趙 力，魏軍政，王 博，厙海鵬，陶 磊

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

在水利水電、交通等隧洞工程建設中，開挖擾動會引起圍巖受力狀態(tài)發(fā)生變化，受復雜地質環(huán)境影響，時常出現(xiàn)圍巖變形、坍塌、巖爆等不同形式的破壞，使隧洞施工安全和工期面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1- 3]。作為較常見的不良地質災害之一，軟弱圍巖的變形破壞受到工程建設者的廣泛關注[4- 7]。同時，由于巖體工程特性、地應力大小及分布等在開挖之前難以準確確定，隧洞支護方案往往需要根據(jù)開挖揭示的實際情況進行動態(tài)調整[8- 11]，而開展圍巖穩(wěn)定的動態(tài)分析對支護方案的確定具有重要的指導意義。

在軟巖變形方面，許多學者做了大量的研究工作。李濤[12]采用監(jiān)測及數(shù)值分析相結合的方法研究了單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護設計；郭小龍[13]等提出了成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制技術，建立了基于施工過程的隧道位移控制基準；韓小妹[14]等以官帽舟水電站為依托，對泥質粉砂巖和粉砂質泥巖等軟巖隧洞的工程特性和開挖支護進行了研究；王有平[15]圍繞九道河隧洞工程，通過分析軟弱圍巖的地質特征，探討了軟弱圍巖隧道施工處理措施；陶志剛[16]等分析了微觀負泊松比錨桿靜力學特性，并驗證了其在圍巖變形控制方面的應用效果。

本文以引漢濟渭秦嶺隧洞出口段為研究對象，結合現(xiàn)場調查分析了軟巖變形特征及成因，提出了相應的支護措施，并采用數(shù)值模擬方法進行了圍巖穩(wěn)定性分析，論證了及時支護的必要性和支護措施的可行性，可為軟巖變形研判和支護方案優(yōu)化提供參考和借鑒。

1 工程現(xiàn)場軟巖變形特征

引漢濟渭工程是“十三五”期間國家加快推進的172項重大水利工程之一，自漢江及其支流子午河取水，可滿足西安、咸陽、渭南、楊凌4個重點城市及渭河兩岸11個縣城、西咸新區(qū)5個新城及1個工業(yè)園區(qū)居民生活及工業(yè)用水，將對緩解關中缺水、置換陜北黃河用水指標、帶動陜南經濟社會發(fā)展發(fā)揮重要作用。

秦嶺輸水隧洞作為引漢濟渭項目的控制性工程，全長98.3km，最大埋深2012m，設計流量70m3/s，縱比降1/2500。隧洞起點接黃金峽水利樞紐泵站出水池，出口位于渭河一級支流黑河金盆水庫下游右側支流黃池溝，沿線共布設14條施工支洞。隧洞采用鉆爆法和TBM法施工，鉆爆段采用馬蹄形斷面，斷面尺寸為6.76m×6.76m(寬×高)，工程建設難度大，地質條件復雜，部分洞段面臨軟巖變形的不利影響[17，18]。

隧洞K79+900～K78+779段埋深為132～282m，巖性為炭質云母片巖夾石英片巖，云母含量高，節(jié)理裂隙發(fā)育，小褶曲發(fā)育，局部糜棱化、粉末化，巖體為薄層狀結構。局部變形坍塌如圖1—2所示。

圖1 K78+807處拱部變形坍塌

圖2 K78+807處左側邊墻變形坍塌

結合地質勘察資料對現(xiàn)場軟巖變形特征進行分析，該洞段圍巖變形破壞主要是由于以下兩類原因：

(1)巖體結構破碎，巖性較軟。局部破壞洞段的巖性主要為云母石英片巖，局部夾炭質片巖，云母含量高、巖性較軟，巖石抗壓強度較低，節(jié)理、片理發(fā)育，受地質構造影響嚴重，巖體糜棱化比較嚴重，局部存在粉末狀俘虜體，手捏即碎，自穩(wěn)性差，易坍塌掉塊。云母片巖表面極為光滑，內摩擦角低，抗剪能力差，易錯斷。

隧洞開挖引起卸荷變形，遇水易軟化產生塑性變形，可能導致初期支護變形破壞。在該段發(fā)生了多次較大的圍巖變形。其中，K79+023～K78+977段開挖完成后，在地下水作用下，拱部巖石不斷剝落掉塊，導致局部地段超前小導管塌落，形成較大塌方，K79+005～K79+000段拱部塌方尺寸為9m×5m×1.3m(環(huán)×縱×高)，墻腳遇水軟化，圍巖日收斂變形量較大，測得日收斂變形最大值20mm/天，部分段落初支侵限。K78+790開挖完成后，拱頂巖石剝落掉塊，超前小導管塌落，碎塊掉落形成大空腔，塌腔高度7～8m，縱向延伸4m，環(huán)向6m。塌方后K78+800～K78+790段部分初支出現(xiàn)裂紋，此段圍巖初期收斂變形較大，達10mm/天。

