范慶龍，聶 亮，吳少儒，李聯(lián)書，殷 滋，燕俊松

（1.四川華能瀘定水電有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學，四川 成都 610059）

0 前 言

成巖后期，巖石受構(gòu)造、熱液等次生作用改造，礦物組成及結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變的過程稱為蝕變，所形成的巖石，稱為蝕變巖。在地質(zhì)條件復雜地區(qū)，尤其是在古老的巖漿巖、變質(zhì)巖巖體中建設(shè)大壩、隧洞工程時，常常會遭遇此類巖石［1-5］。蝕變巖的工程性質(zhì)具有較大的不確定性，其受控于原巖巖性、蝕變類型、程度等多個因素，盡管少部分蝕變對于巖石的工程性質(zhì)具有強化作用，但更多的是引起巖石工程性質(zhì)的劣化［6］，例如滇藏鐵路西北段基性-超基性巖帶中發(fā)育的蒙脫石化蝕變［7］；天池抽水蓄能電站混合片麻巖和混合花崗巖中發(fā)育的黏土化、云母富集化蝕變［8］；孟底溝水電站花崗閃長巖中發(fā)育的黏土化蝕變［6］；大崗山水電站輝綠巖脈的綠泥石化蝕變等［9］。這些蝕變巖大多具有松散、破碎、軟弱等特征，且由于含有親水性黏土礦物，宏觀上可表現(xiàn)出較強的遇水軟化性、膨脹性和崩解性，構(gòu)成了巖體中相對薄弱的環(huán)節(jié)，嚴重制約著大壩、隧道工程的建設(shè)［1］。

巖體蝕變是硬梁包水電站引水隧洞建設(shè)過程中面臨的主要工程地質(zhì)問題之一，所遭遇的蝕變巖類型復雜、分布廣泛，尤其是與輝綠巖脈斷層伴生的構(gòu)造蝕變帶和高嶺土化蝕變花崗巖，性狀軟弱，圍巖穩(wěn)定性差。鑒于目前國內(nèi)外對蝕變巖工程性質(zhì)研究尚不充分，且缺乏在蝕變巖體中開挖大跨度隧道的經(jīng)驗，塌方、大變形等變形破壞事件時有發(fā)生，嚴重威脅隧洞施工安全。本文基于現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合室內(nèi)巖礦測試、統(tǒng)計分析等手段，總結(jié)工程區(qū)蝕變巖類型及發(fā)育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規(guī)律，并提出應(yīng)對措施，對于保證隧洞施工安全具有指導意義。

1 工程概況

硬梁包水電站位于四川省甘孜州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)，是大渡河流域第13級梯級電站，采用低閘長引水式開發(fā)，由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等建筑物組成，總裝機容量111.6萬kW。其中引水隧洞布置于大渡河左岸，由兩條平行排列的長約14 km，洞徑為13.5 m的圓形隧洞構(gòu)成，平均埋深500～600 m。引水隧洞沿線共布置7個施工支洞，均采用城門洞形斷面，跨度8 m，高7 m。

工程區(qū)地處川西“Y”字型構(gòu)造結(jié)合部位，構(gòu)造背景異常復雜。引水隧洞穿越前震旦系澄江期康定雜巖，主要巖性為混合質(zhì)花崗巖、閃長巖等，并伴隨大量海西期侵入的輝綠巖脈穿插［8-9］。巖脈大多為NE至近EW走向，SN向也有發(fā)育，陡傾角產(chǎn)出為主，寬度多在0.3～2 m之間，長度多為數(shù)米至數(shù)十米。受多期次構(gòu)造-巖漿（熱液）活動影響，工程區(qū)巖漿巖體普遍不同程度遭受“內(nèi)傷”，即發(fā)生蝕變，尤其是輝綠巖脈的構(gòu)造蝕變和花崗巖的高嶺土化蝕變，嚴重弱化巖體力學性質(zhì)，對洞室圍巖穩(wěn)定十分不利，嚴重威脅隧洞施工安全。

