徐自享，沈習文，郭宏麗，王 新

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內，是黑水河干流水電規(guī)劃"二庫五級"開發(fā)方案的第三個梯級電站。電站采用引水式開發(fā)，開發(fā)任務為發(fā)電，兼顧下游環(huán)境生態(tài)用水。電站引用流量222m3/s，額定水頭215m，裝機容量420MW，年發(fā)電量16.58億kW·h。正常蓄水位2 133m，壩高147m，庫容5.35億m3，水庫具有年調節(jié)性能?，F(xiàn)有S302省道從毛兒蓋水電站工程區(qū)通過，根據《毛爾蓋水電站可行性研究報告》設計成果，按照電站水庫淹沒影響及施工總布置要求, 需對電站庫區(qū)淹沒范圍內現(xiàn)有S302省道進行復建。

西爾滑坡位于黑水河右岸西爾瓜子溝至西爾溝之間的河岸岸坡，屬于古滑坡中下部復活的新滑坡。電站前期設計在西爾滑坡前緣階地規(guī)劃了渣場，用于堆放電站棄渣，結合電站渣場設計及施工運輸要求，毛兒蓋水電站S302省道復建公路利用短隧道穿越貝爾山脊，出洞后從西爾滑坡中部棄渣平臺頂部通過，然后設隧道穿越滑坡體上游陡峭山壁，在西爾溝右側溝壁出洞。該隧道施工過程中，毛兒蓋水電站施工總布置設計取消了西爾滑坡下方棄渣場。因此，為了繞避西爾滑坡，毛兒蓋水電站S302省道庫區(qū)復建公路調整為貝爾長隧道從西爾瓜子溝左側穿越貝爾山脊、西爾滑坡，至西爾溝右側溝壁出洞。隧道全長1 771m，隧道里程樁號K6+673～K8+441m。貝爾隧道同時兼作電站料場運輸通道，根據電站施工運輸要求，隧道建筑限界為10.5m×5.0m,隧道建筑限界及內輪廓圖見圖1 ，隧道平面布置見圖2。

圖1 隧道建筑限界及二襯內輪廓

2 地質概況

隧道工程區(qū)屬中高山峽谷地貌，兩岸山勢雄厚，谷坡陡峻，呈“U”形谷?；鶐r岸坡地形坡度一般為45°～65°，低高程覆蓋層谷坡約為20°～35°。右岸沖溝較發(fā)育，分布西爾瓜子溝及西爾溝。工程區(qū)宏觀上表現(xiàn)為單斜構造，地層總體產狀為N20°～50°W/ NE∠55°～80°，巖層走向與河谷呈大角度相交，屬橫向谷。巖體中結構面除層面外，以節(jié)理裂隙為主。

隧道工程區(qū)主要分布西爾斷層，斷層產狀 N40°～60°E/SE∠70°～80°, 斷層兩側的巖層產狀不一致，斷面呈波狀彎曲，具有明顯的水平擦痕，顯示斷裂以水平運動為主。斷裂破碎帶寬約0.5～1m，影響帶寬約10～15m，以糜棱巖為主，中間夾有少量斷層泥和方解石脈。

工程區(qū)地表水系強烈深切，造成地形陡峻，使之地表徑流條件良好，從而決定了本工程區(qū)巖體內的地下水具有不甚豐富、坡降大、埋藏深的基本特征。根據地下水的賦存條件及運移特征，可將區(qū)內的地下水劃分為基巖裂隙水和松散堆積層中的孔隙潛水兩種類型。地下水均受大氣降水補給，向溝、谷排泄。

圖2 貝爾隧道平面示意

西爾滑坡位于黑水河右岸西爾瓜子溝上游約200m左右，順河寬400m，橫河長450m，厚度約10～15m，方量約為120～180萬m3。其上無居民和農田，主要為灌木叢和荒地，滑體由崩坡積塊碎石土組成，堆積較為緊密，下伏基巖巖性為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)淺變質砂巖夾炭質千枚巖，石炭系、二疊系下統(tǒng)(Cph)炭質千枚巖夾石英砂巖，兩側基巖完整。其上地表發(fā)現(xiàn)有多處拉裂縫，并有明顯的滑動變形跡象，目前處于變形拉裂階段。水庫蓄水后，滑坡表層將產生牽引式塌滑破壞。貝爾隧道進口端190～500m洞身段穿越西爾滑坡。

