盖下坝水电站砂岩中隧洞开挖的围岩稳定性分析及应用

张明高

（重庆中环建设有限公司 401120）

盖下坝水电站砂岩中隧洞开挖的围岩稳定性分析及应用

张明高

（重庆中环建设有限公司 401120）

本文结合工程实例，通过分析层状岩体的破坏条件、盖下坝水电站砂岩中隧洞开挖过程中围岩的稳定性，确定隧洞开挖工程中的施工关键技术。

砂岩 围岩稳定性 隧洞开挖 盖下坝电站

1 工程概述

重庆云阳盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内的长江一级支流长滩河中上游河段，以发电为主，电站装机容量12万kW，保证出力3.1万kW，多年平均发电量3.659亿kW·h，装机利用小时数3049h。工程枢纽主要由混凝土双曲拱坝及左岸引水发电系统组成。引水系统布置在长滩河左岸山体内，由进水口、引水隧洞、调压井及压力管道组成，采用一洞三机的布置方式。盖下坝水电站引水隧洞总长6561.95m，该标桩号引1+000.00～引6+537.15，通过三条支洞进入引水隧洞进行施工。

2 工程地质情况

2.1 基本地质条件

a.地形地貌。长滩河流域属构造剥蚀中、低山地貌类型，区内分水岭海拔一般为800～2000m，河漫滩等河谷地貌相对较发育。桩号引1+000.00～引6+537.15段引水隧洞洞身主要穿行于三叠系下统嘉陵江组、中统巴东组、上统须家河组的微新岩体中，上覆岩体厚度一般为50～400m。

b.地层岩性。砂岩段属三叠系上统须家河组T3xj地层，主要为灰色中厚—薄层状长石石英砂岩，夹薄层页岩、炭质页岩和煤，多附于石英砂岩底部，与砂岩呈不整合接触，软岩见水易风化。

c.地质构造。引水隧洞方位为357°48′22.5″，岩层走向为N30°～37°ENW＜25°～37°，该段未发现区域性构造，节理和层面裂隙发育，多呈组分布，节理走向多以与洞轴线呈30°～50°的夹角斜交切割岩层，横节理发育胜于纵节理，使砂岩多呈条块状断裂，多层面裂隙涌水。由于上述原因，降低了围岩类别，使岩层稳定性差。

d.水文地质条件。三叠系上统须家河组长石石英砂岩，属富含水层。隧洞穿越段距地表埋深高差较大，山高坡陡，地表多沟谷，洞内涌水主要受地表水影响，使洞内多段涌水，呈分散状不间断滴水或涌水，开挖揭穿时涌水一般在15～20m3/h，涌水严重影响了围岩的稳定，增加了施工难度。

2.2 工程地质评价

围岩呈微风化状态，层理发育，多呈厚—薄层状构造，倾角较缓，岩体较完整，顶拱易发生掉块现象，围岩处于较稳定状态。

3 围岩稳定性分析

盖下坝水电站引水隧洞开挖过程中的关键施工技术是解决好砂岩洞段的围岩稳定性，加快不良地质洞段的开挖与支护速度，确保整个隧洞开挖的进度和安全。

3.1 层状岩体中洞室开挖后围岩受力分析

对于砂岩岩体，由于具有层状结构，结构面由占有绝对优势的原生的或次生的结构面组成。岩体横观各向同性，优势结构面大多属于物质分异面，平行优势结构面方向，岩体的组成基本相同，而垂直优势结构面方向，岩体的组成则呈频繁地软硬交替。特别是褶皱运动强烈的区域，岩层间产生的剪切错动，则使已有的优势结构面的物理力学性质进一步弱化，甚至形成对岩体稳定起控制作用的泥化夹层。在洞室开挖后，周边一定范围内的岩体因受扰动以及临空面的存在，在岩体自重应力作用下，初始应力就会发生重新分布，在洞室周边围岩表现最为剧烈，使围岩内各质点的初始应力平衡状态受到破坏，因而发生位移，向临空面挤压变形，有的围岩发生松胀。周边围岩随着时间的变化，其变形和应力重分布也不断地进行。如围岩的变形不大于其最大允许变形量，围岩就趋于稳定，在围岩体中逐渐形成具有一定承载力和自稳性的围岩承载力拱环。承载力拱环以内的围岩体主要受自重应力的作用，如果岩体中结构面发育，根据块体失稳原理，临空面围岩体失稳，进一步引起其他围岩的变形。再加上围岩固有物理力学特性的复杂性和一些断层、节理的影响，包括岩层的产状（走向和倾角）、岩石和层面的力学强度等，使得围岩的稳定性问题变得更加复杂。

