涔天河水庫擴建工程交通洞軟弱圍巖大變形特征及機理分析

張光杰 彭 政 曹志軍

（湖南省隧道工程總公司 益陽市 413000）

隨著大量隧道工程的修建，越來越多的工程技術問題涌現而出，其中隧道的大變形、塌方等地質災害的處理尤為重要，這些地質災害給隧道工程的安全生產和施工進度帶來了極大阻礙，不僅影響了施工建設工期，同時大大增加了施工成本。

在隧道施工中穿越高地應力、較大殘余構造應力、淺埋偏壓區(qū)域及軟弱破碎圍巖體時,圍巖大變形是一種常見的、危害極大的施工地質災害，隧道工程圍巖大變形已成困擾地下工程界的一個重大問題。因此，弄清圍巖大變形機制及機理分析，對及時處理大變形災害，防止圍巖進一步塌方，保證施工安全，有著十分重要的意義。

1 涔天河水庫擴建工程交通洞隧道工程概況

1.1 工程概況

涔天河水庫擴建工程壩址位于湘水支流瀟水上游涔天河峽谷出口處，壩址位于永州市江華瑤族自治縣東田鎮(zhèn)境內，下距東田鎮(zhèn)和江華縣城分別為3 km 和12 km。工程是以灌溉、防洪、向湘江下游長株潭河段補水為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合利用的大型水利水電工程。最大壩高113 m，水庫正常蓄水位為313.0 m，總庫容為15.1 億m3。樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪洞、放空洞、發(fā)電引水洞、電站廠房和灌溉渠道工程等主要建筑物組成。

交通洞隧道工程出口位于壩軸線下游500 m處，進口座落在溪江石料場東南側，隧洞長393 m，施工樁號S0-013～S0+380。設計公路等級二級，時速40 km/h，道路建筑限界9.7 m（寬）×6.0 m（高），設計縱坡4.4%。

1.2 交通洞地質環(huán)境

（1）交通洞工程地質情況。

①地層巖性：隧洞洞身穿過的基巖為泥盆系下統(tǒng)（D16）、和中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）碎屑巖。第四系主要為殘坡積層（Qedl）礫（碎石）質粘土，巖性分述如下：

D16：為紫紅色石英砂巖、含礫石英砂巖、砂巖、細砂巖及粉砂巖。主要分布于隧洞出口段。上部巖體呈強風化狀態(tài)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石較破碎，厚度約15 m。下部為弱～微風化巖石，巖性較堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育。

D2t：為紫紅、灰綠色石英砂巖、長石石英砂巖、砂巖、細砂巖、粉砂巖夾頁巖。分布于隧洞進口及隧洞中段。巖性軟硬相間，石英砂巖、砂巖，巖性堅硬，節(jié)理發(fā)育，抗風化能力強。粉砂巖夾頁巖巖性較軟弱，抗風化能力弱；淺表部巖石風化嚴重，呈全風化狀態(tài)，巖石風化后呈土狀，強度低，圍巖穩(wěn)定性差，成洞困難。中部巖石呈強風化狀態(tài)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，圍巖穩(wěn)定性較差。下部為弱～微風化巖石，巖性較堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育程度相對較弱。

Qedl：為礫（碎石）質粘土，厚（0.5～6.5）m，主要分布在進口山坡。

②地質構造：隧道區(qū)地處構造相對穩(wěn)定區(qū)域內，巖層單斜，但區(qū)內斷層較發(fā)育，據探洞和鉆孔資料，隧洞出口穿過了3 條小斷層（F272～F274），進口穿過了一條大斷層（F275）。

F275：位于隧洞進口處，產狀為N23°E.SE∠35°～50°，與隧洞呈大角度相交，該斷層寬度（10～12）m，斷層帶充填角礫巖、碎裂巖，呈塊石夾泥狀，穩(wěn)定性極差。隧洞進口處巖體受該斷層影響，風化較嚴重，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體呈碎裂狀，完整性差。

F272～F274：這三條斷層位于隧洞出口段，寬度（0.5～5.0）m, 斷層充填碎石夾泥。斷層規(guī)模較小，對圍巖成洞有一定影響。

（2）交通洞水文地質情況。隧洞地下水類型為基巖裂隙水，大氣降水補給，向河床或低洼溝谷排泄，水量隨地表水的影響大。地下水位埋深（7～50）m，隧洞沿線基本處于地下水位以下。施工中，沿斷層部位存在滴水、滲水的現象。

