蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖的圍巖穩(wěn)定性分析及應用

張明高

（重慶中環(huán)建設有限公司 401120）

蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖的圍巖穩(wěn)定性分析及應用

張明高

（重慶中環(huán)建設有限公司 401120）

本文結合工程實例，通過分析層狀巖體的破壞條件、蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，確定隧洞開挖工程中的施工關鍵技術。

砂巖 圍巖穩(wěn)定性 隧洞開挖 蓋下壩電站

1 工程概述

重慶云陽蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣境內的長江一級支流長灘河中上游河段，以發(fā)電為主，電站裝機容量12萬kW，保證出力3.1萬kW，多年平均發(fā)電量3.659億kW·h，裝機利用小時數(shù)3049h。工程樞紐主要由混凝土雙曲拱壩及左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。引水系統(tǒng)布置在長灘河左岸山體內，由進水口、引水隧洞、調壓井及壓力管道組成，采用一洞三機的布置方式。蓋下壩水電站引水隧洞總長6561.95m，該標樁號引1+000.00～引6+537.15，通過三條支洞進入引水隧洞進行施工。

2 工程地質情況

2.1 基本地質條件

a.地形地貌。長灘河流域屬構造剝蝕中、低山地貌類型，區(qū)內分水嶺海拔一般為800～2000m，河漫灘等河谷地貌相對較發(fā)育。樁號引1+000.00～引6+537.15段引水隧洞洞身主要穿行于三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、中統(tǒng)巴東組、上統(tǒng)須家河組的微新巖體中，上覆巖體厚度一般為50～400m。

b.地層巖性。砂巖段屬三疊系上統(tǒng)須家河組T3xj地層，主要為灰色中厚—薄層狀長石石英砂巖，夾薄層頁巖、炭質頁巖和煤，多附于石英砂巖底部，與砂巖呈不整合接觸，軟巖見水易風化。

c.地質構造。引水隧洞方位為357°48′22.5″，巖層走向為N30°～37°ENW＜25°～37°，該段未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性構造，節(jié)理和層面裂隙發(fā)育，多呈組分布，節(jié)理走向多以與洞軸線呈30°～50°的夾角斜交切割巖層，橫節(jié)理發(fā)育勝于縱節(jié)理，使砂巖多呈條塊狀斷裂，多層面裂隙涌水。由于上述原因，降低了圍巖類別，使巖層穩(wěn)定性差。

d.水文地質條件。三疊系上統(tǒng)須家河組長石石英砂巖，屬富含水層。隧洞穿越段距地表埋深高差較大，山高坡陡，地表多溝谷，洞內涌水主要受地表水影響，使洞內多段涌水，呈分散狀不間斷滴水或涌水，開挖揭穿時涌水一般在15～20m3/h，涌水嚴重影響了圍巖的穩(wěn)定，增加了施工難度。

2.2 工程地質評價

圍巖呈微風化狀態(tài)，層理發(fā)育，多呈厚—薄層狀構造，傾角較緩，巖體較完整，頂拱易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

蓋下壩水電站引水隧洞開挖過程中的關鍵施工技術是解決好砂巖洞段的圍巖穩(wěn)定性，加快不良地質洞段的開挖與支護速度，確保整個隧洞開挖的進度和安全。

3.1 層狀巖體中洞室開挖后圍巖受力分析

對于砂巖巖體，由于具有層狀結構，結構面由占有絕對優(yōu)勢的原生的或次生的結構面組成。巖體橫觀各向同性，優(yōu)勢結構面大多屬于物質分異面，平行優(yōu)勢結構面方向，巖體的組成基本相同，而垂直優(yōu)勢結構面方向，巖體的組成則呈頻繁地軟硬交替。特別是褶皺運動強烈的區(qū)域，巖層間產生的剪切錯動，則使已有的優(yōu)勢結構面的物理力學性質進一步弱化，甚至形成對巖體穩(wěn)定起控制作用的泥化夾層。在洞室開挖后，周邊一定范圍內的巖體因受擾動以及臨空面的存在，在巖體自重應力作用下，初始應力就會發(fā)生重新分布，在洞室周邊圍巖表現(xiàn)最為劇烈，使圍巖內各質點的初始應力平衡狀態(tài)受到破壞，因而發(fā)生位移，向臨空面擠壓變形，有的圍巖發(fā)生松脹。周邊圍巖隨著時間的變化，其變形和應力重分布也不斷地進行。如圍巖的變形不大于其最大允許變形量，圍巖就趨于穩(wěn)定，在圍巖體中逐漸形成具有一定承載力和自穩(wěn)性的圍巖承載力拱環(huán)。承載力拱環(huán)以內的圍巖體主要受自重應力的作用，如果巖體中結構面發(fā)育，根據(jù)塊體失穩(wěn)原理，臨空面圍巖體失穩(wěn)，進一步引起其他圍巖的變形。再加上圍巖固有物理力學特性的復雜性和一些斷層、節(jié)理的影響，包括巖層的產狀（走向和傾角）、巖石和層面的力學強度等，使得圍巖的穩(wěn)定性問題變得更加復雜。

