楊紹平，牟江天，李 葉

(1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

引水隧洞軟質圍巖變形特征分析及處理措施

楊紹平1，牟江天1，李 葉2

(1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

隧洞是水利工程中常見的一種引水建筑物，在施工過程中遇到軟質圍巖，其洞段可能出現(xiàn)洞室變形、甚至坍塌。本文以某電站引水隧洞為背景資料，根據(jù)軟質圍巖洞段測試、監(jiān)測資料，結合開挖出現(xiàn)的情況，分析軟質圍巖的變形特征和變形機理，提出施工處理措施。

引水隧洞 軟質圍巖 變形特征 處理措施

1 概述

隧洞是水利工程中常見的一種水工建筑物，在施工中時常會遇見軟質圍巖或軟質圍巖段，軟巖大變形是長期困擾軟巖隧洞施工的一個難題，高地應力條件下的軟巖大變形危害尤其突出。由于軟質圍巖強度低(據(jù)水利水電工程地質勘察規(guī)范GB50487-2008其飽和單軸抗壓強度不大于30MPa屬于軟巖)、變形量大，在高地應力及富水條件下，施工開挖過程中常造成隧洞洞段嚴重變形，變形量一般可達數(shù)十厘米至一百余厘米，如果不及時查明變形特征及形成原因，采取相應處理措施，其變形趨勢是將隧洞堵死，嚴重影響工程進度和施工安全。本文結合某水電站工程引水隧洞在施工過程中遇到軟質圍巖出現(xiàn)的大變形特征，研究其形成機理及形成原因，提出施工處理措施。

2 隧洞地質背景

該工程引水隧洞長17.86km，樁號S0+042m～S4+500m段為馬蹄型洞型，S4+500m～S17+862m為圓型洞型；洞徑按照圍巖類別對應Ⅲ類7.563×5.16m2、Ⅳ1類7.563×5.16m2、Ⅳ2類7.763×5.262m2、Ⅴ類7.963×5.372m2。

工區(qū)地處三大地槽褶皺帶的接合部位，構造上主要表現(xiàn)為南北向斷裂和褶皺，次為北西、北東向斷裂。引水隧洞位于區(qū)域性斷裂鄉(xiāng)城斷裂與索讓斷裂所夾的地塊(斷裂相距2.3km～4km)，層間擠壓破碎帶和次級小斷層發(fā)育，據(jù)現(xiàn)場測繪，20m至30m就有一條破碎帶(厚10cm～20cm)或小斷層。

隧洞分布于三迭系上統(tǒng)圖姆溝組地層(T3t)中，圍巖巖性主要為砂質、泥質板巖，其次為千枚巖、含炭泥質板巖、變質砂巖。其中，砂質板巖、含炭泥質板巖呈極薄～薄層狀，其余為塊狀。巖層產(chǎn)狀N5°～10°E/NW(或SE)∠70°～85°至N5°～10°W/SW(或NE)∠65°～85°，隧洞軸線走向延伸與巖層走向基本一致(或小角度相交)，巖層傾角陡，近于直立。據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗測試，含炭泥質板巖抗壓強度為11.6MPa～21.2MPa，千枚巖抗壓強度為6.9MPa～25.3MPa。按照GB50487-2008規(guī)范，千枚巖、含炭泥質板巖屬于軟巖～極軟巖。工區(qū)地下水為基巖裂隙水，賦存于變質砂巖、砂質板巖中。引水隧洞段地下水分布不均，部分開挖洞段干燥，部分洞段出現(xiàn)涌水，流量達0.10m3/s～0.30m3/s。

