李建明

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概述

某水電站引水隧洞長(zhǎng)約15km，縱坡降1.69%，斷面型式為圓形，直徑為9.5m。引水隧洞穿越地層為三疊系中統(tǒng)雜古腦組(T2z)和三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)的一套淺變質(zhì)層狀砂巖和千枚巖。

層狀巖體在自然界中分布廣泛，水電工程許多建筑物布置在地下不同傾角的層狀巖體中，在層狀巖體特別是陡傾角層狀巖體中開(kāi)挖洞室，對(duì)圍巖工程地質(zhì)分類和圍巖的變形破壞特征、加固處理措施等進(jìn)行研究及工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)具有重要的實(shí)際意義。

引水隧洞區(qū)的千枚巖系泥巖在較強(qiáng)應(yīng)力、較低溫度下輕微變質(zhì)而成，具明顯的層狀構(gòu)造，且多為薄層狀。千枚巖中的結(jié)構(gòu)面以層面為主，并伴有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性，其工程特征主要受控于巖層產(chǎn)狀及巖層組合。其中的炭質(zhì)千枚巖強(qiáng)度很低，遇水很容易軟化和膨脹，工程地質(zhì)性狀很差，炭質(zhì)千枚巖在隧洞的局部洞段含量較高較發(fā)育，成為影響該洞段圍巖穩(wěn)定和工程安全的最重要因素之一。本文將結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)該洞段圍巖的變形失穩(wěn)機(jī)理以及加固處理措施進(jìn)行分析和探討，以期得出有利于工程實(shí)踐的結(jié)論。

2 引水隧洞工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

引水隧洞位于大型倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜北東翼，總體為單斜構(gòu)造，但次級(jí)褶曲發(fā)育，在隧洞區(qū)中段則為倒轉(zhuǎn)向斜，兩翼產(chǎn)狀基本相同，褶曲緊密，地層擠壓強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主體，斷裂不發(fā)育，未見(jiàn)區(qū)域性大斷裂通過(guò)，小斷層、擠壓破碎帶等小型軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)幾率較低，且隨機(jī)分布。引水隧洞穿越區(qū)屬典型中高山峽谷地貌，區(qū)內(nèi)匯水面積較大、切割較深且有常年流水的沖溝。引水隧洞區(qū)大多基巖裸露，地層為三疊系的一套砂質(zhì)千枚巖、變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖及少量炭質(zhì)千枚巖等。

區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷和局部段淺表巖體的傾倒變形。變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，表現(xiàn)為裂隙式風(fēng)化;千枚巖巖性較軟弱，抗風(fēng)化能力較弱，其風(fēng)化延續(xù)的深度較大。受風(fēng)化卸荷作用影響，在千枚巖較集中出露的岸坡淺表巖體往往傾倒變形較顯著。

區(qū)內(nèi)地下水埋深較大，活動(dòng)較強(qiáng)烈，谷坡中、上部未見(jiàn)泉水出露。在斷層破碎帶及其影響帶、裂隙密集帶、向斜構(gòu)造部位，含水相對(duì)豐富。地下水基本類型主要為基巖裂隙水和第四系覆蓋層孔隙水，由大氣降水和沖溝溝水補(bǔ)給。

前期勘探及后期開(kāi)挖施工表明，總的說(shuō)來(lái)引水隧洞穿越的區(qū)域圍巖地質(zhì)條件較好，具有良好的施工可行性，絕大部分洞段為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，而Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的總和只占全部洞段的10%。但是引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖局部洞段不良工程地質(zhì)條件較明顯，局部洞段地層多與洞軸線呈小角度相交，層面對(duì)隧洞穩(wěn)定具有一定控制性;隧洞進(jìn)出口和過(guò)溝段均涉及弱風(fēng)化卸荷帶，地下水活動(dòng)較為強(qiáng)烈，巖體完整性差，結(jié)構(gòu)松弛，圍巖不穩(wěn)定;炭質(zhì)千枚巖對(duì)局部洞段圍巖的穩(wěn)定極為不利，也是隧洞區(qū)影響圍巖穩(wěn)定的最重要因素之一。

