水库放水隧洞的不良地质情况的处理

张 伟

（新疆维吾尔自治区草原畜牧工程勘察规划设计院 新疆乌鲁木齐 830049）

红山水库地处吐鲁番，新建放水隧洞位于库区东岸，全长1 156 m，其中有压洞200 m，无压洞956 m，均为城门洞型，洞轴线穿越红山水库与白杨河之间的台地。放水隧洞的工程地质问题有：断层、围岩不稳定、出口砂岩坍塌、围岩具膨胀性、崩解性、对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性、进水口处高陡边坡不稳。文中论述了工程地质问题的处理方案。

1 工程地质概况

隧洞所处区域地层上部为第四纪上更新世冲洪积堆积（Q3al+p）卵砾石，厚度2～15 m，稍密—中密态，中粗砂、泥质充填；下部为上第三系中新统桃树园组（N1t）红色泥岩、灰白色泥岩与青灰色砂岩互层，处于局部小背斜南翼，为卵砾石下卧层。

隧洞有压洞及无压洞0+000～0+900地段分布岩层为红色泥岩，其节理裂隙发育,为碎裂结构，地层近于水平，倾角8.5°～10°，由南东向北西厚度由大变小，直至尖灭，其强风化层底限埋深50 m，中等风化层底限埋深55 m，其下为弱风化层、新鲜岩层，在垂直方向上随深度的增加岩体完整性由差变为较好；具崩解性、膨胀性、弱腐蚀性，饱和单轴抗压强度低、岩体完整性差的特点。该区段在无压洞0+155桩号处为一宽为1 m的断层，开挖后在断层处形成2.0 m的塌落拱。

在放水隧洞的出口0+900～0.956区段岩层为厚度约15m的灰白色泥岩与青灰色砂岩互层，地层产状SW213O∠8.5O～10°，处在局部小背斜的核部及南翼，与下伏地层为整合接触关系。其中0+907～0+917段为一断层破碎带，断层宽10 m，破碎带由砂、砾石和泥岩角砾组成，无层理，砾石局部呈直立定向排列，断层总体走向290°，根据现场调查，未见活动迹象；0+900～0+907和0+917～0+928段岩层为第三系青灰色砂岩、砂砾岩组成，受断层影响，岩层破碎无层理，局部呈流沙状态；0+928～0.956区段岩层为第三系灰白色泥岩、青灰色砂岩、砂砾岩互层，该区段上覆岩体厚3～8 m，洞室岩体由强风化岩石组成，泥岩风化裂隙发育，砂岩、砂砾岩局部呈流沙状态。

放水隧洞进水口处于上第三系中新统桃树园组（N1t）砖红色泥岩之中，在水库设计蓄水位线和水位275.0 m之间为高陡边坡，边坡多处于不稳定状态，可出现大面积的坍塌，导致边坡的再造，重塑边坡的稳定性，由于其节理裂隙发育，岩体属碎裂结构，成洞条件差。

工程区分布的红色泥岩、灰白色泥岩与青灰色砂岩，均属软质岩，最大围岩压力4.1 MPa，围岩类别除出口0+900～0.956区段为Ⅴ类外，余均为Ⅳ类，围岩稳定为Ⅲ类，稳定性差。

该放水隧洞的工程地质问题有：断层、围岩不稳定、出口砂岩坍塌、围岩具膨胀性、崩解性、对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性、进水口处高陡边坡不稳。

2 放水洞进、出口位置选择及设计

根据放水洞进口工程地质条件，进水口选择在水位275 m以下成洞条件相对较好、边坡相对稳定和平缓的位置，经技术经济比较，在平面布置上，选择明渠、涵洞和有压洞顺序相接的布置方式，经开挖处理，在围岩相对稳定和完整的位置形成洞口，洞口上覆岩体厚度为4.0 m，洞口开挖后，边坡及洞室均稳定，未发生坍塌。

放水洞出口围岩厚度3 m，岩层为第三系灰白色泥岩、青灰色砂岩、砂砾岩互层，砂砾岩局部呈流沙状态，不具备成洞条件，设计时根据地形地质条件，沿轴线向上游开挖6.0 m，开挖后形成的洞室上覆围岩厚度为8.0 m，洞口经锚喷处理，放水洞出口洞室和开挖后形成的边坡处于稳定状态

3 对于硫酸根离子等腐蚀的设计处理方案

放水洞初设阶段地质勘察报告对围岩腐蚀性的试验结论为围岩中硫酸盐、镁盐、总矿化度等介质对混凝土不具腐蚀性，围岩对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，围岩对钢结构具强腐蚀性，初步设计中对腐蚀性的处理设计方案为在衬砌混凝土中搀加20%的矿渣微粉。隧洞洞室开挖后，通过对在有压洞拱顶渗出的水进行水质检验全分析，实验结果为含量为7 367.8 mg/L，Cl-含量 4 023.6 mg/L，表明围岩对混凝土、钢筋混凝土结构中钢筋和钢结构均具强腐蚀性，为满足隧洞衬砌体抗围岩腐蚀性的要求，通过混凝土配合比实验，确定在混凝土中掺加矿渣微粉，其中拱顶泵送混凝土中掺加的矿渣微粉占胶凝材料的40%，边墙和底板混凝土的矿渣微粉占胶凝材料的60%。

