(新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院， 新疆 阿勒泰 836500)

富蘊(yùn)縣黃泥灘供水工程位于阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣喀拉布勒根鄉(xiāng)境內(nèi)，烏倫古河中游出山口處—峽口水庫。工程區(qū)距富蘊(yùn)縣118km，距“216國道”72km，距“?！」贰?0km，其地理位置坐標(biāo)為東經(jīng)88°39′～89°48′，北緯46°20′～46°31′。

黃泥灘供水工程采用引水隧洞從峽口水庫引水，隧洞總長度6.20km，斷面形式為城門洞形，底寬2.8m，高3.2m，縱坡1/1520； 引水干渠總長度15.50km，縱坡1/6500，梯形斷面，隧洞和引水渠設(shè)計(jì)流量為8.2m3/s，加大流量為10.2m3/s。本工程主要建筑物引水隧洞和引水干渠級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物圍堰和豎井建筑物級(jí)別為5級(jí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況與構(gòu)造穩(wěn)定性

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于阿爾泰山山前，額爾齊斯河與烏倫古河兩河間地塊的南緣，烏倫古河河畔北側(cè)，為阿爾泰山山前戈壁平原南部的一部分，地貌成因類型為構(gòu)造——?jiǎng)兾g作用所形成，屬三級(jí)地貌類型。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露的地層巖性有：泥盆系中統(tǒng)(D2b)一套凝灰質(zhì)砂巖、角礫凝灰?guī)r、晶屑巖屑凝灰?guī)r； 第三系砂、泥巖和第四系沖洪積砂礫石、洪坡積碎石土、風(fēng)塵砂等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與穩(wěn)定性

工程區(qū)位于著名的額爾齊斯擠壓帶南的恰烏卡爾斷褶帶內(nèi)，恰烏卡爾斷褶帶以東與烏倫古——三塘湖沉降帶相近，以南與烏倫古河斷裂帶毗鄰。同屬于準(zhǔn)噶爾弧形復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)的次一級(jí)構(gòu)造單元。經(jīng)復(fù)核，區(qū)內(nèi)雖新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，但無發(fā)震記載，無活斷層存在。據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》、《中國地震動(dòng)反應(yīng)譜周期區(qū)劃圖》，工程區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，為基本穩(wěn)定區(qū)。

2 進(jìn)洞口段圍巖特性與應(yīng)力分布

2.1 圍巖工程地質(zhì)條件

樁號(hào)0+450進(jìn)口洞臉段位于峽口水庫右岸烏倫古河殘蝕二級(jí)基座階地上，地形緩傾，坡降1%～2%，上覆巖體厚度在 14.5m左右。上部為古風(fēng)化殼，厚9.7m左右，下部為安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化厚5m左右，巖體強(qiáng)度較低，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體多被切割呈次—碎塊狀，充填物多為葉臘石和泥質(zhì)軟弱礦物，巖塊間嵌合力較差； 結(jié)構(gòu)面與洞軸線夾角40°～70°的陡傾角裂隙，個(gè)別與洞軸線夾角10°～20°，圍巖完整性較差，總體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)； 爆破開挖后頂拱不斷有掉塊、坍塌，影響工程安全和施工進(jìn)度?？傮w評(píng)價(jià)圍巖自穩(wěn)定性較差，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)將圍巖劃分為Ⅳ類。

2.2 圍巖應(yīng)力分布特征

黃泥灘供水工程引水隧洞采用“城門洞”—直墻拱形，斷面形式2.8m×3.2m(寬×高)，洞身位于強(qiáng)—弱風(fēng)化交替凝灰?guī)r體中，洞室開挖將打破原有平衡狀態(tài)引起圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體重新調(diào)整，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。直接影響圍巖穩(wěn)定的是二次應(yīng)力狀態(tài)，它與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關(guān)。理論分析如下：

