新疆呼图壁石门水电站场内交通洞围岩特征与设计及施工措施

摘要：新疆呼图壁石门水电站场内交通洞围岩主要为泥岩、砂岩、砾岩，其中软岩所占比重较大。本文主要介绍了场内交通洞围岩的特性及设计施工特点，可为软岩地区交通洞的设计及施工提供参考和借鉴。

关键词：软岩；隧洞设计及施工；交通洞；石门水电站

中图分类号： TV554 文献标识码： A 文章编号：

1工程概况

呼图壁石门水电站位于新疆维吾尔自治区呼图壁县的西南面，坝址区位于呼图壁河中游河段。本工程是呼图壁河中游河段河流规划中的第三级水电站。水库上游集水面积18811km2，多年平均流量14.4m3/s，水库正常高蓄水位1240.0m，装机容量95MW，库容7751万m3。坝址距县城公路里程约81km，距乌鲁木齐公路里程约151km，坝址上游约2.0 km处有国防公路通过，交通较为便利。

根据施工总布置，在坝址区左岸布置了2条交通洞，分别为坝顶交通洞，长847.46m；石门2#交通洞，长390m。

2场地建设条件

工程枢纽区域位于西干沟出口至右岸河湾地块下游大平台南端近2km河段。河谷地形受岩性控制，已建老坝上游河谷开阔，两岸山体上部为陡峭崖壁，左岸河谷地形为不对称“V”字型，左岸缓右岸陡，坝区右岸斜坡平均坡角35°～50°，坝区左岸1210m以下平均坡角30°～60°，以上为宽缓台地。

坝顶交通洞及石门2#交通洞位置的选定，主要综合考虑工程区域地形、地质情况，并与路线方案结合。按照“早进洞、晚出洞”的原则，尽量减少洞口边仰坡的开挖，保证山体的稳定，保持原地形的植被坡面，力求洞门结构简洁，并与洞口周围环境协调一致。

坝顶交通洞起点桩号K3+530.16m，终点桩号K4+377.618m，全长847.46m；石门2#交通洞起点桩号K9+150m，终点桩号K9+540m，全长390m。如图1所示。

图1 石门坝顶交通洞平面布置图

工程场区内出露侏罗系中统齐古组（J2q） 、上统喀拉扎组（J3k）及白垩系吐谷鲁组第一层（K1tga）等内陆湖相碎屑沉积岩地层。第四系集中分布于老坝前两岸中、下部及坝后河床，以冲积砂卵砾石及坡、崩积块碎石为主。

石门水电站场内交通洞平均埋深为30～130m。穿越地层为J2q薄层、中厚层砂岩夹泥岩及粉砂质泥岩，J3k厚层岩屑砂岩、巨厚层状砾岩，K1tga、K1tgb薄层、极薄层、中厚层粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等。如图2所示。

图2 石门坝顶交通洞地质剖面图

3交通洞围岩的基本特征

3.1软岩的基本概念

按照《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）的规定，软岩和极软岩，岩石单轴饱和抗压强度极低，较软岩为30MPa≥Rb﹥15Mpa，软岩为15MPa≥Rb﹥5Mpa，而极软岩则小于5Mpa，从岩体结构而言则多为松散、破碎。此种强度的岩体多出现于第三系和第四系地层，由于强度极低所以洞室开挖后受应力重新分布和施工过程中的扰动，岩体自稳能力差，易于塌方，所以岩体力学指标是评价隧道围岩稳定的重要参数，经过统计石门场内交通洞软岩段洞室约占30%。

3.2 交通洞围岩力学性质

石门水电站场内交通洞围岩力学性质见表1。由表1可知：J3k砂岩、砾岩饱和单轴抗压强度在30～60MPa之间，软化系数大于0.75，属抗水性较好的中硬岩。而J2q泥岩、泥质砂岩类饱和单轴抗压强度小于30MPa，软化系数小于0.75，属抗水性较差的软岩类，因此抗风化能力差、遇水易软化、失水易崩解。

