一般为薄层～中厚层状结构，部分为块状结构，较完整～完整，以微风化～新鲜为主，部分弱～强风化，片麻理产状180°～268°∠35°～82°。洞线埋深 40m～900m。

桩号 2+588m～4+584m，为晚古生界（γ41）华力西期片麻状黑云斜长花岗岩，岩质坚硬，岩体以中厚层状～块状结构为主，少部分为薄层状结构，较完整～完整，多为微风化～新鲜状态，局部夹有大的软岩脉。洞线最大埋深1380m。

1.3 地质构造

引水洞桩号0+000m～0+862 m段，断层较发育，开挖揭示断层57条，断层宽度一般2cm～15cm，最大宽度达2.0m～4.5 m，断带内充填物以碎裂岩为主，次为少量泥质，大部分断层带结构致密、有胶结性，局部有渗水，出现少量坍方。

引水洞中段断层不发育，断层宽度一般1cm～30cm，最大宽度1.5m，内充填以碎裂岩、岩屑为主，含少量泥质，总体结构致密，胶结良好，

出口段断层不发育，但个别断层的规模较大，断层宽度一般2cm～100cm，最大宽度达6.9m～12.5m，内充填以碎裂岩、岩屑为主，夹少量泥质，大部结构较致密，胶结较好。

开挖后发现引水洞共穿越大小断层89条，其中规模较大的、对洞室稳定影响明显的断层有三条，宽度0.8m～7m，受渗水影响，断层带自稳性能差。

元古界的角闪黑云二长片麻岩为副变质岩，在工程区为一单斜构造，片麻理发育，产状180°～268°∠35°～82°，主要的构造结构面多依其产状生成，其中裂隙多为闭合型。

片麻状黑云斜长花岗岩为侵入岩，侵入岩的面理发育有一定规律性，似片麻状，产状185°～210°∠50°～87°，受其影响，主要的构造结构面亦多依其产状生成，其中裂隙多为闭合型。

2 引水洞主要工程地质问题分析

2.1 岩爆

2.1.1 前期勘察阶段对岩爆的预测

引水洞岩爆的发生与地应力的大小关系密切。初设阶段长江科学院岩基研究所《下坂地水利枢纽工程地应力及岩爆研究报告》的结论为：引水洞进口附近的最大水平主应力为5.1MPa～7.7MPa，最小水平主应力为3.7MPa～4.1MPa，其应力量值随深度的增加有所增大，最大水平主应力方位为NE26°左右。出口段最大水平主应力量为 8MPa～10MPa，最小水平主应力为5MPa～7MPa，最大水平主应力方位为260°～300°之间，平均为277.6°。并通过回归计算分析，推测在引水隧洞最大埋深1380m时，围岩应力可能会以自重应力为主，最大主应力量值预计将大于20MPa，水平应力也有所增大，方向基本稳定在NW10°左右。预测引水洞在埋深大于550m洞段可能发生中等岩爆，局部洞段可能发生严重岩爆。

2.1.2 施工期岩爆发生特征

施工期对洞内地应力情况未再作复核测试，从开挖情况看，前期结论基本上是正确的，但岩爆强度实际是以中等岩爆为主，局部出现较强烈岩爆。在开挖过程中中等～强岩爆对施工进展及安全性影响明显。由于受地形条件限制，施工开挖主要采用进、出口两个工作面进行相对掘进。以下对洞线上、下游段的岩爆强度及分布等特征进行分析。

（1）引水洞上游开挖段在桩号1+513.8m开始出现岩爆现象，但影响不大。在桩号1+825m以后，埋深超过700m，岩爆进入频发阶段，影响也明显加大，岩爆发生有很大爆响声，并多次造成人员受伤，对施工安全及洞形均有较大影响

上游开挖段已发生的岩爆，一般在右壁拱脚上下位置，常形成一长条形凹坑，在洞室左壁下部也有发生，但程度很轻。在桩号2+367m以后，左壁也明显受到岩爆破坏。在桩号2+525m以后洞室顶拱也出现岩爆现象，而且在局部段造成很大破坏。有一点要说明的是，同一岩爆强度并非连续发生，而是有一段严重、有一段稍轻地间断性发生的。

总体来看，上游开挖段岩爆的发生，与该段地应力的量值增加及不利的片麻理产状关系较大，其中有些岩爆发生段也有地下水活动，这也说明了岩爆发生因素的复杂性与预测的难度。

（2）下游开挖段岩爆特征与上游略有区别，一般发生在右壁拱脚以上与洞轴线之间，岩爆塌落坑底为人字形、沿洞线方向为长条状，开挖后岩爆发生时间较快，常在半天时间之内，后期继发的情况较少，短期内稳定后大多不再发生。上、下游岩爆表现的差异性与其岩性不同有关，应属正常现象。