2 涔天河水庫交通洞隧道圍巖變形破壞特征

2.1 圍巖變形特征

（1）變形量大。隧道開挖后，圍巖變形十分明顯，對拱頂沉降進行監(jiān)測統(tǒng)計，結果表明，一般洞段下沉達幾十毫米，而在Ⅴ、Ⅳ圍巖隧道洞頂下沉均大于100 mm。隧道洞周收斂也很大，一般可達幾十毫米以上。

（2）變形速率快，持續(xù)時間長。隧道開挖后初期圍巖變形快，變形速率較大，說明來壓快，圍巖自穩(wěn)能力及完整性差。圍巖變形持續(xù)時間較長，在初期支護后持續(xù)時間超過1 個月，嚴重時甚至最終會演化為塌方（2012年9月4日樁號S0+003.5 出現大塌方），反映了圍巖本身強度較低，且具有明顯流變性特征，這說明隧道掘進后，圍巖的應力重分布持續(xù)時間長。隧道變形與施工工序的多次擾動也密切相關，如施作仰拱對圍巖的再次擾動，也將促使進一步的變形。

（3）圍巖破壞范圍大。從已施工的情況看，隧道大變形并非全發(fā)生在剛開挖的掌子面，反而多出現于開挖面的后方（10～30）m 范圍內，滯后掌子面一段距離，如隧道施工到S0+032 時，S0+002～S0+014 的初期支護出現開裂現象，裂縫寬度達5 mm，變形處理也大大地影響到施工進度。

（4）不同位置破壞各異。在隧道周邊不同部位，變形破壞程度不同，這反映了軟巖隧道所處的地應力強度因方向而異。變形后隧道輪廓線基本上不對稱，變形破壞在方向上的差異性往往導致支護結構受力不均，支護結構中產生巨大的彎矩，直觀表現為鋼拱架的扭曲變形。

2.2 隧道破壞特征

涔天河水庫擴建工程交通洞隧道初期支護的變形破壞，進口段Ⅴ類圍巖、Ⅳ類圍巖洞身主要為礫（碎石）質粘土和石英砂巖，巖體十分破碎軟弱，褶皺發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，在開挖過程中常出現掉塊現象，嚴重時甚至導至塌方。

變形破壞最嚴重的區(qū)域位于進口Ⅴ類圍巖S0-013～S0+032 段，Ⅳ類圍巖S0+032～S0+056 段。涔天河水庫擴建工程交通洞隧道于2012年7月開始進口施工，9月4 目施工到S0+003.5 時出現大塌方，以及在S0-010～S0+003 也出現大變形現象，大變形現象表現為洞身噴射混凝土體出現多條（1～6）mm裂縫，有環(huán)向及縱向裂縫，并出現嚴重的周邊收斂和頂拱下沉現象，導致初期支護大量侵入二襯界限。

3 涔天河水庫擴建工程交通洞隧道圍巖大變形機理分析

軟弱圍巖大變形問題歷來是地下工程研究重點，復雜地質條件（如在斷裂帶影響下，F275 大斷層的影響）對軟巖隧道的穩(wěn)定性更加不利，隧道圍巖大變形是圍巖體在地應力、工程擾動和地下水活動等環(huán)境條件下，圍巖巖體的一種變形破壞現象，其實質是由于圍巖開挖引起的地應力重分布超過巖體的屈服強度而使巖體發(fā)生塑性變化，圍巖自承能力的完全喪失（塌方）或部分喪失（收斂、下沉及變形開裂等），變形得不到有效的約束，圍巖發(fā)生塑性變形破壞，從而使圍巖支護遭到不同程度的破壞。

掌握圍巖變形機制和動態(tài)演化規(guī)律是地下工程順利施工和有效采用支護方法的前提和保證。對于軟巖，主要存在圍巖塑性流動擠出和膨脹擠出兩種觀點：前者認為地下工程開挖引起的重分布應力達到屈服面后，圍巖處于塑性狀態(tài)，發(fā)生塑性變形并引起圍巖應力的進一步調整，最終形成剪切滑移面并組成塑性楔體向洞內滑移。后者認為含膨脹性礦物的軟弱圍巖，在一定條件下，巖體產生膨脹，引起圍巖變形。

涔天河水庫擴建工程交通洞隧道屬于復雜地質條件下的大跨度公路隧道，其變形與破壞嚴重影響施工進度及安全，盲目地進行處理并不能有效阻止隧道的變形和破壞，因此，根據圍巖的地質特征、監(jiān)控量測和試驗結果，分析軟巖隧道變形破壞的原因及其機制，會對隧道施工提供合理的指導和依據。

