深埋软岩水工隧洞开挖支护设计及工程对策

王才品，周 勇，魏 桦，李晓峰

（1.霍山县水务局，安徽 霍山，237200；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122；3.2510工程建设指挥部，北京，100000）

0 引言

近年来，我国西部水电开发和南水北调工程建设加速，大量深埋水工隧洞工程先后开工建设。但随着隧洞埋深的不断增加，地质环境越来越复杂，相应的工程灾害也日趋频繁，较为常见的如硬岩岩爆、软弱围岩大变形及流变、岩溶突水等，这些都对深埋隧洞的围岩稳定性造成了很大威胁[1]。其中，深埋软岩水工隧洞工程因赋存高应力条件、软岩本身的低强度和塑性大变形产生了巨大的围岩压力，施工期通常表现为围岩挤压变形、自稳能力差、流变特性显著、甚至发生坍塌破坏等工程现象，易造成施工进度拖延及安全隐患。在运行期，由于水工隧洞运行环境的特殊性，围岩还将受软岩流变效应、长期浸水软化效应、内外水压力作用等多种因素的综合作用，影响其正常运行及长期稳定性。目前，国内外学者对深埋软弱围岩的公路、铁路隧道均进行了广泛研究[2-7]，但专门针对深埋软岩水工隧洞的研究成果较少。

深埋软岩隧道围岩大变形是一种常见的、危害极大的施工地质灾害[3]。软弱围岩开挖会产生具有累进性扩展和时间效应的塑性变形，基本特点是变形量大、变形持续时间长、掌子面前后方变形影响范围大、变形速度快[5]。由于常规支护难以抑制该类变形，给施工处理带来了极大困难，处理不当将造成塌方、侵限等，进而造成施工机具损毁、衬砌开裂、工期延误、施工成本增加等问题[3]。因此，深埋软岩隧洞开挖支护设计对围岩稳定性与结构安全性非常关键，需要充分考虑工程围岩和支护结构的短期和长期稳定性。李磊[6]通过研究千枚岩隧道的挤压性大变形机理，提出了考虑时空效应的多层支护分析方法与控制技术，为软弱围岩隧道的设计与施工提供了技术支撑。沙鹏等[8]深入分析了新建兰渝铁路多座长大深埋隧道层片状围岩的大变形破坏机制，认为高地应力条件和层片状结构的各向异性特征诱发了围岩的不对称挤出变形，并提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向主动支护措施。张传庆等[9]通过分析深埋绿泥石片岩隧洞围岩变形特征，建立了基于多变形指标围岩稳定控制方法，发展了当前规范中提出的围岩收敛变形控制标准，可作为深埋软岩隧洞稳定性调控的主要手段之一。

另一方面，大量工程实践表明，典型的深埋软岩诸如片岩、泥岩、砂板岩、千枚岩等，通常具有明显的层状或各向异性特征，将导致隧洞围岩出现非均匀、不对称挤出变形，进而会影响支护结构的联合承载机制及稳定性。岩石层理、片理、夹层和定向裂隙系统导致了岩体各向异性，如何准确描述该特性一直是岩土力学研究的难题。许多研究者针对岩体各向异性进行了各类理论和试验的深入研究工作，Jaeger[10]基于摩尔库伦准则发展了单弱面强度理论，为研究固有不连续面对岩体强度的影响提供了有益的起点，Tien Y M[11]、Duveau G[12]等人对此进行了有益的修正。Hoek等[13]通过对片页岩、板岩和砂岩变角度的单轴、三轴室内加载试验，获得了各类岩体在不同弱面加载角、不同围岩下的强度各向异性特性试验曲线。张晓平[14]和单治钢[15]等通过开展二云英片岩单轴压缩小尺度试验研究，得出片岩单轴压缩条件下的裂纹扩展过程及强度存在显著各向异性。张春生等[16]利用三维数码摄像技术，现场采集并精细统计了石英云母片岩岩体结构的空间展布特征，并将该特征准确还原于数值模型中，用于开展不同尺寸、不同结构组成的各向异性特征研究。

