引水隧洞軟質(zhì)圍巖變形特征分析及處理措施

楊紹平，牟江天，李 葉

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

引水隧洞軟質(zhì)圍巖變形特征分析及處理措施

楊紹平1，牟江天1，李 葉2

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

隧洞是水利工程中常見的一種引水建筑物，在施工過程中遇到軟質(zhì)圍巖，其洞段可能出現(xiàn)洞室變形、甚至坍塌。本文以某電站引水隧洞為背景資料，根據(jù)軟質(zhì)圍巖洞段測試、監(jiān)測資料，結(jié)合開挖出現(xiàn)的情況，分析軟質(zhì)圍巖的變形特征和變形機(jī)理，提出施工處理措施。

引水隧洞 軟質(zhì)圍巖 變形特征 處理措施

1 概述

隧洞是水利工程中常見的一種水工建筑物，在施工中時(shí)常會(huì)遇見軟質(zhì)圍巖或軟質(zhì)圍巖段，軟巖大變形是長期困擾軟巖隧洞施工的一個(gè)難題，高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形危害尤其突出。由于軟質(zhì)圍巖強(qiáng)度低(據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50487-2008其飽和單軸抗壓強(qiáng)度不大于30MPa屬于軟巖)、變形量大，在高地應(yīng)力及富水條件下，施工開挖過程中常造成隧洞洞段嚴(yán)重變形，變形量一般可達(dá)數(shù)十厘米至一百余厘米，如果不及時(shí)查明變形特征及形成原因，采取相應(yīng)處理措施，其變形趨勢是將隧洞堵死，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和施工安全。本文結(jié)合某水電站工程引水隧洞在施工過程中遇到軟質(zhì)圍巖出現(xiàn)的大變形特征，研究其形成機(jī)理及形成原因，提出施工處理措施。

2 隧洞地質(zhì)背景

該工程引水隧洞長17.86km，樁號(hào)S0+042m～S4+500m段為馬蹄型洞型，S4+500m～S17+862m為圓型洞型；洞徑按照圍巖類別對(duì)應(yīng)Ⅲ類7.563×5.16m2、Ⅳ1類7.563×5.16m2、Ⅳ2類7.763×5.262m2、Ⅴ類7.963×5.372m2。

工區(qū)地處三大地槽褶皺帶的接合部位，構(gòu)造上主要表現(xiàn)為南北向斷裂和褶皺，次為北西、北東向斷裂。引水隧洞位于區(qū)域性斷裂鄉(xiāng)城斷裂與索讓斷裂所夾的地塊(斷裂相距2.3km～4km)，層間擠壓破碎帶和次級(jí)小斷層發(fā)育，據(jù)現(xiàn)場測繪，20m至30m就有一條破碎帶(厚10cm～20cm)或小斷層。

隧洞分布于三迭系上統(tǒng)圖姆溝組地層(T3t)中，圍巖巖性主要為砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖，其次為千枚巖、含炭泥質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖。其中，砂質(zhì)板巖、含炭泥質(zhì)板巖呈極薄～薄層狀，其余為塊狀。巖層產(chǎn)狀N5°～10°E/NW(或SE)∠70°～85°至N5°～10°W/SW(或NE)∠65°～85°，隧洞軸線走向延伸與巖層走向基本一致(或小角度相交)，巖層傾角陡，近于直立。據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)測試，含炭泥質(zhì)板巖抗壓強(qiáng)度為11.6MPa～21.2MPa，千枚巖抗壓強(qiáng)度為6.9MPa～25.3MPa。按照GB50487-2008規(guī)范，千枚巖、含炭泥質(zhì)板巖屬于軟巖～極軟巖。工區(qū)地下水為基巖裂隙水，賦存于變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖中。引水隧洞段地下水分布不均，部分開挖洞段干燥，部分洞段出現(xiàn)涌水，流量達(dá)0.10m3/s～0.30m3/s。