2 蝕變巖特征

基于詳細現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合薄片鑒定、X衍射等巖礦測試手段，將工程區(qū)蝕變類型劃分為：輝綠巖構(gòu)造蝕變、花崗巖高嶺土化蝕變、鉀長石化蝕變以及綠泥石、綠簾石化面蝕變。

2.1 輝綠巖構(gòu)造蝕變

工程區(qū)輝綠巖脈在經(jīng)歷了多期次構(gòu)造-熱事件后，普遍不同程度蝕變，一方面宏觀和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，另一方面所含輝石、角閃石等暗色礦物分解為綠泥石。根據(jù)構(gòu)造變形、礦物變質(zhì)程度強弱，將蝕變輝綠巖劃分為碎裂化輝綠巖、碎塊狀輝綠巖、角礫狀輝綠巖、片理化和泥化輝綠巖，主要特征及工程性狀見表1，發(fā)育規(guī)律總結(jié)如下：

表1 構(gòu)造蝕變輝綠巖特征及主要工程性狀

（1）受巖脈原始產(chǎn)狀控制，構(gòu)造蝕變輝綠巖在空間上呈帶狀展布，以NE、NEE和近EW向陡傾角發(fā)育為主，近SN、NW向也有發(fā)育。

（2）巖脈構(gòu)造蝕變帶寬度多在50 cm以下，且隨著寬度增大，頻數(shù)減小，最寬可達5 m。寬度小于1 m者多片理化、泥化蝕變，寬度較大者多角礫狀，碎塊狀蝕變。蝕變程度隨巖脈寬度增大而減弱。

（3）輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶的發(fā)育密度及蝕變程度具有空間不均性，在2號施工支洞附近，發(fā)育密度達到7.8條/百米，且多為片理化、泥化蝕變，而在4號施工支洞附近，發(fā)育密度僅為0.27條/百米，且多為碎塊狀、碎裂化蝕變，這可能與巖脈侵入期及構(gòu)造蝕變期巖漿、構(gòu)造活動空間差異有關(guān)。

（4）單條巖脈內(nèi)構(gòu)造蝕變往往不均勻，與圍巖接觸部位蝕變較強，可形成片理化、泥化帶，向巖脈中心蝕變程度減弱，可呈現(xiàn)角礫狀甚至碎塊狀。蝕變一般局限于巖脈內(nèi)，對混合質(zhì)花崗巖圍巖影響相對較小，因而往往形成局部軟弱單元。

2.2 花崗巖高嶺土化蝕變

高嶺土化蝕變是花崗巖等長英質(zhì)巖石中常見的蝕變類型［6］，其消耗巖石中的長石，生成黏土礦物高嶺石，同時破壞巖石結(jié)構(gòu)，使礦物顆粒間失去連接，因而對巖石工程性狀影響極大。工程區(qū)高嶺土化蝕變花崗巖主要發(fā)育在大型泥化輝綠巖構(gòu)造帶旁側(cè)，或夾持與兩條平行的構(gòu)造帶之間，或處于多條構(gòu)造帶交匯部位。產(chǎn)出特征表明其成因與構(gòu)造變形相關(guān)，而非簡單的熱液蝕變。

高嶺土化蝕變花崗巖具散體結(jié)構(gòu)，強度極低，變形性強，遇水后崩解呈砂土狀。X衍射結(jié)果顯示，蝕變巖中高嶺土含量僅10%～14%左右，因此微觀結(jié)構(gòu)的破壞是導致巖石工程性質(zhì)劣化的主要原因。高嶺土化蝕變花崗巖圍巖自穩(wěn)能力極差，施工過程中多次發(fā)生塌方、大變形災(zāi)害。

