小型水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形預(yù)防及優(yōu)化措施

游洋，楊鼎，羅濤

（1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，云南 昆明 650000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

隧洞是水利工程中常見的水工建筑物，軟質(zhì)圍巖或軟質(zhì)圍巖地段是施工中經(jīng)常遇到的問題，軟巖大變形也是長(zhǎng)期困擾軟巖水工隧道施工的一大難題，特別是在高地應(yīng)力條件下［1］。由于軟質(zhì)圍巖強(qiáng)度低、變形量大，在高地應(yīng)力富水條件下，隧道斷面在施工和開挖過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，變形一般可達(dá)幾十厘米至100cm以上，變形趨勢(shì)是堵塞隧道，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和施工安全［2］。鑒于此，有必要通過(guò)研究進(jìn)一步明確小型水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形機(jī)理、特征，并采取相關(guān)措施對(duì)此進(jìn)行有效預(yù)防和優(yōu)化，以此保證軟質(zhì)圍巖小型水工隧洞施工的順利進(jìn)行。

1 小型水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形力學(xué)機(jī)理

1.1 軟質(zhì)圍巖的組成成分分析

多數(shù)軟巖主要由粘土礦物、云母、石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物以及部分鈣、鐵膠體結(jié)構(gòu)或游離氧化物組成。軟巖硬度低，密度低，易變形。同時(shí)，軟巖的性質(zhì)主要由粘土礦物的含量決定，含量越高，性能便越差。

1.2 軟質(zhì)圍巖膨脹性分析

軟巖膨脹性主要是指含有黏土高膨脹性礦物的軟質(zhì)圍巖，在較低的應(yīng)力水平條件下，因膨脹而發(fā)生顯著變形的特征的巖石，如泥巖、頁(yè)巖等。通常而言，受軟巖膨脹性的影響，其容易出現(xiàn)滑移、膨脹等問題。與此同時(shí)，根據(jù)軟巖膨脹性大小的不同，可將其進(jìn)一步細(xì)分為強(qiáng)膨脹性軟巖自由膨脹變形、弱膨脹性軟巖自由膨脹變形等。

1.3 軟質(zhì)圍巖的力學(xué)性質(zhì)分析

從力學(xué)方面考慮，軟巖具有變形大、強(qiáng)度低、賦存環(huán)境效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)烈的特點(diǎn)。這使得軟質(zhì)圍巖較為容易變形，且變形呈現(xiàn)明顯的時(shí)間特點(diǎn)。

1.4 軟質(zhì)圍巖變形的力學(xué)機(jī)理分析

可采用彈性模量E來(lái)表示巖石的變形特性，進(jìn)一步，結(jié)合公式σ＝E·ε可知，當(dāng)應(yīng)力不變時(shí)，隨著彈性模量的減少，軟巖的變形量就越大。以粘土類巖石為例，其彈性模量通常為E＝300MPa，相較于其他非軟質(zhì)巖石，其表形量通常更大。

2 小型水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形特征及原因分析

2.1 變形特征

1）變形量大。隧道開挖后會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，這是軟質(zhì)圍巖的主要特征。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，軟質(zhì)圍巖中洞壁位移可達(dá)幾十厘米，甚至幾米，往往表現(xiàn)為初期支護(hù)嚴(yán)重開裂，如噴射混凝土開裂脫落、鋼架變形，甚至二次襯砌混凝土開裂［3］。2）初期變形速度快。結(jié)合眾多工程實(shí)例可知，在隧道開挖的初期期間，軟質(zhì)圍巖將在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變形并迅速達(dá)到變形后的穩(wěn)定狀態(tài)，之后，圍巖的變形速率將不斷減小。3）變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。軟質(zhì)圍巖不僅初期變形速度快，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的流變特性。大量研究表明，隨著軟質(zhì)圍巖隧道的開挖，圍巖的支護(hù)、襯砌所承受的的壓力便開始發(fā)生變化，在長(zhǎng)期壓力作用下，軟質(zhì)圍巖將以蠕變的形式持續(xù)變形。以頁(yè)巖、花崗巖等軟質(zhì)巖石為例，在10MPa的應(yīng)力和室溫下，其典型蠕變曲線通常如圖1所示。4）圍巖破壞范圍大。軟質(zhì)圍巖中隧道周圍塑性區(qū)有所擴(kuò)大，尤其是在支護(hù)不及時(shí)或整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度達(dá)不到要求時(shí)，軟質(zhì)圍巖的破壞范圍將進(jìn)一步增大。5）壓力增長(zhǎng)快。隨著開挖時(shí)間的延長(zhǎng)，圍巖壓力將因此迅速增大，導(dǎo)致在極短的時(shí)間內(nèi)，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)接觸，繼而產(chǎn)生較大的圍巖壓力。此時(shí)，如果施工方法和支護(hù)措施得當(dāng)，則能夠較為有效的控制封閉式支護(hù)的變形。相反，若施工方法不當(dāng)、支護(hù)不合理，則即使支架關(guān)閉，也會(huì)持續(xù)產(chǎn)生變形，破壞支架。6）變形破壞形式多樣。不同工程中的軟質(zhì)圍巖隧道的變形形式表現(xiàn)為不同形式，常見形式包括噴射混凝土開裂、初期支護(hù)變形、坑底鼓包、塌方等。