（3）最强烈的岩爆发生在桩号2+545m～2+585m，洞段处于角闪黑云二长片麻岩与片麻状花岗岩的岩性变换带附近，埋深大于1050m，起初小塌方发生在左侧壁及左拱脚，原因为岩爆，发生于开挖后约半天时。后来在大塌方前，岩爆声音沉闷，似闷雷发于岩体深部，间断有声响发出，时间在开挖后约一天。后续在处理过程中塌方不断加大，产生超挖最厚处达11m，塌方量约七百多方。

本段强岩爆的产生原因应是多方面的，与洞段所处的较高地应力有关，也与区段内的岩性、岩质有关。岩爆强度为强烈岩爆。塌方的发生与岩爆有关，同时由于片理及面理走向与洞向近平行，对岩爆的发生有利。另外，岩体中包含一条宽约0.4m～1.0m的角闪岩脉，由于岩脉两侧有宽度最大0.3m的一条明显的岩质变化带，带内的岩体看似完整，实际呈松脆状态，岩块可用手轻易掰碎，开挖后产生松驰且易随岩爆塌落。它也是导致塌方一直沿岩脉向上部发展的主要原因。

2.2 地下水

引水洞内地下水来源于结构面中，一般为渗滴状态。经多次观测，大部渗水点的流量开挖初期较大，后来逐渐变小。有个别大的涌水点出水量达120L/min，流量较稳定，季节性影响不明显，显示补给量较充分。经实测并结合估算，洞内总的渗流量为659L/min。

施工图阶段应业主要求，设计院将原来的全线钢筋砼衬砌优化为钢筋砼衬砌与喷锚支护两种方式，而渗流地下水产生的外水压力大小也成为确定支护方式区别的重要因素之一。

洞线中地下水类型为基岩裂隙水，受高山冰雪融水补给，多以潜流向河谷排泄，其中与洞线立体相交的一条支沟水流是最重要的补给源。经计算，引水洞最高外水水头440m，在桩号3+100m附近，由此向洞的上、下游发展水头均变小。外水压力折减系数根据围岩类别的不同按0.4～0.7取值，岩体质量越差取值越大，大的断层部位取1.0，经折减后的外水压力一般略高于或接近正常水位的内水压力，故内水一般不会外渗。

3 处理建议

3.1 受岩爆影响的支护

（1）临时支护

上游段施工中，在开挖前对岩爆的预防与开挖后的支护都采取了一定的措施，譬如加大装药量，采用超前锚杆及系统锚杆等方法，在部分洞段发挥出了一定的作用，但由于岩爆强度的不确定性较多，此方法仍在摸索阶段。

下游段的岩爆预防，一般在开挖后及时采用系统锚固、喷砼的支护措施，以防止后续岩爆的发展，也有一定的效果。

中间段在桩号2+540m～2+629m与2+644m～2+710m两段，频繁发生岩爆，对生产安全及进度影响严重，后经参建工程的各方慎重研究，决定临时支护采用钢拱架加挂钢筋网并喷砼支护：钢拱架采用16#工字钢，布设于原设计开挖断面之外，拱架间距0.5m～1.5m一榀；随机锚杆采用φ25锚杆（长度3m，并与钢拱架牢固焊接），钢拱架之间用φ25钢筋连接（长1.2m，搭接0.2m，间距1m）；挂双层0.1m×0.1m的φ8钢筋网，一层紧贴岩壁，一层焊接在钢拱架外弧；喷护C20混凝土厚度与钢拱架平齐。

其中在桩号2+545m～2+585m的岩爆最为强烈，导致接连发生几次塌方，由于安全不能保证，最终采用砼注浆法先封堵塌方段，再重新开挖通过该段。工程在本段付出了沉重的代价，处理时间长达数月。

（2）永久支护

岩爆对设计的砼衬砌方案段的安全性一般不会构成影响，问题的焦点主要表现在优化后的喷锚支护方案段（引水洞桩号1+780m～4+308m）中，针对不同强度岩爆的处理方法应有所不同，建议对岩石呈片状崩落的部位采用喷砼措施，而在较厚的有块状岩石崩落部位，可采用喷砼与锚杆联合支护。还可根据具体围岩状况采用“喷砼＋锚杆＋钢筋网”联合支护的方式。由于预防岩爆而采用的支护措施宜与永久支护统筹考虑。

3.2 排水

施工期地下水问题的影响主要是排水工作量很大。上游开挖段由于设计比降原因，完全依赖抽排。距离最长的时候，抽水管道增加至平行的三条管道，管径均大于10cm，且中间经过两次进入汇流池并重新加压的过程。上下游贯通后，上游的排水问题才得到缓解。

施工后期，根据地下水的活动性及折算的外水水头值，建议原设计的砼衬砌段一般可采取直接封堵的方式处理，局部若有外水压力起控制条件，可根据实际情况考虑在围岩与衬砌砼之间设置排水系统。建议对优化后喷锚支护洞段可采用打排水孔的方式，将施工期出现渗水部位的水通过导管排出。对断层部位的出水点，导管宜采用具有反滤功能的软式排水管，避免细颗粒流失。