復(fù)雜斷裂帶引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及處理措施

黨亞山

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

0 前 言

天水市城區(qū)引洮供水工程2號(hào)引水隧洞全長8.72 km，最大埋深305 m，一般埋深150～200 m。隧洞穿越渭河與藉河之間的分水嶺，布置于新近系、古近系、下古生界地層之中，圍巖由松散巖、變質(zhì)巖組成。隧洞地處秦祁褶皺帶結(jié)合區(qū)，地質(zhì)背景復(fù)雜。隧洞穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶。隧洞新近系、古近系圍巖構(gòu)造不發(fā)育，但巖性軟弱；下古生界圍巖構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，地下水豐富。在隧洞施工中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的圍巖變形、掌子面坍塌問題。針對(duì)該隧洞施工中出現(xiàn)的上述問題，工程施工、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)了對(duì)2號(hào)隧洞圍巖變形機(jī)理的分析，提出了科學(xué)合理控制圍巖變形的施工方法及支護(hù)對(duì)策，為該隧洞安全施工提供了支撐。

1 隧洞區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

(1) 地形地貌

2號(hào)洞地處隴中黃土高原向西秦嶺基巖中低山山地過渡區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔高程1 300.00～2 200.00 m，相對(duì)高差300～500 m，地形破碎，溝壑縱橫，發(fā)育黃土梁峁、溝谷地形地貌。2號(hào)洞北西-南東向布置，穿越區(qū)內(nèi)渭河與藉河間的分水嶺-南嶺。南嶺走向北西，梁頂高程1 720.00～2 200.00 m。

(2) 地層巖性

2號(hào)隧洞地處隴中中新生代坳陷盆地，向西秦嶺變質(zhì)巖系褶皺隆起基巖中低山地過渡區(qū)。隧洞沿線主要分布有新近系(N2l)、古近系(E)、下古生界牛頭河群(Pz1nt)地層巖性。

1) 新近系地層(N2l)：地層主要為砂質(zhì)泥巖，成巖差，強(qiáng)度低，屬極軟巖，浸水崩解。2號(hào)洞該地層分布長度約910 m。地層與古近系呈角度不整合接觸，與牛頭河群地層斷層接觸。

2) 古近系地層(Eg)：地層主要由泥質(zhì)膠結(jié)的砂礫巖、含礫中粗砂巖，砂質(zhì)泥巖組成，巖質(zhì)松軟，屬軟巖，浸水崩解。2號(hào)洞該地層分布長度1 230 m，地層與下伏牛頭河群地層呈角度不整合接觸，局部為斷層接觸，牛頭河群地層斷層接觸。

(3)地質(zhì)構(gòu)造

2號(hào)洞地處秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶與祁呂弧形褶皺帶的交匯區(qū)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜。隧洞位于區(qū)域構(gòu)造向斜格板峪向斜北翼，穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶。隧洞區(qū)域地質(zhì)見圖1。

西秦嶺北緣深大斷裂帶：逆斷層，產(chǎn)狀290°～310°NE∠60 °～80°，錯(cuò)斷沿線Pz1nt、E、N地層，兩盤巖層深受其變形與改造。斷裂全長約500 km，由多條平行斷層組成，帶寬十余公里。斷層形成于前寒武紀(jì)，歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。斷層規(guī)模大，活動(dòng)性強(qiáng)，是區(qū)內(nèi)不同塊體和地貌單元邊界的斷裂。工程2號(hào)洞穿越該斷裂鳳凰山-武家河段。斷層分布于洞線K139+865.50 m～K143+164.00 m之間，由2～3條主斷裂和多條次一級(jí)斷裂組成，主斷裂帶寬數(shù)十米至數(shù)百米，帶內(nèi)物質(zhì)為糜棱巖、角礫巖，斷層泥，主斷裂兩盤影響帶寬度達(dá)數(shù)百米，該斷裂與2號(hào)洞走向夾角10 °～30°。西秦嶺北緣斷裂帶在2號(hào)隧洞右側(cè)溝道有出露，見圖2。

