弱膨胀性泥岩地区小型引水隧洞病害分析及加固

以贵州某水电站无压引水隧洞加固工程为例，针对弱膨胀性泥岩导致的隧洞侧墙变形开裂、顶拱岩块脱落、底板隆起等工程病害，结合工程所在区域的地质特点，通过试验和地质雷达等手段对隧洞围岩变形特征进行分析，明确了隧道围岩长期遭水浸泡，膨胀性围岩遇水膨胀是引发隧洞病害的主要诱因。采用三维数值模型，对隧洞膨胀性围岩遇水膨胀导致的隧洞侧墙应力应变分布特征进行模拟。拟定以排水、隔水为主，同时采用锚杆加固、对侧墙变形严重区段分块拆除重建的工程修复方案，并提出在实际施工过程中应注意隧洞侧墙逆止阀安装、隧洞侧墙拆除重建等施工工艺要求。本隧洞修复工程最终取得良好的实际运用效果。

膨胀性岩土在我国分布广泛，其具有易受扰动、变形量大、地应力高以及吸水膨胀等特点，因此成为隧洞工程中的技术难点[1]。程永辉等[2]对降雨条件下膨胀土的失稳过程进行了离心机模拟，研究表明膨胀性岩土的破坏往往具有渐进性和逐级牵引性的特点；徐晗等[3]对邯郸某膨胀岩吸湿膨胀进行三轴试验和数值计算，结果表明其最优处理层厚为2 m；尹庭杰等[4]对引大入秦工程盘道岭隧洞病害进行了分析，认为地下水是隧洞病害的主要因素。

我国水资源分布严重不均，山地面积众多，为中小型水电的发展提供了有利条件。但中小型水电站的建设因技术力量或资金等方面的限制，在工程勘察、设计阶段对工程地质情况了解不够全面，在施工过程中又忽视由于地质条件变化而产生的影响。特别是在弱膨胀性泥岩地区，容易造成工程勘察阶段对泥岩膨胀性的疏漏或设计阶段对其危害考虑不足。工程运行若干年后，膨胀性岩土往往导致隧洞逐渐产生各种病害，影响工程的正常使用及安全运行。

1 膨胀性泥岩的特性

泥质的膨胀性围岩膨胀程度主要是由岩石中的膨胀性矿物蒙脱石的实际含量来决定的，其含量越高，膨胀性越强，含量越低，膨胀程度就越小。

岩石的含水量发生变化，膨胀性泥岩就会发生形状变化。在隧洞开挖后，膨胀性泥岩会逐渐的失水干燥，从而造成开裂干缩，一旦再次遇水，就会发生膨胀崩解。

易扰动性和流变特性基本表现为岩石的松弛性和蠕变性，岩体在隧洞开挖过程中易松弛剥落。当隧洞侧墙施工完成后，松弛和剥落的岩体在外力作用下产生蠕变，进而致使隧洞侧墙产生变形。

2 工程概况

贵州某小型水电站，采取拦河坝加无压引水隧洞布置，引水隧洞穿过区段有第四系崩塌堆积块石、残坡积黏土。隧洞上部为砂质黏土，厚10～15 m，对隧洞影响较小。隧洞穿过的岩层主要为J3p2紫红色砂质泥岩，泥岩，灰色、浅灰色块状长石砂岩，产状110°～235°，∠6°～10°，向上游缓倾，单斜构造，岩层倾向与隧洞走向以较小的交角(5°～15°)斜交，岩性软硬相向。隧洞原始地应力以自重应力为主。

引水隧洞断面为城门洞型无压洞，隧洞洞身地层岩性软硬相间为Ⅳ类、V类围岩，岩层产状平缓。引水隧洞长1.6 km，宽3.6 m，侧墙高度3.3 m，洞内正常水位3.05 m。隧洞进出口为浅埋段，底板、侧墙、顶拱均采用钢筋混凝土浇筑；其余洞段为深埋段，底板、侧墙为素混凝土浇筑，顶拱采用喷射混凝土封闭。隧洞建成后已运行8 a，随着隧洞运行年限增加，隧洞中逐渐出现侧墙向内倾斜、开裂；底板向上隆起；拱肩顶拱岩块脱落、掉块等现象，急需进行加固处理。

