深埋長(zhǎng)隧洞軟巖工程地質(zhì)特性及變形預(yù)測(cè)研究

陳長(zhǎng)生 何林青 李銀泉 史存鵬

摘要：滇中引水工程香爐山深埋長(zhǎng)隧洞穿越軟巖（含斷層破碎帶）時(shí)，在高地應(yīng)力和富水條件下易產(chǎn)生圍巖大變形，變形量可達(dá)數(shù)十厘米到數(shù)米，如不及時(shí)支護(hù)或支護(hù)不當(dāng)，不但給工程建設(shè)帶來(lái)極大困難，而且整治費(fèi)用高昂，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響工期、延滯總體工程進(jìn)度。根據(jù)軟巖工程地質(zhì)特性、軟巖大變形分析評(píng)價(jià)方法、數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)香爐山深埋長(zhǎng)隧洞進(jìn)行了軟巖擠壓大變形分析預(yù)測(cè)，提出了處理措施建議，避免了軟巖大變形可能造成的危害。研究成果可為類似深埋長(zhǎng)隧洞工程提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：深埋長(zhǎng)隧洞; 軟巖大變形; 高地應(yīng)力; 滇中引水工程; 香爐山隧洞

中圖法分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.007

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0035 - 06

0 引 言

根據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，軟巖是指飽和抗壓強(qiáng)度低于30 MPa的巖石，一般具有強(qiáng)度低、變形量大的工程特性[1]。深埋長(zhǎng)隧洞穿越軟巖（含斷層破碎帶）時(shí)，在高地應(yīng)力和富水條件下易產(chǎn)生圍巖大變形，表現(xiàn)為初期支護(hù)嚴(yán)重破裂、扭曲，擠出面侵入限界等，不但給工程建設(shè)帶來(lái)極大困難，同時(shí)嚴(yán)重影響工程施工工期或正常運(yùn)營(yíng)[2]。

目前關(guān)于軟巖大變形還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。鐵路系統(tǒng)相關(guān)研究提出根據(jù)圍巖變形是否超支護(hù)的預(yù)留變形量來(lái)定義大變形，即隧道如果在初期支護(hù)中發(fā)生了大于25 cm（單線隧道）和50 cm（雙線隧道）的位移，則認(rèn)為產(chǎn)生了大變形[3]。姜云、李永林等[4]將隧道圍巖大變形定義為隧道及地下工程圍巖的一種具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形破壞，同時(shí)將隧道圍巖大變形分為受圍巖巖性控制、受圍巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制和受人工采掘擾動(dòng)影響三大類型。總結(jié)國(guó)內(nèi)外典型軟巖大變形工程實(shí)例，主要包括：國(guó)外奧地利陶恩公路隧道、日本惠那山隧道，國(guó)內(nèi)堡子梁鐵路隧道、木寨嶺公路隧道、家竹箐隧道、烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道、錦屏二級(jí)水電站輸水隧洞等。發(fā)生大變形的隧洞圍巖一般為軟巖、極軟巖及斷裂破碎帶，發(fā)生軟巖大變形的隧洞埋深一般超過(guò)400 m，個(gè)別淺者百余米。大變形量級(jí)一般在20～120 cm，大者達(dá)160～240 cm，變形速率可達(dá)10～20 cm/d，變形一般發(fā)生在初期支護(hù)后，導(dǎo)致噴射混凝土開(kāi)裂、掉塊，型鋼拱架嚴(yán)重扭曲變形和斷裂。

本文分析研究了香爐山深埋長(zhǎng)隧洞軟巖大變形，對(duì)于解決滇中引水控制性工程——香爐山深埋長(zhǎng)隧洞工程的實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題、確保工程順利施工和正常運(yùn)營(yíng)均具有重要工程意義，并可為類似深埋長(zhǎng)隧洞工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問(wèn)題的特大型跨流域調(diào)水工程，輸水工程線路總長(zhǎng)664.24 km，其中隧洞58座，占線路總長(zhǎng)的92.13%。香爐山隧洞是滇中引水工程全線地質(zhì)條件及埋深條件最具代表性的深埋長(zhǎng)隧洞，最大埋深1 450 m，埋深大于300 m的洞段占比94.05%，大于600 m的洞段占比67.38%，大于1 000 m的洞段占比34.23%。隧洞起點(diǎn)接石鼓水源提水泵站出水池連接隧洞，主洞段斜穿馬耳山脈，出口位于松桂西側(cè)情人谷（圖1），隧洞總長(zhǎng)62.596 km，軸向總體呈NNW～NW向。洞形設(shè)計(jì)為圓形，凈斷面直徑8.40 m，采用鉆爆法+TBM組合掘進(jìn)施工。