開挖過程中，在隧洞2#、4#、6#施工支洞對(duì)應(yīng)主洞遇軟巖；2#、4#施工支洞對(duì)應(yīng)主洞(樁號(hào)S3+614.3m～S3+752.4m，S8+268.0m～S8+409.0m)圍巖巖性為千枚巖、含炭泥質(zhì)板巖，呈千枚狀結(jié)構(gòu)或薄層～極薄層狀結(jié)構(gòu)；6#施工支洞及對(duì)應(yīng)主洞(樁號(hào)S13+471.0m～S13+603.0m)圍巖巖性為砂質(zhì)板巖、含炭泥質(zhì)板巖，薄層～極薄層狀結(jié)構(gòu)。2#施工支洞對(duì)應(yīng)主洞垂直埋深58m～65m，水平埋深大于150m；4#、6#垂直埋深180m～300m，水平埋深大于150m。施工方法采取全斷面開挖工藝，支護(hù)時(shí)間、支護(hù)方法不合理，致使隧洞圍巖巖體外露時(shí)間過長，加之基巖裂隙水涌入，隧洞邊墻、頂拱出現(xiàn)嚴(yán)重變形，邊墻變形量10cm～50cm，局部達(dá)60cm～70cm，最大達(dá)200cm(樁號(hào)S3+614.3m～S3+752.4m)，出現(xiàn)混凝土鼓包、裂縫、支撐型鋼嚴(yán)重變形等現(xiàn)象。在7#施工支洞對(duì)應(yīng)主洞(樁號(hào)S15+902.25m～S15+977.75m)段甚至出現(xiàn)垮塌，連續(xù)垮塌段長75.5m，高15m以上，嚴(yán)重影響施工安全與施工進(jìn)度、質(zhì)量。為此，研究軟質(zhì)圍巖隧洞變形特征及形成原因，提出控制軟質(zhì)圍巖變形的工程處理措施，是本工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 軟質(zhì)圍巖變形力學(xué)機(jī)理分析

3.1 軟質(zhì)圍巖的組成成分分析

為了解其礦物組成，在2#、4#支洞分別取含碳泥質(zhì)板巖、千枚巖進(jìn)行能譜分析和電子顯微鏡掃描。其結(jié)果表明，軟巖礦物成分主要為絹云母、伊利石、蒙脫石，含石膏，其粒徑2μm～5μm，片狀礦物含量多，具有定向性。

3.2 軟質(zhì)圍巖膨脹性分析

在2#、4#支洞對(duì)應(yīng)的主洞分別取含碳泥質(zhì)板巖、千枚巖巖樣一組，在6#支洞對(duì)應(yīng)的主洞取含碳泥質(zhì)板巖巖樣二組作自由膨脹率試驗(yàn)(試驗(yàn)結(jié)果見表1)。自由膨脹率采取以下公式計(jì)算：

Fs=100(V1-V0)/V0

式中： Fs——自由膨脹率(%)；

V1——膨脹穩(wěn)定體積(ml)；

V0——試樣原體積(ml)。

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，含碳泥質(zhì)板巖和千枚巖均具弱膨脹性；千枚巖自由膨脹率較低，為10%～12%；含碳泥質(zhì)板巖自由膨脹率較高，達(dá)到34%。

表1 軟質(zhì)圍巖自由膨脹率試驗(yàn)成果

3.3 軟質(zhì)圍巖的力學(xué)性質(zhì)

含碳泥質(zhì)板巖，呈極薄～薄層狀，極薄層含碳泥質(zhì)板巖取樣、制樣困難，采取現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗(yàn)，測得其抗壓強(qiáng)度3.4MPa～5.7MPa，屬極軟巖；對(duì)薄層微風(fēng)化含碳泥質(zhì)板巖取樣作室內(nèi)試驗(yàn)，測得其抗壓強(qiáng)度11.6MPa～21.2MPa，屬軟巖；微風(fēng)化～新鮮的千枚巖室內(nèi)試驗(yàn)，測得其抗壓強(qiáng)度6.9MPa～25.3MPa，屬軟巖。不同點(diǎn)位、不同巖樣測得的抗壓強(qiáng)度值離散性較大，說明其巖性存在不均一性，與施工現(xiàn)場開挖揭示的情況一致。隧洞軟質(zhì)圍巖建議參數(shù)見表2。

表2 隧洞軟質(zhì)圍巖建議參數(shù)

3.4 軟質(zhì)圍巖變形的力學(xué)機(jī)理分析

軟質(zhì)圍巖變形機(jī)理復(fù)雜?？傮w上講，軟質(zhì)巖體變形包括：與空間變化有關(guān)(如開挖卸荷)的彈塑性變形(含松弛變形)，與時(shí)間變化有關(guān)的膨脹變形(或流變)兩部分。