(2)斷裂切割形成冒落或滑移塊體。該洞段節(jié)理發(fā)育，易在拱頂發(fā)生塊體冒落，邊墻發(fā)生滑移破壞。其中，K79+022處存在3組節(jié)理，其中J1：N20°W/60°S，間距0.1～0.2m，延伸約1m，節(jié)理平直光滑，無擦痕，密閉，無填充；J2：N15°W/60°N，間距0.3～0.5m，延伸1～2m，節(jié)理面平直光滑，無擦痕，微張，無填充；J3：N30°E/55°N，間距0.05～0.1m，延伸0.5～1m，節(jié)理面平直粗糙，無擦痕，微張，充填泥質。經分析，3組節(jié)理在拱頂和邊墻形成安全系數(shù)較低的塊體，如圖3所示。拱頂塊體為冒落型，在圍巖中最大埋入深度為0.7m，體積為0.6m3；邊墻塊體為單面滑動型，自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為0.35，在圍巖中最大埋入深度為2.4m，體積為12.7m3。

K78+970處存在3組節(jié)理，其中J1：N40°W/50°S；J2：N25°W/70°N；J3：N40°E/65°N。經分析，3組節(jié)理在拱頂和邊墻形成安全系數(shù)很低的塊體，如圖4所示。拱頂塊體為冒落型，在圍巖中最大埋入深度為0.9m，體積為0.8m3；邊墻塊體為單面滑動型，自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為0.23，在圍巖中最大埋入深度為1.4m，體積為2.5m3。

圖3 K79+022處塊體分布圖

圖4 K78+970處塊體分布圖

2 圍巖支護措施

隧洞K79+900～K78+779段主要為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，根據(jù)初步設計階段地勘資料，經工程類比擬定Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護及襯砌參數(shù)，見表1—2。

局部洞段，如K79+005～K78+977段，由于圍巖極為破碎，裂隙水發(fā)育，穩(wěn)定性差，開挖后易發(fā)生坍塌。因此拱部120°范圍設Ф42超前小導管，小導管長度3.5m，縱向間距2.0m/環(huán)，環(huán)向間距30cm，拱墻設I16鋼拱架，間距0.8m，設Ф8鋼筋網，間距15cm×15cm，噴射C20混凝土，厚度25cm。

針對結構面控制型破壞，由于隧洞開挖卸荷，結構面張開，會發(fā)生塊體滑動或掉落破壞，這種類型起初的破壞規(guī)模不大，可采用加強錨網噴初期支護的措施。另外，在施工方面，采取弱爆破、短進尺等措施，防止較大規(guī)模塌方的形成。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)K79+900～K78+779段隧洞開挖及支護，建立三維數(shù)值模型，如圖5所示。隧洞周邊到計算邊界的最小距離為40m。模型采用直角坐標系，X軸垂直水流方向，右手為正，Y軸順水流方向，指向下游為正，Z軸為豎直方向，指向上為正。模型單元總數(shù)為265508個，節(jié)點總數(shù)為142612個，圍巖、噴射混凝土和二次襯砌結構采用實體單元，超前小導管和錨桿采用桿單元，鋼拱架采用梁單元。開挖附近圍巖單元長度在0.2～1.0m。綜合圍巖收斂變形監(jiān)測結果、現(xiàn)場施工條件及圍巖失穩(wěn)情況，通過反演分析，可知此段圍巖的變形模量為2.0GPa，凝聚力為0.30MPa，內摩擦角為28.0°。

圖5 計算模型示意圖

在未及時支護的工況下，隧洞邊墻最大水平變形可達96.7mm，如圖6(a)所示，收斂變形率達到2.4%，此時軟巖極易破壞；拱頂豎向沉降最大變形為44.0mm，如圖7(a)所示。在及時支護的工況下，隧洞邊墻最大水平變形達49.3mm，如圖6(b)所示，收斂變形率為1.21%；拱頂豎向沉降最大變形為27.3mm，如圖7(b)所示。洞周局部(邊墻與底板交接處)有應力集中，如圖8所示，最大第一主應力為13.2MPa。受圍巖變形方向的影響，超前小導管的應力最大值為151.9MPa。位于塑性區(qū)范圍內的錨桿的桿體應力相對較大，部分錨桿應力超過400MPa，如圖9所示。噴射混凝土拉應力較大，局部區(qū)域的拉應力遠大于抗拉強度標準值1.43MPa，因此，局部混凝土可能開裂，會降低對圍巖變形的約束力。

表1 Ⅳ類圍巖支護參數(shù)

表2 Ⅴ類圍巖支護參數(shù)

圖6 圍巖水平變形

圖7 圍巖豎向變形

圖8 圍巖第一主應力分布示意圖

圖9 錨桿應力分布示意圖

綜上，若未及時初期支護，隧洞圍巖失穩(wěn)的可能性較大，因此建議在Ⅳ和Ⅴ類圍巖區(qū)宜采取“短進尺、強支護、快封閉”的施工原則，施工過程中，可根據(jù)開挖揭露的實際情況作適當調整。

4 結語

(1)隧洞出口段圍巖變形破壞主要原因在于：一方面，該洞段巖石云母含量高，巖性較軟，巖體結構破碎，自穩(wěn)性差，且內摩擦角低，抗剪能力差；另一方面，該洞段節(jié)理發(fā)育，易在拱頂和邊墻分別形成冒落和滑移塊體。

(2)隧洞出口段圍巖主要為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，初支采用拱部120°范圍設Ф42超前小導管，拱墻設I16鋼拱架、Ф8鋼筋網及C20噴射混凝土。對較大規(guī)模塌腔，采用混凝土護拱結合鋼架、噴混凝土的支護型式，并預留吹沙孔，吹沙形成緩沖層。

(3)在Ⅳ和Ⅴ類圍巖洞段采用“短進尺，強支護、快封閉”的施工原則，地質復雜、變化快的洞段，施工過程中應根據(jù)實際情況做動態(tài)調整。