引水隧洞软质围岩变形特征分析及处理措施

杨绍平，牟江天，李 叶

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

引水隧洞软质围岩变形特征分析及处理措施

杨绍平1，牟江天1，李 叶2

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

隧洞是水利工程中常见的一种引水建筑物，在施工过程中遇到软质围岩，其洞段可能出现洞室变形、甚至坍塌。本文以某电站引水隧洞为背景资料，根据软质围岩洞段测试、监测资料，结合开挖出现的情况，分析软质围岩的变形特征和变形机理，提出施工处理措施。

引水隧洞 软质围岩 变形特征 处理措施

1 概述

隧洞是水利工程中常见的一种水工建筑物，在施工中时常会遇见软质围岩或软质围岩段，软岩大变形是长期困扰软岩隧洞施工的一个难题，高地应力条件下的软岩大变形危害尤其突出。由于软质围岩强度低(据水利水电工程地质勘察规范GB50487-2008其饱和单轴抗压强度不大于30MPa属于软岩)、变形量大，在高地应力及富水条件下，施工开挖过程中常造成隧洞洞段严重变形，变形量一般可达数十厘米至一百余厘米，如果不及时查明变形特征及形成原因，采取相应处理措施，其变形趋势是将隧洞堵死，严重影响工程进度和施工安全。本文结合某水电站工程引水隧洞在施工过程中遇到软质围岩出现的大变形特征，研究其形成机理及形成原因，提出施工处理措施。

2 隧洞地质背景

该工程引水隧洞长17.86km，桩号S0+042m～S4+500m段为马蹄型洞型，S4+500m～S17+862m为圆型洞型；洞径按照围岩类别对应Ⅲ类7.563×5.16m2、Ⅳ1类7.563×5.16m2、Ⅳ2类7.763×5.262m2、Ⅴ类7.963×5.372m2。

工区地处三大地槽褶皱带的接合部位，构造上主要表现为南北向断裂和褶皱，次为北西、北东向断裂。引水隧洞位于区域性断裂乡城断裂与索让断裂所夹的地块(断裂相距2.3km～4km)，层间挤压破碎带和次级小断层发育，据现场测绘，20m至30m就有一条破碎带(厚10cm～20cm)或小断层。

隧洞分布于三迭系上统图姆沟组地层(T3t)中，围岩岩性主要为砂质、泥质板岩，其次为千枚岩、含炭泥质板岩、变质砂岩。其中，砂质板岩、含炭泥质板岩呈极薄～薄层状，其余为块状。岩层产状N5°～10°E/NW(或SE)∠70°～85°至N5°～10°W/SW(或NE)∠65°～85°，隧洞轴线走向延伸与岩层走向基本一致(或小角度相交)，岩层倾角陡，近于直立。据现场及室内试验测试，含炭泥质板岩抗压强度为11.6MPa～21.2MPa，千枚岩抗压强度为6.9MPa～25.3MPa。按照GB50487-2008规范，千枚岩、含炭泥质板岩属于软岩～极软岩。工区地下水为基岩裂隙水，赋存于变质砂岩、砂质板岩中。引水隧洞段地下水分布不均，部分开挖洞段干燥，部分洞段出现涌水，流量达0.10m3/s～0.30m3/s。

开挖过程中，在隧洞2#、4#、6#施工支洞对应主洞遇软岩；2#、4#施工支洞对应主洞(桩号S3+614.3m～S3+752.4m，S8+268.0m～S8+409.0m)围岩岩性为千枚岩、含炭泥质板岩，呈千枚状结构或薄层～极薄层状结构；6#施工支洞及对应主洞(桩号S13+471.0m～S13+603.0m)围岩岩性为砂质板岩、含炭泥质板岩，薄层～极薄层状结构。2#施工支洞对应主洞垂直埋深58m～65m，水平埋深大于150m；4#、6#垂直埋深180m～300m，水平埋深大于150m。施工方法采取全断面开挖工艺，支护时间、支护方法不合理，致使隧洞围岩岩体外露时间过长，加之基岩裂隙水涌入，隧洞边墙、顶拱出现严重变形，边墙变形量10cm～50cm，局部达60cm～70cm，最大达200cm(桩号S3+614.3m～S3+752.4m)，出现混凝土鼓包、裂缝、支撑型钢严重变形等现象。在7#施工支洞对应主洞(桩号S15+902.25m～S15+977.75m)段甚至出现垮塌，连续垮塌段长75.5m，高15m以上，严重影响施工安全与施工进度、质量。为此，研究软质围岩隧洞变形特征及形成原因，提出控制软质围岩变形的工程处理措施，是本工程的关键环节。

