孙新权

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西咸阳 713700)

水平岩层地区地下洞室稳定性分析评价及工程处理

孙新权

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西咸阳 713700)

水利水电工程建设中地下洞室是极为常见并且极其重要的工程组成部分，而地下洞室的稳定性是整个洞室施工过程中的关键性地质问题。以榆林市王圪堵水库泄洪排沙洞施工过程中存在的主要工程地质问题和处理措施的实例，对水平岩层地区地下洞室稳定性分析评价和工程处理进行分析总结。

水平岩层;地下洞室;稳定性分析评价;工程处理

王圪堵水库枢纽位于榆林市横山县县城西北12.0 kg处的无定河干流之上，距榆林市60.0 kg，是无定河中游的一项水沙控制工程，工程的主要功能是以供水、拦沙为主，兼顾灌溉、发电、防洪等综合功能。枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和坝后电站等主要建筑物组成，各建筑物均位于大坝右岸。

泄洪排沙洞为2级建筑物，为无压隧洞，呈城门洞形，长269.0 m，设计进口高程为 1 014.0 m，出口高程为1 010.625 m，比降 i=1/80，洞径 4 ×5.5 m，实际开挖毛洞宽5.5 m，高7.5 m。设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，过流能力为220 m3/s，校核过流能力为230 m3/s。

1 区域地质概况

工程区地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘，地势西北高、东南低，海拔高程1 000～1 400 m，地形高差约50～100 m。地貌成因种类、形态类型较为复杂，东南部为黄土梁峁、丘陵沟壑地貌，西北部为风成沙漠地貌。

区内地层以第四系松散堆积的粉细砂、壤土、黄土、黄土状壤土夹古土壤为主，前第四系粘土岩、砂泥岩地层仅于沟谷有少量出露。

工程区位于鄂尔多斯地台中部，是地质史上长期相对稳定、完整的地块。在以工程场地为中心的25 km近场区内，既无区域性较大断裂通过，也无规模较小的次级断裂存在，区域构造稳定性分级属稳定性好地区。工程区地震动峰值加速度a=0.039 g，地震动反应谱特征周期T=0.35 s，相应的地震基本烈度＜Ⅵ度。

区内地下水可分为孔隙、裂隙潜水和基岩承压水两大类。孔隙潜水主要接受大气降水补给，基岩裂隙水主要接受孔隙潜水的补给，受地层结构的控制，多为潜水，局部形成承压水。

2 泄洪排沙洞工程地质条件及评价

2.1 隧洞岩体特征及物理力学试验指标

2.1.1 隧洞岩体特征

泄洪排砂洞位于大坝右岸斜坡地带，地层结构由上下两部分组成，上部为第四系松散堆积的风积、坡积粉细砂，层厚0.5～8.0 m;下部地层岩性以侏罗系砂岩、泥岩互层为主，厚度大于50 m。洞室岩性为砂泥岩地层，呈中厚层状，以弱风化为主，质软，完整性较差，较破碎。岩体以层状单斜构造为主，层理较发育，走向NW，倾向NE40°～45°，倾角5°～12°，层间呈不整合接触，层面多平直光滑，局部受地下水影响，层理面软化，形成橘黄色软弱夹层。

2.1.2 岩石物理力学试验指标

通过泄洪排沙洞岩体的试验成果资料汇总分析，按不同岩性和风化程度对洞室围岩的力学指标建议值如表1。

表1 岩体力学指标建议值

2.2 泄洪排沙洞工程地质条件及评价

泄洪排沙洞位于坝址右岸岸坡中部，根据施工开挖揭示，对开挖后洞室工程地质条件及分段评价如下:

1)设计桩号0+000～0+010 m洞室段

洞顶围岩厚度13.2～13.7 m，围岩岩体岩性为强～弱风化的中厚层状砂岩、泥质粉砂岩及泥岩互层，软质岩。属极不稳定的Ⅴ类围岩。

岩体层理较发育，洞室顶部坍塌较严重，其中渐变段(0+000～0+005 m)发生过小塌方，塌落高度1.3 m。开挖后断面见图1。

图1

2)桩号0+010～0+195 m洞室段

洞顶围岩厚度13.2～22.5 m，围岩岩性为砂岩、泥质粉砂岩及泥岩互层，弱风化，中厚层状，以较软岩为主，局部泥岩段属软岩、极软岩。岩体层理发育，完整性差，地下水高洞顶，属不稳定的Ⅳ类围岩。