图1 洞室层状围岩周边应力示意图

文献1指出影响层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的主导因素是层状岩体的裂隙倾角、层数，尤其是裂隙倾角为岩体破坏提供了破坏弱面。在σ3为常数情况下，层状岩体破坏的最大主应力σ3与β的关系曲线如图2所示。

当层面与最小主应力的夹角β在β1、β2之间时，岩体沿层面破坏，在两点之外，岩体只能通过岩石发生破坏。最小值βL为层面的最不利位置，随着位置的不同，岩体单元中最不利破坏层面的倾角也随之变化，其破坏的最大主应力也随之变化。特别是在洞室开挖后，洞周一定范围内发生应力分异现象，法向应力降低，切向应力升高。一般表现在顶拱和底板中部最大主应力明显升高，在洞壁处达到最大值。应力集中，进一步加快了围岩的破坏。

图2 最大主应力和β关系曲线

分析可得，边墙中部一定范围内，岩体单元A在最大主应力的作用下，易发生顺层滑移。对于顺倾向侧边墙（A点）的岩体，顺层滑动可以直接导致岩块向洞内松动、下滑。而对于反倾向侧边墙的岩体，岩体的顺层滑动由于受深部岩层的约束，岩体相对较稳定，但当存在一些不利结构面组合型滑动块体时，边墙层面底部岩块先剥落，进一步引起上部岩层向洞内倾倒，发生弯折破坏。

对于顶拱部位的岩体，岩体单元最大主应力和层面的夹角从90°变到0°。顶拱中央出现拉应力，顶拱两侧会出现剪应力集中，使得顶拱部位的受力也随β变化而变化。根据层状岩体稳定性分析，拱部左侧岩体最大主应力与层面垂直，其破坏的可能性最小，只能发生剪断破坏；拱部中央岩体易发生顺层面滑动，特别是拱部中央偏右的部位；拱部右侧岩体，由于最大主应力平行层面，极可能发生弯折破坏。

因此，从岩体受力情况分析，对于图1中单个洞室来说，右侧边墙的稳定性好于左侧，左顶拱的稳定性好于右侧。

3.2 影响层状岩体围岩稳定性的因素

a.泥化夹层的影响。在褶皱构造发育的地区，构造运动过程中，岩层之间的错动，使岩层中页岩泥化。由于岩体裂隙发育，软化页岩在地下水的作用下，充填岩层裂隙，使得岩体内部存在很多破碎裂隙面。大量的现场调研和工程地质资料显示，泥化夹层在水的作用下，在其内部形成有一些特殊的光泽的光滑面[2]。在隧洞开挖的扰动下，泥化夹层再一次受到剪切错动，这种错动进一步提高了错动破坏面粘粒的含量，并在浸入裂隙面地下水的作用下，形成光滑的裂隙面。岩块在光滑裂隙面存在的前提下，先是发生掉块，随着围岩应力的释放，隧洞局部变形，逐渐波及到整个洞面的坍塌或顺层向滑移而形成大范围坍塌。

b.地下水的影响。在隧洞开挖过程中，地下水是影响洞内围岩稳定性的主要因素之一。围岩中赋存的地下水，既影响围岩的应力状态，又影响围岩的强度。在开挖爆破过程中，岩体中会形成新的裂隙面，不同结构面中的地下水，通过新裂隙面形成一个整体，进而围岩结构面中的孔隙水压力也随之增大，作用在结构面上的有效正应力减小，因而降低岩体沿结构面的抗滑强度。

