金国政，段会平

(中国水利水电第七工程局有限公司第三分局，四川 郫县，611730)

吉牛水电站富含云母复杂岩体隧洞施工技术研究

金国政，段会平

(中国水利水电第七工程局有限公司第三分局，四川 郫县，611730)

吉牛水电站为低闸引水式电站，引水隧洞全长22.377km，本工程存在洞线长、云母含量高、围岩软硬相间和软化特征明显等特点，由此带来了开挖单耗高、进尺短、效率低、隧洞底板软化超挖深、施工工期紧等难题。针对上述技术难题，开展富含云母复杂岩体隧洞施工技术相关研究，不仅可以有效解决施工中遇到的难题，保证工程高效、优质和安全的施工，而且对于促进此类地质条件下的隧洞围岩物理力学性能研究及设计施工具有重要的意义。

富含云母 开挖方案优化 软岩底板超挖控制 隧洞支护技术 吉牛水电站引水隧洞

1 工程概况

革什扎吉牛水电站引水隧洞位于革什扎河左岸，全长约22.377km，隧洞进口底板高程2361.0m，隧洞断面为城门洞形，开挖断面尺寸为(5.9m～6.8m)×(5.95m～6.8m)(宽×高)。调压室采用埋藏双室式布置，穹顶高程2391.0m，底板高程2311.0m，井筒高78.6m，开挖直径6.8m，衬砌厚度60cm。调压室上室总长260.0m，断面为6.4m×8.0m的方圆形，衬砌厚50cm；下室长50.0m，断面为5.6m×(5.6m～6.6m)的方圆形。上室交通洞长107.086m，断面为4.0m×4.0m的方圆形，衬砌厚50cm。

压力管道为地下埋藏式，从上至下由上平段、上斜段、中1平段、中斜段、中2平段、下斜段和下平段组成，采用一条主管经Y型岔管分为两条支管向两台机组供水的联合供水布置方式。主管总长1059.22m，全线采用钢板衬砌，主管内径3.8m。压力钢管首端设置蝶阀室，蝶阀室交通洞长约189.42m，断面型式为4.5m×5.0m(宽×高)的城门洞形。

引水隧洞围岩主要为薄～中层二云片岩及二云英片岩夹石英岩、大理岩等，主要由石英、长石、云母等组成，围岩因石英含量的增减呈渐变过渡关系；二云英片岩石英含量较高，岩性较坚硬(属中硬岩)，二云片岩由于石英含量相对较少，云母含量增多而相对较软弱。岩石软硬相间，呈无规律分布，对开挖爆破带来较大难度，不仅单耗控制较为困难，并且爆破效果也很不理想，施工的进度、质量和安全难于保证。其主要技术难点如下：

(1)隧洞洞线长，地质条件复杂，特别是云母含量高，岩样实测云母平均含量为28%，最高含量达到了39%。同时隧洞围岩因石英含量的不同，物理力学性能差异较大，二云英片岩和二云片岩两种岩石软硬相间，呈无规律分布；

(2)富含云母和软硬相间的地质条件，使钻爆开挖难度大，集中体现在开挖单耗高(平均单耗超过2.7kg/m3)，进尺短(平均进尺1.7m)，效率低(炮孔利用率50%左右)；

(3)富含云母岩石饱水状态强度低，软化系数普遍在0.5以下，循环加载作用下应变软化特征明显，在现场工程车辆反复碾压作用下，隧洞底板岩石由于渐进破坏而形成明显超挖(平均超挖20cm～40cm)；

(4)隧洞围岩富含云母，且呈无规律分布，掌握量化的围岩物理力学特性，研究富含云母隧洞开挖方案和隧洞开挖松弛效应难度大；

(5)隧洞洞线长、断面小、地质条件差、施工工期紧，掌握合理的衬砌施工时机和方法，对工程安全、经济、高效和优质施工意义重大。

2 富含云母隧洞开挖爆破施工技术

2.1 富含云母隧洞开挖爆破的初步设计

对于革什扎吉牛水电站压力管道所在部位的岩体，参考类似岩石参数条件下的爆破参数，对Ⅲ类围岩洞段，单耗应在1.1kg/m3～1.2kg/m3左右，Ⅳ类围岩应可控制在1.0kg/m3以下。

