俄日水电站引水隧洞围岩分类及工程地质问题处理

(湖北水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

1 工程概况

2 引水线路工程地质条件

引水线路沿河两岸山体雄厚，山顶高程 4000.00～4700.00m，相对高差900～1900m，临河坡高约100～1200m，引水工程区仅发育四条小冲沟，即磨药沟、鸦落沟、学校沟和耕水沟，其中磨药沟过沟处基岩裸露，无覆盖层分布。各冲沟发育特征见表1。

表1 引水线路区主要支沟发育特征

引水线路穿越的地层岩性主要为三叠系中统杂谷脑组上段(T3z2)中厚至厚层状变质砂岩夹含碳砂质板岩、巨厚层块状变质砂岩和上统侏倭组(T3zh)薄至中厚层(局部巨厚层块状)变质砂岩与含碳砂质板岩韵律状互层；岩石风化微弱，岩体一般呈层状结构，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，部分Ⅳ～Ⅴ类；其中Ⅱ类围岩约占10.8%，Ⅲ类围岩约占57.8%，Ⅳ～Ⅴ类围岩分别约占31.4%。隧洞沿线穿越烧热和头木罗沟两处向斜，根据引水线路地质测绘图，引水线路沿线共发育大小断层11条，但有一定规模并可能对引水洞线有影响的断层有5条，断层破碎及其影响范围由小至大约为20～150m，岩体多挤压成粉末状、角砾状，对洞室稳定性不利。总体而言，隧洞工程地质条件较差。

引水线路的地下水主要为第四系松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水受大气降水补给，主要赋存于两岸崩坡积碎石土与冲积含漂砂卵砾石层中，向沟谷及河床排泄。基岩裂隙水主要赋存于谷坡两岸及谷底岩体中，岩体含水性及透水性受构造发育程度控制，并与岩体的风化、卸荷有关，断层破碎带、挤压破碎带、节理密集带含水相对丰富。河水、沟水对混凝土不具侵蚀性。

3 隧洞围岩地质分类

3.1 围岩分类

结合《中小型水力发电工程地质勘察规范》(DL/T 5410—2009)中围岩工程地质分类表，并参考《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)、《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)中的围岩分类标准，以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素之和的总评分为依据[1]，对俄日水电站引水隧洞围岩类别进行了分类并给出了相应的物理力学指标建议值(见表2)。

表2 围岩总体评分分类及其特性

续表

3.2 引水隧洞不同洞段围岩分类

3.2.1 第一段(0+000～1+000)

本洞段长1000m，洞向N54°，隧洞垂直最大埋深310m，围岩地层岩性为三叠系中统杂谷脑组及上统侏倭组变质砂岩夹极薄至薄层砂质板岩，岩层产状N35°～65°W/SW(NE)∠72～76°。岩层走向与洞室轴向交角多在45°左右，交角较大，有利于洞室稳定，局部交角较小，约25°，岩层倾角较陡，洞壁两侧可能产生片帮等失稳现象。发育优势裂隙三组，裂隙产状分别为325°∠71°、165°∠33°及285°∠85°，裂隙一般延伸较长，闭合无充填。进口段岩体弱风化强卸荷深度约35m，其余洞段以微风化岩体为主。本洞段以局部稳定性差的Ⅲ类围岩为主，进口风化卸荷段及局部构造破碎带属Ⅳ～Ⅴ类不稳定或极不稳定围岩。部分埋深较大洞段存在轻微岩爆可能，建议施工期加强地质预报，确保施工安全。

进水口处基岩裸露，岩性为杂谷脑组变质砂岩，岩体呈强至弱风化，受风化、卸荷影响，岩体较破碎。岩层产状225°∠76°，岩质边坡为斜向坡，有利于边坡稳定。建议弱风化岩体开挖边坡以1∶0.3～1∶0.5较为适宜。因开挖边坡主要位于强卸荷带内，节理裂隙的抗剪强度较低，局部不利组合可能导致边坡局部失稳，需加强锚固处理。

3.2.2 第二段(1+000～3+300)

岩浆在形成过程中，不断吸收围岩中的成矿物质，形成富矿岩浆，在成岩过程中，部分成矿物质从岩浆中分类，在围岩中成矿，如大张沟脉状钼矿体和老坟爬铜钼矿，另一部分被保存在岩体中形成斑岩型矿床，如双山钼矿和老坟爬斑岩体中的钼矿化。