據(jù)2#、4#、6#支洞對(duì)應(yīng)的主洞圍巖自由膨脹率試驗(yàn)成果，含碳泥質(zhì)板巖和千枚巖都屬于弱膨脹巖，隧洞開挖卸荷后膨脹變形量不會(huì)很大。洞身變形主要來自圍巖彈塑性變形和支護(hù)不當(dāng)引起的松弛變形，這與巖體的強(qiáng)度低和彈性模量小密切相關(guān)。隧洞開挖后，含碳泥質(zhì)板巖和千枚巖體內(nèi)應(yīng)力瞬時(shí)變化，圍壓降低，巖體強(qiáng)度更低，巖體彈性模量在洞室周圍巖體形成大范圍的塑性區(qū)，導(dǎo)致大的彈塑性變形。圍巖應(yīng)力減小及爆破可引起洞壁巖體出現(xiàn)0.5m左右松弛帶，隨著時(shí)間推移，松弛帶厚度加大，圍巖松弛是軟質(zhì)巖變形的重要原因。據(jù)文獻(xiàn)〔3〕，41h以內(nèi)洞壁巖體松弛速度變化快，41h～260h逐漸變緩，260h后洞壁巖體松弛速度基本穩(wěn)定。

千枚巖、含碳泥質(zhì)板巖屬于易軟化性巖石，遇水后極易軟化，特別是在卸圍壓(如開挖)條件下，圍巖強(qiáng)度和彈性模量軟化更加明顯。

洞室開挖后的彈塑性變形主要是開挖擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)的圍巖變形，要有效地控制這一部分變形，需要即時(shí)支護(hù)，以控制圍壓的喪失或恢復(fù)部分圍壓。

4 軟質(zhì)圍巖變形特征及原因分析

4.1 圍巖變形的類型劃分

根據(jù)圍巖變形的典型實(shí)例和變形機(jī)制，按變形受控條件，將圍巖變形的類型劃分為：結(jié)構(gòu)構(gòu)造型、巖性控制型和人工擾動(dòng)型三種主要類型。如表3。

表3 圍巖變形類型

本引水隧洞2#、4#、6#支洞對(duì)應(yīng)主洞的巖體(千枚巖和含碳泥質(zhì)板巖)，變形類型為典型的巖性控制型。

4.2 軟質(zhì)圍巖變形特征分析

據(jù)可研報(bào)告及現(xiàn)場調(diào)查，2#支洞對(duì)應(yīng)主洞樁號(hào)S3+614.3m～S3+752.4m段，4#支洞對(duì)應(yīng)的主洞樁號(hào)S8+268m～S8+409.0m段，均屬Ⅴ類圍巖；6#支洞對(duì)應(yīng)的主洞樁號(hào)S13+471m～S13+603.0m段，屬Ⅳ2類圍巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪及施工地質(zhì)資料和變形監(jiān)測成果，將各洞段圍巖地質(zhì)特征和變形特征列于表4。

表4 軟質(zhì)圍巖變形特征分析

4.3 軟質(zhì)圍巖變形原因分析

軟質(zhì)圍巖變形原因是多方面的，總體來說包括地質(zhì)環(huán)境、圍巖本身性質(zhì)和施工擾動(dòng)等三方面。

4.3.1 地質(zhì)環(huán)境條件

4.3.1.1 地質(zhì)構(gòu)造。工區(qū)地處三地槽褶皺帶接合部位，引水隧洞位于區(qū)域性斷裂鄉(xiāng)城斷裂與索讓斷裂所夾的地塊，經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造裂隙、層間擠壓破碎帶、小斷層極其發(fā)育，致使巖體破碎。引水隧洞軸線與巖層走向呈小角度夾角，部分洞段近于平行，巖層陡傾。

4.3.1.2 地應(yīng)力。引水隧洞處于NW～SE向水平主壓應(yīng)力與NNE～SWW向水平主張應(yīng)力的構(gòu)造應(yīng)力場中，屬高應(yīng)力區(qū)。地應(yīng)力高，圍巖在高應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面緊密閉合，洞段開挖卸荷應(yīng)力釋放后結(jié)構(gòu)面隨即產(chǎn)生張滑，導(dǎo)致隧洞圍巖嚴(yán)重變形。

4.3.1.3 水文地質(zhì)條件。引水隧洞工區(qū)巖性為含碳泥質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、千枚巖相間分布，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，又被兩條阻水?dāng)嗔褗A持，給地下水的賦存提供了有利條件。據(jù)已開挖洞段資料，除6#支洞對(duì)應(yīng)的主洞段外，其余洞段地下水呈滴狀或線狀、股狀滲出。在2#、4#支洞對(duì)應(yīng)的主洞還出現(xiàn)了涌水，最大流量達(dá)0.30m3/s。地下水的加入使千枚巖和含碳泥質(zhì)板巖發(fā)生軟化，使得圍巖的強(qiáng)度變得更低。

