深埋片理化軟巖隧洞開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

嚴(yán)錦江，張 洋

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都610041)

1 工程概況

在深埋軟巖地層建設(shè)大斷面引水隧洞是一項(xiàng)非常大的挑戰(zhàn)，若不能事先掌握高應(yīng)力下開(kāi)挖過(guò)程軟巖的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，建設(shè)過(guò)程中將難以避免地發(fā)生難以控制的大變形[1-4]，圍巖向洞內(nèi)擠壓縮徑，嚴(yán)重侵占隧洞過(guò)流斷面，并且通過(guò)擴(kuò)挖再加固也難以有效控制變形的持續(xù)緩慢發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)洞是掌握深埋軟巖隧洞開(kāi)挖過(guò)程中及開(kāi)挖后圍巖變形規(guī)律的最直接方式，在現(xiàn)有理論無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軟巖變形規(guī)律的前提下，試驗(yàn)洞全程監(jiān)測(cè)為設(shè)計(jì)和科研提供了最有價(jià)值的支撐數(shù)據(jù)。

丹巴水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，擬采用二洞四機(jī)布置，2條長(zhǎng)為17.3 km的圓形引水隧洞襯砌后斷面為12.4 m。引水系統(tǒng)圍巖主要由石英巖、長(zhǎng)英質(zhì)變粒巖、石英云母片巖、云母石英片巖、角閃巖等組成。其中，云母石英片巖和石英云母片巖為軟巖，初步分析累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)3 000 m，約占引水系統(tǒng)總長(zhǎng)的18.5%，主要位于引水隧洞后2.5 km洞段，特別是石英云母片巖強(qiáng)度相對(duì)更低，為引水系統(tǒng)力學(xué)性質(zhì)最差的巖層，也是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

石英云母片巖天然抗壓強(qiáng)度為15～30 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為10～25 MPa，軟化系數(shù)為0.5～0.56，屬較軟巖[5]，巖石強(qiáng)度低，變形大，遇水易軟化，流變效應(yīng)顯著，巖體質(zhì)量以III類或IIIb類為主；當(dāng)片理面與隧洞軸線平行或斜交時(shí)，在高應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的擠壓變形問(wèn)題，圍巖類別為IVb類或Vb類。引水隧洞埋深大，軟巖洞段最大埋深達(dá)1 220 m，自重應(yīng)力高，且工程位于強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，構(gòu)造作用較顯著，總體上地應(yīng)力水平較高。在石英云母片巖地層隧洞開(kāi)挖后，有可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的大變形問(wèn)題。因此，丹巴水電站引水隧洞深埋軟巖變形演化規(guī)律的揭示及變形量的準(zhǔn)確把握是樞紐開(kāi)發(fā)中的“卡脖子”問(wèn)題[6-9]。

丹巴水電站設(shè)計(jì)階段相應(yīng)于在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)探洞軟巖最大埋深處設(shè)置了1條試驗(yàn)隧洞，并預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖不同部位的全程變形值。從開(kāi)挖完成至今，經(jīng)過(guò)7年的持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得了大量圍巖長(zhǎng)期變形數(shù)據(jù)，并基于這些數(shù)據(jù)分析其變形分布與演化規(guī)律，為深埋軟巖引水隧洞的設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)洞布置方案及監(jiān)測(cè)布置

為更好認(rèn)識(shí)大斷面深埋軟巖隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的變形演化規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)在該地層最大埋深處(埋深1 220 m)設(shè)置了1條試驗(yàn)洞。試驗(yàn)洞為城門(mén)洞形，跨度和高度均為8 m，起止樁號(hào)為K1+745～K1+781，洞長(zhǎng)共36 m。其中，漸變段8 m(K1+745～K1+753)，直線段28 m。為掌握試驗(yàn)洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖全程的變形，在試驗(yàn)洞左側(cè)設(shè)置了1條觀測(cè)支洞，由探洞斜向開(kāi)挖36.77 m，然后轉(zhuǎn)向與試驗(yàn)洞軸線平行方向開(kāi)挖觀測(cè)支洞，觀測(cè)支洞長(zhǎng)為15.33 m，其與試驗(yàn)洞凈間距為20 m。試驗(yàn)洞設(shè)置A-A、B-B、C-C等3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，樁號(hào)分別為K1+759、K1+762、K1+765，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在試驗(yàn)洞的頂拱和左右邊墻腰部(面向掌子面)各布置1套多點(diǎn)位移計(jì)，其中左邊墻的多點(diǎn)位移計(jì)采用從觀測(cè)支洞預(yù)埋的方式(編號(hào)為A1、B1、C1)，以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)洞開(kāi)挖全過(guò)程的圍巖變形情況，頂拱和右邊墻的多點(diǎn)位移計(jì)則采用即埋式。試驗(yàn)洞布置方案見(jiàn)圖1。多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)位置及測(cè)點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖2。