圖1 洞室層狀圍巖周邊應力示意圖

文獻1指出影響層狀、似層狀結構巖體力學性質各向異性的主導因素是層狀巖體的裂隙傾角、層數(shù)，尤其是裂隙傾角為巖體破壞提供了破壞弱面。在σ3為常數(shù)情況下，層狀巖體破壞的最大主應力σ3與β的關系曲線如圖2所示。

當層面與最小主應力的夾角β在β1、β2之間時，巖體沿層面破壞，在兩點之外，巖體只能通過巖石發(fā)生破壞。最小值βL為層面的最不利位置，隨著位置的不同，巖體單元中最不利破壞層面的傾角也隨之變化，其破壞的最大主應力也隨之變化。特別是在洞室開挖后，洞周一定范圍內發(fā)生應力分異現(xiàn)象，法向應力降低，切向應力升高。一般表現(xiàn)在頂拱和底板中部最大主應力明顯升高，在洞壁處達到最大值。應力集中，進一步加快了圍巖的破壞。

圖2 最大主應力和β關系曲線

分析可得，邊墻中部一定范圍內，巖體單元A在最大主應力的作用下，易發(fā)生順層滑移。對于順傾向側邊墻（A點）的巖體，順層滑動可以直接導致巖塊向洞內松動、下滑。而對于反傾向側邊墻的巖體，巖體的順層滑動由于受深部巖層的約束，巖體相對較穩(wěn)定，但當存在一些不利結構面組合型滑動塊體時，邊墻層面底部巖塊先剝落，進一步引起上部巖層向洞內傾倒，發(fā)生彎折破壞。

對于頂拱部位的巖體，巖體單元最大主應力和層面的夾角從90°變到0°。頂拱中央出現(xiàn)拉應力，頂拱兩側會出現(xiàn)剪應力集中，使得頂拱部位的受力也隨β變化而變化。根據(jù)層狀巖體穩(wěn)定性分析，拱部左側巖體最大主應力與層面垂直，其破壞的可能性最小，只能發(fā)生剪斷破壞；拱部中央巖體易發(fā)生順層面滑動，特別是拱部中央偏右的部位；拱部右側巖體，由于最大主應力平行層面，極可能發(fā)生彎折破壞。

因此，從巖體受力情況分析，對于圖1中單個洞室來說，右側邊墻的穩(wěn)定性好于左側，左頂拱的穩(wěn)定性好于右側。

3.2 影響層狀巖體圍巖穩(wěn)定性的因素

a.泥化夾層的影響。在褶皺構造發(fā)育的地區(qū)，構造運動過程中，巖層之間的錯動，使巖層中頁巖泥化。由于巖體裂隙發(fā)育，軟化頁巖在地下水的作用下，充填巖層裂隙，使得巖體內部存在很多破碎裂隙面。大量的現(xiàn)場調研和工程地質資料顯示，泥化夾層在水的作用下，在其內部形成有一些特殊的光澤的光滑面[2]。在隧洞開挖的擾動下，泥化夾層再一次受到剪切錯動，這種錯動進一步提高了錯動破壞面粘粒的含量，并在浸入裂隙面地下水的作用下，形成光滑的裂隙面。巖塊在光滑裂隙面存在的前提下，先是發(fā)生掉塊，隨著圍巖應力的釋放，隧洞局部變形，逐漸波及到整個洞面的坍塌或順層向滑移而形成大范圍坍塌。

b.地下水的影響。在隧洞開挖過程中，地下水是影響洞內圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一。圍巖中賦存的地下水，既影響圍巖的應力狀態(tài)，又影響圍巖的強度。在開挖爆破過程中，巖體中會形成新的裂隙面，不同結構面中的地下水，通過新裂隙面形成一個整體，進而圍巖結構面中的孔隙水壓力也隨之增大，作用在結構面上的有效正應力減小，因而降低巖體沿結構面的抗滑強度。