3 软质围岩变形力学机理分析

3.1 软质围岩的组成成分分析

为了解其矿物组成，在2#、4#支洞分别取含碳泥质板岩、千枚岩进行能谱分析和电子显微镜扫描。其结果表明，软岩矿物成分主要为绢云母、伊利石、蒙脱石，含石膏，其粒径2μm～5μm，片状矿物含量多，具有定向性。

3.2 软质围岩膨胀性分析

在2#、4#支洞对应的主洞分别取含碳泥质板岩、千枚岩岩样一组，在6#支洞对应的主洞取含碳泥质板岩岩样二组作自由膨胀率试验(试验结果见表1)。自由膨胀率采取以下公式计算：

Fs=100(V1-V0)/V0

式中： Fs——自由膨胀率(%)；

V1——膨胀稳定体积(ml)；

V0——试样原体积(ml)。

据试验结果分析，含碳泥质板岩和千枚岩均具弱膨胀性；千枚岩自由膨胀率较低，为10%～12%；含碳泥质板岩自由膨胀率较高，达到34%。

表1 软质围岩自由膨胀率试验成果

3.3 软质围岩的力学性质

含碳泥质板岩，呈极薄～薄层状，极薄层含碳泥质板岩取样、制样困难，采取现场点荷载试验，测得其抗压强度3.4MPa～5.7MPa，属极软岩；对薄层微风化含碳泥质板岩取样作室内试验，测得其抗压强度11.6MPa～21.2MPa，属软岩；微风化～新鲜的千枚岩室内试验，测得其抗压强度6.9MPa～25.3MPa，属软岩。不同点位、不同岩样测得的抗压强度值离散性较大，说明其岩性存在不均一性，与施工现场开挖揭示的情况一致。隧洞软质围岩建议参数见表2。

表2 隧洞软质围岩建议参数

3.4 软质围岩变形的力学机理分析

软质围岩变形机理复杂。总体上讲，软质岩体变形包括：与空间变化有关(如开挖卸荷)的弹塑性变形(含松弛变形)，与时间变化有关的膨胀变形(或流变)两部分。

据2#、4#、6#支洞对应的主洞围岩自由膨胀率试验成果，含碳泥质板岩和千枚岩都属于弱膨胀岩，隧洞开挖卸荷后膨胀变形量不会很大。洞身变形主要来自围岩弹塑性变形和支护不当引起的松弛变形，这与岩体的强度低和弹性模量小密切相关。隧洞开挖后，含碳泥质板岩和千枚岩体内应力瞬时变化，围压降低，岩体强度更低，岩体弹性模量在洞室周围岩体形成大范围的塑性区，导致大的弹塑性变形。围岩应力减小及爆破可引起洞壁岩体出现0.5m左右松弛带，随着时间推移，松弛带厚度加大，围岩松弛是软质岩变形的重要原因。据文献〔3〕，41h以内洞壁岩体松弛速度变化快，41h～260h逐渐变缓，260h后洞壁岩体松弛速度基本稳定。

千枚岩、含碳泥质板岩属于易软化性岩石，遇水后极易软化，特别是在卸围压(如开挖)条件下，围岩强度和弹性模量软化更加明显。

洞室开挖后的弹塑性变形主要是开挖扰动区域内的围岩变形，要有效地控制这一部分变形，需要即时支护，以控制围压的丧失或恢复部分围压。

4 软质围岩变形特征及原因分析

4.1 围岩变形的类型划分

根据围岩变形的典型实例和变形机制，按变形受控条件，将围岩变形的类型划分为：结构构造型、岩性控制型和人工扰动型三种主要类型。如表3。

表3 围岩变形类型

本引水隧洞2#、4#、6#支洞对应主洞的岩体(千枚岩和含碳泥质板岩)，变形类型为典型的岩性控制型。

4.2 软质围岩变形特征分析

据可研报告及现场调查，2#支洞对应主洞桩号S3+614.3m～S3+752.4m段，4#支洞对应的主洞桩号S8+268m～S8+409.0m段，均属Ⅴ类围岩；6#支洞对应的主洞桩号S13+471m～S13+603.0m段，属Ⅳ2类围岩。根据现场地质测绘及施工地质资料和变形监测成果，将各洞段围岩地质特征和变形特征列于表4。