圖1 堅(jiān)硬圍巖與軟質(zhì)圍巖蠕變特征的區(qū)別

2.2 變形原因

2.2.1 地質(zhì)環(huán)境條件

地質(zhì)環(huán)境方面，導(dǎo)致水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形的主要原因有以下幾個(gè)因素：1）地理位置。若施工區(qū)位于海槽褶皺帶交匯處或區(qū)域性斷裂襄城斷裂與索梁斷裂夾塊處，在多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，大部分地區(qū)存在構(gòu)造裂隙和層間擠壓斷裂帶。在這里施工時(shí)，軟質(zhì)圍巖會(huì)承受較大的壓力和工程擾動(dòng)，產(chǎn)生變形。2）地應(yīng)力。當(dāng)引水隧洞處于高應(yīng)力區(qū)時(shí)，軟質(zhì)圍巖的結(jié)構(gòu)面在高應(yīng)力作用下封閉嚴(yán)密。卸荷應(yīng)力釋放后，結(jié)構(gòu)面立即產(chǎn)生拉滑，導(dǎo)致隧道圍巖嚴(yán)重變形。3）水文地質(zhì)條件。引水隧洞工區(qū)軟質(zhì)圍巖巖性多為碳質(zhì)泥質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、千枚巖等，巖體破碎時(shí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，被兩條阻水?dāng)鄬訆A持，為地下水的賦存提供了有利條件。此時(shí)，地下水的加入會(huì)導(dǎo)致千枚巖和碳質(zhì)泥質(zhì)板巖軟化，使圍巖強(qiáng)度降低，進(jìn)而發(fā)生變形。

2.2.2 圍巖本身性質(zhì)

首先，引水隧洞軟質(zhì)圍巖巖性以砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖為主，其次為碳質(zhì)泥質(zhì)板巖、砂巖、變質(zhì)砂巖和千枚巖等組成。其次，軟巖的礦物成分在水中容易軟化，然后發(fā)生變形。如碳質(zhì)泥質(zhì)板巖、千枚巖主要由絹云母、伊利石、蒙脫石組成，遇水易軟化，暴露后易風(fēng)化。最后，軟巖體結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性［5］。碳質(zhì)泥質(zhì)板巖具有極薄至薄層結(jié)構(gòu)，千枚巖具有千枚巖結(jié)構(gòu)，含有大量片狀礦物，層理極為發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)各向異性明顯，這也使得軟質(zhì)圍巖容易變形

3 小型水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形工程處理措施

由于水工隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境條件和圍巖性質(zhì)無(wú)法改變，為防止水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形，可根據(jù)其變形特點(diǎn)采取相應(yīng)的工程處理措施對(duì)隧道開挖段的圍巖進(jìn)行控制，從而有效地控制圍巖的變形。

3.1 合理選擇開挖方式

現(xiàn)階段，根據(jù)工程具體開挖斷面的大小及位置，隧道開挖的常見方法包括：全斷面法、臺(tái)階法、分部開挖法三大類。

對(duì)上述三種挖法進(jìn)行比較可知，相較于其他兩種挖法，臺(tái)階法具有位移小、可減小塑性區(qū)范圍的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于圍巖變形量的控制有積極作用。鑒于此，建議無(wú)特殊情況下，水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形的預(yù)防可優(yōu)先考慮臺(tái)階法。