隧洞區(qū)局部發(fā)育的炭質(zhì)千枚巖顏色為深灰色～灰黑色，板狀構(gòu)造，系泥巖在較強(qiáng)應(yīng)力、較低溫度下輕微變質(zhì)而成。炭質(zhì)千枚巖一般較脆、稍軟，具滑感，染手，干密度、天然密度均較小;孔隙率、吸水率較大，含水量較高;抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及變形模量均較低，且具各向異性，抗風(fēng)化能力較弱，遇水極易軟化、崩解或膨脹，以塑性破壞為主，巖體破壞之前的變形較大，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動(dòng)或擠出。

施工過(guò)程中，最初遇到4個(gè)炭質(zhì)千枚巖含量較高或較發(fā)育的洞段，合計(jì)總長(zhǎng)度約200m。臨時(shí)支護(hù)后一段時(shí)間，這4個(gè)洞段的洞身及支護(hù)結(jié)構(gòu)部分發(fā)生變形破壞，各段描述見(jiàn)表1。為了確保其他洞段不發(fā)生同樣的變形破壞現(xiàn)象，讓后續(xù)施工順利進(jìn)行，以下對(duì)這4個(gè)洞段的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，為其他洞段的施工提供事故預(yù)防依據(jù)和施工方案建議。

表1 研究的4個(gè)洞段描述

3 4個(gè)洞段圍巖開(kāi)挖及支護(hù)后出現(xiàn)的主要問(wèn)題

炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育的4個(gè)洞段均采用上、下斷面分開(kāi)開(kāi)挖方式，上斷面高7～8m，下斷面高2～3m。IV類圍巖洞段開(kāi)挖前先在千枚巖或破碎巖體區(qū)采用超前錨桿支護(hù)，然后采用人工風(fēng)鎬爆破開(kāi)挖剝離至設(shè)計(jì)斷面以外30～40cm(便于鋼支撐或適應(yīng)圍巖變形)，開(kāi)挖后進(jìn)行錨噴網(wǎng)+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，并在地下水較豐富洞段布設(shè)排水孔，各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)符合規(guī)范的規(guī)定。V類圍巖洞段開(kāi)挖前在頂拱120°～180°范圍采用注漿小導(dǎo)管(間距20～40cm，視圍巖情況定)對(duì)圍巖加固，然后采用人工風(fēng)鎬弱爆破及挖掘機(jī)直接開(kāi)挖剝離至設(shè)計(jì)斷面以外40～60cm(便于立鋼支撐或適應(yīng)圍巖變形)，開(kāi)挖后進(jìn)行錨噴網(wǎng)+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)符合規(guī)范的規(guī)定，并且在地下水豐富地段采用超前排水，并布設(shè)排水孔。

洞段在施工過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是洞室左右邊墻及左拱座圍巖受炭質(zhì)千枚巖較軟弱、層面走向與洞軸線交角小及節(jié)理裂隙切割的影響，以及襯砌嚴(yán)重滯后、開(kāi)挖斷面不規(guī)則等原因的影響，在開(kāi)挖爆破過(guò)程中，部分段圍巖產(chǎn)生松動(dòng)張裂，左邊墻(山外側(cè))巖層層面陡傾洞外，表現(xiàn)為傾倒破壞或局部滑移破壞;右邊墻巖層層面陡傾洞內(nèi)，表現(xiàn)為順層滑移為主，特別是當(dāng)臨時(shí)支護(hù)未緊跟掌子面支護(hù)時(shí)，部分洞段右側(cè)邊墻出現(xiàn)較明顯的開(kāi)裂、沿層面滑移及塌落等現(xiàn)象。左拱座普遍掉塊及小垮塌，如支護(hù)和襯砌不及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的垮塌。

洞段在臨時(shí)支護(hù)完成約3～4個(gè)月后，在下半洞開(kāi)挖剪底過(guò)程中，部分段長(zhǎng)(詳見(jiàn)表1)的上部出現(xiàn)了不同程度的變形破壞，多榀型鋼拱架出現(xiàn)壓彎或扭曲變形，噴射的混凝土部分開(kāi)裂。為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全，對(duì)變形破壞部位采取了補(bǔ)強(qiáng)措施，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，洞段變形達(dá)到收斂狀態(tài)，變形得到了控制，并及時(shí)作了永久襯砌。

