某水電站引水隧洞局部洞段圍巖變形失穩(wěn)機理分析

李建明

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 概述

某水電站引水隧洞長約15km，縱坡降1.69%，斷面型式為圓形，直徑為9.5m。引水隧洞穿越地層為三疊系中統(tǒng)雜古腦組(T2z)和三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)的一套淺變質(zhì)層狀砂巖和千枚巖。

層狀巖體在自然界中分布廣泛，水電工程許多建筑物布置在地下不同傾角的層狀巖體中，在層狀巖體特別是陡傾角層狀巖體中開挖洞室，對圍巖工程地質(zhì)分類和圍巖的變形破壞特征、加固處理措施等進(jìn)行研究及工程經(jīng)驗總結(jié)具有重要的實際意義。

引水隧洞區(qū)的千枚巖系泥巖在較強應(yīng)力、較低溫度下輕微變質(zhì)而成，具明顯的層狀構(gòu)造，且多為薄層狀。千枚巖中的結(jié)構(gòu)面以層面為主，并伴有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈現(xiàn)出強烈的各向異性，其工程特征主要受控于巖層產(chǎn)狀及巖層組合。其中的炭質(zhì)千枚巖強度很低，遇水很容易軟化和膨脹，工程地質(zhì)性狀很差，炭質(zhì)千枚巖在隧洞的局部洞段含量較高較發(fā)育，成為影響該洞段圍巖穩(wěn)定和工程安全的最重要因素之一。本文將結(jié)合工程實踐，對該洞段圍巖的變形失穩(wěn)機理以及加固處理措施進(jìn)行分析和探討，以期得出有利于工程實踐的結(jié)論。

2 引水隧洞工程地質(zhì)條件及評價

引水隧洞位于大型倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜北東翼，總體為單斜構(gòu)造，但次級褶曲發(fā)育，在隧洞區(qū)中段則為倒轉(zhuǎn)向斜，兩翼產(chǎn)狀基本相同，褶曲緊密，地層擠壓強烈。區(qū)內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主體，斷裂不發(fā)育，未見區(qū)域性大斷裂通過，小斷層、擠壓破碎帶等小型軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)幾率較低，且隨機分布。引水隧洞穿越區(qū)屬典型中高山峽谷地貌，區(qū)內(nèi)匯水面積較大、切割較深且有常年流水的沖溝。引水隧洞區(qū)大多基巖裸露，地層為三疊系的一套砂質(zhì)千枚巖、變質(zhì)長石石英砂巖及少量炭質(zhì)千枚巖等。

區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷和局部段淺表巖體的傾倒變形。變質(zhì)長石石英砂巖抗風(fēng)化能力較強，表現(xiàn)為裂隙式風(fēng)化;千枚巖巖性較軟弱，抗風(fēng)化能力較弱，其風(fēng)化延續(xù)的深度較大。受風(fēng)化卸荷作用影響，在千枚巖較集中出露的岸坡淺表巖體往往傾倒變形較顯著。

區(qū)內(nèi)地下水埋深較大，活動較強烈，谷坡中、上部未見泉水出露。在斷層破碎帶及其影響帶、裂隙密集帶、向斜構(gòu)造部位，含水相對豐富。地下水基本類型主要為基巖裂隙水和第四系覆蓋層孔隙水，由大氣降水和沖溝溝水補給。

前期勘探及后期開挖施工表明，總的說來引水隧洞穿越的區(qū)域圍巖地質(zhì)條件較好，具有良好的施工可行性，絕大部分洞段為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，而Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的總和只占全部洞段的10%。但是引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖局部洞段不良工程地質(zhì)條件較明顯，局部洞段地層多與洞軸線呈小角度相交，層面對隧洞穩(wěn)定具有一定控制性;隧洞進(jìn)出口和過溝段均涉及弱風(fēng)化卸荷帶，地下水活動較為強烈，巖體完整性差，結(jié)構(gòu)松弛，圍巖不穩(wěn)定;炭質(zhì)千枚巖對局部洞段圍巖的穩(wěn)定極為不利，也是隧洞區(qū)影響圍巖穩(wěn)定的最重要因素之一。

隧洞區(qū)局部發(fā)育的炭質(zhì)千枚巖顏色為深灰色～灰黑色，板狀構(gòu)造，系泥巖在較強應(yīng)力、較低溫度下輕微變質(zhì)而成。炭質(zhì)千枚巖一般較脆、稍軟，具滑感，染手，干密度、天然密度均較小;孔隙率、吸水率較大，含水量較高;抗壓強度、抗剪強度及變形模量均較低，且具各向異性，抗風(fēng)化能力較弱，遇水極易軟化、崩解或膨脹，以塑性破壞為主，巖體破壞之前的變形較大，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出。

