弱膨脹性泥巖地區(qū)小型引水隧洞病害分析及加固

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(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

弱膨脹性泥巖地區(qū)小型引水隧洞病害分析及加固

袁東，胡勝剛，李玉婕

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

以貴州某水電站無壓引水隧洞加固工程為例，針對弱膨脹性泥巖導致的隧洞側墻變形開裂、頂拱巖塊脫落、底板隆起等工程病害，結合工程所在區(qū)域的地質特點，通過試驗和地質雷達等手段對隧洞圍巖變形特征進行分析，明確了隧道圍巖長期遭水浸泡，膨脹性圍巖遇水膨脹是引發(fā)隧洞病害的主要誘因。采用三維數(shù)值模型，對隧洞膨脹性圍巖遇水膨脹導致的隧洞側墻應力應變分布特征進行模擬。擬定以排水、隔水為主，同時采用錨桿加固、對側墻變形嚴重區(qū)段分塊拆除重建的工程修復方案，并提出在實際施工過程中應注意隧洞側墻逆止閥安裝、隧洞側墻拆除重建等施工工藝要求。本隧洞修復工程最終取得良好的實際運用效果。

膨脹巖；引水隧洞；病害分析；加固設計；除險施工

膨脹性巖土在我國分布廣泛，其具有易受擾動、變形量大、地應力高以及吸水膨脹等特點，因此成為隧洞工程中的技術難點[1]。程永輝等[2]對降雨條件下膨脹土的失穩(wěn)過程進行了離心機模擬，研究表明膨脹性巖土的破壞往往具有漸進性和逐級牽引性的特點；徐晗等[3]對邯鄲某膨脹巖吸濕膨脹進行三軸試驗和數(shù)值計算，結果表明其最優(yōu)處理層厚為2 m；尹庭杰等[4]對引大入秦工程盤道嶺隧洞病害進行了分析，認為地下水是隧洞病害的主要因素。

我國水資源分布嚴重不均，山地面積眾多，為中小型水電的發(fā)展提供了有利條件。但中小型水電站的建設因技術力量或資金等方面的限制，在工程勘察、設計階段對工程地質情況了解不夠全面，在施工過程中又忽視由于地質條件變化而產(chǎn)生的影響。特別是在弱膨脹性泥巖地區(qū)，容易造成工程勘察階段對泥巖膨脹性的疏漏或設計階段對其危害考慮不足。工程運行若干年后，膨脹性巖土往往導致隧洞逐漸產(chǎn)生各種病害，影響工程的正常使用及安全運行。

1 膨脹性泥巖的特性

1.1 吸水膨脹

泥質的膨脹性圍巖膨脹程度主要是由巖石中的膨脹性礦物蒙脫石的實際含量來決定的，其含量越高，膨脹性越強，含量越低，膨脹程度就越小。

1.2 失水干縮

巖石的含水量發(fā)生變化，膨脹性泥巖就會發(fā)生形狀變化。在隧洞開挖后，膨脹性泥巖會逐漸的失水干燥，從而造成開裂干縮，一旦再次遇水，就會發(fā)生膨脹崩解。

1.3 易擾動性和流變特性

易擾動性和流變特性基本表現(xiàn)為巖石的松弛性和蠕變性，巖體在隧洞開挖過程中易松弛剝落。當隧洞側墻施工完成后，松弛和剝落的巖體在外力作用下產(chǎn)生蠕變，進而致使隧洞側墻產(chǎn)生變形。

2 工程概況

貴州某小型水電站，采取攔河壩加無壓引水隧洞布置，引水隧洞穿過區(qū)段有第四系崩塌堆積塊石、殘坡積黏土。隧洞上部為砂質黏土，厚10～15 m，對隧洞影響較小。隧洞穿過的巖層主要為J3p2紫紅色砂質泥巖，泥巖，灰色、淺灰色塊狀長石砂巖，產(chǎn)狀110°～235°，∠6°～10°，向上游緩傾，單斜構造，巖層傾向與隧洞走向以較小的交角(5°～15°)斜交，巖性軟硬相向。隧洞原始地應力以自重應力為主。

引水隧洞斷面為城門洞型無壓洞，隧洞洞身地層巖性軟硬相間為Ⅳ類、V類圍巖，巖層產(chǎn)狀平緩。引水隧洞長1.6 km，寬3.6 m，側墻高度3.3 m，洞內正常水位3.05 m。隧洞進出口為淺埋段，底板、側墻、頂拱均采用鋼筋混凝土澆筑；其余洞段為深埋段，底板、側墻為素混凝土澆筑，頂拱采用噴射混凝土封閉。隧洞建成后已運行8 a，隨著隧洞運行年限增加，隧洞中逐漸出現(xiàn)側墻向內傾斜、開裂；底板向上隆起；拱肩頂拱巖塊脫落、掉塊等現(xiàn)象，急需進行加固處理。

