遇水崩解的极软岩地层中隧洞初支结构设计

王勇; 王鑫; 李昀; 金国龙; 田振 【期刊名称】《《建筑施工》》 【年(卷),期】2019(041)008 【总页数】3页(P1569-1571)

【关键词】隧洞施工; 遇水崩解极软岩; 初期支护; 监测数据 【作 者】王勇; 王鑫; 李昀; 金国龙; 田振

【作者单位】中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200063; 上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心 上海 200063 【正文语种】中 文 【中图分类】U452.2+7

1 工程概况

国外某核电项目根据总体规划拟建设2台1 100 MW级核电机组，核电厂采用直流冷却系统，以海水作为循环冷却水源。核电厂取水隧洞从取水闸门井延伸至厂区南侧的泵房前池；排水隧洞从厂区北侧虹吸井延伸至排水闸门井。取、排水隧洞各2条，总长5.58 km，除隧洞两端少部分采用明挖法施工外，其余隧洞均采用暗挖法施工。

取排、水隧洞主要穿越地层为③2层中风化泥岩、③3层微风化泥岩，围岩分级均为Ⅴ级；排水隧洞有少部分穿越④2层中等风化泥质砂岩，围岩分级为Ⅳ级。

取、排水隧洞二衬衬砌厚度分别为900mm和700mm，初支厚度为250～270 mm。初支及二衬之间预留变形量为100 mm，隧洞开挖跨度在8.46～8.90 m之间。

1.1 工程围岩特性

1）岩体软化性。勘查资料表明，场地内泥岩沉积年龄短，固结效果不明显，成岩作用不完整，基本属于半成岩。③3及④2层岩石的饱和单轴抗压强度分别为1.30、1.86 MPa，均小于5 MPa，属极软岩；岩石吸水后易软化，其软化系数分别为0.11和0.17，远小于软化系数界限标准0.75，属软化岩石。特别是③2中等风化泥岩，室内试验时，在饱和后即软泥化，导致饱和试验不能进行，饱和抗压强度、软化系数等相关试验数据较少。

2）岩体吸水性及膨胀性。场地泥岩及泥质砂岩吸水率为9.6%～11.7%，以岩石而言，吸水率较高。泥岩中蒙脱石含量大于10%，单轴抗压强度小于5 MPa，软化系数小于0.5，膨胀压力超过0.15 MPa，属于一般膨胀岩。

3）岩体崩解性。泥岩及泥质砂岩的耐崩解性指数的平均值为.67%～57.81%，耐崩解性指数在30%～60%之间，岩石属于低抗崩解性。 1.2 水文地质情况

现场的基岩主要是泥岩和泥质砂岩。泥岩通常完整性好，渗透性差，为相对隔水层；而泥质砂岩具有较好的渗透性，场地基岩裂隙孔隙水主要出现在泥质砂岩中。 取、排水隧洞施工地段均在陆域，可不考虑地下水影响。泥质砂岩中赋存的基岩裂隙孔隙水对隧洞开挖有影响，渗水严重时可能导致隧洞掉块、局部坍塌等危险。 2 隧洞初支结构方案及优化 2.1 原结构设计方案

取、排水隧洞主要穿越Ⅴ级围岩区域。根据国内工程经验设计隧洞初期支护结构，二次衬砌根据结构受力及抗震要求验算及配筋。具体隧洞支护及衬砌结构如图1

所示。

图1 复合式衬砌结构

隧洞采用复合衬砌结构，包括初期支护及二衬模筑混凝土衬砌。

初期支护由系统锚杆、喷射混凝土、工字钢拱架、双层钢筋网及锁脚锚杆共同组成。系统锚杆采用D25 mm自进式中空注浆锚杆，长度4 m，环向间距1 m，纵向间距与拱架间距相同，为600～800 mm。