3 隧洞围岩破坏特征分析

通过现场勘查发现，隧洞侧墙开裂，混凝土伸缩缝变形，导致隧洞防渗几乎失效，隧洞运行时大量水渗漏至围岩中。同时由于隧洞原设计未布置排水孔，在隧洞顶部存在较多地下水渗漏点，地下水难以排出。

对隧洞围岩岩样进行取样，并进行矿物鉴定(表1)发现，岩样中伊利石和绿泥石含量分别占20%，初步判断该类岩体遇水具有一定的膨胀性。

在膨胀性岩体中开挖隧洞会使围岩内的原始地应力得到释放，使围岩产生胀裂。随着隧洞长年运行，围岩环境不断经历干湿循环，泥岩脱水时会使产生收缩裂缝，使岩体中原有的裂缝张开、扩大，而在饱水时，由于泥岩吸水后其含水率场分布不均匀，在干湿分界面处岩体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切搓动，并随水分在岩体内的迁移，不均匀膨胀逐渐向围岩纵深扩展，导致泥岩产生崩解。在膨胀压力和围岩压力的共同作用下，围岩局部发生破坏，进而引起围岩的连续性破坏。为进一步查明隧洞围岩破坏情况，采用地质雷达对侧墙变形、开裂严重的区域采用地质雷达进行探测。探测方式为现场选定代表性剖面，在每个剖面上对左右两侧墙至上而下进行探测,典型剖面探测波形如图1所示。由于雷达扫描是自上而下均速进行，因此图1表示扫描剖面上侧墙沿高度0～3.3 m范围内不同位置产生的波形。通过地质雷达探测发现在侧墙中部1～1.5 m高度范围内存在明显波速衰减区域，说明该区域后方围岩存在较严重崩解风化情况，根据经验取波速为0.1 m/ns计算出风化层厚度在0～0.9 m之间。

通过取样试验及地质雷达探测分析认为，长期浸泡引起围岩膨胀是引起隧洞侧墙向内倾斜，底板隆起，拱肩岩体脱落、掉块等病害的主要原因。隧洞设计水位位于侧墙顶部以下25 cm，当出现极端天气或操作不当时，隧洞内水位会超过侧墙，水灌入侧墙混凝土与围岩之间的缝隙，同时由于地下水排水不畅，地下水压力也会直接作用于围岩上。而围岩属裂隙—弱裂隙含水—弱透水岩体，砂岩与泥岩接触带等部位岩体透水率较大，泥岩遇水膨胀、崩解破坏，其膨胀力使隧洞侧墙发生向内倾斜和严重拉裂，底板向上隆起，顶拱产生剥落和掉块现象，而侧墙的变形、开裂又进一步加剧了隧洞内水的渗漏，由此产生恶性循环，对隧洞安全造成严重威胁。

4 隧洞侧墙变形三维数值模拟

采用岩土工程通用软件FLAC3D对隧洞运行期受力条件进行计算，并考虑运行期各种荷载对围岩稳定性、侧墙受力和变形的影响，对侧墙的变形进行定量分析。根据隧洞断面设计尺寸和地质条件，取隧洞断面桩号K0+180—K0+480段建立三维数值模型，见图2。

隧洞侧墙厚度20 cm为C20素混凝土浇筑，底板厚度15 cm为C20素混凝土浇筑，顶拱厚度8 cm为C20喷射混凝土。隧洞两侧边界各取3倍洞径，模型底部全约束，两侧法向约束，岩体力学参数综合考虑地质勘查资料和现场测试取值，参数取值见表2。

计算荷载主要考虑自重、岩体裂隙外水压力和泥岩遇水软化产生的膨胀力，FLAC3D中膨胀力为面力，垂直于衬砌施加。结合水文地质资料，该段隧洞的外水水头为60 m，根据规范要求进行折减，折减系数取0.25～0.6，膨胀力取值范围为50～200 kPa。计算侧墙应力分布如图3(a)所示，侧墙变形分布如图3(b)所示。

