陈 洲 王建国 丁红春 刘文治 杨继清 王立娜

(1. 云南农业大学 建筑工程学院， 昆明 650201； 2. 中国水利水电第十四工程局有限公司 勘察设计研究院，昆明 650051)

龙开口电站15号输水隧洞支护及塌方治理技术

陈 洲1王建国1丁红春2刘文治1杨继清1王立娜1

(1. 云南农业大学 建筑工程学院， 昆明 650201； 2. 中国水利水电第十四工程局有限公司 勘察设计研究院，昆明 650051)

以龙开口输水隧洞工程15号隧洞为研究对象，总结了该隧洞的整体支护方案以及塌方段的支护方案．15号隧洞地质条件处于破碎围岩带，因此在穿越复杂地层施工过程中选择的是锚喷法支护方案．本文从锚喷法在支护过程中各部分的受力、加固机理出发，分析了加固结构对围岩的治理效果，并对施工中坍塌地段具体支护方式做了详细说明．该隧洞中在不良地质条件下的塌方治理方法对类似地质条件下的围岩支护加固有着重要的参考意义．

龙开口电站； 输水隧洞； 支护技术； 锚喷法； 塌方治理

龙开口电站水资源综合利用一期工程，即电站左岸引水综合利用，是以发电为主，兼顾灌溉、供水和防洪等综合利用的大型水利工程．该工程对解决下游片区的灌溉缺水及农村人畜饮水有不可替代的作用，是解决区域缺水问题至关重要的有效途径．龙开口输水隧洞是小断面输水隧洞的代表，其全线工程包含的17条输水隧洞涵盖了小断面输水隧洞短、中、长、超长类型隧洞，其特殊地质环境下的施工技术对于小截面隧道施工有着重要的借鉴意义．

目前国内外对于大型地下隧道研究发展比较成熟，国内南水北调工程中输水隧洞的大量使用，促使大型输水隧洞的研究理论与施工技术发展的比较成熟[1-5]．但是小型输水隧洞的建设由于地质差、机械化程度低、参考案例少等各方面因素的影响，导致实际施工难度大[6]．本文主要以龙开口输水工程中15号隧洞为研究对象，主要从隧洞地质条件和围岩变形特点对施工中的锚喷法支护进行了分析研究．

1 工程概况

龙开口电站水资源综合利用一期隧洞工程输水任务为永胜县涛源镇片区农业灌溉供水及人畜饮水．输水隧洞共计17条，总长16 km，隧洞开挖断面为城门形，最大涌水流量4.56 m3/s，最长隧洞12号隧洞(4.15 km)，最小净断面尺寸为15号隧洞(1.5 m×2.23 m)．工程具有高压大流量突涌水、隧洞过长、小断面等显著特性．输水隧洞施工采用钻爆法施工，有轨出渣．

15号隧洞地处阶地堆积台地中等稳定地貌区边缘，地形坡度约10～15°左右，隧洞进、出口段砂卵砾石呈散体结构，属Ⅴ类围岩．洞线穿越Ⅲ级阶地砂卵砾石层及P2β2致密状、杏仁状玄武夹凝灰岩，基岩强～弱风化状态．隧洞埋深10～45 m，地下水类型为孔隙潜水与基岩裂隙水，埋深>40 m，位于洞顶板以下．

针对15号隧洞的地质条件，施工中采用的是锚喷法，主要工艺是利用工字钢钢拱架、超前锚杆、砂浆锚杆、钢筋网和喷射混凝土组成的锚喷复合支护方案．

2 加固机理

全长锚固的灌浆锚杆在围岩中的受力状态(图1)研究理论，被广泛采纳的是中性点理论，即锚杆在围岩中可能处在塑性、弹性等不同变形区域，锚杆的轴力分布则分为3部分：拉拔区、中性点和锚固区[7-8]．