地下水对软弱夹层浸泡、软化、冲蚀，对于一些特殊岩层会产生膨胀、崩解和溶解等。洞挖爆破使本因地质挤压作用密实的围岩呈松散状态，形成良好的渗水通道，进而造成地下水对围岩的渗透泥化作用，直接降低了岩体的强度，影响到围岩的稳定性。实际过程中，许多大型塌方都是由于地下水的存在，影响到围岩体的整体稳定性而坍塌。

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c.地质构造的影响。在构造运动的作用下，薄层岩体形成裂隙发育分小褶曲，岩层相互错动、相互挤压，在地下水的作用下，软弱结构面的发育，泥质充填物过多，一经开挖，潜在的应力释放，岩体承压快，围岩极易失稳而坍塌。隧道穿过断层及其破碎带时，由于破碎带中一般都是各种堆积体，结构松散，颗粒间无胶结或胶结差。开挖后，岩体中的充填物或胶结物被地下水带走，使堆积体进一步松散，进而沿破碎带剥落坍塌。

d.施工措施不当。爆破过程中，炸药爆炸释放出大量能量对围岩体做功，一方面以冲击波形式作用于药包围岩的岩面上，使得岩体产生放射状径向裂隙，同时将炸药周围一定限度内的岩石击得粉碎；另一方面爆破产生的膨胀作用加剧了上述裂隙的扩展，随着气体的扩散，其温度和压力迅速下降，先前被强烈压缩的岩石迅速卸荷，在药包周围产生一系列的环向裂隙缝。对具体的围岩体，爆破作业的不当，用药量过多，往往会造成岩体中裂隙贯通过深，引起围岩体的超挖或坍塌。施工方法选择不当，或工序安排不合理，各工序时间衔接拉得较长，地层暴露时间，围岩风化较快，先是局部围岩掉块，然后引起大型塌方。

4 引水隧洞开挖主要施工方案及措施

盖下坝水电站引水隧洞洞身全长6561.95m，桩号引1+000.00～引6+537.15段洞身岩石经初步划分，Ⅱ类围岩约占50%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩约占50%。其中Ⅱ类围岩隧洞段开挖断面为城门洞形，断面尺寸为790cm×590cm；Ⅲ类围岩段隧洞段开挖断面为圆形，直径为640cm；Ⅳ、Ⅴ类围岩段隧洞段开挖断面为圆形，直径为760cm。

4.1 砂岩段隧洞开挖方式及爆破参数设计

Ⅱ、Ⅲ类围岩隧洞采用全断面开挖、Y28手风钻钻孔、周边光面爆破。出渣采用ZLC40装载机配10t自卸汽车运至碴场，圆形断面预留1.2~1.5m厚断面以后同检底一起开挖。Ⅱ类围岩设计循环进尺3.0m，光爆孔钻孔深3.3m，崩落孔孔深3.3m，掏槽孔孔深3.5m，孔径40mm，周边孔孔距一般为40～50cm，采用断面下半部楔形掏槽方式。平均每天2.0个循环，计划月进尺150m。

根据砂岩岩性和层状岩层的受力分析，为确保洞室周边光面爆破质量和减少爆破对围岩稳定性的影响，对原有的爆破设计进行相应的调整。掏槽孔采用垂直楔形掏槽，周边光爆孔采用小直径药卷底部加强不耦合装药，小药卷每根截成三段，装药间距40cm，药卷分布必须均匀。起爆网络采用串、并联连接方式，周边孔采用导爆索串联，其余孔采用并联连接。爆破孔布置及网络连接见图3，单孔装药结构见图4，主要爆破参数见表1、表2。

图3 爆破孔布置图

图4 爆破孔装药结构

4.2 砂岩段隧洞开挖光面爆破参数的调整

光面爆破孔孔距布置和装药量需根据开挖掌子面岩层产状和洞轴线交角适当地取值调整。一般层状岩层中隧洞开挖后，掌子面岩层产状呈现水平岩层、倾斜岩层、垂直岩层，如图5所示。