地下水對軟弱夾層浸泡、軟化、沖蝕，對于一些特殊巖層會產生膨脹、崩解和溶解等。洞挖爆破使本因地質擠壓作用密實的圍巖呈松散狀態(tài)，形成良好的滲水通道，進而造成地下水對圍巖的滲透泥化作用，直接降低了巖體的強度，影響到圍巖的穩(wěn)定性。實際過程中，許多大型塌方都是由于地下水的存在，影響到圍巖體的整體穩(wěn)定性而坍塌。

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c.地質構造的影響。在構造運動的作用下，薄層巖體形成裂隙發(fā)育分小褶曲，巖層相互錯動、相互擠壓，在地下水的作用下，軟弱結構面的發(fā)育，泥質充填物過多，一經開挖，潛在的應力釋放，巖體承壓快，圍巖極易失穩(wěn)而坍塌。隧道穿過斷層及其破碎帶時，由于破碎帶中一般都是各種堆積體，結構松散，顆粒間無膠結或膠結差。開挖后，巖體中的充填物或膠結物被地下水帶走，使堆積體進一步松散，進而沿破碎帶剝落坍塌。

d.施工措施不當。爆破過程中，炸藥爆炸釋放出大量能量對圍巖體做功，一方面以沖擊波形式作用于藥包圍巖的巖面上，使得巖體產生放射狀徑向裂隙，同時將炸藥周圍一定限度內的巖石擊得粉碎；另一方面爆破產生的膨脹作用加劇了上述裂隙的擴展，隨著氣體的擴散，其溫度和壓力迅速下降，先前被強烈壓縮的巖石迅速卸荷，在藥包周圍產生一系列的環(huán)向裂隙縫。對具體的圍巖體，爆破作業(yè)的不當，用藥量過多，往往會造成巖體中裂隙貫通過深，引起圍巖體的超挖或坍塌。施工方法選擇不當，或工序安排不合理，各工序時間銜接拉得較長，地層暴露時間，圍巖風化較快，先是局部圍巖掉塊，然后引起大型塌方。

4 引水隧洞開挖主要施工方案及措施

蓋下壩水電站引水隧洞洞身全長6561.95m，樁號引1+000.00～引6+537.15段洞身巖石經初步劃分，Ⅱ類圍巖約占50%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占50%。其中Ⅱ類圍巖隧洞段開挖斷面為城門洞形，斷面尺寸為790cm×590cm；Ⅲ類圍巖段隧洞段開挖斷面為圓形，直徑為640cm；Ⅳ、Ⅴ類圍巖段隧洞段開挖斷面為圓形，直徑為760cm。

4.1 砂巖段隧洞開挖方式及爆破參數(shù)設計

Ⅱ、Ⅲ類圍巖隧洞采用全斷面開挖、Y28手風鉆鉆孔、周邊光面爆破。出渣采用ZLC40裝載機配10t自卸汽車運至碴場，圓形斷面預留1.2~1.5m厚斷面以后同檢底一起開挖。Ⅱ類圍巖設計循環(huán)進尺3.0m，光爆孔鉆孔深3.3m，崩落孔孔深3.3m，掏槽孔孔深3.5m，孔徑40mm，周邊孔孔距一般為40～50cm，采用斷面下半部楔形掏槽方式。平均每天2.0個循環(huán)，計劃月進尺150m。

根據(jù)砂巖巖性和層狀巖層的受力分析，為確保洞室周邊光面爆破質量和減少爆破對圍巖穩(wěn)定性的影響，對原有的爆破設計進行相應的調整。掏槽孔采用垂直楔形掏槽，周邊光爆孔采用小直徑藥卷底部加強不耦合裝藥，小藥卷每根截成三段，裝藥間距40cm，藥卷分布必須均勻。起爆網絡采用串、并聯(lián)連接方式，周邊孔采用導爆索串聯(lián)，其余孔采用并聯(lián)連接。爆破孔布置及網絡連接見圖3，單孔裝藥結構見圖4，主要爆破參數(shù)見表1、表2。

圖3 爆破孔布置圖

圖4 爆破孔裝藥結構

4.2 砂巖段隧洞開挖光面爆破參數(shù)的調整

光面爆破孔孔距布置和裝藥量需根據(jù)開挖掌子面巖層產狀和洞軸線交角適當?shù)厝≈嫡{整。一般層狀巖層中隧洞開挖后，掌子面巖層產狀呈現(xiàn)水平巖層、傾斜巖層、垂直巖層，如圖5所示。