經(jīng)過(guò)對(duì)圍巖收斂及拱架變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，4個(gè)洞段的圍巖變形有如下特點(diǎn):

(1)圍巖變形量因圍巖類別的不同存在一定的差異，Ⅳ類圍巖變形一般在3～5cm，局部5～10cm;Ⅴ類圍巖變形一般在5～8cm，局部可達(dá)8～12cm;

(2)圍巖變形與工程部位關(guān)系密切，左拱座及左、右邊墻部位變形量較大;

(3)圍巖變形存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，Ⅳ類圍巖臨時(shí)支護(hù)后一般在15～30d變形趨于收斂，Ⅴ類圍巖臨時(shí)支護(hù)后一般在30～50d變形趨于收斂。如圖1、2 所示。

圖1 K8+820～8+825m部位Ⅳ類圍巖拱頂變形監(jiān)測(cè)

圖2 K0+880～0+885m部位Ⅴ類圍巖拱頂變形監(jiān)測(cè)

4 4個(gè)洞段圍巖變形的原因分析

4個(gè)洞段共有接近1/2的段長(zhǎng)范圍發(fā)生了變形破壞，其發(fā)生與發(fā)展是很復(fù)雜的，影響的因素也是多種多樣的，主要是自然的因素，也有人為的因素。就自然因素而言，起控制作用的是圍巖工程地質(zhì)條件，包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面特征及結(jié)構(gòu)面空間方位、巖體結(jié)構(gòu)、地下水的作用等等。洞段圍巖變形破壞的主要原因有:

(1)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜:工程區(qū)位于較場(chǎng)弧形構(gòu)造帶的北西翼，由一系列北西向斷層和緊密褶皺組成，引水隧洞位于瓦布梁子倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜北東翼，次級(jí)褶曲發(fā)育。導(dǎo)致洞段巖層產(chǎn)狀變化較大，出露地層巖性錯(cuò)綜復(fù)雜，巖體擠壓破碎嚴(yán)重;地下水較豐富;工程地質(zhì)條件復(fù)雜，成洞條件差。

(2)巖體軟硬相間:洞段中的Ⅳ類圍巖多為炭質(zhì)千枚巖與砂質(zhì)千枚巖或砂巖組合成的軟硬相間的層狀巖體，炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育，巖體破碎，遇水易軟化。軟硬相間的層狀巖體，由于其中軟弱巖層強(qiáng)度較低，容易變形和破壞，所以在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，常沿軟硬相間巖層的接觸處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，形成厚度不等的層間破碎帶，大大破壞了巖體的完整性。堅(jiān)硬巖層，其裂隙較發(fā)育，透水性較強(qiáng)，而軟弱巖層透水性較弱，因此，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^(guò)透水性強(qiáng)的多裂隙巖層至透水性弱的軟弱巖層接觸面時(shí)受阻而在接觸面集中，這樣就促使下伏軟弱巖層軟化或泥化。開(kāi)挖洞室之后，地下水向洞內(nèi)匯集，形成新的滲透場(chǎng)，使巖體受到指向洞內(nèi)的場(chǎng)力，從而導(dǎo)致圍巖變形或失穩(wěn)。

(3)炭質(zhì)千枚巖集中:炭質(zhì)千枚巖在洞段的圍巖里集中或半集中發(fā)育，炭質(zhì)千枚巖遇水易軟化，強(qiáng)度很低，但重量卻較大，開(kāi)挖后很容易產(chǎn)生坍塌，成洞條件極差。炭質(zhì)千枚巖大大降低了圍巖的整體力學(xué)強(qiáng)度，巖體很容易進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)而進(jìn)入破壞階段。隧洞開(kāi)挖后，巖體臨空面產(chǎn)生應(yīng)力釋放，向臨空面以外發(fā)生位移，位移積累到一定程度就會(huì)引起巖體變形破壞，隧洞頂拱向洞內(nèi)收斂變形，兩側(cè)邊墻以水平向位移為主，均向臨空面產(chǎn)生卸荷松弛。聲波測(cè)試表明，松弛圈厚度大于5m，從而產(chǎn)生巨大的塑性變形，松弛巖體逐漸向洞內(nèi)擠壓。剛性支護(hù)在一定程度上抑制了巖體的變形和膨脹，但由于其上部松弛圈巖體荷載太大，致使鋼拱架和混凝土的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)變形破壞。