3.1 影響因素

（1）巖性條件。隧洞進口屬中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）碎屑巖，主要為粉砂巖夾頁巖，巖性較軟弱，抗風化能力弱；淺表部巖石風化嚴重，呈全風化狀態(tài)，巖石風化后呈土狀，強度低，圍巖穩(wěn)定性差，成洞困難，下部巖石呈強風化狀態(tài)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，抗水軟化能力差，具有弱膨脹性，力學性能差。

由于受構造的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，同時片理層薄、膠結程度低，巖石破碎松散。且在S0+003 有一條F275 大斷層，該斷層寬度（10～12）m，斷層帶充填角礫巖、碎裂巖，呈塊石夾泥狀，穩(wěn)定性極差。

（2）地下水及地表水滲透條件。受斷裂破碎帶影響，褶皺發(fā)育，巖體破碎，是地下水及地表水的主要貯藏、滲流帶。地下水與軟弱圍巖發(fā)生水巖作用，從而降低了圍巖的力學性能，為圍巖發(fā)生塑性變形和膨脹變形提供了外部條件。地下水對圍巖的作用主要表現為軟化作用、膨脹作用和崩解作用三個方面。

（3）地形起伏形成地應力條件。由于地形起伏使得隧道穿越這些地區(qū)時容易產生地形上的偏壓應力，而造成隧道的偏壓變形。如涔天河水庫擴建工程交通洞隧道進口S0-010～S0+020 段地表左側有一沖溝，軸向和山坡走向基本平行，埋深約（7～50）m，存在較高的地形偏壓。

總之，涔天河水庫擴建工程交通洞隧道完全具備發(fā)生膨脹變形的充要條件（膨脹性巖石、地下水、較高地形偏壓應力），在支護不力或者支護不及時，除會產生塑性流動變形外，圍巖還會發(fā)生膨脹變形，輕者隧道周邊產生收斂頂拱產生下沉，重者洞壁產生裂縫，甚至會造成塌方。

3.2 圍巖大變形機制

（1）軟巖的塑性流動。涔天河水庫擴建工程交通洞隧道大部分圍巖變形主要是由這種機制所控制，通常表現為較強的塑性和流變性。在隧道開挖前巖體在高壓的作用下，處于緊密和干燥狀態(tài)，維持巖體的穩(wěn)定。在隧道開挖后，由于巖體受構造和風化作用影響嚴重，巖體松散、破碎，圍巖體不能發(fā)揮其自承能力，此時可能產生一個塑性區(qū)域，作用于初期支護上的圍巖壓力將特別大，隨著時間的推移，巖體將產生一定的塑性流動，當初期支護難以抵擋塑性區(qū)域內作用于其上的圍巖壓力時，初期支護將產生變形破壞，此時就會產生隧道圍巖大變形。

（2）軟巖的膨脹變形。巖體發(fā)生膨脹變形的必要條件是膨脹性巖石和水的存在。涔天河水庫擴建工程交通洞隧道中的頁巖屬于典型性的膨脹性巖體。膨脹軟巖的成分與泥質有關，而泥質的主要成分為粘土礦物。粘土礦物其主要成分為高嶺土，粉砂巖具有弱膨脹性，頁巖具有較強的膨脹性，它們在隧道中以互層的形式出現，因此對隧道圍巖的膨脹變形也會造成較強的影響。由于圍巖的膨脹變形與水和時間有關，因此，膨脹壓力是隨著時間緩慢增加的，并且具有膨脹性的巖體在變形時往往伴隨著其他機制的影響。

涔天河水庫擴建工程交通洞隧道S0-013～S0+056 段的變形就是由于軟巖的塑性流動和膨脹變形共同作用的結果。由于膨脹變形與時間有關，因此分析時可以認為前期變形膨脹作用的影響不大，變形主要由圍巖的塑性流動造成的，而膨脹變形的影響則過一段時間后開始產生作用。圍巖發(fā)生膨脹變形時，其變形速率一般較小，但隨著時間的延長，其變形一直在延續(xù)，因此其累計變形量較大，加上S0-013～S0+056 這段隧道施工正是雨水天氣，因此變形速率有上升的趨勢，從這一點也可看出水對膨脹變形的影響，在隧道施工中一定要注意這種變形破壞。