3 隧洞圍巖破壞特征分析

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，隧洞側墻開裂，混凝土伸縮縫變形，導致隧洞防滲幾乎失效，隧洞運行時大量水滲漏至圍巖中。同時由于隧洞原設計未布置排水孔，在隧洞頂部存在較多地下水滲漏點，地下水難以排出。

對隧洞圍巖巖樣進行取樣，并進行礦物鑒定(表1)發(fā)現(xiàn)，巖樣中伊利石和綠泥石含量分別占20%，初步判斷該類巖體遇水具有一定的膨脹性。

表1 現(xiàn)場巖樣礦物含量鑒定成果

在膨脹性巖體中開挖隧洞會使圍巖內的原始地應力得到釋放，使圍巖產(chǎn)生脹裂。隨著隧洞長年運行，圍巖環(huán)境不斷經(jīng)歷干濕循環(huán)，泥巖脫水時會使產(chǎn)生收縮裂縫，使巖體中原有的裂縫張開、擴大，而在飽水時，由于泥巖吸水后其含水率場分布不均勻，在干濕分界面處巖體易由于不均勻膨脹變形而導致局部剪切搓動，并隨水分在巖體內的遷移，不均勻膨脹逐漸向圍巖縱深擴展，導致泥巖產(chǎn)生崩解。在膨脹壓力和圍巖壓力的共同作用下，圍巖局部發(fā)生破壞，進而引起圍巖的連續(xù)性破壞。為進一步查明隧洞圍巖破壞情況，采用地質雷達對側墻變形、開裂嚴重的區(qū)域采用地質雷達進行探測。探測方式為現(xiàn)場選定代表性剖面，在每個剖面上對左右兩側墻至上而下進行探測,典型剖面探測波形如圖1所示。由于雷達掃描是自上而下均速進行，因此圖1表示掃描剖面上側墻沿高度0～3.3 m范圍內不同位置產(chǎn)生的波形。通過地質雷達探測發(fā)現(xiàn)在側墻中部1～1.5 m高度范圍內存在明顯波速衰減區(qū)域，說明該區(qū)域后方圍巖存在較嚴重崩解風化情況，根據(jù)經(jīng)驗取波速為0.1 m/ns計算出風化層厚度在0～0.9 m之間。

(a)左墻樁號K0+249

(b)左墻樁號K0+346

圖1地質雷達探測結果

Fig.1Resultsofgeologicalradardetection

通過取樣試驗及地質雷達探測分析認為，長期浸泡引起圍巖膨脹是引起隧洞側墻向內傾斜，底板隆起，拱肩巖體脫落、掉塊等病害的主要原因。隧洞設計水位位于側墻頂部以下25 cm，當出現(xiàn)極端天氣或操作不當時，隧洞內水位會超過側墻，水灌入側墻混凝土與圍巖之間的縫隙，同時由于地下水排水不暢，地下水壓力也會直接作用于圍巖上。而圍巖屬裂隙—弱裂隙含水—弱透水巖體，砂巖與泥巖接觸帶等部位巖體透水率較大，泥巖遇水膨脹、崩解破壞，其膨脹力使隧洞側墻發(fā)生向內傾斜和嚴重拉裂，底板向上隆起，頂拱產(chǎn)生剝落和掉塊現(xiàn)象，而側墻的變形、開裂又進一步加劇了隧洞內水的滲漏，由此產(chǎn)生惡性循環(huán)，對隧洞安全造成嚴重威脅。

4 隧洞側墻變形三維數(shù)值模擬

采用巖土工程通用軟件FLAC3D對隧洞運行期受力條件進行計算，并考慮運行期各種荷載對圍巖穩(wěn)定性、側墻受力和變形的影響，對側墻的變形進行定量分析。根據(jù)隧洞斷面設計尺寸和地質條件，取隧洞斷面樁號K0+180—K0+480段建立三維數(shù)值模型，見圖2。

圖2隧洞局部網(wǎng)格

Fig.2Localgridsofthetunnel

隧洞側墻厚度20 cm為C20素混凝土澆筑，底板厚度15 cm為C20素混凝土澆筑，頂拱厚度8 cm為C20噴射混凝土。隧洞兩側邊界各取3倍洞徑，模型底部全約束，兩側法向約束，巖體力學參數(shù)綜合考慮地質勘查資料和現(xiàn)場測試取值，參數(shù)取值見表2。

表2 數(shù)值模型圍巖力學參數(shù)