4.3.2圍巖本身性質(zhì)

4.3.2.1 巖性為軟質(zhì)巖。引水隧洞圍巖巖性主要為砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖，其次為含碳泥質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖。千枚巖和含碳泥質(zhì)板巖，屬軟巖～極軟巖，其強(qiáng)度低，彈性模量小。尤其隧洞開挖卸圍壓后強(qiáng)度更低，在山巖壓力作用下，開挖后隧洞圍巖形成一定范圍的塑性變形區(qū)，圍巖松弛導(dǎo)致軟質(zhì)圍巖變形。

4.3.2.2 組成礦物成分遇水易軟化。含碳泥質(zhì)板巖、千枚巖礦物成分主要為絹云母、伊利石、蒙脫石，含石膏，遇水易軟化，暴露后易風(fēng)化。

4.3.2.3 巖體結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性。含碳泥質(zhì)板巖，極薄～薄層狀結(jié)構(gòu)，千枚巖呈千枚狀結(jié)構(gòu)，片狀礦物含量多，層理極其發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性。

4.3.2.4 圍巖具有弱膨脹性。巖石的礦物組分和結(jié)構(gòu)特征決定了圍巖的膨脹性能，據(jù)試驗(yàn)測試，千枚巖、含碳泥質(zhì)板巖均具弱膨脹性。

4.3.3 施工擾動(dòng)

4.3.3.1 開挖方式不同，造成的位移量不同。據(jù)對(duì)開挖洞段的二維模型計(jì)算，全斷面開挖初期支護(hù)完成后頂拱和水平位移分別為53mm和45mm，采用臺(tái)階法施工工藝開挖頂拱和水平位移分別為36mm和19mm。臺(tái)階施工法比全斷面施工法位移小35%左右。如果沒有充分認(rèn)識(shí)到軟質(zhì)圍巖變形的后果，隧洞采取全斷面開挖法施工工藝，就不利于即時(shí)控制圍巖變形。

4.3.3.2 施工爆破影響。爆破孔深、孔距、裝藥量等爆破參數(shù)對(duì)塑性區(qū)范圍有顯著影響，應(yīng)采用少藥量、弱爆破，減小爆破對(duì)塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大作用，從而減少爆破對(duì)圍巖的不利影響。

4.3.3.3 支護(hù)、襯砌時(shí)間與強(qiáng)度。初期支護(hù)、二襯施作時(shí)間對(duì)隧洞變形影響明顯。據(jù)段偉等對(duì)圍巖松弛圈的測試結(jié)果，對(duì)Ⅳ1類圍巖測試初始時(shí)刻松弛圈已完成45%～55%，松弛圈完成80%時(shí)間為30h～73h；對(duì)Ⅳ2類圍巖測試初始時(shí)刻松弛圈已完成44%～48%，松弛圈完成80%，時(shí)間為70h～80h。盡管不同巖性、不同地應(yīng)力松弛圈完成時(shí)間不盡相同，但即時(shí)初期支護(hù)，及早襯砌，能有效減小隧洞變形量。隧洞變形與初期支護(hù)不及時(shí)、強(qiáng)度不足，襯砌不及時(shí)密切相關(guān)。

4.3.3.4 二次開挖。若初期支護(hù)不及時(shí)或強(qiáng)度不足，往往會(huì)造成初期支護(hù)侵入隧洞凈空，為保證襯砌厚度和隧洞凈空需二次開挖。為避免出現(xiàn)二次開挖，施工中需要預(yù)留一定變形空間。

5 軟質(zhì)圍巖變形工程處理措施

地質(zhì)環(huán)境條件、圍巖本身性質(zhì)改變很難，根據(jù)隧洞開挖洞段的圍巖變形特征，可以采取相應(yīng)的工程處理措施，控制圍巖變形量。圍巖變形處理措施的總體是：短進(jìn)尺，快循環(huán)；邊開挖，邊襯砌；弱爆破，強(qiáng)排水；早封閉，強(qiáng)支護(hù)；勤監(jiān)測，速反饋。

5.1 合理選擇開挖方式

采取臺(tái)階法施工工藝開挖比全斷面法施工工藝開挖，引起的位移小35%左右，減小了塑性區(qū)范圍，能有效抑制圍巖變形量；開挖采用短進(jìn)尺，快循環(huán)施工工藝，對(duì)初期的穩(wěn)定性非常有利。