圖1 試驗(yàn)洞布置方案(單位：cm)

圖2 試驗(yàn)洞多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)布置(單位：cm)

由于試驗(yàn)洞開(kāi)挖爆破的問(wèn)題，使得原位移計(jì)測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)尺寸沒(méi)有很好地控制到位，造成了一定的偏差。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和計(jì)算，除在試驗(yàn)洞頂部、右側(cè)鉆孔安裝的位移計(jì)按設(shè)計(jì)尺寸保留外，左側(cè)的位移計(jì)錨頭與原設(shè)計(jì)有所變化。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)1號(hào)位移計(jì)實(shí)際錨頭與試驗(yàn)洞壁的距離見(jiàn)表1。

表1 左側(cè)位移計(jì)錨頭與試驗(yàn)洞壁的距離 m

3 試驗(yàn)洞開(kāi)挖方案

試驗(yàn)洞先開(kāi)挖導(dǎo)洞(3 m×3 m)，后擴(kuò)挖成形，現(xiàn)場(chǎng)記錄統(tǒng)計(jì)的開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2(以A-A斷面左邊墻多點(diǎn)位移計(jì)錨頭A1-6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例)。試驗(yàn)洞開(kāi)挖施工節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)布置情況如下：

表2 測(cè)點(diǎn)變形量特征

(1)第一階段導(dǎo)洞開(kāi)挖。先開(kāi)挖到K1+761后，暫停試驗(yàn)洞段開(kāi)挖，進(jìn)行支洞開(kāi)挖，并進(jìn)行地應(yīng)力試驗(yàn)和試驗(yàn)洞左邊墻A1、B1、C1多點(diǎn)位移計(jì)的預(yù)埋和監(jiān)測(cè)。

(2)第二階段將導(dǎo)洞開(kāi)挖到K1+768。

(3)第三階段試驗(yàn)洞室擴(kuò)挖。進(jìn)行K1+756～K1+768段的洞室擴(kuò)挖，擴(kuò)挖采取非全斷面式的分塊形式進(jìn)行。

(4)第四階段停挖，在已開(kāi)挖好的試驗(yàn)洞段進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀器鉆孔安裝及監(jiān)測(cè)等工作。采用即埋方式埋設(shè)鋼弦式多點(diǎn)位移計(jì)(孔口位置為試驗(yàn)洞右側(cè)邊墻，距底板4 m，測(cè)孔斷面編號(hào)分別為A3、B3、C3)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)；采用即埋方式埋設(shè)鋼弦式多點(diǎn)位移計(jì)(孔口位置為試驗(yàn)洞頂拱，距底板8 m，測(cè)孔斷面編號(hào)分別為A2、B2、C2)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

(5)第五階段試驗(yàn)洞延伸段導(dǎo)洞開(kāi)挖。將延伸段導(dǎo)洞開(kāi)挖到K1+786(設(shè)計(jì)到K1+781)。

(6)第六階段延伸段擴(kuò)挖(包括洞室整修)。

4 試驗(yàn)洞圍巖變形規(guī)律分析

試驗(yàn)洞左側(cè)預(yù)埋位移計(jì)全程記錄了試驗(yàn)洞開(kāi)挖引起的圍巖變形，六點(diǎn)式位移計(jì)能夠反映巖體(圍巖)變形的空間和時(shí)間上的分布關(guān)系。因此，本節(jié)從左側(cè)圍巖變形過(guò)程、變形速率及變形空間分布等方面進(jìn)行不同監(jiān)測(cè)斷面變形監(jiān)測(cè)成果分析[10]。

