千枚巖隧道大變形特征及處治措施

徐自享，沈習(xí)文，郭宏麗，王 新

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內(nèi)，是黑水河干流水電規(guī)劃"二庫(kù)五級(jí)"開(kāi)發(fā)方案的第三個(gè)梯級(jí)電站。電站采用引水式開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游環(huán)境生態(tài)用水。電站引用流量222m3/s，額定水頭215m，裝機(jī)容量420MW，年發(fā)電量16.58億kW·h。正常蓄水位2 133m，壩高147m，庫(kù)容5.35億m3，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)性能。現(xiàn)有S302省道從毛兒蓋水電站工程區(qū)通過(guò)，根據(jù)《毛爾蓋水電站可行性研究報(bào)告》設(shè)計(jì)成果，按照電站水庫(kù)淹沒(méi)影響及施工總布置要求, 需對(duì)電站庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍內(nèi)現(xiàn)有S302省道進(jìn)行復(fù)建。

西爾滑坡位于黑水河右岸西爾瓜子溝至西爾溝之間的河岸岸坡，屬于古滑坡中下部復(fù)活的新滑坡。電站前期設(shè)計(jì)在西爾滑坡前緣階地規(guī)劃了渣場(chǎng)，用于堆放電站棄渣，結(jié)合電站渣場(chǎng)設(shè)計(jì)及施工運(yùn)輸要求，毛兒蓋水電站S302省道復(fù)建公路利用短隧道穿越貝爾山脊，出洞后從西爾滑坡中部棄渣平臺(tái)頂部通過(guò)，然后設(shè)隧道穿越滑坡體上游陡峭山壁，在西爾溝右側(cè)溝壁出洞。該隧道施工過(guò)程中，毛兒蓋水電站施工總布置設(shè)計(jì)取消了西爾滑坡下方棄渣場(chǎng)。因此，為了繞避西爾滑坡，毛兒蓋水電站S302省道庫(kù)區(qū)復(fù)建公路調(diào)整為貝爾長(zhǎng)隧道從西爾瓜子溝左側(cè)穿越貝爾山脊、西爾滑坡，至西爾溝右側(cè)溝壁出洞。隧道全長(zhǎng)1 771m，隧道里程樁號(hào)K6+673～K8+441m。貝爾隧道同時(shí)兼作電站料場(chǎng)運(yùn)輸通道，根據(jù)電站施工運(yùn)輸要求，隧道建筑限界為10.5m×5.0m,隧道建筑限界及內(nèi)輪廓圖見(jiàn)圖1 ，隧道平面布置見(jiàn)圖2。

圖1 隧道建筑限界及二襯內(nèi)輪廓

2 地質(zhì)概況

隧道工程區(qū)屬中高山峽谷地貌，兩岸山勢(shì)雄厚，谷坡陡峻，呈“U”形谷?；鶐r岸坡地形坡度一般為45°～65°，低高程覆蓋層谷坡約為20°～35°。右岸沖溝較發(fā)育，分布西爾瓜子溝及西爾溝。工程區(qū)宏觀上表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，地層總體產(chǎn)狀為N20°～50°W/ NE∠55°～80°，巖層走向與河谷呈大角度相交，屬橫向谷。巖體中結(jié)構(gòu)面除層面外，以節(jié)理裂隙為主。

隧道工程區(qū)主要分布西爾斷層，斷層產(chǎn)狀 N40°～60°E/SE∠70°～80°, 斷層兩側(cè)的巖層產(chǎn)狀不一致，斷面呈波狀彎曲，具有明顯的水平擦痕，顯示斷裂以水平運(yùn)動(dòng)為主。斷裂破碎帶寬約0.5～1m，影響帶寬約10～15m，以糜棱巖為主，中間夾有少量斷層泥和方解石脈。

工程區(qū)地表水系強(qiáng)烈深切，造成地形陡峻，使之地表徑流條件良好，從而決定了本工程區(qū)巖體內(nèi)的地下水具有不甚豐富、坡降大、埋藏深的基本特征。根據(jù)地下水的賦存條件及運(yùn)移特征，可將區(qū)內(nèi)的地下水劃分為基巖裂隙水和松散堆積層中的孔隙潛水兩種類(lèi)型。地下水均受大氣降水補(bǔ)給，向溝、谷排泄。

圖2 貝爾隧道平面示意

西爾滑坡位于黑水河右岸西爾瓜子溝上游約200m左右，順河寬400m，橫河長(zhǎng)450m，厚度約10～15m，方量約為120～180萬(wàn)m3。其上無(wú)居民和農(nóng)田，主要為灌木叢和荒地，滑體由崩坡積塊碎石土組成，堆積較為緊密，下伏基巖巖性為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)淺變質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)千枚巖，石炭系、二疊系下統(tǒng)(Cph)炭質(zhì)千枚巖夾石英砂巖，兩側(cè)基巖完整。其上地表發(fā)現(xiàn)有多處拉裂縫，并有明顯的滑動(dòng)變形跡象，目前處于變形拉裂階段。水庫(kù)蓄水后，滑坡表層將產(chǎn)生牽引式塌滑破壞。貝爾隧道進(jìn)口端190～500m洞身段穿越西爾滑坡。