5.2 正確確定支護(hù)時(shí)間

開挖前在圍巖破碎的拱部范圍，采用超前支護(hù)，邊開挖，邊襯砌，按照松弛圈完成時(shí)間及時(shí)采取永久混凝土襯砌跟進(jìn)。

5.3 采用科學(xué)的爆破策略

采取少藥量、弱爆破，減少爆破對(duì)圍巖的影響。

5.4 施工中及時(shí)排水

含碳泥質(zhì)板巖和千枚巖屬于易軟化巖石，遇水后極易軟化，其抗壓強(qiáng)度和變形模量因此會(huì)大幅度降低。在施工中采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，能有效控制圍巖變形。

5.5 預(yù)留必要的變形空間

隧洞軟質(zhì)圍巖變形會(huì)侵占設(shè)計(jì)支護(hù)襯砌凈空或隧洞凈空，開挖支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留足夠的變形空間，防止變形后的初期支護(hù)侵入二次襯砌的混凝土空間。以2#支洞對(duì)應(yīng)的主洞(S3+614.3m～S3+752.4m)為例，據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測資料分析，在施工開挖中需要預(yù)留的變形量見表5。

表5 2#支洞對(duì)應(yīng)的主洞變形監(jiān)測

隧洞軟質(zhì)圍巖變形與洞室埋深、圍巖強(qiáng)度密切相關(guān)，據(jù)文獻(xiàn)〔2〕、〔4〕，圍巖本身性質(zhì)對(duì)其變形極限位移影響最大，其變形量隨圍巖類別降低而增大，隨隧洞埋深增大而增大；在相同圍巖類別及地應(yīng)力條件下，洞徑變化對(duì)變形影響較小。因此，對(duì)圍巖本身性質(zhì)的準(zhǔn)確判定十分重要。

5.6 加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與施工過程圍巖變形監(jiān)測

加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，科學(xué)的選擇施工方案，做到有預(yù)見性；加強(qiáng)施工過程的圍巖變形監(jiān)測，科學(xué)合理布設(shè)圍巖變形監(jiān)測實(shí)施方案，包括測點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測頻率、監(jiān)測手段；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析圍巖變形特征，及時(shí)調(diào)整完善支護(hù)設(shè)計(jì)，通過監(jiān)測及時(shí)掌控圍巖變形，控制開挖進(jìn)尺，合理確定支護(hù)時(shí)間。據(jù)文獻(xiàn)〔3〕，隧洞變形主要發(fā)生在開挖后40h～50h以內(nèi)，初期變形速度快，其支護(hù)時(shí)間應(yīng)在未發(fā)生大的變形之前完成，Ⅳ2、Ⅴ類圍巖宜在開挖后數(shù)小時(shí)內(nèi)，Ⅳ1類圍巖宜在開挖后數(shù)小時(shí)至十幾小時(shí)完成支護(hù)。

通過處理本引水隧洞圍巖變形破壞的實(shí)踐證實(shí)，即使隧洞位于高地應(yīng)力區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，采取以上處理措施后，其效果良好。新開挖的洞段采用以上工程處理措施，未出現(xiàn)軟質(zhì)圍巖大規(guī)模的變形的破壞情況，確保了引水隧洞施工安全、施工進(jìn)度，提高了施工質(zhì)量，降低了施工成本，解決了施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

6 結(jié)語

在高應(yīng)力地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)建設(shè)引水隧洞，若遇軟巖時(shí)，其圍巖變形及其破壞不容忽視；可以通過合理的工程處理措施控制變形破壞。

隧洞施工進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，合理選擇開挖方式，進(jìn)行過程監(jiān)測。包括通過測量手段變形觀測，通過物探手段或原位測試進(jìn)行應(yīng)力變化監(jiān)測，合理確定支護(hù)時(shí)間和預(yù)留必要的變形空間十分重要。

本工程處理措施對(duì)類似工程，特別是在高應(yīng)力地質(zhì)條件復(fù)雜的基巖分布區(qū)施工隧洞，具有一定的借鑒意義。

〔1〕成壽根，文張泉等.洞松水電站軟巖大變形引水隧洞施工技術(shù)開發(fā)[D].西南交通大學(xué)，2011.

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〔3〕段 偉，王 杰等.某隧洞軟弱圍巖變形特性測試與分析[J].人民黃河，2015，(10)：134～137.

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2095-1809(2016)04-0019-05

楊紹平(1963-)，男，四川劍閣人，副教授，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)教學(xué)與生產(chǎn)科研工作。