2 香爐山隧洞軟巖（含斷裂帶）分布及工程地質(zhì)特性

2.1 主要軟巖地層及分布特征

香爐山隧洞穿越的軟巖地層較多，以三疊系上統(tǒng)松桂組（T3sn）、下統(tǒng)青天堡組（T1q）、二疊系中統(tǒng)黑泥哨組（P2h）的泥頁(yè)巖類為典型代表（圖2）[5]。此外還穿越大栗樹(shù)斷裂（F9）、龍?bào)?喬后斷裂（F10）、麗江-劍川斷裂（F11）、鶴慶-洱源斷裂（F12）等寬大斷裂帶（圖3），斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖膠結(jié)差、性狀軟弱。香爐山隧洞軟巖總長(zhǎng)13.107 km，占比20.94%。

2.2 軟巖地層巖性巖相與巖性組合特征

（1） 巖性巖相特征。香爐山隧洞區(qū)二疊系上統(tǒng)黑泥哨組（P2h）屬濱海沼澤相沉積，巖性為砂巖、頁(yè)巖夾煤層;三疊系下統(tǒng)青天堡組（T1q）屬陸海過(guò)渡相沉積，巖性為砂巖、泥頁(yè)巖;三疊系上統(tǒng)松桂組（T3sn）屬淺海陸、湖沼相沉積，巖性為砂巖、泥頁(yè)巖夾劣質(zhì)煤線（層）。隧洞區(qū)典型軟巖地層（斷裂帶）巖性特征見(jiàn)圖4。

（2） 軟巖的礦物組成及化學(xué)成分。選取香爐山隧洞部分代表性軟巖地層進(jìn)行礦化分析與鑒定，所得主要軟巖的礦物組成及化學(xué)成分見(jiàn)表1～2。

（3） 巖性組合特征。根據(jù)各軟巖地層中軟、硬巖石組合，劃分為純軟巖組（軟巖含量在90%以上）、軟巖夾硬質(zhì)巖組（軟巖含量70%～90%）、軟巖與硬質(zhì)巖相間組（軟巖含量30%～70%）、硬質(zhì)巖夾軟巖組（軟巖含量10%～30%）、硬質(zhì)巖組（軟巖含量在10%以下）、斷裂破碎帶巖組，各巖組概化與分布特征如圖5所示。其中青天堡組（T1q）軟巖與硬巖占比大致相當(dāng)，各占約50%，屬軟巖與硬質(zhì)巖相間巖組;松桂組（T3sn）為軟巖夾硬質(zhì)巖組，軟巖比例達(dá)80%以上;黑泥哨組（P2h）巖性主要為砂泥頁(yè)巖夾煤層，為軟巖組。

2.3 軟巖地層主要巖石力學(xué)與特殊性特征

2.3.1 物理力學(xué)性質(zhì)

（1） T3sn地層。粉砂質(zhì)泥巖弱風(fēng)化帶：飽和抗壓強(qiáng)度為3.55～7.58 MPa，飽和變形模量E0為1.25～1.47 GPa，泊松比μ為0.26～0.27;屬軟巖-極軟巖。泥巖粉砂巖微風(fēng)化帶：飽和抗壓強(qiáng)度為13.3～19.47 MPa，軟化系數(shù)為0.37～0.5;飽和變形模量E0為3.01～5.52 GPa，泊松比μ為0.27～0.28;屬較軟巖。

（2） T1q地層。泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖微風(fēng)化帶：飽和抗壓強(qiáng)度為8.52～23.93 MPa，軟化系數(shù)為0.36～0.66，飽和變形模量E0為2.31～5.69 GPa，泊松比μ為0.27～0.31;屬較軟巖-軟巖。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 斷裂帶。膠結(jié)較好的碎粉巖弱風(fēng)化帶：飽和抗壓強(qiáng)度為17.40～30.15 MPa，軟化系數(shù)平均值0.42，飽和變形模量E0為1.97～7.59 GPa，泊松比μ為0.25～0.27;屬較軟巖。

2.3.2特殊性特征

（1） 膨脹性。對(duì)三疊系青天堡組（T1q）及松桂組（T3sn）地層泥巖類巖石進(jìn)行了膨脹性試驗(yàn)（表3）。該地層中的泥質(zhì)巖及泥巖不含蒙脫石成分，自由膨脹率均小于1%，根據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》 [1]、TB 10038-2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》 [6]判別標(biāo)準(zhǔn)，初步判斷為不具膨脹性。

（2） 崩解性。松桂組（T3sn）及青天堡組（T1q）地層粉砂質(zhì)泥巖及泥巖的第二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)為88.64%～99.51%（表4），根據(jù)巖石耐久性劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]，兩類巖石具有高至極高耐久性。