表4 软质围岩变形特征分析

4.3 软质围岩变形原因分析

软质围岩变形原因是多方面的，总体来说包括地质环境、围岩本身性质和施工扰动等三方面。

4.3.1 地质环境条件

4.3.1.1 地质构造。工区地处三地槽褶皱带接合部位，引水隧洞位于区域性断裂乡城断裂与索让断裂所夹的地块，经历过多次构造运动，构造裂隙、层间挤压破碎带、小断层极其发育，致使岩体破碎。引水隧洞轴线与岩层走向呈小角度夹角，部分洞段近于平行，岩层陡倾。

4.3.1.2 地应力。引水隧洞处于NW～SE向水平主压应力与NNE～SWW向水平主张应力的构造应力场中，属高应力区。地应力高，围岩在高应力下结构面紧密闭合，洞段开挖卸荷应力释放后结构面随即产生张滑，导致隧洞围岩严重变形。

4.3.1.3 水文地质条件。引水隧洞工区岩性为含碳泥质板岩、变质砂岩、灰岩、千枚岩相间分布，岩体破碎，结构面发育，又被两条阻水断裂夹持，给地下水的赋存提供了有利条件。据已开挖洞段资料，除6#支洞对应的主洞段外，其余洞段地下水呈滴状或线状、股状渗出。在2#、4#支洞对应的主洞还出现了涌水，最大流量达0.30m3/s。地下水的加入使千枚岩和含碳泥质板岩发生软化，使得围岩的强度变得更低。

4.3.2围岩本身性质

4.3.2.1 岩性为软质岩。引水隧洞围岩岩性主要为砂质、泥质板岩，其次为含碳泥质板岩、变质砂岩、千枚岩。千枚岩和含碳泥质板岩，属软岩～极软岩，其强度低，弹性模量小。尤其隧洞开挖卸围压后强度更低，在山岩压力作用下，开挖后隧洞围岩形成一定范围的塑性变形区，围岩松弛导致软质围岩变形。

4.3.2.2 组成矿物成分遇水易软化。含碳泥质板岩、千枚岩矿物成分主要为绢云母、伊利石、蒙脱石，含石膏，遇水易软化，暴露后易风化。

4.3.2.3 岩体结构具有明显的各向异性。含碳泥质板岩，极薄～薄层状结构，千枚岩呈千枚状结构，片状矿物含量多，层理极其发育，围岩结构具有明显的各向异性。

4.3.2.4 围岩具有弱膨胀性。岩石的矿物组分和结构特征决定了围岩的膨胀性能，据试验测试，千枚岩、含碳泥质板岩均具弱膨胀性。

4.3.3 施工扰动

4.3.3.1 开挖方式不同，造成的位移量不同。据对开挖洞段的二维模型计算，全断面开挖初期支护完成后顶拱和水平位移分别为53mm和45mm，采用台阶法施工工艺开挖顶拱和水平位移分别为36mm和19mm。台阶施工法比全断面施工法位移小35%左右。如果没有充分认识到软质围岩变形的后果，隧洞采取全断面开挖法施工工艺，就不利于即时控制围岩变形。

4.3.3.2 施工爆破影响。爆破孔深、孔距、装药量等爆破参数对塑性区范围有显著影响，应采用少药量、弱爆破，减小爆破对塑性区范围的扩大作用，从而减少爆破对围岩的不利影响。

4.3.3.3 支护、衬砌时间与强度。初期支护、二衬施作时间对隧洞变形影响明显。据段伟等对围岩松弛圈的测试结果，对Ⅳ1类围岩测试初始时刻松弛圈已完成45%～55%，松弛圈完成80%时间为30h～73h；对Ⅳ2类围岩测试初始时刻松弛圈已完成44%～48%，松弛圈完成80%，时间为70h～80h。尽管不同岩性、不同地应力松弛圈完成时间不尽相同，但即时初期支护，及早衬砌，能有效减小隧洞变形量。隧洞变形与初期支护不及时、强度不足，衬砌不及时密切相关。

4.3.3.4 二次开挖。若初期支护不及时或强度不足，往往会造成初期支护侵入隧洞净空，为保证衬砌厚度和隧洞净空需二次开挖。为避免出现二次开挖，施工中需要预留一定变形空间。