此外，炭質(zhì)千枚巖與錨桿的咬合力很低(尤其是在頂拱部位)，因此錨桿的長(zhǎng)度必須保證能穿越炭質(zhì)千枚巖，進(jìn)入堅(jiān)硬巖體至少1m。原支護(hù)參數(shù)錨桿的長(zhǎng)度定為3m和4.5m，而炭質(zhì)千枚巖在許多部位的實(shí)際厚度達(dá)到4～6m，因此原方案沒(méi)能確保大多數(shù)錨桿穿過(guò)炭質(zhì)千枚巖并且深入堅(jiān)硬巖體至少1m，錨桿支護(hù)作用十分有限。用于鎖固鋼拱架的錨桿如果只扎根在炭質(zhì)千枚巖里(特別是在隧洞的頂拱部位)，錨桿的鎖固作用是很低的，發(fā)生變形破壞的結(jié)果也是致命的。

(4)巖層走向與洞軸線交角較小以及結(jié)構(gòu)面不利組合:洞段巖層走向與洞軸線方向小角度相交，沿巖層層面容易發(fā)生剪切破壞。在洞室右邊墻傾斜的層面與邊墻相交，傾斜角大于層面的摩擦角，洞壁的自穩(wěn)能力極差，產(chǎn)生順層滑移，沿層面張裂和局部垮塌破壞。左側(cè)的洞壁局部產(chǎn)生傾倒破壞，亦存在結(jié)構(gòu)面不利組合，產(chǎn)生滑移破壞。對(duì)于拱座部位，層面與拱座相切的部位，剪切破壞范圍很大，圍巖變形失穩(wěn)的可能性最大。此外，各種結(jié)構(gòu)面的不利組合使得洞身存在大量不穩(wěn)定塊體，也是圍巖變形或失穩(wěn)的重要引發(fā)因素。

(5)洞室開(kāi)挖斷面大:隧洞開(kāi)挖斷面直徑一般為10～10.5m，洞室開(kāi)挖斷面愈大(Ⅴ類圍巖開(kāi)挖斷面最大)，其變形速度愈快。開(kāi)挖斷面如此大，開(kāi)挖完畢到臨時(shí)支護(hù)的時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)7～10h，臨時(shí)支護(hù)難以及時(shí)跟上，從時(shí)間上給圍巖變形創(chuàng)造了條件。

(6)洞段開(kāi)挖斷面成型不規(guī)則:4個(gè)洞段為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖體多軟硬相間，施工放炮一般根據(jù)硬巖控制藥量，爆破后軟弱巖部分圍巖超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，一般超挖30～100cm，硬質(zhì)巖部分超挖一般較小，這樣就形成了開(kāi)挖斷面的不規(guī)則，鋼拱架緊貼巖面的長(zhǎng)度較小，給圍巖松弛和變形創(chuàng)造了足夠空間，圍巖變形進(jìn)一步加劇，松動(dòng)圈厚度進(jìn)一步加大。

(7)下半洞開(kāi)挖使得上半洞的主要臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)(鋼拱架)底部臨空，鎖固鋼拱架的錨桿與炭質(zhì)千枚巖的咬合力很低，錨桿沒(méi)有發(fā)揮良好的鎖固效果，鋼拱架無(wú)法承擔(dān)上部松弛圈巖體的巨大自重荷載，從而導(dǎo)致巖體變形，鋼拱架扭曲或壓壞。