图1 灌浆锚杆应力分配模型

从图1中不难看出锚杆应力分布情况，下侧应力为锚杆拉拔区，上侧应力为锚杆锚固区．通过对隧道模型应力计算得到的弹塑性解推论得到的均匀内压下的围岩塑性屈服半径与衬砌结构、加固围岩、原始围岩材料参数密切相关[9-10]．在围岩塑性区半径处，锚杆长度增加锚固到弹性区时，可充分发挥围岩体的承载能力[11]．根据锚杆锚固区半径与隧洞围岩塑性区半径的变化关系，选择合理的锚杆长度可以经济有效的控制围岩塑性区的变化范围，解决了塑性区过大造成的支护困难，有利于隧洞的稳定[12]．

图2中可以看到开挖过程中钢拱与围岩壁之间的间隙塞入木质楔塞，这样隧洞围岩初期的压力则传递给钢拱架，后期主要是由围岩与钢拱架空隙中喷射的混凝土层以及钢筋网和钢拱架脚部固定锚杆等间接传给钢拱架，钢拱架也会后续被喷射混凝土覆盖．在此过程中，钢拱架、喷射的混凝土结构层以及钢筋网共同承担围岩的应力应变，完成了较好的支护[13]．

图2 钢拱架顶拱支护示意图

3 整体支护方案

15号输水隧洞洞身开挖高度为2.83 m，包含顶拱以上覆盖层，洞口开挖直径仅2.1 m，地质条件差．为保证进出口段的散乱砂卵砾石的稳定，需要可靠的支护措施．确定隧洞进出口支护方案时，主要比较了喷锚支护方案和预应力锚固方案．锚喷法和预应力锚固都是简单、便捷可靠的临时支护，对于围岩结构特别差的15号隧洞很适用[14]．但由于预应力锚固主要应用于岩层中，最终隧洞进出口段的支护采取的是锚喷法进行临时支护再浇筑混凝土锁扣[15]．隧洞结构设计图如图3所示．

图3 隧洞结构设计图

隧洞洞身则采用了锚喷的支护形式，爆破开挖过程中先用超前锚杆沿开挖轮廓线，以较大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固(预支护)，防止爆破导致前进方向坍塌．开挖出的掌子面则采用16号工字钢钢拱架支撑截面，一般钢拱架间隔1 m起到洞身骨架作用，如图4所示．由于开挖中围岩脱落严重和松散比较严重，则利用直径25 mm的中空注浆锚杆加固．利用钢筋网包裹隧洞顶部和两帮增加其整体稳定性．顶拱与两帮锚杆排距都按800 mm排布．在隧道开挖后立即喷射30 mm厚混凝土临时支护，同时将局部超挖部分填平，待锚杆施工完成后，在开挖面前50 m进行二次混凝土喷射，喷射厚度为100 mm．

图4 隧洞支护现场

施工中严格遵循新奥法“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、快封闭”的理念进行开挖支护．开挖过程中每次循环开挖结束都及时地进行了喷射混凝土封闭，系统合理地进行了锚喷柔性支护．

4 隧洞塌方治理技术

4.1 塌方原因分析

在施工过程中15号隧洞进口掌子面约0+365～371桩号出现塌方，塌方高度约顶拱以上2.8 m，两侧塌方宽度约开挖边线外2.0 m．如图5所示，在原有的钢拱支撑条件下，仍发生了塌方．对该处塌方原因分析表明该段岩层大部分为全风化泥质粉砂岩，岩石组织结构完全破坏，已崩解和分解成松散的土状或沙状，有很大的体积变化，中间可见软弱泥夹层和细砂夹层，如图6所示．隧洞处于地下水位以下，顶拱边墙可见频繁滴水现象，围岩极不稳定，不能自稳，遇水强度急剧降低，透水性较好，抗剪强度、抗冲刷能力、凝聚力都很弱．由于泥质粉砂岩层，透水性较好，强度低，遇雨季来临，地下水位有一定提高，导致地下水动力增强，动水压强增大，加之岩层之中存在更软弱的泥夹层和细砂夹层，开挖时泥和细砂容易随水流失，造成掏空现象，容易塌方．围岩与软弱夹层之间粘聚力极差，摩擦系数很小，围岩不能自稳，变形破坏严重，岩层近水平或倾向洞内，容易形成滑动面，受到扰动或者下部围岩强度不足以支撑上部围岩压力，也是形成塌方的主要原因．