3 初期支護(hù)變形特征

貝爾隧道出口端約1 270m洞身段圍巖巖性以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組中～厚層含鈣變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖為主，局部夾薄層變質(zhì)砂巖及少量灰黑色炭質(zhì)千枚巖，屬三疊系西康群淺變質(zhì)巖系。洞挖揭示該段洞身圍巖巖性較好，洞挖及支護(hù)施工均較為順利。

根據(jù)地質(zhì)勘察，貝爾隧道進(jìn)口端約500m洞身段圍巖以砂巖、板巖為主，局部夾雜少量千枚巖，原設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)參數(shù)如下：

(1)超前支護(hù)：拱部150°范圍內(nèi)設(shè)置φ42,L=6.0m超前注漿小導(dǎo)管，間距0.4m，縱向排距4.0m。

(2)系統(tǒng)支護(hù)：拱部及側(cè)墻設(shè)置φ22,L=3.5m系統(tǒng)錨桿及φ8鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土25cm厚，錨桿間排距1.0m×1.0m，鋼筋網(wǎng)間距20cm。

(3)拱架：縱向每0.8m間距設(shè)型鋼拱架1榀，型鋼采用18工字鋼，拱架間采用φ22連接鋼筋縱向焊接，鋼筋間距1.0m。

但掘進(jìn)施工過(guò)程中，揭示圍巖巖性以石炭系、二疊系下統(tǒng)灰黑色極薄層～薄層狀炭質(zhì)千枚巖為主，局部夾雜薄層狀砂巖和少量強(qiáng)風(fēng)化石英脈(呈酥碎沙狀)。強(qiáng)風(fēng)化千枚巖受基巖裂隙水長(zhǎng)期浸泡，軟化作用較明顯，可塑～硬塑，局部軟塑，呈角礫狀、碎屑狀，局部呈泥狀，屬于軟巖，局部屬極軟巖。

據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，千枚巖洞身段采用上述Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)，初期支護(hù)一般于支護(hù)7日后噴混凝土表面出現(xiàn)環(huán)向細(xì)微裂縫，多集中于型鋼拱架附近，表現(xiàn)為鋼架與噴混凝土接觸面缺乏足夠粘結(jié)性。隨著時(shí)間的推移，裂縫逐漸張開(kāi)，20～40日變形進(jìn)一步加大，拱部噴混凝土大面積龜裂，局部破碎、掉塊，變形嚴(yán)重地帶，噴混凝土脫落后，可觀察到部分型鋼拱架出現(xiàn)S狀扭曲變形。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隧道拱頂及拱腰初期支護(hù)變形量一般20～40cm，最大達(dá)50cm，初期支護(hù)不同程度的侵占了原設(shè)計(jì)二襯空間。其中K6+910.00～K6+980.00m段(70m長(zhǎng))絕大部分?jǐn)嗝娉跗谥ёo(hù)侵占二次襯砌約40cm，初期支護(hù)表面基本接近或達(dá)到原設(shè)計(jì)二襯的內(nèi)輪廓表面。隧道蓋板邊溝因受側(cè)壁變形擠壓局部出現(xiàn)折斷性開(kāi)裂。根據(jù)隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析統(tǒng)計(jì)得出隧道進(jìn)口端500m范圍內(nèi)，拱部平均變形速率曲線(見(jiàn)圖3)，圖中顯示10～30日變形速度最快。約40日后初期支護(hù)變形趨于緩慢，變形量達(dá)到30～40cm高位區(qū)間。

從變形特征來(lái)看，千枚巖隧道圍巖變形經(jīng)歷彈性變形、塑性變形與彈性變形并存、塑性變形三個(gè)階段。前兩個(gè)階段時(shí)間較短，塑性變形階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。在初期支護(hù)缺少足夠支護(hù)強(qiáng)度情況下，隧道表現(xiàn)出初期支護(hù)結(jié)構(gòu)快速受壓、繼而出現(xiàn)破壞，破壞規(guī)律符合天數(shù)(d)-變形量△(cm)關(guān)系曲線圖。

圖3 拱部平均變形速率曲線

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同等洞徑、同級(jí)圍巖、同等支護(hù)強(qiáng)度情況下，隧道進(jìn)口千枚巖洞身段初期支護(hù)變形量約是出口砂巖洞身段初期支護(hù)變形量的3～5倍。

4 隧道大變形機(jī)理分析

根據(jù)隧道掘進(jìn)施工揭示的地質(zhì)情況及變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，隧道圍巖變形主要受以下因素影響：