基于以上认识，针对革什扎吉牛水电站各施工支洞进行了爆破设计，并在开挖初期进行了相应的试爆，为使岩石爆破效率不至于相当低下，对于Ⅳ类围岩单耗均超过了2.67kg/m3，设计3.0m的爆破进尺，实际进尺只在1.75m左右，爆破效率为55%；对于Ⅲ类围岩单耗均超过了2.7kg/m3，设计2.8m的爆破进尺，实际进尺只在1.7m左右，爆破效率为61%，并且个别场次爆破的残孔非常明显，炮孔只在炸药作用下扩大，但是岩石并没有崩开，导致爆破效果非常差。

2.2 富含云母岩体开挖爆破破坏机理分析

参照爆破相关理论及工程经验可知，爆腔半径一般是炸药半径的10～15倍。根据动力有限元数值模拟计算结果可知，富含云母岩石在炸药作用下的空腔最大截面半径为10.5cm，是所取炸药半径的6.5倍，该值明显偏低。查看相关资料与文献，对于灰岩等一般典型的脆性岩石，其破坏时极限应变都较低，而富含云母岩石塑性特性较为明显，根据物理力学试验结果，其强度相对较低，同时极限应变值达到0.01甚至更高，这可能导致该岩石在爆炸冲击波作用下大部分能量都用于岩石的塑性变形，即形成爆破空腔；进一步查看富含云母岩石在炸药作用下的空腔壁外所产生的塑性区，其最大塑性区半径为17cm(含空腔区)，可理解为在爆破影响下崩裂区最大半径为17cm。这也进一步解释了在初期爆破试验过程中，出现比较明显的爆破空腔残孔的原因。

革什扎吉牛水电站富含云母隧洞爆破施工初期所采用的炮孔间排距为60cm～80cm左右，根据数值模拟结果可知，在单孔爆破影响下岩石崩裂区范围为17cm，两孔崩裂区范围叠加后为34cm。显然初期爆破施工所取的间排距值过大，不能够有效将岩石崩落，导致了初期爆破效率低下。因此建议后期爆破设计和施工过程中，主要的优化方向为加密掏槽孔，对于难爆部位，对崩落孔也应适当加密，以保证有效的循环进尺和爆破效率。

2.3 富含云母隧洞开挖炸药选型

由于针对富含云母隧洞开挖爆破的初步设计爆破效果不佳，需重新优化爆破设计，首先要选择适合富含云母复杂岩体条件下隧洞开挖的炸药。根据波阻抗匹配理论，需选择与岩石波阻抗相近的炸药，才能取得较好的爆破效果。炸药与岩石具体阻抗匹配见表1。

表1 炸药与岩石阻抗匹配

根据物理力学实验结果，岩石平均抗压强度为29MPa，平均密度为2700kg/m3；根据声波检测结果，围岩平均波速为4206m/s,计算得岩石波阻抗为117MN/m3·m/s。

根据表1，当岩石波阻抗为117MN/m3·m/s时，对于抗压强度达到50MPa的引水隧洞部位坚硬岩石，应选密度为1.0g/cm3～1.2g/cm3、爆速为4800m/s的炸药，才能取得较好的爆破效果。铵油炸药的爆速和密度基本满足要求，所以采用铵油炸药进行爆破试验。通过不断试验，最后确定绵竹生产的改性铵油炸药效果最佳，但是由于火工品供应的问题，这种炸药的供应量并不能满足工地生产的需要，因此很大部分的洞段仍然使用了雅化生产的乳化炸药。