图5 隧洞塌方现场

图6 塌方地质情况

4.2 塌方处理

在开挖支护前先进行起拱线以上部位固结灌浆，因砂卵砾石难以成孔，固结灌浆采取短进尺，钻孔长1 m，灌浆通过3～4次循环完成约4.5 m灌浆段长，再进入下一段工序．固结灌浆孔孔径为0.5 m，孔深4.5 m每段次，灌浆采用净水泥浆，浆液水灰比为0.45∶1～0.65∶1，灌浆压力宜控制在0.2～0.5 MPa，浆液水灰比和灌浆压力根据实际情况具体确定．灌浆固结完成后继续按照超前锚杆支护，超前锚杆施工结束后进行隧洞开挖，开挖每向前推进0.5 m，立即进行钢支撑和混凝土喷射支护，钢支撑间距500 mm，喷射的混凝土为C20，厚160 mm．支护完成后立即补打排水孔，排水孔采用φ50钢管(花管如图8)内侧端头封闭，外口采用土工布包裹以防止细小砂砾石流出再次形成塌方．排水管长3.0 m，间距1.5 m，每排3孔分别在边墙及顶拱位置，见图7．

图7 不良地质隧洞支护断面图

图8 排水花管示意图

5 结 论

1)15号隧洞地质与施工条件主要表现为：围岩稳定性差，地质结构复杂；受雨季地下水压影响大，渗水严重；隧洞断面小，施工面狭小等方面．这些特点给隧洞的施工带来了一系列问题，对支护技术的要求更高，对以后类似工程地质条件下的塌方治理有着重要的借鉴意义．

2)隧洞支护过程中的锚杆支护主要是控制锚固区围岩产生一些滑落、坍塌等变形，保持围岩的完整性和稳定性，加固围岩的作用．经过合理的设计，选取合适的锚杆实现了锚杆支护的一次性，避免了反复锚固施工．

3)钢拱架支撑在破碎围岩地段中的支护仍会发生严重的塌方事故．当塌方发生时，钢拱架复合支护有效的解决了破碎围岩粘结力小、整体强度低的特性．在隧洞穿越复杂地层时，能更快，更经济更安全的完成施工目标．

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[责任编辑 周文凯]

Support Technology of Water Conveyance Tunnel #15 and Tunnel Collapse Treatment in Longkaikou Hydropower Station

Chen Zhou1Wang Jianguo1Ding Hongchun2Liu Wenzhi1Yang Jiqing1Wang Lina1

(1. College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural Univ., Kunming 650201, China;2. Survey and Design Institute of Sinohydro Bureau 14 Co., Ltd., Kunming 650051, China)

Taking the Tunnel #15 of Longkaikou Water Conveyance Tunnel Project as the research object, the whole support scheme and the support scheme of the landslide section are summarized. The Tunnel #15 is in the broken rock zone, so in the process of crossing the complex stratum construction, the anchor-jet support method is selected. The effect of reinforcement structure on the surrounding rock is analyzed; and the concrete supporting mode of the collapse area in the construction is described in detail. The method of landslide treatment under the bad geological line in this tunnel has important reference significance for surrounding rock reinforcement and reinforcement under similarly geological conditions.

Longkaikou Hydropower Station； water conveyance tunnel； support technology； anchor spray method； landslide treatment

2016-11-30

国家自然科学基金项目(51304087)；云南省科技厅基础研究青年项目(2016FD029)；云南省教育厅科学研究基金项目(2016ZZX108)；中国水利水电第十四工程局有限公司科研合同(201411)

王建国(1987-)，男，讲师，博士，从事工程爆破和岩石动力学方面的研究．E-mail：wangjg1987@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.003

TV672+.1

A

1672-948X(2017)03-0011-04