田雪竹

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000）

1 工程概述

新疆西部地區(qū)某水利工程為輸水隧洞，目前是我國在極軟巖層中建成的最長極軟巖隧洞，洞身段全長14.89km，洞軸線方向177.5°，過流斷面為馬蹄形，設(shè)計尺寸為5.2m×5.2m，為無壓隧洞，隧洞進(jìn)口底板高程603.10m，出口底板高程584.9m，坡降1/1050。隧洞洞身段一般埋深40～50m，最大埋深80m。

2 軟巖和極軟巖變形的總規(guī)律

根據(jù)輸水隧洞的觀測結(jié)果，軟巖和極軟巖隧洞開挖后，圍巖變形有以下特點(diǎn)：

a.變形量值特別巨大，相當(dāng)一部分觀測斷面實(shí)測變形已經(jīng)大大超過《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50087—2001）規(guī)定的允許值，不完全符合巖石隧洞的變形特征。

b.洞室開挖后，圍巖的流變變形明顯，第三系砂巖約占全部變形的20%，泥巖約占60%，有些觀測部位尚無收斂的趨勢，在軟巖與極軟巖地層中修建地下洞室應(yīng)特別注意這一問題。

c.在軟巖與極軟巖地層中，開挖斷面的大小對變形影響較大，當(dāng)僅開挖上導(dǎo)洞時，雖然開挖跨度較大，但開挖高度較小、斷面積較小，等效直徑4.24m，所以開始變形較小，發(fā)展也不快。但當(dāng)開挖下導(dǎo)洞時，隨著開挖斷面擴(kuò)大，變形迅速增大，尤其是兩側(cè)邊墻變形增長極快，對圍巖穩(wěn)定不利。

d.開挖進(jìn)尺對圍巖變形影響很大，特別是開挖下導(dǎo)洞時，每開挖1.0m，都會產(chǎn)生較大的變形，其速率可接近20mm/d，而且這一速率可能在半天之內(nèi)完成，因此日變形量可達(dá)40mm，這是十分危險的，必須采取有效的控制措施。

3 軟巖和極軟巖隧洞的設(shè)計原則

由于軟巖和極軟巖隧洞洞體開挖后變形量大，空間效應(yīng)與時間效應(yīng)均較為明顯，且由于軟巖和極軟巖隧洞地層形成較為復(fù)雜，巖性分布無一定規(guī)律，地層中含水量大小也無定數(shù)，設(shè)計工作必須根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采用動態(tài)設(shè)計的原則，根據(jù)變形規(guī)律確定開挖方式、開挖程序、開挖進(jìn)尺、一次支護(hù)參數(shù)、永久襯砌參數(shù)與時機(jī)。為此應(yīng)采用如下設(shè)計原則：

a.根據(jù)初設(shè)階段提供的地質(zhì)條件，沿線的地層、巖性和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)及運(yùn)行要求，進(jìn)行專門的施工期、永久運(yùn)行期的安全監(jiān)測設(shè)計，并通過招標(biāo)方式確定實(shí)施安全監(jiān)測任務(wù)的單位，定期、適時開展監(jiān)測工作，監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測布置也應(yīng)根據(jù)地質(zhì)變化及時調(diào)整。

b.現(xiàn)場設(shè)計代表應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整洞室的開挖進(jìn)尺，調(diào)整一次支護(hù)的參數(shù)，如是否使用超前錨桿、格柵拱架型式、間距、錨桿長度等。

c.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，需對設(shè)計作出重大調(diào)整時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)或理論計算進(jìn)行驗(yàn)證。