3 軟巖分布區(qū)高地應(yīng)力

香爐山隧洞區(qū)主要軟巖地層除隧洞出口段的松桂地層埋深較淺外，大部分分布洞段為深埋，埋深一般在580～1 300 m，局部小者為360 m。按建議地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)（即400 m以上取1.4、以下取1.2）估算預(yù)測(cè)隧洞段地應(yīng)力量級(jí)，最大水平主應(yīng)力一般在15～39 MPa，軟巖-極軟巖（飽和抗壓強(qiáng)度15 MPa以下）區(qū)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比值Rb/σm為1～0.03，具有高至極高應(yīng)力場(chǎng)背景，存在高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形問(wèn)題。

4 軟巖大變形預(yù)測(cè)

4.1 圍巖大變形地質(zhì)條件與發(fā)生機(jī)理

發(fā)生圍巖大變形的隧洞多處于高應(yīng)力區(qū)，且大變形地段的隧道一般埋深在100 m以上，圍巖的天然含水量大，相應(yīng)圍巖類型主要包括：① 顯著變質(zhì)的巖類，如片巖、千枚巖等;② 膨脹性凝灰?guī)r;③ 軟質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化的凝灰?guī)r;④ 凝灰?guī)r和泥巖互層;⑤ 泥巖破碎帶和礦化變質(zhì)黏土;⑥ 斷裂破碎帶等。這類圍巖的黏聚力c值較低，內(nèi)摩擦角很小，單軸抗壓強(qiáng)度較低。目前工程界通常把大變形機(jī)制分為兩大類：① 開(kāi)挖形成的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度而發(fā)生塑性變化;② 巖石中的某些礦物成分和水反應(yīng)發(fā)生膨脹。

4.2 判別準(zhǔn)則

關(guān)于圍巖大變形的預(yù)測(cè)和判別標(biāo)準(zhǔn)目前還沒(méi)有形成一致和明確的定義。《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》[8]根據(jù)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞綠泥石片巖和丹巴水電站引水隧洞二云片巖的軟巖研究提出：在前期勘察中，按巖體強(qiáng)度與斷面最大初始主應(yīng)力比值S的大小對(duì)軟巖的擠壓變形程度進(jìn)行初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，施工期則按實(shí)測(cè)收斂應(yīng)變?chǔ)诺拇笮∵M(jìn)行評(píng)價(jià)，香爐山隧洞軟巖大變形對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

4.3 軟巖大變形特性敏感性數(shù)值分析

（1） 幾何數(shù)值模型及邊界條件。深埋長(zhǎng)隧洞開(kāi)挖斷面軟巖大變形問(wèn)題可按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。采用FLAC3D大型數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9-10]，模型尺寸取200 m×200 m×10 m（長(zhǎng)×寬×厚），共劃分為31 600個(gè)單元。采用應(yīng)力邊界條件，僅考慮水平構(gòu)造應(yīng)力垂直洞軸線的最不利工況;上下邊界應(yīng)力均勻分布，取相應(yīng)埋深的自重應(yīng)力;左右邊界應(yīng)力呈梯形分布，取相應(yīng)埋深的自重應(yīng)力乘以相應(yīng)側(cè)壓系數(shù)所得值。

（2） 巖體本構(gòu)模型及參數(shù)。計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖模型，參考深埋巖石工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合滇中引水巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)成果，所取物理力學(xué)參數(shù)如表6～7所示。

（3） 無(wú)支護(hù)開(kāi)挖條件下的軟巖隧洞圍巖大變形敏感性分析。受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖最大變形量發(fā)生在拱腰或左右邊墻中部。以900 m埋深的較軟巖隧洞為例（圖6～7），開(kāi)挖卸荷引起拱頂、拱底位置的圍巖應(yīng)力重分布并形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致水平向卸荷范圍更廣、變形值更大。不同埋深、巖性和洞形的隧洞圍巖最大收斂值見(jiàn)表8。軟巖隧洞開(kāi)挖變形量隨圍巖等級(jí)增大而增大，隨隧洞埋深增大而增大，且增幅越來(lái)越顯著。

4.4 軟巖大變形預(yù)測(cè)結(jié)果

香爐山深埋隧洞區(qū)軟巖具有高應(yīng)力背景，存在高應(yīng)力條件下塑狀大變形問(wèn)題。該工程主要軟巖地層及斷裂破碎帶分布洞段隧洞埋深一般在400～1 300 m，強(qiáng)度應(yīng)力比值S為0.43～0.03，易產(chǎn)生中等至極嚴(yán)重?cái)D壓變形（圖8～9），少量輕微擠壓變形。