3.2 正確確定支護(hù)時(shí)間

首先，應(yīng)當(dāng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、隧道規(guī)模、形狀、埋深、隧道施工方法和管理水平，預(yù)測(cè)無(wú)支護(hù)圍巖變形。當(dāng)變形達(dá)不到變形控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采取兩種對(duì)策：一是改變施工方法或提高管理水平；二是添加初期支護(hù)。若進(jìn)行初期支護(hù)的過(guò)程中，在嚴(yán)格依據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行變形控制仍無(wú)法達(dá)到要求的變形控制基準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)提高初期支護(hù)強(qiáng)度、添加超前支護(hù)措施的方式進(jìn)行解決。若進(jìn)行超前支護(hù)的過(guò)程中，在根據(jù)超前支護(hù)預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)對(duì)圍巖變形進(jìn)行預(yù)防但仍然無(wú)法控制變形基準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)加強(qiáng)超前支護(hù)強(qiáng)度的方式，來(lái)控制圍巖的變形程度。

3.3 預(yù)留必要的變形空間

第一，多重支護(hù)。多重支護(hù)的目的在于預(yù)留足夠的容許變形和二次支護(hù)空間，即在超前錨管或錨桿支護(hù)下，開挖后設(shè)置第一層支護(hù)，限制圍巖初始變形，然后在工作面后左右位置設(shè)置第二層支護(hù)，穩(wěn)定隧道，控制圍巖大變形。第二，可縮式支護(hù)。在選用可縮式支護(hù)時(shí)，需要為變形和二次支撐留下一定的空間。在相關(guān)設(shè)施的選擇上，隧道開挖后，需及時(shí)使用支設(shè)伸縮錨桿、伸縮鋼架等支護(hù)體系，通過(guò)支護(hù)的方式，釋放圍巖壓力、減小變形。第三，分階段綜合控制。所謂分階段綜合控制，及時(shí)為變形和二次支護(hù)預(yù)留空間，在隧道開挖后，通過(guò)設(shè)置錨桿、鋼架進(jìn)行支護(hù)的方式，抑制初始變形；隨后，進(jìn)一步在工程掌子面設(shè)置長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿，進(jìn)一步加固圍巖，達(dá)到鞏固效果。

1）施工中及時(shí)排水。碳質(zhì)泥質(zhì)板巖和千枚巖遇水易軟化，抗壓強(qiáng)度和變形模量大大降低。為了有效控制圍巖變形，應(yīng)采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，以有效控制圍巖變形。2）科學(xué)爆破。在進(jìn)行爆破的過(guò)程中，針對(duì)軟質(zhì)圍巖硬度低、變形量大等特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持少藥量、弱爆破的原則，以最大限度的降低爆破過(guò)程中對(duì)圍巖造成的傷害。3）加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與施工過(guò)程圍巖變形監(jiān)測(cè)。準(zhǔn)確有效的地質(zhì)預(yù)報(bào)，是確保施工方案的選擇、設(shè)計(jì)具有較高的科學(xué)性與合理性的關(guān)鍵和前提所在。此外，有效的地質(zhì)預(yù)報(bào)也有助于對(duì)施工中的圍巖變形進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，有助于對(duì)圍巖變形的監(jiān)測(cè)實(shí)施方案進(jìn)行合理評(píng)估，如測(cè)點(diǎn)的布置、監(jiān)測(cè)頻率的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)手段的選擇等。進(jìn)一步的，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輔助下，有利于相關(guān)人員及時(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)圍巖變形特征進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)，對(duì)各項(xiàng)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，繼而達(dá)到及時(shí)控制圍巖變形，保證施工進(jìn)度和工程質(zhì)量的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水工隧洞施工過(guò)程中，遇有軟巖時(shí)，圍巖的變形破壞不容忽視。此時(shí)，繼而通過(guò)合理的工程處理措施有效預(yù)防水工隧洞軟質(zhì)圍巖變形，包括隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、合理選擇開挖方法、合理確定支護(hù)時(shí)間、預(yù)留必要的變形空間等。