綜上所述，涔天河水庫擴建工程交通洞隧道的大變形是圍巖塑性變形和膨脹變形綜合作用的結果，隧道圍巖壓力同時包括形變圍巖壓力和膨脹圍巖壓力，這兩種圍巖壓力才是該隧道大變形和嚴重破壞的原因。

4 圍巖大變形治理措施

針對上述大變形發(fā)生的原因及其機理，大變形治理措施的基本思路是在原有基于塑性變形設計理念的基礎上，增加對于圍巖膨脹變形的控制，即綜合針對圍巖的塑性變形和膨脹變形，以控制圍巖變形。施工實踐中采取的冶理措主要有以下幾個步驟：

（1）封閉工作面。對已掘進的S0-013～S0+003段發(fā)生的變形破壞洞段，用加厚10 cm 噴射混凝土封閉所有工作面。其目的是將圍巖應力維持在一定水平，使徑向圍巖應力大于發(fā)生圍巖膨脹的臨界壓力，以限制膨脹變形發(fā)生，減緩圍巖塑性變形。

（2）超前小導管及超前灌漿。小導管采用壁厚6 mm 的鋼管，直徑為48 mm，長度6 m，小導管施工完畢后超前灌漿固結巖石。從施工效果可以看出，超前小導管具有初期支護效果明顯、施工性好、安全性高的優(yōu)點。在施工中，既要考慮圍巖隨時間的變化，也要考慮隨著掌子面的推進與地層的傾斜產生后的應力重分布。由于施工中采用了加強支護緊跟掌子面的措施，盡管圍巖自穩(wěn)能力差，但在隧洞量測開始日期，掌子面開挖及初期支護已完成20 m 左右，由于應力釋放已基本結束，故作用在臨時支護上的荷載也已穩(wěn)定。超前小導管是在應力重分布前打入的，小導管的約束作用向圍巖提供了一個反力，從而保持和加強了圍巖的自穩(wěn)能力。在開挖過程中，通過超前小導管的錨固力和小導管體所具良好的抗拉、抗剪性能，增大了巖層結構面的摩擦，加強了圍巖的穩(wěn)定，從而有效地控制了層理間的滑動破壞，保證了施工安全。

（3）快速進行初期支護。及時進行初期支護，加大其剛度和強度，不依賴圍巖的自承能力，并且對掌子面及時素噴混凝土封閉，縮短圍巖在空氣中的暴露時間，避免圍巖因風干收縮變形而引起垮塌。支護方式為噴錨網聯合支護，噴層厚度為20 cm，并增加鋼拱架支護，提高支護剛度，鋼拱架采用20 b 型工字鋼，間距50 cm。

（4）增大預留變形量。根據理論計算，結合施工經驗，在此類圍巖中，隧道開挖后圍巖變形收斂值約20 cm，可見圍巖變形基本達到穩(wěn)定，因此，開挖時斷面徑向預留20 cm 變形量，一方面避免侵入凈空事件出現，另一方面，適當的變形有助于釋放構造殘余應力，減少圍巖對支護結構體的荷載。

此外，在施工過程中依然采取了控制爆破和監(jiān)控量測的手段。由于弄清了圍巖的變形破壞機制，可采取相應的施工對策，有效控制了圍巖的動態(tài)演化進程。大變形及塌方段已成功處理，且成功穿過了F275 大斷層段（樁號S0+003.5～S0+020.5）。較好地控制了大變形的發(fā)生，施工中再未發(fā)生大變形及其他工程地質災害，確保了涔天河水庫擴建工程交通洞隧道在2013年1月7日安全順利地貫通。

5 結 論

（1）涔天河水庫擴建工程交通洞隧道為大跨度公路隧道，由于其復雜地質條件，受斷裂帶的影響，巖體破碎軟弱，隧道成洞條件及自穩(wěn)能力極差，圍巖變形和隧道破壞嚴重。

（2）隧道變形及破壞具有嚴重性、快速性、長期性、破壞范圍大和不同位置破壞各異等特征。

（3）隧道圍巖大變形是在巖性、地下水和地應力場綜合作用下，因開挖缷荷，圍巖發(fā)生塑性流動和膨脹所致。

（4）弄清圍巖變形破壞機制，根據圍巖動態(tài)演化規(guī)律，從塑性變形和圍巖膨脹兩方面，通過增加初期支護剛度和強度，增大預留變形量，及時二次襯砌并與初期支護結構體一起承擔圍巖荷載，能較好地整治大變形及預防大變形發(fā)生。