陳長生 何林青 李銀泉 史存鵬

摘要：滇中引水工程香爐山深埋長隧洞穿越軟巖（含斷層破碎帶）時，在高地應力和富水條件下易產生圍巖大變形，變形量可達數十厘米到數米，如不及時支護或支護不當，不但給工程建設帶來極大困難，而且整治費用高昂，同時會嚴重影響工期、延滯總體工程進度。根據軟巖工程地質特性、軟巖大變形分析評價方法、數值模擬結果對香爐山深埋長隧洞進行了軟巖擠壓大變形分析預測，提出了處理措施建議，避免了軟巖大變形可能造成的危害。研究成果可為類似深埋長隧洞工程提供一定的借鑒。

關鍵詞：深埋長隧洞; 軟巖大變形; 高地應力; 滇中引水工程; 香爐山隧洞

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.007

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0035 - 06

0 引 言

根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》，軟巖是指飽和抗壓強度低于30 MPa的巖石，一般具有強度低、變形量大的工程特性[1]。深埋長隧洞穿越軟巖（含斷層破碎帶）時，在高地應力和富水條件下易產生圍巖大變形，表現為初期支護嚴重破裂、扭曲，擠出面侵入限界等，不但給工程建設帶來極大困難，同時嚴重影響工程施工工期或正常運營[2]。

目前關于軟巖大變形還沒有一個統一的定義。鐵路系統相關研究提出根據圍巖變形是否超支護的預留變形量來定義大變形，即隧道如果在初期支護中發(fā)生了大于25 cm（單線隧道）和50 cm（雙線隧道）的位移，則認為產生了大變形[3]。姜云、李永林等[4]將隧道圍巖大變形定義為隧道及地下工程圍巖的一種具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞，同時將隧道圍巖大變形分為受圍巖巖性控制、受圍巖結構構造控制和受人工采掘擾動影響三大類型?？偨Y國內外典型軟巖大變形工程實例，主要包括：國外奧地利陶恩公路隧道、日本惠那山隧道，國內堡子梁鐵路隧道、木寨嶺公路隧道、家竹箐隧道、烏鞘嶺特長隧道、錦屏二級水電站輸水隧洞等。發(fā)生大變形的隧洞圍巖一般為軟巖、極軟巖及斷裂破碎帶，發(fā)生軟巖大變形的隧洞埋深一般超過400 m，個別淺者百余米。大變形量級一般在20～120 cm，大者達160～240 cm，變形速率可達10～20 cm/d，變形一般發(fā)生在初期支護后，導致噴射混凝土開裂、掉塊，型鋼拱架嚴重扭曲變形和斷裂。

本文分析研究了香爐山深埋長隧洞軟巖大變形，對于解決滇中引水控制性工程——香爐山深埋長隧洞工程的實際地質問題、確保工程順利施工和正常運營均具有重要工程意義，并可為類似深埋長隧洞工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴重缺水問題的特大型跨流域調水工程，輸水工程線路總長664.24 km，其中隧洞58座，占線路總長的92.13%。香爐山隧洞是滇中引水工程全線地質條件及埋深條件最具代表性的深埋長隧洞，最大埋深1 450 m，埋深大于300 m的洞段占比94.05%，大于600 m的洞段占比67.38%，大于1 000 m的洞段占比34.23%。隧洞起點接石鼓水源提水泵站出水池連接隧洞，主洞段斜穿馬耳山脈，出口位于松桂西側情人谷（圖1），隧洞總長62.596 km，軸向總體呈NNW～NW向。洞形設計為圓形，凈斷面直徑8.40 m，采用鉆爆法+TBM組合掘進施工。