2.3 鉀長石化蝕變

鉀長石化是工程區(qū)混合質(zhì)花崗巖中常見的一種蝕變類型，蝕變巖呈微紅色-肉紅色。鉀長石化蝕變多沿節(jié)理裂隙或斷層發(fā)育，沿節(jié)理裂隙熱液侵入量小，鉀長石化蝕變程度弱，影響范圍小，多形成厘米級寬的細脈狀蝕變條帶；沿斷層熱液侵入量大，鉀長石化蝕變強度大，影響范圍大，一般可形成數(shù)十厘米寬的蝕變條帶。由于鉀長石同樣為花崗巖主要造巖礦物之一，蝕變對巖石微結(jié)構(gòu)影響較小，故此類蝕變巖工程性狀與原巖相近。

2.4 綠泥石、綠簾石面蝕變

低溫熱液蝕變礦物如黏土、方解石、石英、綠簾石等沿裂隙充填或附著于裂隙面上，稱為面蝕變，其主要影響巖體結(jié)構(gòu)面的剪切強度和剛度。工程區(qū)常見的面蝕變類型為綠泥石化和綠簾石化蝕變，二者分別使裂隙面呈現(xiàn)暗綠色和黃綠色，現(xiàn)場極易分別。綠泥石為黏土礦物，遇水軟化，極大地弱化了結(jié)構(gòu)面剪切強度，易使巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞，從而形成塌方；而綠簾石非軟弱礦物，其莫氏硬度與長石相當，一般對結(jié)構(gòu)面強度無影響，甚至有所加強，僅當具有定向性時，易沿該方向剪切錯動［8］。

3 隧洞施工安全問題分析

片理化、泥化及部分角礫狀輝綠巖，具散體結(jié)構(gòu)，工程性狀軟弱，極易失穩(wěn)破壞形成塌方；高嶺土化花崗巖顆粒間連接松散，變形性強、強度低，開挖后易產(chǎn)生大變形；綠泥石化面蝕變極大地弱化了巖體結(jié)構(gòu)面強度，當洞頂或邊墻存在不利裂隙組合時，巖體易在重力作用下垮落。上述變形破壞事件在硬梁包水電站引水隧洞開挖過程中屢次發(fā)生，對施工安全構(gòu)成極大威脅。

3.1 塌 方

3.1.1 塌方規(guī)律

塌方是隧洞建設(shè)過程中的主要災(zāi)害之一，不僅給隧洞施工帶來巨大困難，延誤工期，耗費資金，而且留有后患，成為未來隧洞出現(xiàn)病害的主要根源［11］。根據(jù)塌方原因及形態(tài)，可將塌方分為局部塌方、拱形塌方和異形塌方［11］，其中局部塌方是指由塊體組合形成的掉塊或塌方，規(guī)模一般較?。还靶嗡绞侵赴l(fā)生在碎塊巖體中的塌方，規(guī)模較大，呈拱形；異形塌方是指由于特殊地質(zhì)條件，如溶洞、陷穴，蝕變帶等造成的塌方，形態(tài)不規(guī)則。根據(jù)《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014），塌腔高度小于3 m屬小型塌方；塌腔高度3～6 m屬中型塌方；塌腔高度大于6 m屬大型塌方［12］。

共統(tǒng)計塌方事件139起，其中局部塌方97起，異形塌方42起，無拱形塌方發(fā)生。局部塌方中，小型塌方95起，占總數(shù)的98%，中型塌方2起，占總數(shù)的2%，無大型塌方，塌方體積一般在70 m3以下，最大達337.96 m3，其中25起與綠泥石化面蝕變有關(guān)，可見綠泥石化面蝕變是形成局部塌方的重要原因。異形塌方中，小型塌方27起，占總數(shù)的64.3%，中型塌方13起，占總數(shù)的31%，大型塌方2起，占總數(shù)的4.7%，塌方體積一般在160 m3以下，最大達344.59 m3，其中38起與輝綠巖構(gòu)造蝕變帶有關(guān)，4起與高嶺土化蝕變花崗巖有關(guān)，可見輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶是引起異形塌方的主要原因。異形塌方較局部塌方規(guī)模更大，處理難度大，危害性更強。