综上所述，深埋软岩隧洞的开挖施工难度极大，软岩的挤压变形机理及控制技术复杂，而水工隧洞的特殊运行环境又带来了更大的不确定性，其开挖支护设计必须充分考虑围岩支护结构体系在施工及运行阶段的整体安全性和稳定性。

依托某水电站深埋软岩水工隧洞工程，针对其面临的高地应力、低强度、片岩各向异性及挤压大变形等问题，结合工程经验、试验研究、现场监测、数值仿真等手段，提出了针对性的开挖支护方案与控制对策，将作为工程建设的重要依据。

1 工程概况

某水电站位于四川省大渡河干流，厂坝间采用长约17.4 km 的两条长引水隧洞连接，隧洞直径约14 m。地质勘察资料显示，引水隧洞尾端的赋存环境十分复杂，成洞问题较突出，为强度偏弱的石英云母片岩夹少量云母石英片岩、变粒岩洞段，累计长度约2.8 km，约占隧洞总长的17%。实测地应力表明，引水隧洞沿线普遍地应力量级达17～31 MPa，其中深埋段达30 MPa以上，属高地应力条件。

图1 根据现场长探洞揭示的岩性、地应力条件，将隧洞末端分成三个区段（A段、B段、C段），其中引水隧洞A段地层（石英云母片岩），最大埋深约1 200 m，岩石天然抗压强度15～30 MPa，饱和抗压强度10～25 MPa，软化系数0.5～0.56，属于典型的深埋软岩。岩层总体产状为N45°～60°W，NE∠45°～85°，其岩体力学强度较低，具有明显各向异性特征，岩体质量以Ⅲ、Ⅳ类为主，局部V类。以下主要针对A段的岩体工程条件展开分析。

图1 引水隧洞末端沿线地层岩性分区Fig.1 Stratigraphic lithology along the end of diversion tunnel

2 深埋软岩隧洞开挖支护设计与工程对策

深埋软岩的低强度和高地应力环境会导致隧洞开挖后出现挤压变形问题，不同的挤压变形程度对应不同的支护方案。应该说，到目前为止有关深埋软岩隧洞的实践，已积累了比较丰富的工程经验，也有相关的解析理论公式，可帮助进行各种工程环境下深埋软岩隧洞的设计，但对具体的工程还需针对性开展分析研究。

2.1 软岩各向异性与隧洞布置

片理作为石英云母片岩中最普遍的结构面，是导致片岩各向异性宏观特征的主要原因。大量的室内物理力学性试验、现场原位试验研究及数值试验研究[16]均表明，在不同片理方向加载时的岩体强度及变形模量均存在较大的差异，该类片岩的变形及强度各向异性突出。图2 为采用室内试验与数值模拟获得的片岩强度各向异性特征。

图2 片岩的强度各向异性特征Fig.2 Characteristics of strength anisotropy of schist

由于石英云母片岩的各向异性特性明显，优势片理面与洞轴线的交切关系将会对隧洞不同部位的围岩变形失稳模式及稳定性产生程度各异的影响[17]，这将直接影响隧洞的轴线布置方案。针对这一问题，现场开展了补充论证，在CPD1勘探洞深埋软岩洞段，因CPD1平洞轴线（N8°W）与优势片理面呈大角度相交，主洞内的破坏现象并不明显；而邻近的K1720 支洞（轴线走向N53°W）顺着片理走向开挖，洞壁出现了明显的片理弯折破坏与鼓胀松弛变形现象，见图3。对比探洞内存在鲜明差异的岩体开挖响应特征，表明片理各向异性对隧洞围岩稳定的影响具有明显的方向性。

图3 CPD1平洞K1725支洞边墙应力松弛Fig.3 Stress relaxation of side wall in K1725 branch of CPD1 adit

结合上述认识，深埋软岩隧洞布置方案的优化设计，一方面需考察洞轴线与初始地应力场的空间关系，另外则需重点分析洞轴线与优势片理面的有利交切关系。由于深埋段的地应力场以水平构造应力为主，第一、第二主应力量值基本相当（分别达23～24 MPa 和27～31 MPa），且均近水平向，因此无论引水隧洞的轴线如何选择，均难以避开高应力软岩挤压作用的影响。图4 为采用数值计算获得的不同洞轴线方案下，隧洞开挖后的围岩位移场分布对比情况。其中方案A 的洞轴线走向N4°W，与片理面斜交，最终的变形及稳定问题相对不突出，较好地规避了片岩各向异性及不均匀地应力场带来的不利影响，可以作为引水隧洞轴线布置的最终推荐方案。