对于水平岩层洞室开挖掌子面，如图5（a）所示，左右边墙相对稳定，可以采用大孔距、大药量的光面爆破孔参数；而顶拱部位特别是左右顶拱腰线部位应力比较集中部位，采用小孔距、小药量光面爆破参数，光爆钻孔尽量布置在各岩层厚度中部。对于倾向岩层洞室开挖掌子面，如图5（b）所示，右侧边墙的光面爆破孔孔距采用大孔距、大药量，左侧边墙的光面爆破孔孔距采用小孔距、大药量，右侧顶拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、大药量，左侧顶拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、小药量。对于垂直岩层洞室开挖掌子面，如图5（c）所示，左右边墙中部位置的岩体在应力释放后易发生向洞内弯折破坏，因此光面爆破易采用大孔距、小药量参数，钻孔可以布置在层面上，起到松动岩层效果；顶拱部位的光面爆破主要是克服岩层横向应力，两侧顶拱部位腰线应力也比较集中，施工过程中一定要注意两侧顶拱腰线的爆破孔距和装药量，易采用小孔距、小药量爆破参数。

表1 砂岩段隧洞开挖主要爆破参数

表2 砂岩段隧洞开挖爆破主要技术参数

图5 层状岩层中隧洞开挖掌子面岩层产状示意图

盖下坝水电站引水隧洞已开挖洞室段的掌子面多为缓倾角倾斜岩层，根据围岩受力分析和岩层产状，现场施工对洞室开挖光面爆破孔参数进行适当的调整，见表3和图6。另外，在周边光爆孔装药结构上也进行适当的调整，对于顶拱孔采用小直径药卷，底部不加强装药，小药卷每根截成三段均距布置；拱腰以下采用小直径药卷，底部加强不耦合装药，小药卷每根截成三段均距布置；对于两边墙采用小直径药卷底部加强不耦合装药，小药卷单根不截断均距布置。现场施工实践证明：通过围岩受力分析进行爆破参数调整和控制，所取得的洞室开挖断面尺寸效果良好，如图7所示，隧洞顶拱光面爆破残孔率高，围岩稳定性较好；两边墙光面爆破孔残孔率稍低，围岩稳定性仍较好；底板开挖尺寸控制良好，超挖量较小。

表3 缓倾斜岩层掌子面光面爆破孔主要参数调整

图6 缓倾斜状岩层掌子面光面爆破孔布置图

4.3 砂岩段隧洞围岩初期支护形式

根据隧洞开挖后岩体受力况分析，如图5（a）所示，左右边墙自稳性相对较好，顶拱部位较差，需调整顶拱部位的锚杆间距，增加部分随机锚杆；如图5（b）所示，需在稳定性较差的左侧边墙和右侧顶拱进行锚杆间距调整，增加部分随机锚杆；如图5（c）所示，左右边墙中部位置需布置锚杆，锚杆应采用带托盘的锚杆，左右边顶拱易增加与岩层层面夹角较大随机锚杆，加强围岩的稳定性。现场施工实践证明：根据具体的隧洞开挖后岩体受力分析，适当调整锚杆的支护方案，有利于洞室的稳定性。

5 结语

图7 光面爆破效果

砂岩段隧洞开挖是我国西部大开发各项大型工程建设中常见的工程实例，如何解决砂泥岩层状岩层中洞室开挖围岩稳定性，也是近年来国内许多学者研究课题之一。盖下坝水电站引水隧洞施工中，较好地利用层状岩层中洞室开挖后围岩应力分布状况，适当调整隧洞开挖爆破参数和围岩支护方式，减少爆破施工对围岩稳定性的影响程度，加强洞室开挖后支护措施，确保围岩稳定性和工程的快速施工，取得了良好效果。

1 曾纪全,邵小曼.岩体力学各向异性试验研究.水电工程研究.2001（2）:p8-20.

2 唐良琴,聂德新,任光明.软弱夹层粘粒含量与抗剪强度参数的关系分析.中国地质灾害与防治学报,2003,14(2):p56-60.

3 王思敬,杨志法,刘竹华.地下工程岩体稳定分析.北京：科学出版社，1984.