(4) 水文地質(zhì)條件

2號(hào)洞圍巖分布松散巖空隙裂隙水、基巖裂隙水兩類地下水。空隙裂隙水賦存古近系砂巖、砂礫巖中，屬層間地下水；基巖裂隙水賦存牛頭河群巖層裂隙之中。隧洞地質(zhì)勘察揭示圍巖空隙裂隙水水量不豐，開挖呈滴滲狀；裂隙水水量較豐，為滴～線狀流水，涌水量25～47 L/min。

2 隧洞圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)研究與圍巖類別分類

(1) 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

1) 新近系(N2l)：含水量W為5～10%，密度γ為2.2～2.25 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度Rc為2～3 MPa，凝聚力C為0.05～0.2 MPa，內(nèi)摩擦角φ為27°～32°，彈性模量E為800～1 500 MPa；變形模量Es為300～300 MPa；泊松比μ為0.33～0.35，屬極軟巖，浸水崩解，具流變性。

2) 古近系E：含水量W為4.2%～8.4%，密度γ為2.3～2.5 g/cm3；單軸抗壓強(qiáng)度Rc為5～8 MPa；凝聚力C為0.1～0.3 MPa，內(nèi)摩擦角φ為30°～35°；彈性模量E為1 500～2 000 MPa；變形模量Es為900～1300 MPa；泊松比μ為0.26～0.32，浸水崩解，具流變性。

(2) 圍巖類別分類

根據(jù)2號(hào)洞圍巖的巖石強(qiáng)度、巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)面與洞線的組合關(guān)系，以及地下水活動(dòng)程度，劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。Ⅲ類圍巖由下古生界牛頭河群完整、較完整，具中厚層狀結(jié)構(gòu)的巖體構(gòu)成，隧洞開挖揭示長度約有2.05 km；Ⅳ類圍巖由牛頭河群完整性差、較破碎，具碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體，以及古近系巖體構(gòu)成，隧洞開挖揭示長度約有2.35 km；Ⅴ類圍巖由斷裂帶的碎裂巖體、新近系松散軟弱巖層組成，隧洞開挖揭示長度約有4.3 km。

3 隧洞圍巖變形破壞機(jī)理分析

3.1 圍巖變形類型劃分

隧洞屬地下工程，隧洞開挖，圍巖因卸荷，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超出巖體的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象，如掉塊、坍塌等。根據(jù)2號(hào)洞圍巖變形受控條件，圍巖變形分巖性控制型和結(jié)構(gòu)面控制型2種。

(1) 巖性控制型：主要出現(xiàn)新近系、古近系圍巖、斷裂帶及其影響帶的松軟巖體。圍巖變形以塑性變形和蠕變變形為主。破壞表象主要為圍巖內(nèi)斂、片幫、掉塊、剝落、坍塌等。

(2) 結(jié)構(gòu)面控制型：主要出現(xiàn)于受構(gòu)造影響強(qiáng)烈、結(jié)構(gòu)面發(fā)育的牛頭河群圍巖段。圍巖變形以拉裂、壓剪變形為主，破壞表象主要為沿結(jié)構(gòu)面拉裂破壞或和結(jié)構(gòu)面壓剪滑移破壞。

3.2 圍巖應(yīng)力、應(yīng)變量計(jì)算

(1) 圍巖變形巖性控制型，隧洞圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)半徑、洞周位移量計(jì)算

σθ=γ(a+βλ)(H′+Kr0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(1)～(5)中：γ為圍巖密度，g/cm3；λ為側(cè)壓力系數(shù)；H′為隧洞埋深，m;r0為隧洞半徑，m；a、β、K為計(jì)算系數(shù)，分別取a=0.974、β=3.3、K=1.2； 為剪切變形模量；Pi為支護(hù)抗力，Pi=0。