施工過程中，最初遇到4個炭質(zhì)千枚巖含量較高或較發(fā)育的洞段，合計總長度約200m。臨時支護后一段時間，這4個洞段的洞身及支護結(jié)構(gòu)部分發(fā)生變形破壞，各段描述見表1。為了確保其他洞段不發(fā)生同樣的變形破壞現(xiàn)象，讓后續(xù)施工順利進(jìn)行，以下對這4個洞段的變形破壞機理進(jìn)行了細(xì)致研究，為其他洞段的施工提供事故預(yù)防依據(jù)和施工方案建議。

表1 研究的4個洞段描述

3 4個洞段圍巖開挖及支護后出現(xiàn)的主要問題

炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育的4個洞段均采用上、下斷面分開開挖方式，上斷面高7～8m，下斷面高2～3m。IV類圍巖洞段開挖前先在千枚巖或破碎巖體區(qū)采用超前錨桿支護，然后采用人工風(fēng)鎬爆破開挖剝離至設(shè)計斷面以外30～40cm(便于鋼支撐或適應(yīng)圍巖變形)，開挖后進(jìn)行錨噴網(wǎng)+鋼拱架聯(lián)合支護，并在地下水較豐富洞段布設(shè)排水孔，各項支護參數(shù)符合規(guī)范的規(guī)定。V類圍巖洞段開挖前在頂拱120°～180°范圍采用注漿小導(dǎo)管(間距20～40cm，視圍巖情況定)對圍巖加固，然后采用人工風(fēng)鎬弱爆破及挖掘機直接開挖剝離至設(shè)計斷面以外40～60cm(便于立鋼支撐或適應(yīng)圍巖變形)，開挖后進(jìn)行錨噴網(wǎng)+鋼拱架聯(lián)合支護，各項支護參數(shù)符合規(guī)范的規(guī)定，并且在地下水豐富地段采用超前排水，并布設(shè)排水孔。

洞段在施工過程中出現(xiàn)的主要問題是洞室左右邊墻及左拱座圍巖受炭質(zhì)千枚巖較軟弱、層面走向與洞軸線交角小及節(jié)理裂隙切割的影響，以及襯砌嚴(yán)重滯后、開挖斷面不規(guī)則等原因的影響，在開挖爆破過程中，部分段圍巖產(chǎn)生松動張裂，左邊墻(山外側(cè))巖層層面陡傾洞外，表現(xiàn)為傾倒破壞或局部滑移破壞;右邊墻巖層層面陡傾洞內(nèi)，表現(xiàn)為順層滑移為主，特別是當(dāng)臨時支護未緊跟掌子面支護時，部分洞段右側(cè)邊墻出現(xiàn)較明顯的開裂、沿層面滑移及塌落等現(xiàn)象。左拱座普遍掉塊及小垮塌，如支護和襯砌不及時，會產(chǎn)生大的垮塌。

洞段在臨時支護完成約3～4個月后，在下半洞開挖剪底過程中，部分段長(詳見表1)的上部出現(xiàn)了不同程度的變形破壞，多榀型鋼拱架出現(xiàn)壓彎或扭曲變形，噴射的混凝土部分開裂。為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全，對變形破壞部位采取了補強措施，補強支護后，洞段變形達(dá)到收斂狀態(tài)，變形得到了控制，并及時作了永久襯砌。

經(jīng)過對圍巖收斂及拱架變形進(jìn)行監(jiān)測，4個洞段的圍巖變形有如下特點:

(1)圍巖變形量因圍巖類別的不同存在一定的差異，Ⅳ類圍巖變形一般在3～5cm，局部5～10cm;Ⅴ類圍巖變形一般在5～8cm，局部可達(dá)8～12cm;

(2)圍巖變形與工程部位關(guān)系密切，左拱座及左、右邊墻部位變形量較大;

(3)圍巖變形存在明顯的時間效應(yīng)，Ⅳ類圍巖臨時支護后一般在15～30d變形趨于收斂，Ⅴ類圍巖臨時支護后一般在30～50d變形趨于收斂。如圖1、2 所示。

圖1 K8+820～8+825m部位Ⅳ類圍巖拱頂變形監(jiān)測

圖2 K0+880～0+885m部位Ⅴ類圍巖拱頂變形監(jiān)測

4 4個洞段圍巖變形的原因分析

4個洞段共有接近1/2的段長范圍發(fā)生了變形破壞，其發(fā)生與發(fā)展是很復(fù)雜的，影響的因素也是多種多樣的，主要是自然的因素，也有人為的因素。就自然因素而言，起控制作用的是圍巖工程地質(zhì)條件，包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面特征及結(jié)構(gòu)面空間方位、巖體結(jié)構(gòu)、地下水的作用等等。洞段圍巖變形破壞的主要原因有:

(1)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜:工程區(qū)位于較場弧形構(gòu)造帶的北西翼，由一系列北西向斷層和緊密褶皺組成，引水隧洞位于瓦布梁子倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜北東翼，次級褶曲發(fā)育。導(dǎo)致洞段巖層產(chǎn)狀變化較大，出露地層巖性錯綜復(fù)雜，巖體擠壓破碎嚴(yán)重;地下水較豐富;工程地質(zhì)條件復(fù)雜，成洞條件差。

(2)巖體軟硬相間:洞段中的Ⅳ類圍巖多為炭質(zhì)千枚巖與砂質(zhì)千枚巖或砂巖組合成的軟硬相間的層狀巖體，炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育，巖體破碎，遇水易軟化。軟硬相間的層狀巖體，由于其中軟弱巖層強度較低，容易變形和破壞，所以在構(gòu)造運動中，常沿軟硬相間巖層的接觸處發(fā)生錯動，形成厚度不等的層間破碎帶，大大破壞了巖體的完整性。堅硬巖層，其裂隙較發(fā)育，透水性較強，而軟弱巖層透水性較弱，因此，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^透水性強的多裂隙巖層至透水性弱的軟弱巖層接觸面時受阻而在接觸面集中，這樣就促使下伏軟弱巖層軟化或泥化。開挖洞室之后，地下水向洞內(nèi)匯集，形成新的滲透場，使巖體受到指向洞內(nèi)的場力，從而導(dǎo)致圍巖變形或失穩(wěn)。

(3)炭質(zhì)千枚巖集中:炭質(zhì)千枚巖在洞段的圍巖里集中或半集中發(fā)育，炭質(zhì)千枚巖遇水易軟化，強度很低，但重量卻較大，開挖后很容易產(chǎn)生坍塌，成洞條件極差。炭質(zhì)千枚巖大大降低了圍巖的整體力學(xué)強度，巖體很容易進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)而進(jìn)入破壞階段。隧洞開挖后，巖體臨空面產(chǎn)生應(yīng)力釋放，向臨空面以外發(fā)生位移，位移積累到一定程度就會引起巖體變形破壞，隧洞頂拱向洞內(nèi)收斂變形，兩側(cè)邊墻以水平向位移為主，均向臨空面產(chǎn)生卸荷松弛。聲波測試表明，松弛圈厚度大于5m，從而產(chǎn)生巨大的塑性變形，松弛巖體逐漸向洞內(nèi)擠壓。剛性支護在一定程度上抑制了巖體的變形和膨脹，但由于其上部松弛圈巖體荷載太大，致使鋼拱架和混凝土的聯(lián)合支護系統(tǒng)出現(xiàn)變形破壞。

此外，炭質(zhì)千枚巖與錨桿的咬合力很低(尤其是在頂拱部位)，因此錨桿的長度必須保證能穿越炭質(zhì)千枚巖，進(jìn)入堅硬巖體至少1m。原支護參數(shù)錨桿的長度定為3m和4.5m，而炭質(zhì)千枚巖在許多部位的實際厚度達(dá)到4～6m，因此原方案沒能確保大多數(shù)錨桿穿過炭質(zhì)千枚巖并且深入堅硬巖體至少1m，錨桿支護作用十分有限。用于鎖固鋼拱架的錨桿如果只扎根在炭質(zhì)千枚巖里(特別是在隧洞的頂拱部位)，錨桿的鎖固作用是很低的，發(fā)生變形破壞的結(jié)果也是致命的。

(4)巖層走向與洞軸線交角較小以及結(jié)構(gòu)面不利組合:洞段巖層走向與洞軸線方向小角度相交，沿巖層層面容易發(fā)生剪切破壞。在洞室右邊墻傾斜的層面與邊墻相交，傾斜角大于層面的摩擦角，洞壁的自穩(wěn)能力極差，產(chǎn)生順層滑移，沿層面張裂和局部垮塌破壞。左側(cè)的洞壁局部產(chǎn)生傾倒破壞，亦存在結(jié)構(gòu)面不利組合，產(chǎn)生滑移破壞。對于拱座部位，層面與拱座相切的部位，剪切破壞范圍很大，圍巖變形失穩(wěn)的可能性最大。此外，各種結(jié)構(gòu)面的不利組合使得洞身存在大量不穩(wěn)定塊體，也是圍巖變形或失穩(wěn)的重要引發(fā)因素。

(5)洞室開挖斷面大:隧洞開挖斷面直徑一般為10～10.5m，洞室開挖斷面愈大(Ⅴ類圍巖開挖斷面最大)，其變形速度愈快。開挖斷面如此大，開挖完畢到臨時支護的時間間隔長達(dá)7～10h，臨時支護難以及時跟上，從時間上給圍巖變形創(chuàng)造了條件。