對于水平巖層洞室開挖掌子面，如圖5（a）所示，左右邊墻相對穩(wěn)定，可以采用大孔距、大藥量的光面爆破孔參數(shù)；而頂拱部位特別是左右頂拱腰線部位應力比較集中部位，采用小孔距、小藥量光面爆破參數(shù)，光爆鉆孔盡量布置在各巖層厚度中部。對于傾向巖層洞室開挖掌子面，如圖5（b）所示，右側邊墻的光面爆破孔孔距采用大孔距、大藥量，左側邊墻的光面爆破孔孔距采用小孔距、大藥量，右側頂拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、大藥量，左側頂拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、小藥量。對于垂直巖層洞室開挖掌子面，如圖5（c）所示，左右邊墻中部位置的巖體在應力釋放后易發(fā)生向洞內彎折破壞，因此光面爆破易采用大孔距、小藥量參數(shù)，鉆孔可以布置在層面上，起到松動巖層效果；頂拱部位的光面爆破主要是克服巖層橫向應力，兩側頂拱部位腰線應力也比較集中，施工過程中一定要注意兩側頂拱腰線的爆破孔距和裝藥量，易采用小孔距、小藥量爆破參數(shù)。

表1 砂巖段隧洞開挖主要爆破參數(shù)

表2 砂巖段隧洞開挖爆破主要技術參數(shù)

圖5 層狀巖層中隧洞開挖掌子面巖層產狀示意圖

蓋下壩水電站引水隧洞已開挖洞室段的掌子面多為緩傾角傾斜巖層，根據(jù)圍巖受力分析和巖層產狀，現(xiàn)場施工對洞室開挖光面爆破孔參數(shù)進行適當?shù)恼{整，見表3和圖6。另外，在周邊光爆孔裝藥結構上也進行適當?shù)恼{整，對于頂拱孔采用小直徑藥卷，底部不加強裝藥，小藥卷每根截成三段均距布置；拱腰以下采用小直徑藥卷，底部加強不耦合裝藥，小藥卷每根截成三段均距布置；對于兩邊墻采用小直徑藥卷底部加強不耦合裝藥，小藥卷單根不截斷均距布置?，F(xiàn)場施工實踐證明：通過圍巖受力分析進行爆破參數(shù)調整和控制，所取得的洞室開挖斷面尺寸效果良好，如圖7所示，隧洞頂拱光面爆破殘孔率高，圍巖穩(wěn)定性較好；兩邊墻光面爆破孔殘孔率稍低，圍巖穩(wěn)定性仍較好；底板開挖尺寸控制良好，超挖量較小。

表3 緩傾斜巖層掌子面光面爆破孔主要參數(shù)調整

圖6 緩傾斜狀巖層掌子面光面爆破孔布置圖

4.3 砂巖段隧洞圍巖初期支護形式

根據(jù)隧洞開挖后巖體受力況分析，如圖5（a）所示，左右邊墻自穩(wěn)性相對較好，頂拱部位較差，需調整頂拱部位的錨桿間距，增加部分隨機錨桿；如圖5（b）所示，需在穩(wěn)定性較差的左側邊墻和右側頂拱進行錨桿間距調整，增加部分隨機錨桿；如圖5（c）所示，左右邊墻中部位置需布置錨桿，錨桿應采用帶托盤的錨桿，左右邊頂拱易增加與巖層層面夾角較大隨機錨桿，加強圍巖的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場施工實踐證明：根據(jù)具體的隧洞開挖后巖體受力分析，適當調整錨桿的支護方案，有利于洞室的穩(wěn)定性。

5 結語

圖7 光面爆破效果

砂巖段隧洞開挖是我國西部大開發(fā)各項大型工程建設中常見的工程實例，如何解決砂泥巖層狀巖層中洞室開挖圍巖穩(wěn)定性，也是近年來國內許多學者研究課題之一。蓋下壩水電站引水隧洞施工中，較好地利用層狀巖層中洞室開挖后圍巖應力分布狀況，適當調整隧洞開挖爆破參數(shù)和圍巖支護方式，減少爆破施工對圍巖穩(wěn)定性的影響程度，加強洞室開挖后支護措施，確保圍巖穩(wěn)定性和工程的快速施工，取得了良好效果。

1 曾紀全,邵小曼.巖體力學各向異性試驗研究.水電工程研究.2001（2）:p8-20.

2 唐良琴,聶德新,任光明.軟弱夾層粘粒含量與抗剪強度參數(shù)的關系分析.中國地質災害與防治學報,2003,14(2):p56-60.

3 王思敬,楊志法,劉竹華.地下工程巖體穩(wěn)定分析.北京：科學出版社，1984.