从拉应力分布以及变形分布可看出，侧墙在受外部岩体裂隙水压力和泥岩遇水产生的膨胀力作用下，拉应力主要集中在侧墙中部以及底板中部，致使侧墙中部和底板变形较大，侧墙中部最大变形有5 cm左右，底板隆起变形有3 cm左右。

原隧洞侧墙及底板均为C20素混凝土，其抗拉强度为1～1.5 MPa，而根据计算结果，侧墙中部和底板中部存在拉应力集中区，最大拉应力可达1～1.1 MPa，达到或接近混凝土的抗拉强度极限，从而导致侧墙以及底板产生横向裂缝。这一分析结果与实际隧洞中裂缝分布情况较为一致。

5 隧洞修复方案

现场勘查及数值模拟结果表明，膨胀性泥岩遇水膨胀、崩解是该隧洞出现病害的主要原因。针对这一特点，拟定了以排水、隔水为主导的处理意见，同时采取锚杆加固、对侧墙变形严重区段拆除重建的工程手段。具体方案如下：

(1)对侧墙顶部结构及拱肩进行封闭，防止水灌入侧墙后方，对伸缩缝采用渗透结晶水泥基材料进行修补隔渗；对侧墙表面裂缝采用渗透结晶材料涂层处理减少渗漏。在侧墙设置系统排水孔并安装逆止阀，在隧洞顶拱局部渗漏点设置随机排水孔，降低围岩内孔隙水压力，消除结构安全隐患。

(2)K0+180—K0+480洞段对应Ⅴ类围岩，该洞段侧墙及底板变形严重，拱肩顶拱出现掉块。侧墙混凝土达到抗拉强度极限出现开裂，并且形成纵横交错的网状裂缝，随着时间的推移会继续开裂、变形，可能产生较大变形，侧墙存在向内倾倒的危险。同时侧墙开裂导致隧洞渗漏严重，水渗入围岩会使围岩吸水膨胀，进一步增加侧墙变形。因此对该洞段采取拆除侧墙混凝土，采用锚杆+钢筋联合受力的钢筋混凝土侧墙进行重建，锚杆直径25 mm，长4 m，间距1.5 m，排距1.0 m；钢筋混凝土厚度20 cm，混凝土强度等级为C25。

底板隆起区域采用系统锚杆加固，锚杆直径25 mm，长度3 m，间距1.5 m，排距1.5 m；隆起较大的底板拆除后浇筑钢筋混凝土；底板与侧墙同时拆除时，钢筋相互搭接，形成整体结构。

对顶拱及拱肩松动岩块进行排险，采用锚杆和挂网喷射混凝土加固，锚杆直径25 mm，锚杆长度3.0 m，挂网钢筋网格间距200 mm,同时对顶拱渗漏部位设置排水孔。隧洞重建段断面设计图见图4。

(3)对于其余Ⅳ类围岩洞段，受膨胀性泥岩影响，侧墙出现向内变形，设计采用系统锚杆对围岩进行加固，锚杆直径为25 mm，锚杆长度3.0 m；间距1.5 m，排距2.0 m，采用梅花形布置。

6 施工中应注意的问题

地下水随季节的变化呈现出较大的波动，当地下水水头高于隧洞内水头时，其会对侧墙产生水压力，致使防渗结构产生破坏。因此，设计采用了系统排水孔与逆止阀相结合的处理方案，从而实现自动单向排水和反向止水，以满足隧洞排水和防渗的双重要求。

本工程采用由长江科学院研制的压差控制式高精度逆止阀，启动水头小于5 cm[5]。安装过程中需对排水孔出水口处进行扩孔处理，逆止阀装入后采用环氧树脂进行密封，同时在逆止阀外部安装石棉过滤网，防止隧洞内泥沙淤堵逆止阀。