開挖過程中，在隧洞2#、4#、6#施工支洞對應主洞遇軟巖；2#、4#施工支洞對應主洞(樁號S3+614.3m～S3+752.4m，S8+268.0m～S8+409.0m)圍巖巖性為千枚巖、含炭泥質板巖，呈千枚狀結構或薄層～極薄層狀結構；6#施工支洞及對應主洞(樁號S13+471.0m～S13+603.0m)圍巖巖性為砂質板巖、含炭泥質板巖，薄層～極薄層狀結構。2#施工支洞對應主洞垂直埋深58m～65m，水平埋深大于150m；4#、6#垂直埋深180m～300m，水平埋深大于150m。施工方法采取全斷面開挖工藝，支護時間、支護方法不合理，致使隧洞圍巖巖體外露時間過長，加之基巖裂隙水涌入，隧洞邊墻、頂拱出現(xiàn)嚴重變形，邊墻變形量10cm～50cm，局部達60cm～70cm，最大達200cm(樁號S3+614.3m～S3+752.4m)，出現(xiàn)混凝土鼓包、裂縫、支撐型鋼嚴重變形等現(xiàn)象。在7#施工支洞對應主洞(樁號S15+902.25m～S15+977.75m)段甚至出現(xiàn)垮塌，連續(xù)垮塌段長75.5m，高15m以上，嚴重影響施工安全與施工進度、質量。為此，研究軟質圍巖隧洞變形特征及形成原因，提出控制軟質圍巖變形的工程處理措施，是本工程的關鍵環(huán)節(jié)。

3 軟質圍巖變形力學機理分析

3.1 軟質圍巖的組成成分分析

為了解其礦物組成，在2#、4#支洞分別取含碳泥質板巖、千枚巖進行能譜分析和電子顯微鏡掃描。其結果表明，軟巖礦物成分主要為絹云母、伊利石、蒙脫石，含石膏，其粒徑2μm～5μm，片狀礦物含量多，具有定向性。

3.2 軟質圍巖膨脹性分析

在2#、4#支洞對應的主洞分別取含碳泥質板巖、千枚巖巖樣一組，在6#支洞對應的主洞取含碳泥質板巖巖樣二組作自由膨脹率試驗(試驗結果見表1)。自由膨脹率采取以下公式計算：

Fs=100(V1-V0)/V0

式中： Fs——自由膨脹率(%)；

V1——膨脹穩(wěn)定體積(ml)；

V0——試樣原體積(ml)。

據(jù)試驗結果分析，含碳泥質板巖和千枚巖均具弱膨脹性；千枚巖自由膨脹率較低，為10%～12%；含碳泥質板巖自由膨脹率較高，達到34%。

表1 軟質圍巖自由膨脹率試驗成果

3.3 軟質圍巖的力學性質

含碳泥質板巖，呈極薄～薄層狀，極薄層含碳泥質板巖取樣、制樣困難，采取現(xiàn)場點荷載試驗，測得其抗壓強度3.4MPa～5.7MPa，屬極軟巖；對薄層微風化含碳泥質板巖取樣作室內(nèi)試驗，測得其抗壓強度11.6MPa～21.2MPa，屬軟巖；微風化～新鮮的千枚巖室內(nèi)試驗，測得其抗壓強度6.9MPa～25.3MPa，屬軟巖。不同點位、不同巖樣測得的抗壓強度值離散性較大，說明其巖性存在不均一性，與施工現(xiàn)場開挖揭示的情況一致。隧洞軟質圍巖建議參數(shù)見表2。

表2 隧洞軟質圍巖建議參數(shù)