表1岩石力学性质室内试验成果汇总表

3.3交通洞软岩变形规律

根据监测结果，交通洞软岩段洞室开挖后围岩变形有以下特点。

（1）变形量值特别巨大，相当一部分观测断面的实测变形已经大大超过《锚杆喷射混凝土技术规范》(GB 50087-2001)规定的允许值，不完全符合岩石隧洞的变形特征。

（2）洞室开挖后，围岩的流变变形明显，砂岩约占全部变形的25%，泥岩约占55%。

（3）开挖断面的大小对变形影响较大，当仅开挖上导洞时，变形较小；但当开挖下导洞时，随开挖断面扩大，变形迅速增大，尤其是两侧边墙变形极快，对围岩稳定不利。

（4）开挖进尺对围岩变形影响很大，特别是下导洞开挖时，每开挖1m都会产生较大的变形，因此必须采取有效的控制措施。

4设计及施工主要措施

4.1 交通洞断面设计

根据交通部《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)、《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)及需满足电站重大件运输等要求，石门水电站场内交通洞建筑限界确定为7.0m×5.25m，衬砌后断面为圆形，见图3。

图3交通洞净空断面设计

4.2交通洞初期支护、二次衬砌设计

石门水电站坝顶交通洞及石门2#交通洞按新奥法原理设计，采用复合式衬砌。初期支护由湿喷混凝土、锚杆和钢拱架等组成。二次衬砌根据围岩类别不同分别采用钢筋混凝土或混凝土衬砌。

考虑到隧道跨度大、地质条件较复杂的特点，设计中充分运用新奥法来指导隧道的设计和施工。复合式衬砌的支护参数根据围岩类别、工程地质和水文地质条件、地形及埋置深度、结构跨度和拟采用的施工方法等因素，按工程类比方法拟定;并运用有限元程序进行稳定分析。在施工过程中进行监控量测，并对量测信息进行处理、反馈，进一步调整支护参数。

石门坝顶交通洞共设计了3种衬砌型式，其中C5适用于Ⅴ级围岩一般深埋段， C4适用于Ⅳ级围岩一般深埋段，C3适用于Ⅲ级围岩一般深埋段。

同时在Ⅴ级围岩地段设置了增强早期支护的钢支撑。C5型衬砌钢支撑采用18工字钢架，全环设置，钢支撑间距为0.75m。设计中已考虑了围岩预留变形量，其数值为5cm。围岩级别变化处，围岩较差段衬砌向围岩较好段延伸5～10m。石门坝顶交通洞各类复合式衬砌主要支护参数和衬砌结构见表2。

表2 交通洞复合式衬砌结构参数

4.3现场设计原则

由于软岩段洞室开挖后变形量大，空间效应与时间效应较为明显，且地层形成复杂，岩性分布无一定规律，地层中含水量大小也无定数，设计工作必须采用动态设计的原则，根据变形规律确定开挖方式、开挖程序、开挖进尺、一次支护参数、永久衬砌参数与时机。为此采用了如下现场设计原则：

（1）根据施工图阶段提供的地质条件，沿线的地层、岩性和结构设计特点及运行要求，进行专门的安全监测设计，定期、适时开展监测工作，监测项目、监测布置也根据地质变化及时调整。

（2）现场设计代表根据监测结果及时调整洞室的开挖进尺，调整一次支护的参数。

（3）现场地质人员及时进行地质测绘，做出地质预报，遇有重大变化及时通知相关单位采取相应措施。

4.4 主要施工措施

石门水电站场内交通洞采用钻孔爆破法施工，由于软岩段洞室开挖后围岩变形量值巨大，为保障安全施工，防止围岩失稳和杜绝塌方事故，遵循“短进尺，强支护，快衬砌”的原则施工。

4.4.1开挖

（1）短进尺，坝顶交通洞开挖每循环进尺不得大于1.5m,变形特大地段不得大于0.5m,循环进尺应根据监测结果及时调整。

（2）采用分部开挖方式开挖，第Ⅰ次序开挖上导洞，并预留核心土，上导洞领先下导洞3～5m,第Ⅱ次序开挖下导洞，第Ⅲ次序开挖底板。下导洞的每循环开挖进尺和上导洞相同。