图4 不同洞轴线方案下隧洞开挖后围岩位移场分布Fig.4 Displacement field after tunnel excavation in different schemes

此外，由于深埋软岩洞段面临地应力偏高、断面应力比偏大、强度应力比偏低等不利初始应力环境，洞轴线的优化设计并不能完全消除围岩挤压大变形问题，在工程设计和实际开挖施工时应提供足够的支护压力以维持软岩隧洞的围岩稳定。

2.2 围岩变形控制标准讨论

深埋软岩隧洞工程中，围岩挤压变形问题相对显著，如果软弱围岩的变形得不到有效控制，变形即会出现不收敛现象。通常，不收敛变形是围岩变形量累计到一定程度的结果，这就需要预先制定“围岩变形控制标准”，即要求通过合理的优化开挖支护设计，将围岩总变形量控制在发生失稳变形之前。

由于变形是地下工程开挖后最基本的围岩响应方式，目前工程上多以围岩“收敛应变率”建立相匹配的稳定控制标准，并已得到了广泛的工程应用和验证。“收敛应变率”指隧洞围岩收敛变形量与开挖直径之比（或变形量与半径之比），一般地，根据收敛应变率的大小可经验判断隧洞围岩的稳定特性。

Hoek 等[7]人根据实例统计将软岩隧洞按其挤压变形特征分成5种典型类别或等级，见表1，不同的挤压变形等级对应不同的支护理念。比如，收敛应变为1%～2.5%的轻微挤压变形隧洞，可采取系统喷锚支护为主的加固措施来控制围岩变形及稳定；对非常严重的挤压变形隧洞，除需对掌子面采取超前支护、系统喷层和锚杆施作应紧跟掌子面外，还应采用埋置钢构架或可伸缩型钢拱架等强力加固措施，以规避围岩大变形侵陷或失稳问题。另外，对小洞径的软岩隧洞，在遇到严重挤压变形情况下，也可以采用封闭成环的刚性混凝土衬砌以提供强大的刚性支护力。Hoek等人提出的围岩变形收敛应变与支护类型之间相互匹配的对照表，可用于此类地下工程的初步支护设计，这也给软岩隧洞的变形控制标准的拟定提供了可资借鉴的依据。

表1 围岩收敛应变与支护类型的关系[7]Table 1 Relationship between convergence strain of surrounding rock and support type

GB 50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》[18]也给出了针对不同埋深条件的隧洞允许位移相对值（表2），等同于隧洞收敛应变率。规范对埋深超过300 m的水工隧洞，Ⅲ类围岩允许收敛应变范围是0.40%～1.20%，Ⅳ类围岩允许收敛应变范围是0.80%～2.00%，塑性围岩取表中较大值。但软岩洞段的埋深普遍在600～1 200 m，远超规范中界定的300 m埋深范畴，且引水隧洞的直径也达到了14 m，该规范已不再适用。结合工程实际条件，应在该表的基础上适度放宽围岩收敛应变的控制标准。

表2 隧洞周边允许位移相对值[18]Table 2 Relative allowable displacement around the tunnel

图5 深埋软岩试验洞开挖变形过程及流变特征Fig.5 Deformation process and rheological characteristics of pilot deep-buried soft rock tunnel during excavation

2.3 隧洞系统支护设计

深埋软岩问题有其特殊性，软岩隧洞的支护设计应重点把控支护时机与支护刚度的选择，如新奥法[19]提出的“支护不能太早，不能太晚，不能太刚，不能太柔”，见图6。深埋软岩本身的低强度和大变形产生了巨大的围岩压力，出于安全经济上的考虑，长期实践经验表明，能适应此类围岩变形特性又不失控制变形能力的支护系统才能起到明显的支护加固效果，即柔性支护系统。柔性支护系统可以提供持续有效的支护力，一方面保护了围岩完整性，并可维持较好的应力状态，增强围岩的整体变形能力；另一方面，在协调变形过程中也适量释放了围岩变形能，有效降低围岩压力。