如圖1所示，隨著蝕變帶寬度增加，塌方高度和塌方體積均具增大趨勢，F(xiàn)檢驗表明，蝕變帶寬度與塌方高度、塌方體積具有顯著正相關(guān)。能夠引起塌方的臨界蝕變帶寬度為40 cm，意味著寬度小于40 cm的構(gòu)造蝕變帶對圍巖穩(wěn)定影響有限；引起中型塌方的臨界蝕變帶寬度為80 cm，而當蝕變帶寬度大于1.5 m時可引起大型塌方。圖2顯示輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶性狀對異形塌方的影響，可以看出，77%的塌方形成于角礫狀、片理化、泥化輝綠巖中，17%的塌方形成于碎塊狀輝綠巖中，另有10%的塌方形成于高嶺土化蝕變花崗巖中，碎裂化輝綠巖未引起塌方，可見蝕變程度越強，巖體性狀越差，越易產(chǎn)生塌方。統(tǒng)計表明，85.7%的異形塌方發(fā)生在有水條件下，因此地下水是弱化巖體力學參數(shù)，誘發(fā)塌方的重要因素。

圖1 輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶寬度與異形塌方參數(shù)的關(guān)系

圖2 輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶性狀對異形塌方的影響

3.1.2 典型塌方案例分析

2020年7月22日22時10分，1號引水隧洞樁號K2+878 m掌子面爆破，爆破后揭露寬大輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶，產(chǎn)狀N75°E/NW∠65°，寬約2.4 m。帶內(nèi)巖體呈角礫狀，自穩(wěn)能力差，地下水較豐富。次日2時55分陸續(xù)對掌子面噴混凝土、施工隨機錨桿、掛網(wǎng)、架設(shè)鋼支撐等，7月24日10時30分掌子面開始出現(xiàn)小范圍坍塌，隨即對掌子面噴鋼纖維混凝土進行封閉，穩(wěn)定后再掛鋼筋、架設(shè)鋼支撐，由于巖體極不穩(wěn)定，加上巖層裂隙水不斷滲漏加劇了巖體的失穩(wěn)和塌落，在進行支護過程中多次出現(xiàn)小范圍掉塊、掉渣等現(xiàn)象，至8月1日凌晨掌子面再次出現(xiàn)掉渣、掉塊現(xiàn)象，噴射鋼纖維混凝土已無法穩(wěn)定掌子面，已致拱頂塌方范圍持續(xù)增大形成臨空自由面，導致塌方連鎖反應(yīng)形成較大空腔，至8月1日13時50分塌方部位掌子面已全部被覆蓋，為保證施工安全，人員設(shè)備撤離至安全區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)場初步推算塌方體方量約為300 m3。塌方后，參建四方?jīng)Q定采取塌方體反壓、坍塌巖渣注漿固結(jié)、泵送C20混凝土回填空腔、小導管注漿加固圍巖等措施進行處理，前后共耗時45天。

蝕變帶寬度較大加之工程性狀軟弱是導致塌方的內(nèi)在原因。該部位本身為Ⅳ類圍巖，由于采用小導管進行了超前支護，蝕變帶在揭露后尚能自穩(wěn)一段時間，掛網(wǎng)、初噴后直至第三日才開始出現(xiàn)小范圍坍塌。蝕變帶主要由角礫巖構(gòu)成，屬導水構(gòu)造，導致該部位地下水較發(fā)育，但初噴封閉后未布設(shè)排水孔，致使孔隙水壓力在蝕變帶內(nèi)不斷積累，降低了巖體間的有效應(yīng)力，弱化了巖體強度，并最終導致了失穩(wěn)破壞。

3.2 大變形

圍巖擠壓大變形是高嶺土化蝕變巖洞段面臨的主要災(zāi)害之一。工程區(qū)隧洞所處部位地應(yīng)力較高，加之高嶺土化蝕變花崗巖性狀軟弱，開挖后易在應(yīng)力重分布作用下產(chǎn)生大變形，造成拱頂下沉、噴混開裂、底鼓等，嚴重威脅施工安全，并導致初期支護結(jié)構(gòu)侵限，影響工程后期使用。