5 软质围岩变形工程处理措施

地质环境条件、围岩本身性质改变很难，根据隧洞开挖洞段的围岩变形特征，可以采取相应的工程处理措施，控制围岩变形量。围岩变形处理措施的总体是：短进尺，快循环；边开挖，边衬砌；弱爆破，强排水；早封闭，强支护；勤监测，速反馈。

5.1 合理选择开挖方式

采取台阶法施工工艺开挖比全断面法施工工艺开挖，引起的位移小35%左右，减小了塑性区范围，能有效抑制围岩变形量；开挖采用短进尺，快循环施工工艺，对初期的稳定性非常有利。

5.2 正确确定支护时间

开挖前在围岩破碎的拱部范围，采用超前支护，边开挖，边衬砌，按照松弛圈完成时间及时采取永久混凝土衬砌跟进。

5.3 采用科学的爆破策略

采取少药量、弱爆破，减少爆破对围岩的影响。

5.4 施工中及时排水

含碳泥质板岩和千枚岩属于易软化岩石，遇水后极易软化，其抗压强度和变形模量因此会大幅度降低。在施工中采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，能有效控制围岩变形。

5.5 预留必要的变形空间

隧洞软质围岩变形会侵占设计支护衬砌净空或隧洞净空，开挖支护设计应预留足够的变形空间，防止变形后的初期支护侵入二次衬砌的混凝土空间。以2#支洞对应的主洞(S3+614.3m～S3+752.4m)为例，据现场变形监测资料分析，在施工开挖中需要预留的变形量见表5。

表5 2#支洞对应的主洞变形监测

隧洞软质围岩变形与洞室埋深、围岩强度密切相关，据文献〔2〕、〔4〕，围岩本身性质对其变形极限位移影响最大，其变形量随围岩类别降低而增大，随隧洞埋深增大而增大；在相同围岩类别及地应力条件下，洞径变化对变形影响较小。因此，对围岩本身性质的准确判定十分重要。

5.6 加强地质超前预报与施工过程围岩变形监测

加强地质超前预报，科学的选择施工方案，做到有预见性；加强施工过程的围岩变形监测，科学合理布设围岩变形监测实施方案，包括测点布设、监测频率、监测手段；根据监测数据实时分析围岩变形特征，及时调整完善支护设计，通过监测及时掌控围岩变形，控制开挖进尺，合理确定支护时间。据文献〔3〕，隧洞变形主要发生在开挖后40h～50h以内，初期变形速度快，其支护时间应在未发生大的变形之前完成，Ⅳ2、Ⅴ类围岩宜在开挖后数小时内，Ⅳ1类围岩宜在开挖后数小时至十几小时完成支护。

通过处理本引水隧洞围岩变形破坏的实践证实，即使隧洞位于高地应力区，地质条件复杂，采取以上处理措施后，其效果良好。新开挖的洞段采用以上工程处理措施，未出现软质围岩大规模的变形的破坏情况，确保了引水隧洞施工安全、施工进度，提高了施工质量，降低了施工成本，解决了施工中的关键技术问题。

6 结语

在高应力地质条件复杂地区建设引水隧洞，若遇软岩时，其围岩变形及其破坏不容忽视；可以通过合理的工程处理措施控制变形破坏。

隧洞施工进行超前地质预报，合理选择开挖方式，进行过程监测。包括通过测量手段变形观测，通过物探手段或原位测试进行应力变化监测，合理确定支护时间和预留必要的变形空间十分重要。

本工程处理措施对类似工程，特别是在高应力地质条件复杂的基岩分布区施工隧洞，具有一定的借鉴意义。

〔1〕成寿根，文张泉等.洞松水电站软岩大变形引水隧洞施工技术开发[D].西南交通大学，2011.

〔2〕史存鹏，王家祥等.某引水隧洞深埋软岩洞段围岩变形量敏感性分析[J].人民长江，2015，(14)：26～27，80.

〔3〕段 伟，王 杰等.某隧洞软弱围岩变形特性测试与分析[J].人民黄河，2015，(10)：134～137.

〔4〕陈 亮，陈寿根等.锦屏二级水电站引水隧洞软岩段变形特征及预留变形量分析[J].水利水电技术，2013(10)：52～56，61.

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2095-1809(2016)04-0019-05

杨绍平(1963-)，男，四川剑阁人，副教授，高级工程师，主要从事水文地质与工程地质教学与生产科研工作。