3.4 軟質圍巖變形的力學機理分析

軟質圍巖變形機理復雜?？傮w上講，軟質巖體變形包括：與空間變化有關(如開挖卸荷)的彈塑性變形(含松弛變形)，與時間變化有關的膨脹變形(或流變)兩部分。

據(jù)2#、4#、6#支洞對應的主洞圍巖自由膨脹率試驗成果，含碳泥質板巖和千枚巖都屬于弱膨脹巖，隧洞開挖卸荷后膨脹變形量不會很大。洞身變形主要來自圍巖彈塑性變形和支護不當引起的松弛變形，這與巖體的強度低和彈性模量小密切相關。隧洞開挖后，含碳泥質板巖和千枚巖體內(nèi)應力瞬時變化，圍壓降低，巖體強度更低，巖體彈性模量在洞室周圍巖體形成大范圍的塑性區(qū)，導致大的彈塑性變形。圍巖應力減小及爆破可引起洞壁巖體出現(xiàn)0.5m左右松弛帶，隨著時間推移，松弛帶厚度加大，圍巖松弛是軟質巖變形的重要原因。據(jù)文獻〔3〕，41h以內(nèi)洞壁巖體松弛速度變化快，41h～260h逐漸變緩，260h后洞壁巖體松弛速度基本穩(wěn)定。

千枚巖、含碳泥質板巖屬于易軟化性巖石，遇水后極易軟化，特別是在卸圍壓(如開挖)條件下，圍巖強度和彈性模量軟化更加明顯。

洞室開挖后的彈塑性變形主要是開挖擾動區(qū)域內(nèi)的圍巖變形，要有效地控制這一部分變形，需要即時支護，以控制圍壓的喪失或恢復部分圍壓。

4 軟質圍巖變形特征及原因分析

4.1 圍巖變形的類型劃分

根據(jù)圍巖變形的典型實例和變形機制，按變形受控條件，將圍巖變形的類型劃分為：結構構造型、巖性控制型和人工擾動型三種主要類型。如表3。

表3 圍巖變形類型

本引水隧洞2#、4#、6#支洞對應主洞的巖體(千枚巖和含碳泥質板巖)，變形類型為典型的巖性控制型。

4.2 軟質圍巖變形特征分析

據(jù)可研報告及現(xiàn)場調查，2#支洞對應主洞樁號S3+614.3m～S3+752.4m段，4#支洞對應的主洞樁號S8+268m～S8+409.0m段，均屬Ⅴ類圍巖；6#支洞對應的主洞樁號S13+471m～S13+603.0m段，屬Ⅳ2類圍巖。根據(jù)現(xiàn)場地質測繪及施工地質資料和變形監(jiān)測成果，將各洞段圍巖地質特征和變形特征列于表4。

表4 軟質圍巖變形特征分析

4.3 軟質圍巖變形原因分析

軟質圍巖變形原因是多方面的，總體來說包括地質環(huán)境、圍巖本身性質和施工擾動等三方面。

4.3.1 地質環(huán)境條件

4.3.1.1 地質構造。工區(qū)地處三地槽褶皺帶接合部位，引水隧洞位于區(qū)域性斷裂鄉(xiāng)城斷裂與索讓斷裂所夾的地塊，經(jīng)歷過多次構造運動，構造裂隙、層間擠壓破碎帶、小斷層極其發(fā)育，致使巖體破碎。引水隧洞軸線與巖層走向呈小角度夾角，部分洞段近于平行，巖層陡傾。

4.3.1.2 地應力。引水隧洞處于NW～SE向水平主壓應力與NNE～SWW向水平主張應力的構造應力場中，屬高應力區(qū)。地應力高，圍巖在高應力下結構面緊密閉合，洞段開挖卸荷應力釋放后結構面隨即產(chǎn)生張滑，導致隧洞圍巖嚴重變形。

4.3.1.3 水文地質條件。引水隧洞工區(qū)巖性為含碳泥質板巖、變質砂巖、灰?guī)r、千枚巖相間分布，巖體破碎，結構面發(fā)育，又被兩條阻水斷裂夾持，給地下水的賦存提供了有利條件。據(jù)已開挖洞段資料，除6#支洞對應的主洞段外，其余洞段地下水呈滴狀或線狀、股狀滲出。在2#、4#支洞對應的主洞還出現(xiàn)了涌水，最大流量達0.30m3/s。地下水的加入使千枚巖和含碳泥質板巖發(fā)生軟化，使得圍巖的強度變得更低。