本洞段长2300m，洞向N59°E，隧洞垂直埋深最小约70m，最大220m，围岩地层及岩性为三叠系上统侏倭组薄至中厚层(部分巨厚层块状)变质砂岩与极薄至薄层含碳砂质板岩，板岩厚度约占总岩体厚度的30%。岩层产状N30°～40°E/NW∠41°～71°。岩层走向与洞轴向成19°～29°小角度相交，不利于洞室稳定。发育优势裂隙两组，裂隙产状分别为90°～95°∠56°～74°、178°～190°∠45°～86°，裂隙面多粗糙、延伸长，无充填。本洞段穿越烧热向斜核部，岩体较为破碎。地表发育耕水沟、学校沟等4条冲沟，经勘探查明过沟处覆盖层厚度为12～20m，隧洞上覆有效岩体厚度不小于55m。受冲沟地表水流的长期补给，储存于裂隙中的地下水活动强烈，岩体风化较深。本洞段为不稳定或极不稳定的Ⅳ～Ⅴ类围岩。施工中应加强支护，并加强地下水的输排措施。含碳板岩洞段可能遇有毒有害气体，应采取防范措施。

3.2.3 第三段(3+300～5+700)

本洞段长2400m，洞向N15°E，隧洞垂直最大埋深460m。地层岩性为三叠系上统侏倭组薄至中厚层(局部巨厚层块状)变质砂岩与含碳砂质板岩韵律状互层，板岩厚度约占总岩体厚度的30%。岩层产状近EW/N(S)∠50°～78°。岩层走向与轴向成较大角度相交，有利于洞室稳定。发育优势裂隙两组，裂隙产状分别为205°～255°∠25°～30°、113°～126°∠69°～85°，裂隙面多粗糙、延伸长，无充填。发育F10一条断层，断层产状335°∠60°，断层破碎及其影响带宽20～30m，带内主要为角砾岩、碎裂岩。本洞段以局部稳定性较差的Ⅲ类围岩为主，碳质板岩集中出露段及部分构造破碎带为不稳定或极不稳定的Ⅵ～Ⅴ类围岩，施工中应加强支护。在埋深大、巨厚层变质砂岩较为集中洞段，存在轻微岩爆的可能，施工中应加强监测和防御。含碳板岩洞段可能遇有毒有害气体，应采取防范措施。

3.2.4 第四段(5+700～10+000)

本洞段长4300m，洞向N15°～36°E，隧洞垂直埋深130～550m。地层岩性为三叠系中统杂谷脑组上段中厚～厚层状变质砂岩夹含碳砂质板岩、巨厚层块状变质砂岩，板岩厚度约占总岩体厚度的10%。岩层产状N58°～80°W/SW(NE)∠42°～81°。岩层走向与洞轴向成较大角度相交，有利于洞室稳定。发育优势裂隙三组，裂隙产状分别为310°～345°∠42°～71°、248°～262°∠55°～78°及183°～195°∠19°～28°，裂隙一般延伸较长，闭合无充填。发育F8、F11两条断层，断层F8产状360°∠65°，断层破碎及其影响带宽30～50m，带内主要为角砾岩、碎裂岩；断层F11产状320°∠50°，断层破碎及其影响带宽25～50m，带内主要为角砾岩、碎裂岩。本洞段以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，局部碳质板岩集中出露段和断层破碎带为不稳定或极不稳定的Ⅳ～Ⅴ类围岩，施工中应加强支护。在埋深大、巨厚层变质砂岩较为集中洞段，存在轻微岩爆的可能，施工中应加强监测和防御。

3.2.5 第五段(10+000～12+098)

本洞段长2098m，洞向N36°～60°E，隧洞垂直埋深180～370m。地层岩性为三叠系上统侏倭组薄至中厚层(局部巨厚层块状)变质砂岩与含碳砂质板岩韵律状互层，板岩厚度约占总岩体厚度的27.4%。岩层产状N59°～85°W/SW∠41°～62°。岩层走向与轴向成大角度相交，有利于洞室稳定。发育优势裂隙两组，裂隙产状分别为20°～25°∠15°～38°、322°～345°∠48°～78°，裂隙面多粗糙、延伸长，无充填。本洞段以局部稳定性差的Ⅲ类围岩为主，碳质板岩集中出露段和断层破碎带为Ⅳ～Ⅴ类围岩，施工中应加强支护。在埋深大、巨厚层变质砂岩较为集中洞段，存在轻微岩爆的可能，施工中应加强监测和防御。