喷射混凝土采用C25，喷层厚度250～270 mm。拱架采用18#或20#工字钢，间距600～800 mm。钢筋网敷设于钢拱架内外两侧，钢筋直径8 mm，间距200 mm×200 mm。初期支护与二次衬砌之间敷设厚度为1.2 mm的EVA复合防水卷材，并预留变形量100 mm。二次模筑混凝土衬砌采用C45，衬砌厚度700～900 mm。

取、排水隧洞主要穿越Ⅴ级围岩区域，为确保施工安全及能够有效掘进，设计考虑采用注浆小导管作为超前支护措施。超前注浆小导管采用φ42 mm×3.5 mm热轧无缝钢管，长度4 m，环向间距0.4 m，以14°仰角打入掌子面前方拱部围岩。超前注浆小导管搭接长度≥1 m。

原设计系统锚杆、锁脚锚杆及超前小导管注浆均采用普通水泥浆液。根据国内工程经验[1-6]，Ⅴ级围岩隧洞自稳能力较差，采用环形开挖留核心土法施工，岩体光面爆破挖除。采用台阶分部开挖时，虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间较长，有可能使围岩变形增大，应结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。

2.2 优化后实施方案

对本工程而言，依据规范方法确定的岩石质量等级，③3微风化泥岩为Ⅴ级，④2中等风化泥质砂岩为Ⅳ级，均较差。但在岩石基本质量的定性分类中，③3微风化

泥岩、④2中等风化泥质砂岩的坚硬程度均为极软岩，完整程度为较完整-完整。 结合现场踏勘情况，核岛周边现有边坡高约22 m，分三级放坡，坡率1∶0.8，放坡平台宽度仅1 m。现场岩质边坡较好，坡率陡，平台窄，但稳定性较好，说明泥岩、砂岩在干燥状态下强度较高，直立性较好。结合本工程岩体完整性、直立性较好、坚硬程度较低等有利条件，在实施过程中，对隧洞开挖方法及初期支护设计进行了适当优化。 2.2.1 全断面开挖

通常，爆破施工会对洞周岩体造成较大扰动，而本工程岩体抗压强度较小，可考虑采用铣挖机进行开挖。为尽量减少围岩扰动次数，缩短洞周岩体暴露时间，考虑采用铣挖机进行全断面开挖，隧洞可一次成形。 2.2.2 超前小导管及系统锚杆的无水化施工

采用铣挖机进行全断面开挖后，隧洞一次成形，洞周岩体扰动小，基本无破碎岩体或掉块现象，隧洞“拱效应”较明显。本工程岩体具有遇水软化的特性，不宜采用水泥浆液注浆，同时为避免超前小导管、注浆锚杆的打设对围岩造成二次扰动，取消了超前注浆小导管及拱顶部分的系统锚杆，仅打设拱腰部分的系统锚杆。 为避免岩体遇水后强度丧失及产生崩解现象，考虑采用锚固剂代替水泥浆液进行注浆。锚固剂无水，具有凝固快、与岩体结合紧密等优良特性。现场实践表明，采用锚固剂对系统锚杆进行注浆后，岩体未发生强度丧失及崩解等现象，该方案切实可行。

实际施工过程中，考虑加快工程进度，仰拱部分的土体尚未开挖，工字钢拱架未封闭成环，故拱腰、拱脚部分的锁脚锚杆是非常必要的，仍按原设计施工。锁脚锚杆采用2φ42 mm×4 mm，长度3.5 m。 2.2.3 拱架间距的优化

在实施过程中，通过进一步的数值计算、现场监测数据分析及实施验证等方面，本

项目对钢拱架间距也进行了优化。通过现场试验段，本工程拱架间距调整为1 m时，初支结构变形仍可以控制在安全范围内，具有可实施性。

监测结果（图2、图3）表明，隧洞开挖及初支完成后，隧洞洞周收敛、拱顶沉降均在14 d后基本稳定。 图2 洞周收敛位移曲线 图3 拱顶沉降变形曲线

1#、2#隧洞测点的洞周收敛稳定值分别达到14.8 mm和13.4 mm。8月7日，以上两测点的洞周收敛速率已降至0.04 mm/d。1#、2#隧洞测点的拱顶沉降稳定值分别达到12 mm和14 mm。8月7日，以上两测点的拱顶沉降速率已降至0.13 mm/d。需要说明的是，拱顶沉降量测数据仅精确到0.1 cm，沉降曲线看起来波动较大。因此，按照监测14～28 d的量测数据计算沉降速率。根据实际施工情况，隧洞开挖及初期调整后，开挖掌子面能够保持稳定，拱顶无掉块、坍塌等现象，初支强度满足施工要求。 3 工程实施效果 3.1 监测数据结果