計算荷載主要考慮自重、巖體裂隙外水壓力和泥巖遇水軟化產(chǎn)生的膨脹力，F(xiàn)LAC3D中膨脹力為面力，垂直于襯砌施加。結合水文地質資料，該段隧洞的外水水頭為60 m，根據(jù)規(guī)范要求進行折減，折減系數(shù)取0.25～0.6，膨脹力取值范圍為50～200 kPa。計算側墻應力分布如圖3(a)所示，側墻變形分布如圖3(b)所示。

(a)側墻拉應力分布 (b)側墻變形分布

圖3側墻拉應力與變形分布

Fig.3Distributionsoftensilestressanddeformationofsidewall

從拉應力分布以及變形分布可看出，側墻在受外部巖體裂隙水壓力和泥巖遇水產(chǎn)生的膨脹力作用下，拉應力主要集中在側墻中部以及底板中部，致使側墻中部和底板變形較大，側墻中部最大變形有5 cm左右，底板隆起變形有3 cm左右。

原隧洞側墻及底板均為C20素混凝土，其抗拉強度為1～1.5 MPa，而根據(jù)計算結果，側墻中部和底板中部存在拉應力集中區(qū)，最大拉應力可達1～1.1 MPa，達到或接近混凝土的抗拉強度極限，從而導致側墻以及底板產(chǎn)生橫向裂縫。這一分析結果與實際隧洞中裂縫分布情況較為一致。

5 隧洞修復方案

現(xiàn)場勘查及數(shù)值模擬結果表明，膨脹性泥巖遇水膨脹、崩解是該隧洞出現(xiàn)病害的主要原因。針對這一特點，擬定了以排水、隔水為主導的處理意見，同時采取錨桿加固、對側墻變形嚴重區(qū)段拆除重建的工程手段。具體方案如下：

(1)對側墻頂部結構及拱肩進行封閉，防止水灌入側墻后方，對伸縮縫采用滲透結晶水泥基材料進行修補隔滲；對側墻表面裂縫采用滲透結晶材料涂層處理減少滲漏。在側墻設置系統(tǒng)排水孔并安裝逆止閥，在隧洞頂拱局部滲漏點設置隨機排水孔，降低圍巖內孔隙水壓力，消除結構安全隱患。

(2)K0+180—K0+480洞段對應Ⅴ類圍巖，該洞段側墻及底板變形嚴重，拱肩頂拱出現(xiàn)掉塊。側墻混凝土達到抗拉強度極限出現(xiàn)開裂，并且形成縱橫交錯的網(wǎng)狀裂縫，隨著時間的推移會繼續(xù)開裂、變形，可能產(chǎn)生較大變形，側墻存在向內傾倒的危險。同時側墻開裂導致隧洞滲漏嚴重，水滲入圍巖會使圍巖吸水膨脹，進一步增加側墻變形。因此對該洞段采取拆除側墻混凝土，采用錨桿+鋼筋聯(lián)合受力的鋼筋混凝土側墻進行重建，錨桿直徑25 mm，長4 m，間距1.5 m，排距1.0 m；鋼筋混凝土厚度20 cm，混凝土強度等級為C25。

底板隆起區(qū)域采用系統(tǒng)錨桿加固，錨桿直徑25 mm，長度3 m，間距1.5 m，排距1.5 m；隆起較大的底板拆除后澆筑鋼筋混凝土；底板與側墻同時拆除時，鋼筋相互搭接，形成整體結構。

對頂拱及拱肩松動巖塊進行排險，采用錨桿和掛網(wǎng)噴射混凝土加固，錨桿直徑25 mm，錨桿長度3.0 m，掛網(wǎng)鋼筋網(wǎng)格間距200 mm,同時對頂拱滲漏部位設置排水孔。隧洞重建段斷面設計圖見圖4。

圖4隧洞重建段斷面設計

Fig.4Designoftunnelreconstructionsection

(3)對于其余Ⅳ類圍巖洞段，受膨脹性泥巖影響，側墻出現(xiàn)向內變形，設計采用系統(tǒng)錨桿對圍巖進行加固，錨桿直徑為25 mm，錨桿長度3.0 m；間距1.5 m，排距2.0 m，采用梅花形布置。

6 施工中應注意的問題

6.1 逆止閥安裝

地下水隨季節(jié)的變化呈現(xiàn)出較大的波動，當?shù)叵滤^高于隧洞內水頭時，其會對側墻產(chǎn)生水壓力，致使防滲結構產(chǎn)生破壞。因此，設計采用了系統(tǒng)排水孔與逆止閥相結合的處理方案，從而實現(xiàn)自動單向排水和反向止水，以滿足隧洞排水和防滲的雙重要求。

本工程采用由長江科學院研制的壓差控制式高精度逆止閥，啟動水頭小于5 cm[5]。安裝過程中需對排水孔出水口處進行擴孔處理，逆止閥裝入后采用環(huán)氧樹脂進行密封，同時在逆止閥外部安裝石棉過濾網(wǎng)，防止隧洞內泥沙淤堵逆止閥。