4.1 圍巖巖性及巖體力學(xué)性質(zhì)影響

隧道進(jìn)口段圍巖巖性為炭質(zhì)千枚巖，巖體強(qiáng)度較低，屬軟巖，局部屬極軟巖。巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，雨水及融雪水易沿節(jié)理裂隙下滲。距相關(guān)資料，炭質(zhì)千枚巖的水敏感性強(qiáng)，遇水后其單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、粘聚力降低50%～60%。軟巖隧道開(kāi)挖后，塑性變形及流變特性較明顯，在隧道洞周產(chǎn)生急劇收斂變形，由于圍巖風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，呈角礫狀、碎屑狀，較大圍巖變形使得變形區(qū)域內(nèi)圍巖粘聚力受到破壞，C值進(jìn)一步降低，并在初期支護(hù)外圍形成松動(dòng)圈，松動(dòng)圈內(nèi)圍巖自身穩(wěn)定性較差，圍巖自重基本靠初期支護(hù)承載，初期支護(hù)表現(xiàn)出快速受壓破壞。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示，圍巖松動(dòng)深度約1～4m，主要集中在拱部及腰部，見(jiàn)圖4。

圖4 圍巖松動(dòng)示意

4.2 高地應(yīng)力

工程區(qū)地處我國(guó)西部高原強(qiáng)烈隆起區(qū)的東緣和東部較弱抬升區(qū)與之毗鄰的地帶，總體上屬新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)整體抬升地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造主要為一系列呈NW～NNW向展布的緊閉、同斜、倒轉(zhuǎn)線形褶皺。工程區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈，水平擠壓地應(yīng)力較大。當(dāng)軟巖隧道地應(yīng)力較高時(shí)圍巖易產(chǎn)生持續(xù)大變形。

4.3 西爾斷層影響

西爾斷層破碎帶寬約0.5～1m，影響帶寬約10～15m，斷層走向與隧道走向大角度相交，斷層傾角70°～80°。雨水易沿?cái)鄬酉聺B，千枚巖遇水后產(chǎn)生軟化作用。

5 工程處治措施

貝爾隧道變形大，局部破壞的初期支護(hù)，因其已經(jīng)承受較大圍巖壓力，從施工安全角度考慮，不宜拆除重建?？紤]到隧道支護(hù)變形形成侵限只影響電站施工車(chē)輛通行，而不影響作為省道S302線的交通要求，在分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變形機(jī)理的基礎(chǔ)上，決定對(duì)貝爾隧道進(jìn)行加固處理，控制變形進(jìn)一步發(fā)展，主要加固措施如下：

(1)在原有型鋼拱架正下方及相鄰拱架中間位置各增設(shè)一榀型鋼拱架，拱架間采用縱向鋼筋焊接，拱架腳部及腰部采用注漿小導(dǎo)管鎖腳，進(jìn)一步增強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，提高抗壓性能。

(2)為了提高圍巖自身穩(wěn)定性，控制圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)松動(dòng)圍巖采用φ42，L=3.0m小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管間排距1.0m，梅花形布置，通過(guò)注漿對(duì)初期支護(hù)背后空隙進(jìn)行填充，對(duì)松動(dòng)圍巖進(jìn)行固結(jié)，提高圍巖粘聚力及整體性，最終形成初期支護(hù)與固結(jié)圍巖整體受力。

(3)在完成前兩步處理措施后，對(duì)初期支護(hù)補(bǔ)噴C20混凝土，監(jiān)測(cè)變形穩(wěn)定后及時(shí)施工模筑混凝土襯砌。

通過(guò)上述加固處理后，隧道變形監(jiān)測(cè)表明，隧道施工期變形得到了控制，模筑混凝土襯砌實(shí)施后變形監(jiān)測(cè)也表明加固處理措施取得了較好的效果，隧道交工后運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)論和建議

(1)千枚巖具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、可塑性、流變性、易擾動(dòng)、水敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。千枚巖隧道極易產(chǎn)生大變形及塌方，建議適當(dāng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，為千枚巖隧道設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

(2)千枚巖隧道變形具有較明顯的流變效應(yīng)及時(shí)間效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)軟巖變形規(guī)律，適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，提高初期支護(hù)抗壓性。對(duì)于炭質(zhì)千枚巖，且受裂隙水浸泡洞身段，型鋼拱架架設(shè)密度不宜小于0.6m/榀。施工時(shí)應(yīng)采用

合理的施工方法，適當(dāng)加大開(kāi)挖預(yù)留變形量，初期支護(hù)變形穩(wěn)定后及時(shí)施工模筑混凝土襯砌。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陶志平,周德培.滑坡地段隧道變形的地質(zhì)力學(xué)模型及工程防治措施[J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2006，91(1):61-66.

[2] 史彥文,丁小軍,韓常領(lǐng).極軟巖隧道沉降變形的控制措施[J].中外公路, 2009，29(4):397-400.

[3] 蔣建平,章楊松,羅國(guó)煜,等.優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論在巖土工程中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào), 2001(8):90-96.