4.3.2圍巖本身性質

4.3.2.1 巖性為軟質巖。引水隧洞圍巖巖性主要為砂質、泥質板巖，其次為含碳泥質板巖、變質砂巖、千枚巖。千枚巖和含碳泥質板巖，屬軟巖～極軟巖，其強度低，彈性模量小。尤其隧洞開挖卸圍壓后強度更低，在山巖壓力作用下，開挖后隧洞圍巖形成一定范圍的塑性變形區(qū)，圍巖松弛導致軟質圍巖變形。

4.3.2.2 組成礦物成分遇水易軟化。含碳泥質板巖、千枚巖礦物成分主要為絹云母、伊利石、蒙脫石，含石膏，遇水易軟化，暴露后易風化。

4.3.2.3 巖體結構具有明顯的各向異性。含碳泥質板巖，極薄～薄層狀結構，千枚巖呈千枚狀結構，片狀礦物含量多，層理極其發(fā)育，圍巖結構具有明顯的各向異性。

4.3.2.4 圍巖具有弱膨脹性。巖石的礦物組分和結構特征決定了圍巖的膨脹性能，據(jù)試驗測試，千枚巖、含碳泥質板巖均具弱膨脹性。

4.3.3 施工擾動

4.3.3.1 開挖方式不同，造成的位移量不同。據(jù)對開挖洞段的二維模型計算，全斷面開挖初期支護完成后頂拱和水平位移分別為53mm和45mm，采用臺階法施工工藝開挖頂拱和水平位移分別為36mm和19mm。臺階施工法比全斷面施工法位移小35%左右。如果沒有充分認識到軟質圍巖變形的后果，隧洞采取全斷面開挖法施工工藝，就不利于即時控制圍巖變形。

4.3.3.2 施工爆破影響。爆破孔深、孔距、裝藥量等爆破參數(shù)對塑性區(qū)范圍有顯著影響，應采用少藥量、弱爆破，減小爆破對塑性區(qū)范圍的擴大作用，從而減少爆破對圍巖的不利影響。

4.3.3.3 支護、襯砌時間與強度。初期支護、二襯施作時間對隧洞變形影響明顯。據(jù)段偉等對圍巖松弛圈的測試結果，對Ⅳ1類圍巖測試初始時刻松弛圈已完成45%～55%，松弛圈完成80%時間為30h～73h；對Ⅳ2類圍巖測試初始時刻松弛圈已完成44%～48%，松弛圈完成80%，時間為70h～80h。盡管不同巖性、不同地應力松弛圈完成時間不盡相同，但即時初期支護，及早襯砌，能有效減小隧洞變形量。隧洞變形與初期支護不及時、強度不足，襯砌不及時密切相關。

4.3.3.4 二次開挖。若初期支護不及時或強度不足，往往會造成初期支護侵入隧洞凈空，為保證襯砌厚度和隧洞凈空需二次開挖。為避免出現(xiàn)二次開挖，施工中需要預留一定變形空間。

5 軟質圍巖變形工程處理措施

地質環(huán)境條件、圍巖本身性質改變很難，根據(jù)隧洞開挖洞段的圍巖變形特征，可以采取相應的工程處理措施，控制圍巖變形量。圍巖變形處理措施的總體是：短進尺，快循環(huán)；邊開挖，邊襯砌；弱爆破，強排水；早封閉，強支護；勤監(jiān)測，速反饋。

5.1 合理選擇開挖方式

采取臺階法施工工藝開挖比全斷面法施工工藝開挖，引起的位移小35%左右，減小了塑性區(qū)范圍，能有效抑制圍巖變形量；開挖采用短進尺，快循環(huán)施工工藝，對初期的穩(wěn)定性非常有利。