2 香爐山隧洞軟巖（含斷裂帶）分布及工程地質特性

2.1 主要軟巖地層及分布特征

香爐山隧洞穿越的軟巖地層較多，以三疊系上統松桂組（T3sn）、下統青天堡組（T1q）、二疊系中統黑泥哨組（P2h）的泥頁巖類為典型代表（圖2）[5]。此外還穿越大栗樹斷裂（F9）、龍蟠-喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）、鶴慶-洱源斷裂（F12）等寬大斷裂帶（圖3），斷裂帶內構造巖膠結差、性狀軟弱。香爐山隧洞軟巖總長13.107 km，占比20.94%。

2.2 軟巖地層巖性巖相與巖性組合特征

（1） 巖性巖相特征。香爐山隧洞區(qū)二疊系上統黑泥哨組（P2h）屬濱海沼澤相沉積，巖性為砂巖、頁巖夾煤層;三疊系下統青天堡組（T1q）屬陸海過渡相沉積，巖性為砂巖、泥頁巖;三疊系上統松桂組（T3sn）屬淺海陸、湖沼相沉積，巖性為砂巖、泥頁巖夾劣質煤線（層）。隧洞區(qū)典型軟巖地層（斷裂帶）巖性特征見圖4。

（2） 軟巖的礦物組成及化學成分。選取香爐山隧洞部分代表性軟巖地層進行礦化分析與鑒定，所得主要軟巖的礦物組成及化學成分見表1～2。

（3） 巖性組合特征。根據各軟巖地層中軟、硬巖石組合，劃分為純軟巖組（軟巖含量在90%以上）、軟巖夾硬質巖組（軟巖含量70%～90%）、軟巖與硬質巖相間組（軟巖含量30%～70%）、硬質巖夾軟巖組（軟巖含量10%～30%）、硬質巖組（軟巖含量在10%以下）、斷裂破碎帶巖組，各巖組概化與分布特征如圖5所示。其中青天堡組（T1q）軟巖與硬巖占比大致相當，各占約50%，屬軟巖與硬質巖相間巖組;松桂組（T3sn）為軟巖夾硬質巖組，軟巖比例達80%以上;黑泥哨組（P2h）巖性主要為砂泥頁巖夾煤層，為軟巖組。

2.3 軟巖地層主要巖石力學與特殊性特征

2.3.1 物理力學性質

（1） T3sn地層。粉砂質泥巖弱風化帶：飽和抗壓強度為3.55～7.58 MPa，飽和變形模量E0為1.25～1.47 GPa，泊松比μ為0.26～0.27;屬軟巖-極軟巖。泥巖粉砂巖微風化帶：飽和抗壓強度為13.3～19.47 MPa，軟化系數為0.37～0.5;飽和變形模量E0為3.01～5.52 GPa，泊松比μ為0.27～0.28;屬較軟巖。

（2） T1q地層。泥質粉砂巖、粉砂巖微風化帶：飽和抗壓強度為8.52～23.93 MPa，軟化系數為0.36～0.66，飽和變形模量E0為2.31～5.69 GPa，泊松比μ為0.27～0.31;屬較軟巖-軟巖。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 斷裂帶。膠結較好的碎粉巖弱風化帶：飽和抗壓強度為17.40～30.15 MPa，軟化系數平均值0.42，飽和變形模量E0為1.97～7.59 GPa，泊松比μ為0.25～0.27;屬較軟巖。

2.3.2特殊性特征

（1） 膨脹性。對三疊系青天堡組（T1q）及松桂組（T3sn）地層泥巖類巖石進行了膨脹性試驗（表3）。該地層中的泥質巖及泥巖不含蒙脫石成分，自由膨脹率均小于1%，根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》 [1]、TB 10038-2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》 [6]判別標準，初步判斷為不具膨脹性。

（2） 崩解性。松桂組（T3sn）及青天堡組（T1q）地層粉砂質泥巖及泥巖的第二次循環(huán)耐崩解性指數為88.64%～99.51%（表4），根據巖石耐久性劃分標準[7]，兩類巖石具有高至極高耐久性。