本工程取水隧洞得到的部分变形监测数据，如表1所示。由表1可知，本工程取水隧洞开挖、初支完成后，最终的洞周收敛在12.86～14.72 mm之间，拱顶沉降在12～14 mm之间。初支结构变形能够满足施工安全要求。 3.2 现场施工情况

目前，本工程取水隧洞已基本施工完成。采用铣挖机进行全断面开挖，岩体强度较低，开挖比较顺利，开挖完成后的洞周岩体表面较平整。

隧洞开挖进尺为1 m，开挖后的拱顶围岩及掌子面基本稳定，岩体完整性好、裂隙小，无掉块等不利现象。

采用锚固剂替代水泥浆液进行锚杆注浆能够有效避免岩体遇水膨胀、崩解，确保施

工安全。钢拱架及喷射混凝土能够及时施工，隧洞开挖及支护过程比较顺利。 表1 取水隧洞变形监测数据序号 测点里程 洞周收敛/mm 拱顶沉降/mm 1 QS1#0+266.1 14.25 12.00 2 QS1#0+216.1 14.72 13.00 3 QS1#0+166.2 13.53 14.00 4 QS1#0+116.1 13.03 13.00 5 QS1#0+066.2 13.23 14.00 6 QS2#0+326.3 13.58 13.00 7 QS2#0+276.2 14.28 14.00 8 QS2#0+226.5 13.74 14.00 9 QS2#0+176.4 12. 13.00 10 QS2#0+126.3 12.86 14.00 工程实施及优化过程中，采用了全断面开挖、系统锚杆无水化施工等措施，极大地减小了隧洞开挖对岩体的扰动，初支结构变形能够较快达到稳定状态并呈现收敛趋势。钢拱架间距优化为1 m，不仅提高了隧洞施工进度，还大量减少了钢拱架工程量，具有一定的经济效益。 4 结语

1）国外某核电项目取排水隧洞主要穿越地层为微风化泥岩及中等风化泥质砂岩，岩体分级为Ⅴ级，但干燥状态下的岩体完整性、直立性较好。在洞周围岩无裂隙水的情况，可采用铣挖机进行全断面法开挖。

2）微风化泥岩及中等风化泥质砂岩的岩石单轴饱和抗压强度低，软化系数小，岩体遇水即化、极易崩解。为避免岩体遇水后强度丧失及发生崩解，系统锚杆及超前小导管均可采用锚固剂代替水泥浆液进行注浆，切实可行。

3）在工字钢拱架间距1 m的情况下，隧洞初支结构变形仍能较快地呈现收敛及稳定趋势，能够保证施工安全并加快施工进度。 参考文献

【相关文献】

[1]任金明,李新宇,胡永福,等.大型水工隧洞初期及超前支护技术应用实例[J].水电与新能源,2011(5):4-7.

[2]顾耀民,陈艳会,杨凡.软弱围岩隧洞初期支护设计[J].中国水能及电气化,2017(7):35-39. [3]康亚亭.Ⅲ～Ⅴ类围岩隧洞初期支护方式[J].河北水利,2013(3):38.

[4]曹东杰.软岩隧洞支护体系及施工安全技术研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[5]李荣伟.浅埋泥岩水工隧洞变形特征及主要工程地质问题[J].工程勘察,2014,42(11):24-28. [6]韦爱思.水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计[J].中国水能及电气化,2017(01):60-63.