以6號施工支洞樁號K0+930 m～K0+970 m段為例，該段圍巖為高嶺土化蝕變花崗巖，等級為Ⅴ類。除采用上下臺階開挖、雙層小導管（Φ42 mm，L=4.5 m）注漿預(yù)固結(jié)外，原初期支護方案為：Φ25 mm，L=6 m徑向漿錨桿，間排距1.5 m，每排16/17根；Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)15 cm×15 cm；I16鋼支撐間距1.5 m；C20噴射混凝土厚20 cm。隧洞開挖初期圍巖整體變形速率較高，停止開挖后15日，圍巖收斂變形仍然較快，左邊墻最大位移速率2.55 mm/d，右邊墻最大位移速率3.12 mm/d；拱頂最大位移速率-5.62 mm/d。為抑制圍巖變形發(fā)展，對支護措施進行局部加強，包括：①增加型鋼橫撐作為臨時仰拱；②兩側(cè)邊墻進行小導管注漿加固。在采用上述加強支護后，圍巖變形有所減緩，但仍繼續(xù)發(fā)展，7 d后圍巖收斂變形速率趨于穩(wěn)定，平均變形量為1.56 mm/d；局部洞段出現(xiàn)裂縫，邊墻擠出變形，混凝土噴層侵入隧洞凈空；橫撐向上彎曲，隧洞底鼓明顯。經(jīng)參建四方討論，決定進一步加強支護措施，包括：在現(xiàn)有I16鋼支撐榀與榀之間間隔增設(shè)一環(huán)I20鋼支撐，新增I20鋼支撐榀間距為1 m，鋼支撐之間設(shè)置C22縱向連接筋，沿鋼支撐環(huán)向每1 m設(shè)置1根內(nèi)外交錯布置。鋼支撐底部開挖弧形橫撐，并采用C30混凝土澆筑平順，澆筑至底板混凝土高程下部。采用如此強力的支護措施后，圍巖變形被顯著抑制，但受巖體流變性影響，監(jiān)測51天后，變形仍然存在。

4 應(yīng)對措施

4.1 加強超前地質(zhì)預(yù)報

盡管對輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶的宏觀發(fā)育規(guī)律已有較為清晰的認識，但仍無法具體判斷其出現(xiàn)的位置、規(guī)模及性狀，因此超前地質(zhì)預(yù)報顯得尤為重要。本文推薦采用鉆孔信息提取法進行超前地質(zhì)預(yù)報，可將部分鉆爆周邊孔加深一倍作為超前探孔（見圖3），對于人工鉆爆而言，每一循環(huán)均需向鉆工詳細收集以下信息，包括鉆孔過程中進尺速度、扭力、回水顏色等是否有異常，是否發(fā)生卡鉆等，如有異常還需詢問異常點出現(xiàn)部位及大致深度，據(jù)此判斷前方圍巖巖性及質(zhì)量變化，并及時制定應(yīng)對措施。一些學者開發(fā)了自動化鉆進技術(shù)與人工智能相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，其原理也是基于鉆孔信息提取法［13］。當然，該方法還應(yīng)與隧道地質(zhì)編錄以及TRT、TSP等物探方法相結(jié)合，以提高預(yù)報精度。

圖3 超前探孔設(shè)計剖面示意

4.2 做好超前支護

超前小導管注漿在蝕變巖洞段是行之有效的預(yù)支護手段。小導管注漿參數(shù)應(yīng)通過生產(chǎn)性實驗確定，富水洞段可對蝕變圍巖注水泥-水玻璃雙液漿。硬梁包工程采用Φ42 mm，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度為5 m，注漿壓力為0.1～0.5 MPa，環(huán)向間距70 cm，外插角10°、15°交錯布置，縱向搭接長度為1.5 m。實踐證明，超前小導管注漿能夠?qū)ξg變圍巖起到較好的預(yù)加固效果。