3 軟巖分布區(qū)高地應力

香爐山隧洞區(qū)主要軟巖地層除隧洞出口段的松桂地層埋深較淺外，大部分分布洞段為深埋，埋深一般在580～1 300 m，局部小者為360 m。按建議地應力側壓系數（即400 m以上取1.4、以下取1.2）估算預測隧洞段地應力量級，最大水平主應力一般在15～39 MPa，軟巖-極軟巖（飽和抗壓強度15 MPa以下）區(qū)巖石強度應力比值Rb/σm為1～0.03，具有高至極高應力場背景，存在高地應力條件下的軟巖大變形問題。

4 軟巖大變形預測

4.1 圍巖大變形地質條件與發(fā)生機理

發(fā)生圍巖大變形的隧洞多處于高應力區(qū)，且大變形地段的隧道一般埋深在100 m以上，圍巖的天然含水量大，相應圍巖類型主要包括：① 顯著變質的巖類，如片巖、千枚巖等;② 膨脹性凝灰?guī)r;③ 軟質黏土層和強風化的凝灰?guī)r;④ 凝灰?guī)r和泥巖互層;⑤ 泥巖破碎帶和礦化變質黏土;⑥ 斷裂破碎帶等。這類圍巖的黏聚力c值較低，內摩擦角很小，單軸抗壓強度較低。目前工程界通常把大變形機制分為兩大類：① 開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發(fā)生塑性變化;② 巖石中的某些礦物成分和水反應發(fā)生膨脹。

4.2 判別準則

關于圍巖大變形的預測和判別標準目前還沒有形成一致和明確的定義。《水力發(fā)電工程地質手冊》[8]根據錦屏二級水電站引水隧洞綠泥石片巖和丹巴水電站引水隧洞二云片巖的軟巖研究提出：在前期勘察中，按巖體強度與斷面最大初始主應力比值S的大小對軟巖的擠壓變形程度進行初步預測評價，施工期則按實測收斂應變ε的大小進行評價，香爐山隧洞軟巖大變形對應標準見表5。

4.3 軟巖大變形特性敏感性數值分析

（1） 幾何數值模型及邊界條件。深埋長隧洞開挖斷面軟巖大變形問題可按平面應變問題進行分析。采用FLAC3D大型數值計算軟件進行數值計算[9-10]，模型尺寸取200 m×200 m×10 m（長×寬×厚），共劃分為31 600個單元。采用應力邊界條件，僅考慮水平構造應力垂直洞軸線的最不利工況;上下邊界應力均勻分布，取相應埋深的自重應力;左右邊界應力呈梯形分布，取相應埋深的自重應力乘以相應側壓系數所得值。

（2） 巖體本構模型及參數。計算采用摩爾-庫侖模型，參考深埋巖石工程的相關經驗，結合滇中引水巖石力學室內試驗成果，所取物理力學參數如表6～7所示。

（3） 無支護開挖條件下的軟巖隧洞圍巖大變形敏感性分析。受水平構造應力影響，圍巖最大變形量發(fā)生在拱腰或左右邊墻中部。以900 m埋深的較軟巖隧洞為例（圖6～7），開挖卸荷引起拱頂、拱底位置的圍巖應力重分布并形成應力集中區(qū)，導致水平向卸荷范圍更廣、變形值更大。不同埋深、巖性和洞形的隧洞圍巖最大收斂值見表8。軟巖隧洞開挖變形量隨圍巖等級增大而增大，隨隧洞埋深增大而增大，且增幅越來越顯著。

4.4 軟巖大變形預測結果

香爐山深埋隧洞區(qū)軟巖具有高應力背景，存在高應力條件下塑狀大變形問題。該工程主要軟巖地層及斷裂破碎帶分布洞段隧洞埋深一般在400～1 300 m，強度應力比值S為0.43～0.03，易產生中等至極嚴重擠壓變形（圖8～9），少量輕微擠壓變形。