4.1 左側(cè)圍巖變形過(guò)程

試驗(yàn)洞左側(cè)預(yù)埋位移計(jì)所測(cè)變形與時(shí)間過(guò)程見(jiàn)圖3。由于距離試驗(yàn)洞洞口較近，早期開(kāi)挖擴(kuò)散段有所提前，釋放了一部分變形，由于測(cè)點(diǎn)錨頭距離圍巖相對(duì)較遠(yuǎn)，A1斷面監(jiān)測(cè)位移相對(duì)較?。桓鞅O(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)變形變化規(guī)律基本一致，后期延伸段開(kāi)挖對(duì)距離較近的B1斷面影響更明顯。

圖3 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

受開(kāi)挖擾動(dòng)影響，圍巖變形主要發(fā)生在擴(kuò)挖期、停挖期、延伸段開(kāi)挖和延伸段擴(kuò)挖完成后的圍巖流變變形4個(gè)階段。由于與開(kāi)挖掌子面距離的變化，各階段的影響效應(yīng)有所不同，純開(kāi)挖未出碴時(shí)的變形占總變形量的25%～30%左右，出碴和修邊等動(dòng)作導(dǎo)致的變形占15%(實(shí)際也有時(shí)間效應(yīng)變形)，兩者加起來(lái)占到總變形的40%～45%以上，短期變形速率大。

停挖期的變形量較大，停挖期(3個(gè)月)的圍巖流變變形約占總變形的17%～20%左右。延伸段開(kāi)挖導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)間較短，對(duì)變形的總量影響較小。擴(kuò)挖成形的影響十分顯著，加上導(dǎo)洞開(kāi)挖和主洞身的擴(kuò)挖導(dǎo)致的變形約占總變形的30%。延伸段擴(kuò)挖完成后，位移隨時(shí)間的變化曲線趨于平緩，變形收斂趨勢(shì)明顯，擴(kuò)挖完成后的圍巖流變變形約占總變形的10%。停止開(kāi)挖之后至今，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，基本保持不變。

4.2 左側(cè)圍巖變形速率

左側(cè)洞壁各測(cè)點(diǎn)變形速率見(jiàn)圖4。從圖4可知，開(kāi)挖時(shí)圍巖變形速率最大，以A1-6點(diǎn)為例，最大值可達(dá)5.81 mm/d，變形量迅速增大，隨著掌子面的遠(yuǎn)離，變形速率迅速降低，變形曲線趨于平緩。擴(kuò)挖期至延伸段導(dǎo)洞開(kāi)挖之間圍巖的最小變形速率為0.005 mm/d，延伸段擴(kuò)挖期變形速率約為0.021 mm/d，最終穩(wěn)定后的變形速率為0.000 4 mm/d。各部位的平均變形速率與測(cè)點(diǎn)錨頭距離洞壁的遠(yuǎn)近有關(guān)，其中A1-6遠(yuǎn)些，其速率較??；其他2個(gè)近些，總的變形大，變化速率也更高，并成倍地放大。

圖4 圍巖變化速率

4.3 左側(cè)圍巖變形空間分布特征

由于位移計(jì)傳感器安裝在支洞側(cè)，監(jiān)測(cè)計(jì)算位移量以支洞端為不動(dòng)點(diǎn)，但支洞實(shí)際也一定有變形。因此，可近似地認(rèn)為1號(hào)傳感器的監(jiān)測(cè)值(離支洞最近點(diǎn))為支洞的變形，其他各點(diǎn)的變形總量中扣減該變形即圍巖在相應(yīng)位置上實(shí)際位移。左側(cè)不同剖面測(cè)點(diǎn)沿洞壁距離的變形見(jiàn)圖5。從圖5可知，試驗(yàn)洞圍巖變形由支洞側(cè)平緩升高，自支洞洞壁至8 m處，不同時(shí)間圍巖變形呈線性升高。8～5 m處，不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變形也近似呈線性增長(zhǎng)。這表明開(kāi)挖過(guò)程中，深度大于5 m的圍巖處于彈性狀態(tài)，在擾動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生變形。而深度小于5時(shí)，圍巖變形則呈非線性增長(zhǎng)，表明此時(shí)圍巖開(kāi)始發(fā)生破裂屈服，非線性變形顯現(xiàn)，特別是靠近洞壁2 m以內(nèi)，變形迅速增大，現(xiàn)場(chǎng)圍巖松馳嚴(yán)重。