4.3 合理選擇開挖方式

開挖方式的選擇對于圍巖穩(wěn)定具有重大影響。在高嶺土化蝕變花崗巖洞段或發(fā)育寬大、強蝕變輝綠巖脈時，必須遵循“短進尺、多循環(huán)、輕擾動”的原則，推薦采用上下臺階四步開挖法。以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、下兩個臺階四個開挖面（見圖4），各部位開挖與支護采用沿隧洞縱向錯開、平行推進的隧洞施工方法［14］。采用弱爆破或機械開挖上部弧形導坑，核心土長度宜為3～5 m，寬度宜為隧洞跨度的1/3～1/2，開挖循環(huán)進尺不得超過1 m?；⌒螌Э娱_挖完畢后，緊跟初期支護，在確保上臺階開挖面穩(wěn)定后再進行后續(xù)開挖。

圖4 上、下兩個臺階四個開挖面施工工序透視

4.4 加強支護

蝕變巖屬軟弱圍巖，自穩(wěn)能力差，易變形，通過蝕變巖洞段時應(yīng)適當加強支護，如加密、加長錨桿、減小鋼支撐間距等。在6號施工支洞開挖過程中，高嶺土化蝕變花崗巖圍巖持續(xù)變形，直至增設(shè)仰拱后變形才逐步收斂，可見盡快使支護結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)對于控制蝕變圍巖大變形至關(guān)重要。應(yīng)加強圍巖變形監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對病害洞段及時補強，同時動態(tài)調(diào)整后續(xù)支護方案。

4.5 開挖后及時封閉掌子面，富水段及時排水

蝕變巖由于含有親水性黏土礦物，如綠泥石、高嶺石等，且結(jié)構(gòu)較為松散，遇水后性狀劣化迅速且明顯。開挖后應(yīng)及時噴混封閉，阻斷其與空氣中的水分接觸。富水地段應(yīng)及時排水，必要時可采用超前鉆引水，盡量減少蝕變巖與地下水相互作用。

5 結(jié) 論

巖體蝕變是硬梁包水電站引水隧洞建設(shè)過程中面臨的主要工程地質(zhì)問題之一，本文基于現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合室內(nèi)巖礦測試、統(tǒng)計分析等手段，總結(jié)硬梁包水電站引水隧洞蝕變巖類型及發(fā)育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規(guī)律，并提出了針對性應(yīng)對措施，主要獲得以下結(jié)論：

（1）工程區(qū)蝕變類型主要包括輝綠巖構(gòu)造蝕變、花崗巖高嶺土化蝕變、鉀長石化蝕變以及綠泥石、綠簾石化面蝕變，其中輝綠巖構(gòu)造蝕變又可依據(jù)蝕變程度從弱至強劃分為：碎裂化、碎塊狀、角礫狀、片理化和泥化蝕變。

（2）輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶以NE、NEE和近EW向陡傾角發(fā)育為主，寬度多在50 cm以下，最寬可達5 m，蝕變程度總體隨巖脈寬度增大而減弱。輝綠巖脈蝕變帶發(fā)育密度及蝕變程度具有空間不均性，單條巖脈內(nèi)構(gòu)造蝕變程度往往也不均勻。

（3）工程區(qū)塌方主要分為局部塌方和異形塌方兩類，綠泥石化面蝕變是形成局部塌方的重要原因，而輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶是引起異形塌方的主要原因。輝綠巖脈構(gòu)造蝕變帶寬度、性狀以及地下水狀態(tài)對異形塌方具有顯著影響。

（4）高嶺土化蝕變花崗巖工程性狀軟弱，加之工程區(qū)隧洞所處部位地應(yīng)力較高，這些是導致其開挖后易產(chǎn)生大變形災(zāi)害的根本原因。

（5）在總結(jié)工程區(qū)蝕變巖類型及發(fā)育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規(guī)律基礎(chǔ)上，提出了針對性應(yīng)對措施，主要包括：加強超前地質(zhì)預(yù)報；合理選擇開挖方式；做好超前支護；蝕變巖洞段適當加強支護；開挖后及時封閉掌子面，富水段及時排水。