5.2 正確確定支護時間

開挖前在圍巖破碎的拱部范圍，采用超前支護，邊開挖，邊襯砌，按照松弛圈完成時間及時采取永久混凝土襯砌跟進。

5.3 采用科學的爆破策略

采取少藥量、弱爆破，減少爆破對圍巖的影響。

5.4 施工中及時排水

含碳泥質板巖和千枚巖屬于易軟化巖石，遇水后極易軟化，其抗壓強度和變形模量因此會大幅度降低。在施工中采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，能有效控制圍巖變形。

5.5 預留必要的變形空間

隧洞軟質圍巖變形會侵占設計支護襯砌凈空或隧洞凈空，開挖支護設計應預留足夠的變形空間，防止變形后的初期支護侵入二次襯砌的混凝土空間。以2#支洞對應的主洞(S3+614.3m～S3+752.4m)為例，據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測資料分析，在施工開挖中需要預留的變形量見表5。

表5 2#支洞對應的主洞變形監(jiān)測

隧洞軟質圍巖變形與洞室埋深、圍巖強度密切相關，據(jù)文獻〔2〕、〔4〕，圍巖本身性質對其變形極限位移影響最大，其變形量隨圍巖類別降低而增大，隨隧洞埋深增大而增大；在相同圍巖類別及地應力條件下，洞徑變化對變形影響較小。因此，對圍巖本身性質的準確判定十分重要。

5.6 加強地質超前預報與施工過程圍巖變形監(jiān)測

加強地質超前預報，科學的選擇施工方案，做到有預見性；加強施工過程的圍巖變形監(jiān)測，科學合理布設圍巖變形監(jiān)測實施方案，包括測點布設、監(jiān)測頻率、監(jiān)測手段；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析圍巖變形特征，及時調整完善支護設計，通過監(jiān)測及時掌控圍巖變形，控制開挖進尺，合理確定支護時間。據(jù)文獻〔3〕，隧洞變形主要發(fā)生在開挖后40h～50h以內(nèi)，初期變形速度快，其支護時間應在未發(fā)生大的變形之前完成，Ⅳ2、Ⅴ類圍巖宜在開挖后數(shù)小時內(nèi)，Ⅳ1類圍巖宜在開挖后數(shù)小時至十幾小時完成支護。

通過處理本引水隧洞圍巖變形破壞的實踐證實，即使隧洞位于高地應力區(qū)，地質條件復雜，采取以上處理措施后，其效果良好。新開挖的洞段采用以上工程處理措施，未出現(xiàn)軟質圍巖大規(guī)模的變形的破壞情況，確保了引水隧洞施工安全、施工進度，提高了施工質量，降低了施工成本，解決了施工中的關鍵技術問題。

6 結語

在高應力地質條件復雜地區(qū)建設引水隧洞，若遇軟巖時，其圍巖變形及其破壞不容忽視；可以通過合理的工程處理措施控制變形破壞。

隧洞施工進行超前地質預報，合理選擇開挖方式，進行過程監(jiān)測。包括通過測量手段變形觀測，通過物探手段或原位測試進行應力變化監(jiān)測，合理確定支護時間和預留必要的變形空間十分重要。

本工程處理措施對類似工程，特別是在高應力地質條件復雜的基巖分布區(qū)施工隧洞，具有一定的借鑒意義。

〔1〕成壽根，文張泉等.洞松水電站軟巖大變形引水隧洞施工技術開發(fā)[D].西南交通大學，2011.

〔2〕史存鵬，王家祥等.某引水隧洞深埋軟巖洞段圍巖變形量敏感性分析[J].人民長江，2015，(14)：26～27，80.

〔3〕段 偉，王 杰等.某隧洞軟弱圍巖變形特性測試與分析[J].人民黃河，2015，(10)：134～137.

〔4〕陳 亮，陳壽根等.錦屏二級水電站引水隧洞軟巖段變形特征及預留變形量分析[J].水利水電技術，2013(10)：52～56，61.

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2095-1809(2016)04-0019-05

楊紹平(1963-)，男，四川劍閣人，副教授，高級工程師，主要從事水文地質與工程地質教學與生產(chǎn)科研工作。