复杂地质条件下大坝导流洞开挖围岩变形特征及超前支护技术应用

一、引言

大坝导流洞作为水利水电工程建设中的关键临时建筑物，承担着施工期导流的重要任务。在工程建设过程中，导流洞的开挖质量与施工安全直接影响大坝工程的整体进度与建设成败。然而，随着水利水电工程不断向地质条件复杂的区域拓展，大坝导流洞开挖面临着诸多挑战。复杂地质条件，如断层破碎带、软弱夹层、高应力区、岩溶发育区等，会使围岩稳定性降低，在开挖过程中易出现围岩变形、坍塌等事故，严重威胁施工人员安全与工程进度。因此，深入研究复杂地质条件下大坝导流洞开挖围岩变形特征，并合理应用超前支护技术，对保障工程安全、高效施工具有重要的现实意义。

二、复杂地质条件对大坝导流洞开挖的影响

（一）断层破碎带的影响

断层破碎带内岩石破碎、裂隙发育，岩体完整性差，强度低。当导流洞开挖穿越断层破碎带时，围岩应力重新分布，极易引发围岩失稳。由于破碎带内岩体的自稳能力弱，开挖后若不及时进行支护，围岩会迅速产生较大变形，甚至发生坍塌。以某导流洞工程为例，在穿越一条宽度达 8 米的断层破碎带时，因前期对地质情况预估不足，未及时采取有效支护措施，开挖后仅 2 小时，洞壁就出现了明显的鼓胀变形，随后局部区域发生坍塌，导致施工被迫中断，重新处理坍塌区域并加强支护耗费了大量时间和成本。此外，断层破碎带往往是地下水的良好通道，地下水的活动会进一步降低岩体的强度，增加施工难度与安全风险。在地下水丰富的断层破碎带区域，常出现涌水现象，不仅会软化岩体，还会对施工设备造成损害，影响施工进度。

（二）软弱夹层的影响

软弱夹层具有强度低、压缩性大、抗剪性能差等特点。在导流洞开挖过程中，软弱夹层的存在会改变围岩应力传递路径，导致应力集中现象。当开挖揭露软弱夹层时，夹层易发生塑性变形，引起围岩下沉、洞壁鼓胀等变形问题。在某大坝导流洞施工中，遇到一处厚度约 2 米的软弱夹层，该夹层主要由粉质黏土组成，力学性能极差。在开挖过程中，软弱夹层迅速发生塑性流动，导致洞顶下沉量在短短几天内就达到了 30 厘米，洞壁也出现了明显的鼓胀，严重影响了施工安全和进度。同时，软弱夹层还可能引发围岩的蠕变变形，随着时间推移，变形不断发展，严重影响导流洞的稳定性。若对软弱夹层处理不当，即使初期支护控制住了变形，在后期运营过程中，蠕变变形仍可能持续发生，导致支护结构开裂、失效。

（三）高应力区的影响

在高应力区进行导流洞开挖，围岩处于高应力状态，开挖卸荷会打破原有的应力平衡。围岩在高应力作用下，可能产生岩爆、大变形等现象。岩爆会导致岩石突然爆裂、抛掷，对施工设备和人员造成严重威胁；大变形则会使洞室收敛变形过大，影响导流洞的正常使用，甚至导致支护结构破坏。在我国西南某高应力地区的导流洞工程中，开挖过程中多次发生岩爆现象。岩爆发生时，岩石碎片以极高的速度弹射而出，最大弹射距离超过 20 米，不仅损坏了大量施工设备，还造成多名施工人员受伤。同时，该工程部分区域出现了大变形问题，洞室收敛变形量达到了 1 米以上，初期支护结构出现多处开裂，不得不进行多次补强加固。

（四）岩溶发育区的影响

岩溶发育区存在溶洞、溶沟、溶槽等岩溶形态，地质条件复杂多变。在导流洞开挖过程中，可能遭遇未知的溶洞，导致围岩坍塌、突泥涌水等事故。溶洞的存在还会改变围岩的受力状态，使支护结构受力不均，增加支护难度与工程风险。例如，某导流洞在开挖过程中，意外遇到一个直径达 15 米的大型溶洞，洞内充填着大量的软塑状黏土和积水。开挖揭露溶洞后，瞬间发生了大规模的坍塌和突泥涌水，大量的泥土和积水涌入洞内，淹没了施工设备，中断施工长达数月之久。处理该溶洞问题时，不仅需要对溶洞进行回填和加固，还需要重新设计和调整支护方案，增加了巨大的工程成本和工期压力。

三、复杂地质条件下大坝导流洞开挖围岩变形特征

（一）变形规律

1.初期快速变形

在导流洞开挖初期，由于围岩应力释放，会出现快速的变形阶段。此时，围岩主要表现为弹性变形和塑性变形，变形速率较大，尤其是在复杂地质条件下，如穿越断层破碎带或软弱夹层时，初期变形更为明显。初期快速变形若得不到有效控制，可能引发围岩的进一步失稳。

2.中期缓慢变形

随着时间推移，围岩变形速率逐渐减小，进入中期缓慢变形阶段。此阶段围岩变形主要受岩体蠕变、地下水渗流等因素影响。在高应力区，岩体的蠕变变形会持续较长时间，导致围岩变形不断发展；而地下水的作用会使岩体强度降低，进一步加剧围岩变形。在某高应力区导流洞工程中，通过长期监测发现，在开挖后的 1-3 个月内，虽然变形速率较初期明显降低，但洞周收敛仍以每天 0.5-1 毫米的速度持续发展，拱顶下沉每天约0.3-0.5 毫米。对该阶段变形数据进行深入分析，发现岩体蠕变变形量与时间的对数呈线性关系，而地下水渗流导致的变形量与地下水位变化、岩体渗透系数等因素密切相关。

3.后期稳定变形

经过一段时间后，在合理的支护措施作用下，围岩变形逐渐趋于稳定。此时，围岩变形速率较小，处于相对稳定状态。但如果支护措施不当或地质条件发生变化，围岩仍可能出现二次变形，威胁导流洞的安全。在某导流洞工程中，初期采用了锚杆-喷射混凝土支护，经过 2 个月的监测，围岩变形基本稳定。然而，由于后期地下水位突然上升，岩体强度降低，在开挖后的第 4 个月，围岩又出现了新的变形，洞周收敛和拱顶下沉量分别增加了 10 厘米和 8 厘米。通过对该案例的分析，总结出后期稳定变形阶段仍需要密切关注地质条件和支护结构的变化，及时采取措施应对可能出现的风险。

结论

复杂地质条件下大坝导流洞开挖围岩变形特征复杂，受地质、开挖、支护等多种因素影响。通过对围岩变形规律和影响因素的研究，能够更好地预测和控制围岩变形。超前支护技术，如超前小导管注浆支护、管棚支护、超前锚杆支护等，在复杂地质条件下大坝导流洞开挖中具有显著的应用效果，能够有效提高围岩的稳定性，控制围岩变形，保障施工安全。在实际工程中，应根据具体地质条件和工程要求，合理选择和应用超前支护技术，并结合现场监测数据，及时调整支护参数，确保大坝导流洞开挖工程的顺利进行。

参考文献

[1]罗建林，李正兵。紫坪铺工程导流洞复杂地质条件下围岩加固处理施工技术[J].水利水电技术，2002,33(11):42-44.

[2]小浪底水利枢纽导流洞开挖与支护[J].水利水电科技进展，2003,23(1):54-56.