香爐山隧洞10.019 km軟巖洞段可能發(fā)生中等至極嚴(yán)重?cái)D壓變形，占軟巖洞段長(zhǎng)度的76.45%，占隧洞總長(zhǎng)的16%;其中易發(fā)生極嚴(yán)重變形洞段長(zhǎng)4.830 km，占36.85%;嚴(yán)重變形洞段長(zhǎng)3.870 km，占29.53%;中等變形洞段長(zhǎng)1.319 km，占10.07%;輕微變形洞段長(zhǎng)2.628 km，占20.05%。香爐山隧洞深埋洞段軟巖和斷層破碎帶在高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形問(wèn)題較突出。

5 軟巖大變形防治措施建議

（1） 加固圍巖，控制變形。深埋高地應(yīng)力及軟弱圍巖是隧洞產(chǎn)生大變形的內(nèi)在原因，應(yīng)特別加強(qiáng)軟弱圍巖的加固力度，以形成較厚的圍巖加固圈，控制圍巖松弛變形范圍，減少圍壓對(duì)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的作用力。

（2） 先柔后剛，先放后抗?！跋热岷髣偂敝钢ёo(hù)結(jié)構(gòu)，即鋼筋網(wǎng)噴混凝土、可縮鋼架及長(zhǎng)錨桿是最佳構(gòu)成，而二次支護(hù)應(yīng)是剛性的，以承受殘余的應(yīng)力荷載;“先放后抗”即要求初期支護(hù)施作完成后允許發(fā)生一定程度的變形，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留的變形量后再施作二次模注混凝土襯砌。

（3） 變形留夠，防侵凈空。在確定開(kāi)挖輪廓時(shí)必須預(yù)留足夠的變形量，防止變形后的初期支護(hù)侵入二次模注混凝土襯砌凈空。

（4） 加強(qiáng)施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及圍巖塑性大變形實(shí)測(cè)與規(guī)律性總結(jié)，及時(shí)優(yōu)化隧洞支護(hù)參數(shù)，完善圍巖大變形的判別標(biāo)準(zhǔn)，以便未施工段的進(jìn)一步判別和預(yù)測(cè)。

6結(jié) 論

（1） 軟巖一般具有強(qiáng)度低、變形大等工程地質(zhì)特性，深埋隧洞通過(guò)軟巖（含斷層破碎帶）時(shí)，在高地應(yīng)力和富水條件下易產(chǎn)生圍巖大變形。

（2） 目前關(guān)于軟巖大變形的界定及預(yù)測(cè)方法尚無(wú)統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定，本文根據(jù)軟巖工程地質(zhì)特性、軟巖大變形分析評(píng)價(jià)方法、數(shù)值模擬分析成果進(jìn)行了軟巖擠壓大變形初步預(yù)測(cè)。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 香爐山隧洞穿越軟巖洞段總長(zhǎng)13.107 km，占比20.94%，其中易發(fā)生中等至極嚴(yán)重變形的洞段長(zhǎng)10.019 km，占比16.01%。隧洞深埋洞段軟巖和斷層破碎帶在高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形問(wèn)題較突出。

（4） 通過(guò)對(duì)香爐山深埋長(zhǎng)隧洞軟巖變形進(jìn)行分析研究，預(yù)測(cè)了軟巖大變形可能發(fā)生的洞段，并提前采取處理措施，避免了軟巖大變形可能造成的危害。研究成果為隧洞設(shè)計(jì)和施工提供了地質(zhì)依據(jù)，對(duì)類似深埋長(zhǎng)隧洞工程具有一定的借鑒意義。

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Study on engineering geological characteristics and deformation prediction of soft rock in deep-buried long tunnel

CHEN Changsheng1，2，HE Linqing3， LI Yinquan1，2， SHI Cunpeng1，2

（1. National Dam Safety Research Center， Wuhan? 430010， China; 2. Changjiang Three Gorges Survey and Research Institute Limited Company， Wuhan? 430074， China; 3. CISPDR Corporation， Wuhan 430010，China）

Abstract： When crossing the soft rock （including fault fracture zone）， surrounding rock of Xianglushan deep-buried long tunnels of Central Yunnan Water Diversion Project are prone to large deformation under the condition of high ground stress and rich water， and the deformation can reach tens of centimeters to several meters. If the support is not timely or is improper， there will be great difficulty for engineering construction， and the treatment will be costly. At the same time， it will seriously affect the construction scheme for a project and delay the overall progress of the project. Based on the engineering geological characteristics of soft rocks， large deformation analysis and evaluation method for soft rocks， and the numerical simulation analysis results， the large soft rock extrusion deformation prediction is analyzed for Xianglushan deep-buried long tunnel. The treatment measures are proposed to avoid potential hazards caused by large soft rock deformation. The research results can be a reference for similar deep buried long tunnel engineering.

Key words： deep-buried long tunnel; large deformation of soft rock; high ground stress; Central Yunnan Water Diversion Project; Xianglushan tunnel8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C