图6 新奥法的基本原则之一［19］Fig.6 One basic principle of NATM

深埋软岩水工隧洞支护设计的关键是确保水工隧洞结构的施工安全与长期稳定，并注重设计方案的经济合理可行，这就需要充分利用现代围岩压力理论与现代支护原理加以开展。在工程可行性研究阶段，依托长期实践积累的丰富工程经验，秉承围岩是隧洞承载和防渗的主体的设计理念，通过开展大量的科研试验工作，对软岩隧洞设计方案进行优化，制定了针对性的喷锚支护、混凝土衬砌、围岩灌浆等方案，其中深埋软岩段的系统喷锚支护措施以“系统锚杆+喷层+钢拱架”为主。

具体的，软岩水工隧洞的支护体系主要包括系统喷锚支护和混凝土衬砌结构两大部分。施工期围岩稳定主要依靠喷锚支护及围岩自承载能力，隧洞开挖后，先实施一期支护，包括系统锚杆、挂网、喷层、钢拱架等。其中，当掌子面稳定性较差时（如受优势片理不利交切关系影响）或围岩挤压变形问题突出时，应进行超前支护和紧跟掌子面的临时支护，并需充分保证初期支护的及时性和支护强度。而混凝土衬砌结构作为水工隧洞永久支护的必要手段，一般需要待围岩变形基本结束之后再施作。这样在运行期，围岩、系统支护和衬砌结构能够联合承载，还可依靠系统固结灌浆，提高围岩承载能力和防渗能力。另外，由于深埋软岩隧洞开挖变形具有较强时效特性，支护时机的拟定也同样关键，应尽可能使围岩与支护的变形协调发展，并在安全裕度足够的前提下最大程度发挥支护体系的加固效果，以此提升设计方案的可靠性和经济性。

除了以上基本支护设计外，在遇到非常严重和极其严重的挤压变形情况下，为匹配围岩收敛变形的时效性特点，还需严格采用“逐次施加、先柔后刚、多步控制”的渐进支护方式。支护措施随着掌子面推进，逐步由柔性变为刚性构件，并以多重支护体系来共同实现对围岩挤压大变形的有效控制，此设计思路也适用于同类工程。具体可以采取如下策略：

（1）施加高强度、具有良好延展性的锚杆或锚索支护系统，必要时采用可伸缩式钢拱架。加强锚杆材质的延性特征，使其达到峰值强度以后具备同等程度承载力的同时，仍然有能力承担围岩变形。

（2）调整锚杆安装时机和预张拉水平，使用能够抵抗大变形的屈服性锚杆或锚索。适当延后永久支护的安装时间，在早期相对快速的变形发生以后再安装系统支护，使系统支护主要起到控制大变形发展速度和维持围岩长期稳定性的作用。

（3）使用可调式锚索，即安装后若锚索应力偏低，可以进行二次张拉提高锚固力，锚索应力接近设计允许值时，可以放松锚索降低其受力水平。可调式锚索已经在国外一些工程中使用，与普通锚索在设备和施工技术要求上基本没有差别，仅需要在工艺上进行适当改造，工程应用具有可行性。