普氏理論計(jì)算法：

洞身Ⅳ類圍巖開挖爆破中發(fā)現(xiàn)，圍巖多被層間小斷層、節(jié)理裂隙等錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面切割，使其類似于松散介質(zhì)，開挖擾動(dòng)后，頂部出現(xiàn)拱形分離體。拱形分離體以外的巖體仍保持平衡狀態(tài)，拱形分離體失穩(wěn)塌落后便形成一個(gè)塌落拱或稱自然平衡拱。平衡拱呈二次拋物線型，平衡拱下巖體的重量即為沿頂上圍巖壓力P或P′見圖1。

圖1 用平衡拱理論求圍壓圖式注 (a) 洞側(cè)壁穩(wěn)定； (b) 洞側(cè)壁不穩(wěn)定 b、b′——平衡拱底寬； h、h′——平衡拱高(坍落拱高)； φ——巖石內(nèi)摩擦角； P、P′——分別為洞側(cè)壁穩(wěn)定和不穩(wěn)定時(shí)的洞頂圍壓； E、E′——側(cè)壁單位面積上的圍壓

其計(jì)算公式為：

側(cè)向水平山巖壓力強(qiáng)度按松散體理論度，有下列公式：

式中：φ為巖石或土體的內(nèi)摩擦角；c為巖石或土體的黏聚力；σ為正應(yīng)力(即洞頂巖、土體自重應(yīng)力)；R為巖體極限抗壓強(qiáng)度，N/cm2。

則均布的側(cè)向水平山巖壓力為：e=(e1+e2)/2=(3.28+9.14)/2=6.21kN/m2。

從計(jì)算結(jié)果可知，坍落拱高h(yuǎn)和洞室壓力拱寬b成正比，與巖石內(nèi)摩擦角φ成反比；φ值愈大坍落拱愈小，所面對(duì)的山巖壓力愈小，愈穩(wěn)定。因此，巖體自身堅(jiān)硬程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育及抗剪強(qiáng)度等因素是決定隧洞成洞的關(guān)鍵，筆者認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)考慮。

普氏理論計(jì)算的坍落拱和圍巖壓力是在圍巖力學(xué)性能一成不變的情況下得來的，而實(shí)際上洞室開挖后，巖體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系和力學(xué)強(qiáng)度，而不僅決定于巖石本身的強(qiáng)度。及時(shí)封閉已開挖巖面，保護(hù)巖體故有的承載能力使c、φ值不降低或少降低至關(guān)重要。

3 圍巖變形與破壞分析

隧洞施工開挖后，圍巖由于地應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度將發(fā)生破壞，其破壞形式主要決定于巖石類型和巖體結(jié)構(gòu)。對(duì)于堅(jiān)硬的凝灰?guī)r質(zhì)彈性巖石，主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面形成塊體墜落或塌滑，如圖2(e)所示。對(duì)于半堅(jiān)硬的或軟弱巖石，主要是塑性變形或蠕變，其變形范圍不僅是洞頂、洞壁，甚至洞底可能鼓起，如圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)所示。

圖2 軟弱及松散巖體有隧洞圍巖破壞形式(a) 洞頂坍方 (b)洞頂及側(cè)壁坍滑 (c)洞壁側(cè)鼓 (d)洞底鼓起 (e)松散巖層的馬蹄形坍落

4 科學(xué)的施工方法是成洞的關(guān)鍵

為了防止隧洞進(jìn)口段圍巖的變形和破壞，黃泥灘引水隧洞進(jìn)口洞身段根據(jù)地質(zhì)條件復(fù)雜和設(shè)計(jì)參數(shù)采用全斷面開挖法； 斷面形成后第一時(shí)間采用噴錨支護(hù)“新奧地利隧洞施工法”簡稱“新奧法”(NATM)，即巖石支護(hù)巖石，其特點(diǎn)是既適合于堅(jiān)硬巖石，也適合于軟弱巖石，特別適合破碎、變質(zhì)易變形的施工困難段，因此在該洞挖中得到廣泛應(yīng)用。