4 围岩支护措施及主要工程地质问题

4.1 围岩支护措施

由于该工程引水隧洞断面较小，在隧洞开挖贯通后才能进行二次衬砌，为了确保隧洞安全，进行合理的初期支护设计及评价，对加快施工进度、保证工程安全具有重要意义。

依据洞顶围岩覆盖厚度、内水压力、地质条件等，主要采用锚喷混凝土和钢筋混凝土衬砌混合衬砌方式，其中Ⅱ类围岩边、顶拱素喷混凝土，厚10cm，底板浇筑20cm厚素混凝土；Ⅲ类围岩边、顶拱采用挂网+系统锚杆+喷锚联合支护方式，喷混凝土厚15cm，底板浇筑20cm厚素混凝土；Ⅳ、Ⅴ类围岩初期支护采用系统锚杆+钢拱架 +挂网+喷锚联合支护方式，局部围岩极差洞段应做好超前支护(如超前锚杆、超前小导管等)以避免开挖导致洞室塌方；永久支护采用钢筋混凝土衬砌，其中Ⅳ类围岩40cm厚双层钢筋混凝土衬砌，Ⅴ类围岩60cm厚双层钢筋混凝土衬砌；Ⅳ、Ⅴ类及洞内压力水头大于50m的Ⅱ、Ⅲ类围岩洞周边进行固结灌浆，顶拱120°范围进行回填灌浆，回填灌浆每排3孔、排距2.5m；固结灌浆每排6孔、排距2.5m，为梅花形布置，深入围岩3.5m。

4.2 主要工程地质问题

4.2.1 局部冲沟发育段围岩稳定性问题

冲沟发育段洞室有效覆盖层较低，受冲沟地表水流的长期补给，储存于裂隙中的地下水活动强烈，岩体风化较深，大多呈松散堆积结构，围岩稳定性极差，一般为极不稳定的Ⅴ类围岩，施工难度较大。

鸦落沟发育段下洞室开挖过程中发生过一次塌方(见图1)，掌子面渗水较大，出露围岩主要为强至全风化变质砂岩夹碳质板岩，由于长期受地下水影响，围岩呈散体结构，在施工过程中本段洞室一直采用分层开挖的方式(以洞室120°为分层界限分为上下两层)，首先采用人工配合风镐对上层进行开挖，每循环进尺控制在0.5～0.8m，开挖完成后在拱顶立即进行支护及空腔回填，上层开挖支护完成2个循环后再进行下层开挖支护，钢拱架间距0.5～1.0m，并采用超前小导管(φ42、L=4.5m，每2.0m一环，环向间距20～25cm)进行超前支护。上述施工方案在渗水较小、围岩堆积较为密实的洞段均取得了良好效果，然而在本洞段超前支护并没有达到预期效果，岩体较为松散，且受渗水影响吸浆能力差，不能有效固结密实(见图2)，小导管严重弯曲破坏，从而造成了一定程度上的塌方，采用工字钢拱架+局部超前管棚+喷混凝土联合支护才顺利渡过[2,3]。

图1 冲沟覆盖段洞室开挖塌方

图2 超前小导管注浆纵剖面

4.2.2 Ⅴ类围岩开挖导致的地表沉降问题

在实际施工过程中，发现Ⅴ类围岩洞段由于岩体较为松散，且紧邻冲沟局部洞段外水压力较大，锁脚锚杆对钢拱架的锁定效果较差，在初期支护后，洞室断面(长度约15m左右)较设计断面减小，严重处较设计断面差接近0.1m。为了解决上述问题，并防止后期底板清理时可能发生的钢拱架破坏引起断面进一步减小，考虑到锁定梁在类似工程地质条件下的成功运用[4]，对冲沟附近洞室的钢拱架底部两端加长加设仰拱，底部增加工字钢地梁与钢拱架焊接，并对底部两端采用C25混凝土进行固定。该施工方案对于控制沉降起到了显著的效果。

5 总 结

本文以俄日水电站为背景，详细介绍了引水隧洞的围岩地质分类情况。施工过程中设代和施工人员能根据现场掌子面围岩出露情况，及时判断围岩的自稳能力，制定相应的开挖支护措施。同时，针对冲沟发育、覆盖层较低及碳质板岩出露等复杂地质洞段，根据现场实际情况，制定了适用于该工程的施工方案，对类似的洞室施工具有一定的指导和借鉴意义。