香爐山隧洞10.019 km軟巖洞段可能發(fā)生中等至極嚴重擠壓變形，占軟巖洞段長度的76.45%，占隧洞總長的16%;其中易發(fā)生極嚴重變形洞段長4.830 km，占36.85%;嚴重變形洞段長3.870 km，占29.53%;中等變形洞段長1.319 km，占10.07%;輕微變形洞段長2.628 km，占20.05%。香爐山隧洞深埋洞段軟巖和斷層破碎帶在高地應力條件下的軟巖大變形問題較突出。

5 軟巖大變形防治措施建議

（1） 加固圍巖，控制變形。深埋高地應力及軟弱圍巖是隧洞產生大變形的內在原因，應特別加強軟弱圍巖的加固力度，以形成較厚的圍巖加固圈，控制圍巖松弛變形范圍，減少圍壓對支護襯砌結構的作用力。

（2） 先柔后剛，先放后抗。“先柔后剛”指支護結構，即鋼筋網噴混凝土、可縮鋼架及長錨桿是最佳構成，而二次支護應是剛性的，以承受殘余的應力荷載;“先放后抗”即要求初期支護施作完成后允許發(fā)生一定程度的變形，達到設計預留的變形量后再施作二次模注混凝土襯砌。

（3） 變形留夠，防侵凈空。在確定開挖輪廓時必須預留足夠的變形量，防止變形后的初期支護侵入二次模注混凝土襯砌凈空。

（4） 加強施工期地質超前預報及圍巖塑性大變形實測與規(guī)律性總結，及時優(yōu)化隧洞支護參數，完善圍巖大變形的判別標準，以便未施工段的進一步判別和預測。

6結 論

（1） 軟巖一般具有強度低、變形大等工程地質特性，深埋隧洞通過軟巖（含斷層破碎帶）時，在高地應力和富水條件下易產生圍巖大變形。

（2） 目前關于軟巖大變形的界定及預測方法尚無統一技術規(guī)定，本文根據軟巖工程地質特性、軟巖大變形分析評價方法、數值模擬分析成果進行了軟巖擠壓大變形初步預測。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 香爐山隧洞穿越軟巖洞段總長13.107 km，占比20.94%，其中易發(fā)生中等至極嚴重變形的洞段長10.019 km，占比16.01%。隧洞深埋洞段軟巖和斷層破碎帶在高地應力條件下的軟巖大變形問題較突出。

（4） 通過對香爐山深埋長隧洞軟巖變形進行分析研究，預測了軟巖大變形可能發(fā)生的洞段，并提前采取處理措施，避免了軟巖大變形可能造成的危害。研究成果為隧洞設計和施工提供了地質依據，對類似深埋長隧洞工程具有一定的借鑒意義。

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Study on engineering geological characteristics and deformation prediction of soft rock in deep-buried long tunnel

CHEN Changsheng1，2，HE Linqing3， LI Yinquan1，2， SHI Cunpeng1，2

（1. National Dam Safety Research Center， Wuhan? 430010， China; 2. Changjiang Three Gorges Survey and Research Institute Limited Company， Wuhan? 430074， China; 3. CISPDR Corporation， Wuhan 430010，China）

Abstract： When crossing the soft rock （including fault fracture zone）， surrounding rock of Xianglushan deep-buried long tunnels of Central Yunnan Water Diversion Project are prone to large deformation under the condition of high ground stress and rich water， and the deformation can reach tens of centimeters to several meters. If the support is not timely or is improper， there will be great difficulty for engineering construction， and the treatment will be costly. At the same time， it will seriously affect the construction scheme for a project and delay the overall progress of the project. Based on the engineering geological characteristics of soft rocks， large deformation analysis and evaluation method for soft rocks， and the numerical simulation analysis results， the large soft rock extrusion deformation prediction is analyzed for Xianglushan deep-buried long tunnel. The treatment measures are proposed to avoid potential hazards caused by large soft rock deformation. The research results can be a reference for similar deep buried long tunnel engineering.

Key words： deep-buried long tunnel; large deformation of soft rock; high ground stress; Central Yunnan Water Diversion Project; Xianglushan tunnel8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C