根据表1，当岩石波阻抗为117MN/m3·m/s时，对于压力管道部位富含云母岩石，其抗压强度均低于30MPa，应选密度为1.0g/cm3～1.2g/cm3、爆速为3000m/s的炸药，才能取得较好的爆破效果。硝铵炸药的爆速和密度基本满足要求。由于隧洞围岩中地下水等原因，未采用硝铵炸药，针对改性铵油炸药和乳化炸药的对比试验表明，改性铵油炸药更适合此类岩石。

2.4 富含云母隧洞钻爆参数和开挖方案优化

根据富含云母开挖爆破作用机理的分析，富含云母岩石在炸药爆炸作用下，由于其低强高塑的特性，其形成的塑型区范围有限，容易在爆破后残留空腔，因此爆破设计和施工优化的方向应是适当加密掏槽和崩落孔，减小布孔间距。在此思想指导下，针对富含云母隧洞开挖进行了多循环的爆破试验，根据试验成果，持续优化，获得了富含云母地质条件下隧洞开挖的合理钻爆参数(表2～表5)。

对于富含云母地质条件下隧洞开挖，第一排掏槽孔的布孔间距控制在30cm，第二排掏槽孔间距控制在50cm，同时楔形角度加大；崩落孔间距控制在70cm～80cm。当云母含量进一步增大时，掏槽效果很难保证，因此采用了中导洞先行的开挖方式。

对于引水隧洞坚硬岩石和软硬相间岩石洞段，有针对性的采取减小孔距、增加掏槽孔的排数，多层楔形掏槽，改变掏槽孔位置，分部开挖等优化开挖爆破方案，起到了良好的效果。

表2 富含云母Ⅳ、Ⅴ类洞段优化爆破设计和爆破参数

表3 富含云母Ⅱ、Ⅲ类洞段优化爆破设计和爆破参数

表4 中一平段一区优化爆破布孔和爆破参数

表5 中一平段二区爆破布孔和爆破参数

根据富含云母隧洞围岩的物理力学性质，云母含量情况和现场声波检测等结果，在充分了解了现场围岩的施工特性的基础上，对富含云母围岩按云母含量和抗压强度等分为三类，总结出各类围岩的合理开挖方式和爆破设计。成果见表6。

表6 富含云母隧洞开挖方案和钻爆参数优化成果

分类云母含量/%强度/MPa开挖方式爆破设计参考1≥20<20中导洞开挖分区开挖，一区掏槽孔半径10cm～30cm，单孔装药量18kg～20kg2<2020～50全断面开挖掏槽孔间距30cm～60cm排距30cm～50cm，单孔装药量16kg～22kg3≥50掏槽方式优化掏槽孔间距30cm～60cm，排距30cm～40cm

通过爆破参数优化，隧洞开挖的爆破效率得到了一定的提升。Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段每个循环造孔长度为3m，实际爆破长度为2.4m，单耗为1.64kg/m3；Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段循环造孔长度为2.8m，实际爆破长度为2.3m，单耗为1.6kg/m3。

3 软岩隧洞底板保护性开挖和超挖控制技术

3.1 富含云母软岩循环加载物理力学性质研究

根据前期物理力学性质研究成果，富含云母岩石在饱水状态下软化特性明显，进一步开展循环加载试验，其循环加载实验(天然状态低频0.5Hz共2组、高频3Hz共2组，饱水状态低频0.5Hz共4组、高频3Hz共2组)结果表明，在反复加载情况下，不论低频或高频加载状态下，二云片岩均呈现明显的应变软化特征，说明在现场工程车辆反复碾压情况下，隧洞底板岩石会呈现渐进破坏特征而形成超挖。

3.2 软岩隧洞底板超挖控制技术和措施分析研究

采用FLAC3D软件对革什扎吉牛水电站隧洞底板长期经车辆碾压变形进行了数值模拟研究。考虑平均埋深为600m，侧压力系数为1.2，夹层倾角取60°，在没有垫渣时，在车轮荷载作用下底板下陷严重，在车轮作用处会出现凹槽，又分别计算了垫渣厚度为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm时车轮荷载作用下的下陷位移和相应的塑性区。在没有垫渣情况下，受水和车轮荷载作用，隧洞底板在车轮碾压位置产生下陷，最大位移量达到50cm～60cm；若采用预留保护层开挖的方式，则预留保护层的合理厚度为50cm～60cm。当采取此种措施时，在车辙部位可以有效减少超挖，但对隧洞底板其他部位，岩石由于没有车轮碾压作用而未受到明显破坏，从而形成欠挖，因此预留保护层措施对本工程不适用。