6.2 側墻拆除

側墻拆除是隧洞修復施工中的重點，同時施工難度及風險也最大。由于隧洞拆除段側墻已變形開裂，在拆除過程中由于機械震動，側墻極有可能發(fā)生傾倒。同時隧洞圍巖在隧洞運行過程中，經(jīng)過長年浸泡已松弛崩解，其強度遠低于隧洞初期修建時，側墻拆除后有可能引起隧洞塌方。

為保證施工安全，側墻拆除采用以下技術手段：①采用鋼結構對隧洞側墻進行對撐，防止側墻傾倒；②采用系統(tǒng)錨桿對隧洞側墻及頂拱圍巖進行加固，同時在頂拱掛鋼筋網(wǎng)，防止掉塊；③采用切割機在側墻混凝土上間隔6 m開豎向預裂縫，防止側墻在拆除過程中出現(xiàn)大面積傾倒；④采用混凝土劈裂機對側墻混凝土進行預裂，最后用破碎機進行拆除。

由于膨脹性泥巖遇水軟化，所以施工過程中要加強洞內排水，確保洞內無積水，側墻拆除后要立即對圍巖進行噴射混凝土封閉，減少圍巖含水量的變化。

6.3 加強施工管理

各工序之間銜接要連續(xù)、緊湊，縮短各工序之間的作業(yè)時間，從側墻拆除到新側墻澆筑之間的時間不超過7 d，單次側墻拆除長度不超過12 m，兩邊側墻不可同時拆除，待一邊側墻完成澆筑并達到強度后方可拆除另一邊側墻。

7 結 語

(1)引水隧洞滲漏、地下水排水不暢是弱膨脹性泥巖引起的隧洞病害的主要原因，對于此類隧洞的除險加固應以排水、隔水為主要思路，本工程在引水隧洞中采用逆止閥實現(xiàn)了既能排水又能止水的目的，在實際運用中取得良好效果。

(2)通過詳細查勘及計算，對于側墻已產(chǎn)生變形的洞段，根據(jù)現(xiàn)場實際情況提出拆除重建結合錨桿加固的修復方案，既滿足了工程要求，又具有較好經(jīng)濟性與可操作性。

(3)膨脹性泥巖遇水崩解軟化，對隧洞側墻拆除帶來一定風險，通過制定詳細技術方案，合理安排組織施工，確保了隧洞修復工程安全順利完成。

[1] 程展林，丁金華，饒錫保，等.膨脹土邊坡物理模型試驗研究[J].巖土工程學報，2014，36(4): 716-723.

[2] 程永輝，程展林，張元斌.降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)機理的離心模型試驗研究[J].巖土工程學報，2011，33(增1)：409-414.

[3] 徐 晗，黃 斌，饒錫保，等.膨脹巖處理措施合理性研究[J].南水北調與水利科技，2009，7(6)：139-141.

[4] 尹庭杰，梁慶國， 趙佃錦，等.引大入秦工程盤道嶺隧洞病害原因淺析[J].蘭州交通大學學報，2014，33(4)：82-88.

[5] 程永輝，龔 泉，郭鵬杰.壓差放大式逆止閥的研制及工程應用[J].長江科學院院報，2017，34(6)：149-154.

(編輯：羅 娟)

Disease Analysis and Reinforcement of Small Diversion Tunnel in Weak Expansive Mudstone Area

YUAN Dong,HU Sheng-gang,LI Yu-jie

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

With the reinforcement project of non-pressure diversion tunnel of a hydropower station in Guizhou as

background, this research aims at the engineering diseases such as deformation and cracking of side wall of tunnel, detachment of rock blocks from tunnel vault and upheaving of tunnel floor caused by weak expansive mudstone. According to the geological characteristics of the study area, we analyzed the deformation of surrounding rock by means of tests and geological radar, and found that the swelling of rock triggered by long-term water immersion is the main cause of engineering diseases. Moreover, by simulating the stress and strain distribution of sidewall in 3-D model, we proposed a restoration scheme involving drainage and water insulation, supplemented by anchor reinforcement and partition demolition in severely deformed sidewall area. In addition, we put forward some requirements for construction techniques, such as the installation of check valve on sidewall and the demolition and reconstruction of sidewall. The restoration project has finally achieved good practical result.

expansive rock;diversion tunnel;disease analysis;reinforcment design; construction for danger elimination

10.11988/ckyyb.20160746 2017,34(11):44-47,60

2016-07-21;

2016-10-13

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2016019/YT)

袁 東(1984-)，男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事巖土工程測試技術研究工作，(電話)027-82829725(電子信箱)115058058@qq.com。

TV672

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1001-5485(2017)11-0044-04