(6)洞段開挖斷面成型不規(guī)則:4個洞段為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖體多軟硬相間，施工放炮一般根據(jù)硬巖控制藥量，爆破后軟弱巖部分圍巖超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，一般超挖30～100cm，硬質(zhì)巖部分超挖一般較小，這樣就形成了開挖斷面的不規(guī)則，鋼拱架緊貼巖面的長度較小，給圍巖松弛和變形創(chuàng)造了足夠空間，圍巖變形進(jìn)一步加劇，松動圈厚度進(jìn)一步加大。

(7)下半洞開挖使得上半洞的主要臨時支護結(jié)構(gòu)(鋼拱架)底部臨空，鎖固鋼拱架的錨桿與炭質(zhì)千枚巖的咬合力很低，錨桿沒有發(fā)揮良好的鎖固效果，鋼拱架無法承擔(dān)上部松弛圈巖體的巨大自重荷載，從而導(dǎo)致巖體變形，鋼拱架扭曲或壓壞。

(8)在4個洞段發(fā)生變形破壞部位的實際施工中，從開挖支護到永久襯砌的時間間隔較長，超過了新奧法原理給出的“從支護到襯砌”的合理時間間隔。洞段的洞身永久襯砌的明顯滯后，使得臨空的巖體暴露時間太久，客觀上給圍巖的變形提供了足夠的時間，加劇了圍巖的變形破壞。根據(jù)新奧法的基本原理，隧道施工應(yīng)該做到“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護、及時封閉、及時襯砌”。監(jiān)測試驗表明，本工程引水隧洞圍巖變形存在明顯的時間效應(yīng)，Ⅳ類圍巖臨時支護后一般在15～30d應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，變形趨于收斂，Ⅴ類圍巖臨時支護后一般在30～50d應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，變形趨于收斂。那么Ⅳ、Ⅴ類圍巖最佳襯砌時間應(yīng)該是臨時支護后30～50d，而實際襯砌時間一般是在臨時支護后100～120d，沒能正確地把握襯砌時間。在襯砌滯后時段內(nèi)，在頂部松弛圈巖體自重荷載的長期作用下以及外界擾動下，特別是施工爆破和下半洞開挖剪底使得鋼拱架底部架空，臨時支護結(jié)構(gòu)以及巖體很容易變形加劇而破壞。為了防止這種不良結(jié)果，應(yīng)該合理掌握襯砌時間和襯砌方式，使得巖體變形得到有效的控制。

5 后續(xù)施工建議

洞段局部變形破壞機理，為后續(xù)施工提供了經(jīng)驗和依據(jù)，具有指導(dǎo)意義。為了確保這4個洞段剩余部分的順利施工，以及其他可能出現(xiàn)的炭質(zhì)千枚巖集中發(fā)育洞段的安全作業(yè)，給出如下施工方案建議。后續(xù)施工實踐表明，對于炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育的洞段，下述方案建議是合理的、可行的。

(1)對于炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育洞段，采取短進(jìn)尺、弱爆破開挖，一個循環(huán)開挖進(jìn)尺限制在2～3m;

(2)預(yù)先探測炭質(zhì)千枚巖厚度，以此來確定錨桿的長度，錨桿要穿越炭質(zhì)千枚巖，嵌入堅硬巖體至少1m(特別是鋼拱架的頂部中心、兩側(cè)拱肩、兩側(cè)拱腳的鎖口錨桿);

(3)根據(jù)變形收斂期確定永久襯砌時間，在臨時支護30～50d后即進(jìn)行襯砌，一般情況下不能提前，也不能滯后;

(4)上半洞襯砌工作完畢后，才能開挖下半洞;特殊情況下需要在襯砌之前開挖下半洞時，一定要保證上半洞的臨時支護滿足要求、穩(wěn)定可靠，開挖剪底過程中，要防止上半洞的鋼拱架底部臨空。

6 結(jié) 語

(1)引起4個洞段部分范圍發(fā)生變形破壞的因素中，圍巖工程地質(zhì)條件等自然因素是客觀存在的，但人為因素亦不可忽視，例如:裝藥量不合理，永久襯砌時機錯誤，施工組織不靈活，管理僵化，缺少創(chuàng)新精神等等。

(2)巖土工程施工必須優(yōu)先并充分考慮工程地質(zhì)條件，并注重監(jiān)測和試驗，以此為依據(jù)來制定合理的施工方案，不能千篇一律地照搬既有的經(jīng)驗。

(3)隧洞施工應(yīng)正確應(yīng)用新奧法，正確掌握臨時支護和永久襯砌的時間，通過監(jiān)測、試驗確定臨時支護與永久襯砌的合理時間間隔，并認(rèn)真遵照執(zhí)行。