（4）掌握各种支护结构联合作用机理，调节各支护结构的施作时间，使锚杆、锚索、金属网、混凝土喷层和钢拱架等支护措施充分发挥协同作用来维持围岩和结构的长期稳定性。

（5）面对软岩挤压问题，喷层的厚度、强度和施作时机均是关键，有必要时需分层多次喷射。有条件可采用钢纤维混凝土喷层或纳米混凝土喷层。

2.4 隧洞爆破开挖设计

深埋软岩隧洞的施工爆破开挖一般应遵循“弱爆破、短进尺、早喷锚、强支护、紧封闭成拱”的基本原则，并加强超前地质预报与动态监测反馈等，以实现对施工全过程的有效管控。

2.4.1 分层分幅分序开挖

针对深埋软岩大断面水工隧洞，建议采用分层分幅分序的开挖方案。包括隧洞分上下层开挖，在上层开挖时采用导洞、分幅开挖，在进尺方向上视情况分序开挖，并综合拟定三维层次化开挖支护方案，以尽量降低开挖扰动对围岩的不利影响，为系统喷锚支护和钢支撑施作提供合理可行的时间及空间，并在确保施工安全与围岩稳定的前提下注重建设效率的提升。同时，掌子面受软岩各向异性及高地应力的影响突出，存在不均匀挤压变形风险，需严格限制每个循环的开挖进尺，根据类似工程经验，建议最大进尺不宜超过2 m。此外，对局部洞段围岩自稳能力差、极易掉块或坍塌部位，建议进行适当超前支护，比如深孔注浆、长大管棚、超前锚杆等，并在开挖面形成后立即进行混凝土喷护或初期喷锚支护，以延长围岩自稳持时。

2.4.2 优化爆破设计参数

受制于片状岩体的特殊岩体结构效应，片岩隧洞在开挖过程中的爆破振动作用机理与常规岩体会有较大差异，其破岩过程因存在优势方向，将直接影响最终开挖成型效果。因此，要求施工承包人在施工过程中充分依据设计文件、地质情况、爆破材料性能及钻孔机械等条件进行精细化爆破设计，并通过积极开展现场爆破振动测试确定合理的爆破参数，严格控制装药量和单响药量，以防止过大的振动对围岩的不良影响。鉴于工程问题的复杂性，还需通过不断积累总结经验，调整优化爆破参数或改善施工方法。

2.5 施工地质预报与安全反馈分析

2.5.1 现场施工地质预测预报

隧洞开挖在穿越断层、软弱带等不利地质条件洞段时，容易出现较大规模松弛或塌落现象。现场应加强地质跟踪及预测预报工作，充分利用前期地质勘探资料及施工期超前物探与现场开挖揭示的地质信息，对隧洞掌子面前方可能出现的不良水文及工程地质问题，及早预警预报，以便及时采取恰当的施工程序及支护措施，以抑制不良地段围岩发生大变形甚至塌方等工程安全风险。考虑到深埋软岩隧洞的开挖施工难度极大，应充分发挥地质及设计人员在复杂地下工程建设中的主观能动性。

2.5.2 施工期监测反馈分析及动态优化设计

深埋软岩隧洞开挖稳定问题有其复杂性和不确定性，建议开展全过程的实时监测反馈分析及动态开挖支护优化设计工作。在施工阶段，应注重现场安全监测和检测工作，及时复核各洞段围岩分类、水文地质条件、地应力场及物理力学参数，以典型监测断面为例，重点研究施工开挖、围岩变形、支护结构受力三者之间的信息传递与时空响应机制，精准地预测分析围岩及支护结构的稳定性特征，动态调整优化开挖支护的具体方案和实施时机，以达到深埋隧洞建设围岩稳定、安全快速施工、经济合理的目的。

3 结语

深埋软岩工程问题需从软岩力学特性、隧洞方案布置、系统支护设计、爆破开挖控制、施工地质工作、超前地质预报、安全监测预警与动态反馈分析等方面采取一系列的应对措施，来保证工程的安全高效施工和围岩稳定。依托某深埋软岩水工隧洞，主要认识有：

（1）深埋软质片岩的各向异性突出，优势片理面对软岩隧洞围岩稳定的影响具有明显的方向性。经综合分析，推荐洞轴线走向为N4°W，与片理面斜交，可较好规避片岩各向异性的不利影响。

（2）深埋软岩隧洞工程环境复杂、各向异性突出、挤压变形明显，建议采用3%～5%的收敛应变率作为围岩变形控制标准，以确保围岩开挖后不发生显著失稳破坏与侵陷问题。当围岩质量较好时，控制标准应更为严格。

（3）深埋软岩水工隧洞支护设计秉承围岩是隧洞承载和防渗的主体的设计理念，但在面临突出挤压变形问题时，需严格采用“逐次施加、先柔后刚、多步控制”的渐进支护方式进行围岩稳定调控，以达到安全经济合理的目的。在施工期，围岩稳定主要依靠喷锚支护及围岩自承载能力，运行期则依靠隧洞围岩、系统支护和衬砌结构联合承载。