该洞段围岩沿层理面剥落现象普遍，侧墙局部有掉块现象。其中桩号0+018～0+022 m、0+018～0+022 m、0+055 ～0+060 m、0+086 ～0+105 m、0+109.54 ～0+119.5 m、0+135～0+195 m段拱顶有地下水出露，以点滴状为主，局部呈线状流水;桩号0+66～0+086 m、0+086～0+135 m、0+135～0+195 m段顶拱有塌方现象，塌落高度一般0.4—2.0 m，最大2.7 m。开挖后断面见图2。

图2

3)桩号0+195～0+269 m洞室段

洞顶围岩厚度11.85～16.79 m，围岩岩性为砂岩、泥质粉砂岩及泥岩互层，弱风化，薄～中厚层状，砂岩属软质岩、泥岩为极软岩。岩体层理，发育，完整较差，地下水高洞顶，洞室围岩属极不稳定的Ⅴ类。

该段洞室侧墙及顶拱地下水以点滴状出露为主，其中0+227～0+231 m段有涌水现象，最大涌水量约50 L/min;拱顶自稳性差，沿层理面剥落现象较普遍，局部段顶拱有塌方现象，塌落高度一般1.8～2.3 m，最大2.7 m。开挖后断面见图3。

图3

2.3 隧洞施工时主要工程地质问题及处理措施

2.3.1 施工中主要工程地质问题

泄洪排沙洞洞室施工过程中存在的主要的工程地质问题是洞室开挖中的顶拱围岩坍塌和地下水渗漏及涌水，现对其主要问题原因分析如下:

(1)洞室岩性以砂岩(较软岩)和泥岩(软岩、极软岩)为主，岩层倾角较缓，一般为5°～12°，故在开挖过程中极易发生顶拱失稳坍塌现象，坍塌范围和高度受岩性、层面裂隙及构造裂隙和地下水发育程度影响较大。

(2)洞室全洞段地下水位均高于洞顶，基岩裂隙水较发育，故全洞段均存在顶拱或边墙滴渗水现象，局部涌水段受构造裂隙和岩性变化控制。

2.3.2 处理措施

(1)对极不稳定的Ⅴ类围岩段，采用分段开挖爆破，以“短进尺、勤支护、紧排水”的施工工艺尽可能减少洞顶的坍塌，开挖后及时采用每米1拱的钢拱架支撑，并及时挂网喷护。

(2)对不稳定的Ⅳ类围岩段，开挖后视洞室稳定情况，局部采用每2米1拱的钢拱架支撑并挂网喷护或锚喷支护措施。

对顶拱为泥岩段，在前期施工中因支护衬砌不及时，造成了顶拱较大范围的坍塌(见图3)。在后期的施工中，充分利用泥岩短期内可以自稳，长期暴露则极易坍塌的工程特性，在洞室开挖后及时对顶拱进行支护衬砌，有效地避免了洞顶围岩的大范围坍塌。

(3)洞室开挖工作结束后，进行全洞段回填灌浆工作，对地下水特别发育地段采取导水孔导出地下水，有效地解决了地下水对洞室围岩稳定性的影响。

3 结语

水平岩层地区地下洞室开挖中存在的主要问题是顶拱坍塌问题，其主要受控因素为岩性、层面裂隙及构造裂隙和地下水，在今后同类工程的勘察工作中，应尽可能采取不同的勘察手段对上述地质问题进行详尽的勘察和分析论证，以便对后期施工起到很好的指导作用。并且在施工中能充分利用各类岩体的不同特性，避免因施工不当造成的洞室失稳。

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1004－1184(2013)05－0120－02

2013-05-17

孙新权(1978-)，男，陕西咸阳人，工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。