3.3 软岩隧洞底板保护性开挖措施和超挖控制

根据上述分析结果，当底板不垫渣时，在车辆反复碾压作用下，隧洞底板会发生较大的陷落变形，需要采取适当措施减少超挖，垫渣厚度在20cm～30cm时可以达到有效减少塑形区和陷落变形的目的。当垫渣厚度进一步增大时，陷落变形的减少趋势并不明显。因此，现场根据计算结果，从经济合理的角度出发，结合现场试验，采取垫30cm左右厚度石渣进行底板保护，超挖控制效果良好。

4 富含云母复杂岩体隧洞支护施工技术

4.1 富含云母复杂岩体隧洞围岩稳定和破坏特征分析

根据数值模拟研究相关成果，不论岩层层面是水平还是倾斜的情况下，系统锚杆支护对控制洞壁位移影响都较大，使得洞壁各部位位移平均减小40%以上，说明洞室开挖后及时进行系统支护对洞室稳定是必要的。根据计算结果，层面水平时拱顶与边墙中部位移量大，岩层层面60°时拱腰位移量大，应注意加强局部支护。同时根据塑型区分布情况，当岩层面倾斜时，隧洞一侧拱脚至边墙中部存在比较明显的塑性区。这与现场施工过程中观察到的现象是一致的，当隧洞开挖后，即便进行了系统支护，但是由于隧洞围岩遇水软化，在隧洞一侧很容易发生坍塌问题。

4.2 富含云母复杂岩体隧洞开挖支护技术措施

根据隧洞围岩物理力学特性、声波测试和计算分析，洞室开挖过程中的支护施工程序和技术措施如下：(1)针对富含云母复杂岩体遇水软化特性明显、开挖后松弛范围内岩体质量下降非常明显的问题，在开挖爆破结束后，即素喷6cm～8cm厚混凝土，迅速封闭岩面；(2)结合开挖松弛范围集中在拱顶、边墙，并且松弛范围内岩体质量下降明显的问题，在开挖掌子面后方50m左右，即进行系统支护，包括系统锚杆施工和喷层加厚；(3)针对倾斜岩层情况下，隧洞单侧岩体松弛明显，容易出现坍塌破坏的特征，采取边墙混凝土衬砌与开挖交叉施工的施工工艺。在隧洞底板混凝土衬砌后，利用改进后的钢模台车，进行隧洞边墙衬砌施工，利用隧洞底板和边墙衬砌组成的整体混凝土结构，加强隧洞拱脚和边墙的支护，防止发生局部坍塌破坏。

5 结语

针对革什扎吉牛水电站工程，基于二云英片岩石与二云片岩石软硬相间，呈无规律分布，不仅单耗控制较为困难，而且确定炸药选型、隧洞的开挖方式和钻爆参数等难度大。通过对富含云母岩石物理力学特性、隧洞开挖方案和钻爆参数的研究，确定了能够满足设计指标及工程高强度施工需要的开挖方案和钻爆参数，并且针对软岩隧洞底板长期受碾压破坏和小水工断面施工缓慢采取了相关的施工控制措施和方法，有利保证了施工的快速、顺利进行。

革什扎吉牛水电站隧洞开挖工程，通过对钻爆参数和开挖方案的优化，及针对软岩隧洞底板超挖和隧洞支护采取的控制措施，有力地保证了工程高效、优质和安全的施工。

TV554：TV

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金国政(1977-)，男，安徽肥东人，工程师，从事水利水电工程施工技术和管理工作；

段会平(1978-)，男，甘肃庆阳人，工程师，从事水利水电工程施工技术和管理工作。