d.現(xiàn)場設(shè)計應(yīng)與施工、地質(zhì)、監(jiān)測有機(jī)配合，作到調(diào)整及時有效。

e.為了信息處理及時，監(jiān)測單位應(yīng)向設(shè)計、施工、監(jiān)理、地質(zhì)、建設(shè)單位發(fā)送監(jiān)測日報，每周發(fā)送周報，每月發(fā)送月報，定期發(fā)送階段安全監(jiān)測分析報告。當(dāng)發(fā)生變形特別巨大，變形速率超過允許警界線時，應(yīng)立即發(fā)送安全監(jiān)測緊急通報，并立即通知有關(guān)部門商量對策，采取工程措施。

f.施工地質(zhì)部門應(yīng)跟班進(jìn)行地質(zhì)測繪，作出地質(zhì)預(yù)報，遇有重大變化應(yīng)及時通知相關(guān)單位采取相應(yīng)措施。

4 施工過程中必須遵守的原則與規(guī)定

由于軟巖和極軟巖洞室開挖后圍巖變形量值巨大，時間與空間效應(yīng)明顯，如變形量值與速率得不到有效控制，有害變形會不斷發(fā)展，造成圍巖失穩(wěn)和塌方。

輸水隧洞為了保障安全施工，防止圍巖失穩(wěn)和杜絕塌方事故，制定了“短進(jìn)尺，勤監(jiān)測，快支護(hù)，早襯砌”的12字方針，并按這12字方針編制了各工序的安全施工手冊，參建單位都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。

4.1 關(guān)于洞室開挖安全規(guī)定

a.采用非爆破方法開挖，主要目的是不擾動圍巖，保護(hù)圍巖固有的承載能力。

b.短進(jìn)尺，隧洞開挖每循環(huán)進(jìn)尺不得大于1.5m，變形特大地段不得大于0.5m，循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果按設(shè)計通知及時調(diào)整。

c.采用分部開挖方式開挖，第Ⅰ次序開上導(dǎo)洞，并預(yù)留核心土，上導(dǎo)洞領(lǐng)先下導(dǎo)洞3～5m，第Ⅱ次序開挖下導(dǎo)洞，第Ⅲ次序開挖底板。下導(dǎo)洞的每循環(huán)開挖進(jìn)尺和上導(dǎo)洞相同。

d.下導(dǎo)洞開挖分左右兩側(cè)進(jìn)行，一側(cè)領(lǐng)先另一側(cè)1～2個循環(huán)，目的是減緩變形速率，防止變形突然釋放。

e.開挖時預(yù)留變形量50～80mm。

f.對于地下水或上層滯水發(fā)育地段，底板開挖后采用素混凝土封閉。

g.嚴(yán)格控制開挖輪廓尺寸，每開挖一個循環(huán)后立即進(jìn)行量測，繪制開挖圖和地質(zhì)素描圖。

4.2 關(guān)于一次支護(hù)

a.一次支護(hù)必須在開挖后立即施作，開挖一個循環(huán)支護(hù)一個循環(huán)，本開挖循環(huán)沒支護(hù)完成不得進(jìn)行下一循環(huán)的開挖。

b.一次支護(hù)的施工程序?yàn)椋喊惭b超前錨桿→開挖→安裝格柵拱架→第一次噴射混凝土→布置鋼筋網(wǎng)、綁扎連接筋→安裝錨桿→第二次噴射混凝土→視需要滯后1～2個循環(huán)第三次噴射混凝土。

c.一次支護(hù)完成后在設(shè)計的觀測斷面安裝監(jiān)測儀器，并立即開展監(jiān)測工作，監(jiān)測儀器安裝位置距開挖面的距離不大于1.0m。

d.格柵拱架的間距應(yīng)和開挖進(jìn)尺一致，上導(dǎo)洞部位格柵拱架安裝后，以鎖腳錨桿固定，系統(tǒng)錨桿、超前錨桿應(yīng)與格柵拱架焊接，下導(dǎo)洞格柵拱架應(yīng)在底板開挖控制線以下0.5m設(shè)置0.5m×0.5m×0.5m的早強(qiáng)混凝土基座，基座混凝土強(qiáng)度等級為C20。

e.一次支護(hù)的格柵拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、連接筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、超前錨桿必須按國家制定的工程質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行施工和質(zhì)量控制。

f.依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，設(shè)計單位應(yīng)及時以設(shè)計變更通知的形式調(diào)整一次支護(hù)的相關(guān)參數(shù)，如是否需要設(shè)置超前錨桿，超前錯桿范圍、長度、根數(shù)，是否需要改變格柵拱架結(jié)構(gòu)型式等。

g.根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果，確定是否需要進(jìn)行二次臨時支護(hù)，并確定其方案和支護(hù)參數(shù)。