根據(jù)表1數(shù)值并利用公式(1)及σθ≥Rc計(jì)算得出隧洞新近系圍巖破壞臨界深度為31～48 m；古近系圍巖變形破壞臨界深度為74～120 m。理論計(jì)算與隧洞施工監(jiān)測(cè)值基本相符，實(shí)測(cè)變形值較理論計(jì)算值略有偏大，分析隧洞圍巖變形除與自身地質(zhì)因素、隧洞埋深有關(guān)，同時(shí)與施工時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)程度關(guān)系密切。開挖揭示隧洞古近系圍巖變形量較小，圍巖破壞以剝落、掉塊為主。

表1 隧洞松散軟質(zhì)圍巖段無支護(hù)條件下洞周塑性區(qū)半徑及洞周位移量計(jì)算

表2 隧洞圍巖無支護(hù)條件下圍巖剪裂區(qū)應(yīng)力、剪裂區(qū)邊界計(jì)算

(2) 圍巖變形結(jié)構(gòu)面控制型，隧洞圍巖剪裂區(qū)應(yīng)力、剪裂區(qū)邊界線(R0)計(jì)算

隧洞牛頭河群圍巖常見有兩組軟弱結(jié)構(gòu)面。J1走向與洞線夾角約24°，傾角40°～60°；J2走向與洞線夾角約80°，傾角75°。圍巖剪裂區(qū)邊界線近似方程如下式：

A5α4+B5α2+C5=0

(6)

式中：

cos2θ-bcosγ0sin2θ}(1-λ)

(1-λ)cos2θ-2b(1-λ)cosγ0sin2θ}

(A2-aB2-D2-aC2)cos2θ-b(1-λ)cosγ0sin2θ}+2Cj

A2=(1+μsin2γ0)tgφj；B2=1-μsin2γ0；

C2=cos2γ0+μsin2γ0

D2=(cos2γ0+μsin2γ0) tgφj

a=sin2β1-cos2β1tgφj;b=cos2β1+sin2β1tgφj

代入公式(6)得:

(7)

其中θ=90°處，隧洞不同埋深，圍巖剪裂區(qū)半徑R0=αr0，隧洞圍巖無支護(hù)條件下圍巖剪裂區(qū)應(yīng)力采用公式(8)～(9)計(jì)算，結(jié)果見表2。

(1-4α2+3α4) cos2θ]

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

通過下式：

(14)

計(jì)算判別出2號(hào)洞牛頭河群圍巖J1、J2結(jié)構(gòu)面發(fā)生壓剪破壞，分析該變形破壞除與圍巖結(jié)構(gòu)面自身強(qiáng)度有關(guān)，更與洞軸線與結(jié)構(gòu)面走向夾角關(guān)系密切。

4 隧洞圍巖變形破壞控制措施

通過對(duì)2號(hào)洞區(qū)域地質(zhì)的研究、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的研究，以及圍巖變形破壞機(jī)理分析。施工中，針對(duì)隧洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，進(jìn)行了如下處理對(duì)策：

(1) 層狀中硬質(zhì)圍巖體(Ⅲ類圍巖)

由牛頭河群中硬巖體組成，圍巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙較發(fā)育，完整性較差，賦存地下水。開挖后，巖體破壞主要沿裂隙面剪裂或拉裂，表象為圍巖松動(dòng)，局部坍塌，隧洞超挖嚴(yán)重?？刂拼胧哼M(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)面的研究，找出圍巖穩(wěn)定受控軟弱結(jié)構(gòu)面，計(jì)算分析圍巖剪裂區(qū)范圍；建議采用弱爆破短進(jìn)尺開挖，支護(hù)時(shí)錨桿穿透剪裂區(qū)，加強(qiáng)排水，及時(shí)噴混凝土掛網(wǎng)封閉掌子面。