按“新奧法”施工要求，洞挖爆破設(shè)計(jì)采用微振控制爆破技術(shù)，實(shí)施光面爆破，以減輕對(duì)圍巖擾動(dòng)，充分發(fā)揮圍巖的時(shí)效承載力。為保證安全起爆，采用塑料導(dǎo)爆管毫秒雷管起爆，并根據(jù)圍巖情況和爆破試驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)修正參數(shù)，以達(dá)到爆破最佳效果，減少超欠挖。

巖石爆破開挖主要采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)(俗稱風(fēng)鉆)型號(hào)YT—24氣腿式配合人力鑿進(jìn)，施鉆過程遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)”原則，每回次鑿進(jìn)尺控制在0.5～2.0m之間(根據(jù)每一回次圍巖類別、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和巖體完整性等方面跟蹤綜合判定)，進(jìn)洞口段Ⅳ類圍巖每回次進(jìn)尺大于等于1.0m。據(jù)據(jù)不同圍巖類別及結(jié)構(gòu)面，采用不同的布孔形式，周邊孔和導(dǎo)向孔大部分呈平行狀布置，掏槽孔多呈十字和梅花形布置； 爆破方式采用光面爆破，施工工藝嚴(yán)格按照測量布孔→鉆孔→裝藥爆破→通風(fēng)排煙→安全處理→出碴→支護(hù)(本工程Ⅳ類圍巖一次支護(hù)：噴混凝土系統(tǒng)錨桿鋼拱架全斷面掛網(wǎng))的程序進(jìn)行。

傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)總是在開挖后先作支撐，使開挖工作面推進(jìn)到相當(dāng)遠(yuǎn)后，才能逐步拆除支撐進(jìn)行襯砌。支撐只能在較少范圍內(nèi)與圍巖接觸，實(shí)際上，就等于允許圍巖有較長時(shí)間的松動(dòng)變形，使松動(dòng)帶發(fā)展得很寬。結(jié)果襯砌只能是“被動(dòng)”地承受圍巖松動(dòng)而形成的極大圍壓，所以其厚度必須足夠大。

和傳統(tǒng)洞挖工藝相比，噴錨支襯方法——“新奧法”具有開挖斷面小、節(jié)省支襯材料(經(jīng)濟(jì))、巖體穩(wěn)定性好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)(見圖3)。

圖3 噴錨支襯與常規(guī)支襯比較

5 隧洞施工中超前預(yù)報(bào)是安全保障

洞挖過程中(地下工程)超前預(yù)報(bào)主要是加強(qiáng)施工期間的地質(zhì)工作，是在開挖之前，除根據(jù)開挖時(shí)揭露出來的實(shí)際地質(zhì)情況，校正補(bǔ)充地勘時(shí)未能查到的資料外，還要根據(jù)這些成果資料，分析推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，是否存在前期勘察時(shí)沒有查到的不良地質(zhì)體，以便預(yù)先采取措施。隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容一般包括：?不良地質(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)掌子面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議； ?水文地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)洞內(nèi)涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響； ?斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水?dāng)鄬樱⑴袛嗥浞€(wěn)定程度，提出施工對(duì)策； ?同巖類別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等； ?預(yù)測隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化。

2007年元月隧洞段公開招標(biāo)后分3個(gè)標(biāo)段施工，分一個(gè)進(jìn)、出口洞臉，4個(gè)豎井，3個(gè)斜井共16個(gè)掌子面進(jìn)行開挖掘進(jìn)，施工洞挖過程中每一回次掌子面保證地質(zhì)人員第一時(shí)間到現(xiàn)場，進(jìn)行地質(zhì)編錄、預(yù)報(bào)及建議，保證了6.2km隧洞順利平安全貫通并投入運(yùn)行。

6 結(jié) 語

在斷層破碎帶、強(qiáng)弱風(fēng)化交替結(jié)構(gòu)面發(fā)育、變質(zhì)易變形等的Ⅳ、Ⅴ類圍巖中成洞無疑是施工中的一大難題，合理的設(shè)計(jì)和適宜的施工工藝是成洞保證。富蘊(yùn)縣黃泥灘引水隧洞順利貫通并投入運(yùn)行充分驗(yàn)證了先進(jìn)理念和施工工藝的優(yōu)越性。