4.3 關(guān)于永久襯砌時間的確定

按永久性水工建筑物結(jié)構(gòu)受力最小原則，隧洞的永久襯砌應(yīng)該在圍巖變形全部釋放后施作較為合理。實(shí)際上《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50087—2001）與《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279—2002）均有相應(yīng)的規(guī)定，例如GB50087－2001第5.3.5條例規(guī)定：

采用兩次支護(hù)的地下工程，后期支護(hù)的施作，應(yīng)在同時達(dá)到下列三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)時進(jìn)行：

a.隧洞周邊水平收斂速度不小于0.2mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。

b.隧洞周邊水平收斂速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

c.隧洞位移相對值已達(dá)到總相對位移量的90%以上。

SL279—2002第6.2.4條也規(guī)定：采取了支護(hù)或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計或小計圍巖壓力。

對于具有大變形和流變效應(yīng)明顯的軟巖、極軟巖而言，要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，需要較長時間，一次支護(hù)需要較大剛度，否則會發(fā)生圍巖失穩(wěn)，甚至發(fā)生較大塌方。

根據(jù)砂巖中多點(diǎn)位移計監(jiān)測結(jié)果和洞周收斂量測的結(jié)果分析，當(dāng)距開挖面3.0倍洞徑時，圍巖變形的“空間效應(yīng)”基本完成，超過3.0倍開挖洞徑后，圍巖變形主要來源于“時間效應(yīng)”，3.0倍洞徑后以后剩余變形的大小主要取決于巖體流變特性。

對于含礫砂巖、砂巖和泥質(zhì)砂巖而言，巖體變形的“時間效應(yīng)”較小，時間效應(yīng)曲線衰減也較快，如砂巖20天后，圍巖變形速率小于0.1mm/d，并已接近穩(wěn)定或基本穩(wěn)定。也就是說，當(dāng)隧洞開挖距掌子面30m時需時間約20天，此時進(jìn)行永久襯砌，襯砌所承受的圍巖壓力已經(jīng)很小，埋設(shè)在2＋720樁號的多點(diǎn)位移計監(jiān)測結(jié)果就可以證明這一點(diǎn)。該儀器顯示襯砌后，襯砌只承受了0.12 mm的剩余變形。

對于砂質(zhì)泥巖與泥巖而言，由于流變效應(yīng)較大，開挖至5.0倍洞徑距離后，盡管空間效應(yīng)引起的變形已經(jīng)完成，但仍有較大“時間效應(yīng)”引起的變形，這一變形如不加以限制將會造成極大的危害，將使施工無法正常進(jìn)行，此時也只能采取襯砌的措施通過。

基于上述分析，從保證安全施工的角度出發(fā)，輸水隧洞按“快襯砌”的原則施工，以永久性混凝土襯砌遏制有害變形的發(fā)展，為此要求施工單位嚴(yán)格開挖30～50m（V類圍巖30m，IV～V類圍巖40m，IV類圍巖50m）之后必須要求施工永久性襯砌，開挖超過上述規(guī)定尚未進(jìn)行永久襯砌時停止掘進(jìn)，待襯砌至上述規(guī)定后方可允許繼續(xù)開挖作業(yè)，其次還對于變形較大部位采取增加襯砌結(jié)構(gòu)厚度或增加混凝土強(qiáng)度等級等措施?！?/p>