(2) 松散軟質(zhì)巖體(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

圍巖由新近系、古近系軟質(zhì)巖組成，圍巖巖性軟弱，強(qiáng)度低，具塑性流變性。隧洞開挖后，圍巖變形破壞受控于巖石強(qiáng)度，破壞表象主要為洞壁內(nèi)斂、掉塊、剝落?？刂拼胧菏┕ぶ胁捎萌醣贫踢M(jìn)尺，快循環(huán)及時(shí)封閉圍巖施工；設(shè)小導(dǎo)管、仰拱超前強(qiáng)支護(hù)；加強(qiáng)洞內(nèi)排水，防止圍巖潮解；根據(jù)收斂變形觀測(cè)值，及時(shí)調(diào)整圍巖支護(hù)強(qiáng)度，例如新近系大埋深洞段改用Ⅰ16鋼拱架支護(hù)；古近系圍巖段取消拱架支護(hù)，采用系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴混凝土施工。

(3) 構(gòu)造松散破碎巖體(Ⅴ類圍巖)

圍巖由斷層帶、擠壓帶破碎巖體組成。圍巖結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度極低。開挖后，圍巖無自穩(wěn)時(shí)間，破壞表象為先是擠壓變形，后是松動(dòng)掉塊，最后片幫、掌子面失穩(wěn)坍塌?？刂拼胧杭訌?qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)與圍巖檢測(cè)工作；采用非爆破開挖，減小圍巖擾動(dòng)，短進(jìn)尺，快循環(huán)；采用注漿小導(dǎo)管加固圍巖，設(shè)仰拱強(qiáng)支護(hù)，噴混凝土掛網(wǎng)封閉圍巖，加強(qiáng)排水，防止圍巖軟化潮解。

5 結(jié) 論

(1)通過2號(hào)洞區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的研究，得出該隧洞是地處秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶與祁呂弧形褶皺帶交匯區(qū)，穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶，布置于新生代成巖差的泥質(zhì)碎屑巖地層和構(gòu)造發(fā)育深度變質(zhì)的下古生代地層，地下水豐富，圍巖以極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖為主，地質(zhì)條件極為復(fù)雜的越嶺隧洞。隧洞施工中，圍巖變形大、掌子面坍塌強(qiáng)烈。

(2)通過2號(hào)隧洞圍巖應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算得出：隧洞新近系圍巖破壞臨界深度在31～48 m之間，其最大埋深187 m時(shí)，洞周位移量6.9 cm；古近系圍巖變形破壞臨界深度在74～120 m之間，其最大埋深200 m，洞周位移量1.6 cm；經(jīng)施工驗(yàn)證，實(shí)際變形量與估算值基本相符。

(3)通過2號(hào)隧洞牛頭河群變質(zhì)巖地層圍巖剪裂區(qū)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，得出：隧洞具中厚層狀結(jié)構(gòu)，以中硬質(zhì)巖為主的圍巖，隧洞開挖后，圍巖J1、J2軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生壓剪破壞。

(4)根據(jù)圍巖分類及圍巖變形破壞形式，施工中，提出了層狀中硬質(zhì)圍巖體(Ⅲ類圍巖)采用了弱爆破、短進(jìn)尺、錨桿穿透剪裂區(qū)，及時(shí)噴混凝土掛網(wǎng)封閉掌子面；對(duì)松散軟質(zhì)巖體(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)采用快循環(huán)及時(shí)封閉圍巖，必要時(shí)超前強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)收斂變形觀測(cè)值，調(diào)整圍巖支護(hù)強(qiáng)度；對(duì)松散構(gòu)造破碎巖體(Ⅴ類圍巖)采用了機(jī)械開挖、快循環(huán)，采用注漿小導(dǎo)管加固圍巖，設(shè)仰拱強(qiáng)支護(hù)，噴混凝土掛網(wǎng)及時(shí)封閉圍巖，加強(qiáng)排水，防止圍巖軟化潮解的施工方法，有效避免了隧洞因圍巖變形及圍巖中地下水涌出引發(fā)的較大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。