3 初期支護變形特征

貝爾隧道出口端約1 270m洞身段圍巖巖性以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組中～厚層含鈣變質細粒長石石英砂巖為主，局部夾薄層變質砂巖及少量灰黑色炭質千枚巖，屬三疊系西康群淺變質巖系。洞挖揭示該段洞身圍巖巖性較好，洞挖及支護施工均較為順利。

根據地質勘察，貝爾隧道進口端約500m洞身段圍巖以砂巖、板巖為主，局部夾雜少量千枚巖，原設計Ⅴ級圍巖初期支護參數(shù)如下：

(1)超前支護：拱部150°范圍內設置φ42,L=6.0m超前注漿小導管，間距0.4m，縱向排距4.0m。

(2)系統(tǒng)支護：拱部及側墻設置φ22,L=3.5m系統(tǒng)錨桿及φ8鋼筋網，噴C20混凝土25cm厚，錨桿間排距1.0m×1.0m，鋼筋網間距20cm。

(3)拱架：縱向每0.8m間距設型鋼拱架1榀，型鋼采用18工字鋼，拱架間采用φ22連接鋼筋縱向焊接，鋼筋間距1.0m。

但掘進施工過程中，揭示圍巖巖性以石炭系、二疊系下統(tǒng)灰黑色極薄層～薄層狀炭質千枚巖為主，局部夾雜薄層狀砂巖和少量強風化石英脈(呈酥碎沙狀)。強風化千枚巖受基巖裂隙水長期浸泡，軟化作用較明顯，可塑～硬塑，局部軟塑，呈角礫狀、碎屑狀，局部呈泥狀，屬于軟巖，局部屬極軟巖。

據監(jiān)測統(tǒng)計，千枚巖洞身段采用上述Ⅴ級圍巖支護參數(shù)，初期支護一般于支護7日后噴混凝土表面出現(xiàn)環(huán)向細微裂縫，多集中于型鋼拱架附近，表現(xiàn)為鋼架與噴混凝土接觸面缺乏足夠粘結性。隨著時間的推移，裂縫逐漸張開，20～40日變形進一步加大，拱部噴混凝土大面積龜裂，局部破碎、掉塊，變形嚴重地帶，噴混凝土脫落后，可觀察到部分型鋼拱架出現(xiàn)S狀扭曲變形。

監(jiān)測結果顯示，隧道拱頂及拱腰初期支護變形量一般20～40cm，最大達50cm，初期支護不同程度的侵占了原設計二襯空間。其中K6+910.00～K6+980.00m段(70m長)絕大部分斷面初期支護侵占二次襯砌約40cm，初期支護表面基本接近或達到原設計二襯的內輪廓表面。隧道蓋板邊溝因受側壁變形擠壓局部出現(xiàn)折斷性開裂。根據隧道變形監(jiān)測結果，分析統(tǒng)計得出隧道進口端500m范圍內，拱部平均變形速率曲線(見圖3)，圖中顯示10～30日變形速度最快。約40日后初期支護變形趨于緩慢，變形量達到30～40cm高位區(qū)間。

從變形特征來看，千枚巖隧道圍巖變形經歷彈性變形、塑性變形與彈性變形并存、塑性變形三個階段。前兩個階段時間較短，塑性變形階段持續(xù)時間相對較長。在初期支護缺少足夠支護強度情況下，隧道表現(xiàn)出初期支護結構快速受壓、繼而出現(xiàn)破壞，破壞規(guī)律符合天數(shù)(d)-變形量△(cm)關系曲線圖。