(8)在4個(gè)洞段發(fā)生變形破壞部位的實(shí)際施工中，從開(kāi)挖支護(hù)到永久襯砌的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，超過(guò)了新奧法原理給出的“從支護(hù)到襯砌”的合理時(shí)間間隔。洞段的洞身永久襯砌的明顯滯后，使得臨空的巖體暴露時(shí)間太久，客觀上給圍巖的變形提供了足夠的時(shí)間，加劇了圍巖的變形破壞。根據(jù)新奧法的基本原理，隧道施工應(yīng)該做到“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)、及時(shí)封閉、及時(shí)襯砌”。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明，本工程引水隧洞圍巖變形存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，Ⅳ類圍巖臨時(shí)支護(hù)后一般在15～30d應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，變形趨于收斂，Ⅴ類圍巖臨時(shí)支護(hù)后一般在30～50d應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，變形趨于收斂。那么Ⅳ、Ⅴ類圍巖最佳襯砌時(shí)間應(yīng)該是臨時(shí)支護(hù)后30～50d，而實(shí)際襯砌時(shí)間一般是在臨時(shí)支護(hù)后100～120d，沒(méi)能正確地把握襯砌時(shí)間。在襯砌滯后時(shí)段內(nèi)，在頂部松弛圈巖體自重荷載的長(zhǎng)期作用下以及外界擾動(dòng)下，特別是施工爆破和下半洞開(kāi)挖剪底使得鋼拱架底部架空，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)以及巖體很容易變形加劇而破壞。為了防止這種不良結(jié)果，應(yīng)該合理掌握襯砌時(shí)間和襯砌方式，使得巖體變形得到有效的控制。

5 后續(xù)施工建議

洞段局部變形破壞機(jī)理，為后續(xù)施工提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)，具有指導(dǎo)意義。為了確保這4個(gè)洞段剩余部分的順利施工，以及其他可能出現(xiàn)的炭質(zhì)千枚巖集中發(fā)育洞段的安全作業(yè)，給出如下施工方案建議。后續(xù)施工實(shí)踐表明，對(duì)于炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育的洞段，下述方案建議是合理的、可行的。

(1)對(duì)于炭質(zhì)千枚巖較發(fā)育洞段，采取短進(jìn)尺、弱爆破開(kāi)挖，一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺限制在2～3m;

(2)預(yù)先探測(cè)炭質(zhì)千枚巖厚度，以此來(lái)確定錨桿的長(zhǎng)度，錨桿要穿越炭質(zhì)千枚巖，嵌入堅(jiān)硬巖體至少1m(特別是鋼拱架的頂部中心、兩側(cè)拱肩、兩側(cè)拱腳的鎖口錨桿);

(3)根據(jù)變形收斂期確定永久襯砌時(shí)間，在臨時(shí)支護(hù)30～50d后即進(jìn)行襯砌，一般情況下不能提前，也不能滯后;

(4)上半洞襯砌工作完畢后，才能開(kāi)挖下半洞;特殊情況下需要在襯砌之前開(kāi)挖下半洞時(shí)，一定要保證上半洞的臨時(shí)支護(hù)滿足要求、穩(wěn)定可靠，開(kāi)挖剪底過(guò)程中，要防止上半洞的鋼拱架底部臨空。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)引起4個(gè)洞段部分范圍發(fā)生變形破壞的因素中，圍巖工程地質(zhì)條件等自然因素是客觀存在的，但人為因素亦不可忽視，例如:裝藥量不合理，永久襯砌時(shí)機(jī)錯(cuò)誤，施工組織不靈活，管理僵化，缺少創(chuàng)新精神等等。

(2)巖土工程施工必須優(yōu)先并充分考慮工程地質(zhì)條件，并注重監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，以此為依據(jù)來(lái)制定合理的施工方案，不能千篇一律地照搬既有的經(jīng)驗(yàn)。

(3)隧洞施工應(yīng)正確應(yīng)用新奧法，正確掌握臨時(shí)支護(hù)和永久襯砌的時(shí)間，通過(guò)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)確定臨時(shí)支護(hù)與永久襯砌的合理時(shí)間間隔，并認(rèn)真遵照?qǐng)?zhí)行。