侧墙拆除是隧洞修复施工中的重点，同时施工难度及风险也最大。由于隧洞拆除段侧墙已变形开裂，在拆除过程中由于机械震动，侧墙极有可能发生倾倒。同时隧洞围岩在隧洞运行过程中，经过长年浸泡已松弛崩解，其强度远低于隧洞初期修建时，侧墙拆除后有可能引起隧洞塌方。

为保证施工安全，侧墙拆除采用以下技术手段：①采用钢结构对隧洞侧墙进行对撑，防止侧墙倾倒；②采用系统锚杆对隧洞侧墙及顶拱围岩进行加固，同时在顶拱挂钢筋网，防止掉块；③采用切割机在侧墙混凝土上间隔6 m开竖向预裂缝，防止侧墙在拆除过程中出现大面积倾倒；④采用混凝土劈裂机对侧墙混凝土进行预裂，最后用破碎机进行拆除。

由于膨胀性泥岩遇水软化，所以施工过程中要加强洞内排水，确保洞内无积水，侧墙拆除后要立即对围岩进行喷射混凝土封闭，减少围岩含水量的变化。

各工序之间衔接要连续、紧凑，缩短各工序之间的作业时间，从侧墙拆除到新侧墙浇筑之间的时间不超过7 d，单次侧墙拆除长度不超过12 m，两边侧墙不可同时拆除，待一边侧墙完成浇筑并达到强度后方可拆除另一边侧墙。

7 结语

(1)引水隧洞渗漏、地下水排水不畅是弱膨胀性泥岩引起的隧洞病害的主要原因，对于此类隧洞的除险加固应以排水、隔水为主要思路，本工程在引水隧洞中采用逆止阀实现了既能排水又能止水的目的，在实际运用中取得良好效果。

(2)通过详细查勘及计算，对于侧墙已产生变形的洞段，根据现场实际情况提出拆除重建结合锚杆加固的修复方案，既满足了工程要求，又具有较好经济性与可操作性。

(3)膨胀性泥岩遇水崩解软化，对隧洞侧墙拆除带来一定风险，通过制定详细技术方案，合理安排组织施工，确保了隧洞修复工程安全顺利完成。

[1] 程展林，丁金华，饶锡保，等.膨胀土边坡物理模型试验研究[J].岩土工程学报，2014，36(4): 716-723.

[2] 程永辉，程展林，张元斌.降雨条件下膨胀土边坡失稳机理的离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(增1)：409-414.

[3] 徐晗，黄斌，饶锡保，等.膨胀岩处理措施合理性研究[J].南水北调与水利科技，2009，7(6)：139-141.

[4] 尹庭杰，梁庆国，赵佃锦，等.引大入秦工程盘道岭隧洞病害原因浅析[J].兰州交通大学学报，2014，33(4)：82-88.

[5] 程永辉，龚泉，郭鹏杰.压差放大式逆止阀的研制及工程应用[J].长江科学院院报，2017，34(6)：149-154.

Disease Analysis and Reinforcement of Small Diversion Tunnel in Weak Expansive Mudstone Area

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

With the reinforcement project of non-pressure diversion tunnel of a hydropower station in Guizhou as

background, this research aims at the engineering diseases such as deformation and cracking of side wall of tunnel, detachment of rock blocks from tunnel vault and upheaving of tunnel floor caused by weak expansive mudstone. According to the geological characteristics of the study area, we analyzed the deformation of surrounding rock by means of tests and geological radar, and found that the swelling of rock triggered by long-term water immersion is the main cause of engineering diseases. Moreover, by simulating the stress and strain distribution of sidewall in 3-D model, we proposed a restoration scheme involving drainage and water insulation, supplemented by anchor reinforcement and partition demolition in severely deformed sidewall area. In addition, we put forward some requirements for construction techniques, such as the installation of check valve on sidewall and the demolition and reconstruction of sidewall. The restoration project has finally achieved good practical result.

expansive rock;diversion tunnel;disease analysis;reinforcment design; construction for danger elimination

袁东(1984-)，男，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事岩土工程测试技术研究工作，(电话)027-82829725(电子信箱)115058058@qq.com。