圖3 拱部平均變形速率曲線

對比發(fā)現(xiàn)，在同等洞徑、同級圍巖、同等支護強度情況下，隧道進口千枚巖洞身段初期支護變形量約是出口砂巖洞身段初期支護變形量的3～5倍。

4 隧道大變形機理分析

根據隧道掘進施工揭示的地質情況及變形監(jiān)測結果分析，隧道圍巖變形主要受以下因素影響：

4.1 圍巖巖性及巖體力學性質影響

隧道進口段圍巖巖性為炭質千枚巖，巖體強度較低，屬軟巖，局部屬極軟巖。巖體風化卸荷強烈，雨水及融雪水易沿節(jié)理裂隙下滲。距相關資料，炭質千枚巖的水敏感性強，遇水后其單軸抗壓強度、泊松比、粘聚力降低50%～60%。軟巖隧道開挖后，塑性變形及流變特性較明顯，在隧道洞周產生急劇收斂變形，由于圍巖風化卸荷強烈，呈角礫狀、碎屑狀，較大圍巖變形使得變形區(qū)域內圍巖粘聚力受到破壞，C值進一步降低，并在初期支護外圍形成松動圈，松動圈內圍巖自身穩(wěn)定性較差，圍巖自重基本靠初期支護承載，初期支護表現(xiàn)出快速受壓破壞。根據地質雷達探測結果顯示，圍巖松動深度約1～4m，主要集中在拱部及腰部，見圖4。

圖4 圍巖松動示意

4.2 高地應力

工程區(qū)地處我國西部高原強烈隆起區(qū)的東緣和東部較弱抬升區(qū)與之毗鄰的地帶，總體上屬新構造運動整體抬升地區(qū)，地質構造主要為一系列呈NW～NNW向展布的緊閉、同斜、倒轉線形褶皺。工程區(qū)新構造運動較強烈，水平擠壓地應力較大。當軟巖隧道地應力較高時圍巖易產生持續(xù)大變形。

4.3 西爾斷層影響

西爾斷層破碎帶寬約0.5～1m，影響帶寬約10～15m，斷層走向與隧道走向大角度相交，斷層傾角70°～80°。雨水易沿斷層下滲，千枚巖遇水后產生軟化作用。

5 工程處治措施

貝爾隧道變形大，局部破壞的初期支護，因其已經承受較大圍巖壓力，從施工安全角度考慮，不宜拆除重建?？紤]到隧道支護變形形成侵限只影響電站施工車輛通行，而不影響作為省道S302線的交通要求，在分析監(jiān)測數(shù)據及變形機理的基礎上，決定對貝爾隧道進行加固處理，控制變形進一步發(fā)展，主要加固措施如下：

(1)在原有型鋼拱架正下方及相鄰拱架中間位置各增設一榀型鋼拱架，拱架間采用縱向鋼筋焊接，拱架腳部及腰部采用注漿小導管鎖腳，進一步增強初期支護結構剛度，提高抗壓性能。

(2)為了提高圍巖自身穩(wěn)定性，控制圍巖松動圈進一步擴大，對松動圍巖采用φ42，L=3.0m小導管注漿，小導管間排距1.0m，梅花形布置，通過注漿對初期支護背后空隙進行填充，對松動圍巖進行固結，提高圍巖粘聚力及整體性，最終形成初期支護與固結圍巖整體受力。

(3)在完成前兩步處理措施后，對初期支護補噴C20混凝土，監(jiān)測變形穩(wěn)定后及時施工模筑混凝土襯砌。

通過上述加固處理后，隧道變形監(jiān)測表明，隧道施工期變形得到了控制，模筑混凝土襯砌實施后變形監(jiān)測也表明加固處理措施取得了較好的效果，隧道交工后運行穩(wěn)定。

6 結論和建議

(1)千枚巖具有強度低、膠結性差、可塑性、流變性、易擾動、水敏感性強等特點。千枚巖隧道極易產生大變形及塌方，建議適當加強地質勘探及超前地質預報措施，為千枚巖隧道設計提供可靠依據。

(2)千枚巖隧道變形具有較明顯的流變效應及時間效應，應根據軟巖變形規(guī)律，適當加強初期支護剛度，提高初期支護抗壓性。對于炭質千枚巖，且受裂隙水浸泡洞身段，型鋼拱架架設密度不宜小于0.6m/榀。施工時應采用

合理的施工方法，適當加大開挖預留變形量，初期支護變形穩(wěn)定后及時施工模筑混凝土襯砌。

參考文獻：

[1] 陶志平,周德培.滑坡地段隧道變形的地質力學模型及工程防治措施[J].鐵道工程學報, 2006，91(1):61-66.

[2] 史彥文,丁小軍,韓常領.極軟巖隧道沉降變形的控制措施[J].中外公路, 2009，29(4):397-400.

[3] 蔣建平,章楊松,羅國煜,等.優(yōu)勢結構面理論在巖土工程中的應用[J].水利學報, 2001(8):90-96.