4 隧洞开挖初期支护方案

由于洞身小，工期紧，经技术经济比较，采用全线开挖完成后再衬砌的施工方案，这就要求必须采取相应的初期支护措施，针对隧洞沿线不同的地质条件，本工程在开挖过程中，采用不同的初期支护方法和技术，不仅保证了施工安全和工期而且大幅度节约工程支护投资，取得了很好的经济效益。

隧洞除有压洞段、出口段和部分断层、大的裂隙发育区段外，大部分区段主要为小规模节理和裂隙，围岩整体性较高，基本处于稳定状态，但洞室开挖后由于暴露时间长，风化快，而且围岩小规模节理和裂隙发育、岩层层向近似水平且层厚无规则，使得洞室开挖后剥落掉块频繁，其主要发生在水平层向的拱顶和拱腰，塌落掉块面积在0.25～0.5 m2之间，其次发生在边墙风化、龟裂后的块状掉落，掉块面积在0.018～0.25 m2间，针对这种状况，本着施工安全快捷、投资小的原则，反复进行了各种支护工艺的实验，最后确定采用洞身设计混凝土衬砌外层纵、横向钢筋作为基本支护体，再在拱脚以上部位用锚杆锚固挂设Φ8，间距200 mm×200 mm，宽1.0 m的钢筋网片。锚固钢筋网片的锚杆为Φ25，长1.5～2.5 m，设在两拱腰和两起拱点处，间距1.0 m；设计混凝土衬砌外层纵、横向钢筋基本支护体的制安为在边墙底部、起拱点和拱顶设一排五根长0.4 m的Φ16锚杆，锚杆每排间距2.0 m，衬砌外层钢筋焊接的锚杆上，外层钢筋纵、横向间距均为200 mm，规格为纵向钢筋为Φ12、横向钢筋为Φ16，Φ16外层横向钢筋每隔2.0 m一根的底部弯成直角。弯起长度为150 mm，直接与底板基岩接触，承受整体钢筋支护体的自重和围岩掉块的重量。这样的支护措施实施后，支护体承受了全线岩块的掉落和多处小塌方承压不变形，证明这种支护措施在有小规模节理和裂隙发育、围岩整体性较高、基本处于稳定状态的隧洞施工初期支护中是有效和经济的，值得借鉴和推广。

隧洞有压洞段和部分断层、大的裂隙发育区段的支护采用钢拱架和锚喷相结合的方式进行隧洞的初期支护，由于有压洞段和部分断层、大的裂隙发育区段裂隙发育，开挖后均发生不同程度的掉块塌落现象，该段采用钢拱架和和锚喷相结合的方式，其中钢拱架为16号工字钢，间距2.0 m，锚杆为φ25，长2.0～3.0 m，锚杆间距0.8 m，喷射混凝土层厚度100～150 mm。

放水洞出口洞室支护，由于岩层为第三系灰白色泥岩、青灰色砂岩、砂砾岩互层，砂砾岩局部呈流沙状态，经反复试钻，锚杆无法有效发挥支护作用，故此区段断层和流砂层采用钢拱、钢板和混凝土素喷相结合的支护方式，其中拱脚以上部位为2 mm厚的钢板，直墙采用混凝土素喷，钢拱架为16号工字钢，间距2.0 m。此区段其他部位其支护方式同隧洞有压洞。

通过对隧洞各区段不同地质情况采取各种不同支护方式，有效地达到了初期支护的作用，隧洞开挖如期完工，而且达到了安全生产。

5 对断层的处理方案

红山水库放水洞全线有两处断层，其中无压洞0+155处断层宽1.0 m，断层影响带宽5.0 m，经过对断层表现的地质现象的分析，确定对断层及影响带段与其他段设结构缝，断层处衬砌厚度经计算分析加厚为500 mm，纵横向钢筋均加密，回填及固结灌浆孔加密，固结灌浆孔排距2.0 m，每排6孔，梅花型布置；回填灌浆孔排距2.0 m，间隔每排3孔、2孔，梅花型布置。且要求施工中在断层处必须设回填及固结灌浆孔。

0+907～0+917段断层宽10 m，为一断层破碎带，破碎带由砂、砾石和泥岩角砾组成，无层理，砾石局部呈直立定向排列，断层总体走向290°，由于初期支护形成的断面和原设计开挖断面一致，而且不可能将初期支护拆除再进行开挖，故本处断层的处理方案为结构缝间距为5.0 m，经计算纵向钢筋为Φ16＠150、横向钢筋为Φ20＠150。固结灌浆孔排距2.0 m，每排6孔，梅花型布置；回填灌浆孔排距2.0 m，间隔每排3孔、2孔，梅花型布置。