圖5 測(cè)點(diǎn)沿洞壁距離的變形(單位：cm)

4.4 隧洞頂拱變形監(jiān)測(cè)成果

由于A-A、B-B和C-C監(jiān)測(cè)斷面的圍巖變形規(guī)律基本一致，本文僅以A-A斷面為典型斷面，分析不同部位的變形特征。圖6為A-A斷面的頂拱變形演化曲線。從圖6可知，該斷面監(jiān)測(cè)頂拱位移相對(duì)較小，其中3號(hào)測(cè)點(diǎn)所測(cè)2014年2月18日～2014年5月27日變形數(shù)據(jù)為負(fù)值，該數(shù)值在后續(xù)分析中應(yīng)去除。后期延伸段開(kāi)挖對(duì)距離較近斷面影響更明顯，延伸段擴(kuò)挖完成后，孔口處位移變化明顯，其他測(cè)點(diǎn)位移變化較小，但位移收斂趨勢(shì)明顯。

圖6 A-A斷面頂拱變形

5 圍巖變形趨勢(shì)分析

試驗(yàn)洞變形監(jiān)測(cè)期間共有2次停挖，第1次為2013年4月21日～2013年7月31日，第2次為延伸段開(kāi)挖出渣完成后2013年9月25日～2014年5月27日。截取這2次停挖期間的左邊墻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖變形趨勢(shì)進(jìn)行分析。圍岸變形趨勢(shì)見(jiàn)圖7。采用觀測(cè)天數(shù)計(jì)算，用2次項(xiàng)式對(duì)變形曲線趨勢(shì)進(jìn)行擬合，按變化速率為0(方程一階導(dǎo)數(shù))計(jì)算變形收斂天數(shù)。依據(jù)第1次停挖期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算出來(lái)的擬收斂天數(shù)小于依據(jù)第2次停挖期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算出來(lái)的，由于第1次停挖期的時(shí)間較短，故可選取依據(jù)第2次停挖期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算出來(lái)的更為合理。由此可得，圍巖變形的擬收斂天數(shù)最高可達(dá)500 d，最低為208 d。依據(jù)左邊墻長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，至2015年2月23日約180 d，圍巖變形速率為0.000 4 mm/d，可近似為0，圍巖收斂，接近變形趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)的天數(shù)。

圖7 圍巖變形趨勢(shì)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)深埋試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究圍巖變形規(guī)律及趨勢(shì)，得到以下結(jié)論：

(1)深埋軟巖變形過(guò)程與開(kāi)挖過(guò)程密切相關(guān)，且開(kāi)挖完成后存在顯著的流變變形，與開(kāi)挖過(guò)程相對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)洞圍巖變形可分為擴(kuò)挖期、停挖期、延伸段開(kāi)挖和延伸段擴(kuò)挖完成后的圍巖流變變形4個(gè)階段。

(2)距離掌子面越近，圍巖變形速率越高，隨著掌子面的遠(yuǎn)離，變形速率明顯降低，圍巖變形趨于平緩，空間效應(yīng)消失后，圍巖變形速率并未降至0，而隨時(shí)間持續(xù)降低，最終降至接近0。

(3)隧洞開(kāi)挖后，圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，圍巖變形深度較大，但深部圍巖變形隨深度呈近似線性變化，表現(xiàn)為彈性變形行為，而距離洞壁較近部位，圍巖變形隨深度呈現(xiàn)明顯的非線性特性，塑性變形顯現(xiàn)。因此，不同深度處的變形特征可作為判斷圍巖塑性屈服的依據(jù)。

(4)依據(jù)短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)變形曲線趨勢(shì)進(jìn)行擬合估算，丹巴水電站深埋軟巖洞段圍巖變形收斂天數(shù)最高為500 d，最低為208 d。經(jīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析證明，預(yù)測(cè)的收斂天數(shù)基本準(zhǔn)確。