引汉济渭秦岭隧洞出口段软岩变形特征及支护分析

赵 力，魏军政，王 博，厍海鹏，陶 磊

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

在水利水电、交通等隧洞工程建设中，开挖扰动会引起围岩受力状态发生变化，受复杂地质环境影响，时常出现围岩变形、坍塌、岩爆等不同形式的破坏，使隧洞施工安全和工期面临严峻挑战[1- 3]。作为较常见的不良地质灾害之一，软弱围岩的变形破坏受到工程建设者的广泛关注[4- 7]。同时，由于岩体工程特性、地应力大小及分布等在开挖之前难以准确确定，隧洞支护方案往往需要根据开挖揭示的实际情况进行动态调整[8- 11]，而开展围岩稳定的动态分析对支护方案的确定具有重要的指导意义。

在软岩变形方面，许多学者做了大量的研究工作。李涛[12]采用监测及数值分析相结合的方法研究了单薄破碎软岩隧洞喷锚支护设计；郭小龙[13]等提出了成兰铁路软岩隧道大变形控制技术，建立了基于施工过程的隧道位移控制基准；韩小妹[14]等以官帽舟水电站为依托，对泥质粉砂岩和粉砂质泥岩等软岩隧洞的工程特性和开挖支护进行了研究；王有平[15]围绕九道河隧洞工程，通过分析软弱围岩的地质特征，探讨了软弱围岩隧道施工处理措施；陶志刚[16]等分析了微观负泊松比锚杆静力学特性，并验证了其在围岩变形控制方面的应用效果。

本文以引汉济渭秦岭隧洞出口段为研究对象，结合现场调查分析了软岩变形特征及成因，提出了相应的支护措施，并采用数值模拟方法进行了围岩稳定性分析，论证了及时支护的必要性和支护措施的可行性，可为软岩变形研判和支护方案优化提供参考和借鉴。

1 工程现场软岩变形特征

引汉济渭工程是“十三五”期间国家加快推进的172项重大水利工程之一，自汉江及其支流子午河取水，可满足西安、咸阳、渭南、杨凌4个重点城市及渭河两岸11个县城、西咸新区5个新城及1个工业园区居民生活及工业用水，将对缓解关中缺水、置换陕北黄河用水指标、带动陕南经济社会发展发挥重要作用。

秦岭输水隧洞作为引汉济渭项目的控制性工程，全长98.3km，最大埋深2012m，设计流量70m3/s，纵比降1/2500。隧洞起点接黄金峡水利枢纽泵站出水池，出口位于渭河一级支流黑河金盆水库下游右侧支流黄池沟，沿线共布设14条施工支洞。隧洞采用钻爆法和TBM法施工，钻爆段采用马蹄形断面，断面尺寸为6.76m×6.76m(宽×高)，工程建设难度大，地质条件复杂，部分洞段面临软岩变形的不利影响[17，18]。

隧洞K79+900～K78+779段埋深为132～282m，岩性为炭质云母片岩夹石英片岩，云母含量高，节理裂隙发育，小褶曲发育，局部糜棱化、粉末化，岩体为薄层状结构。局部变形坍塌如图1—2所示。

图1 K78+807处拱部变形坍塌

图2 K78+807处左侧边墙变形坍塌

结合地质勘察资料对现场软岩变形特征进行分析，该洞段围岩变形破坏主要是由于以下两类原因：

(1)岩体结构破碎，岩性较软。局部破坏洞段的岩性主要为云母石英片岩，局部夹炭质片岩，云母含量高、岩性较软，岩石抗压强度较低，节理、片理发育，受地质构造影响严重，岩体糜棱化比较严重，局部存在粉末状俘虏体，手捏即碎，自稳性差，易坍塌掉块。云母片岩表面极为光滑，内摩擦角低，抗剪能力差，易错断。

隧洞开挖引起卸荷变形，遇水易软化产生塑性变形，可能导致初期支护变形破坏。在该段发生了多次较大的围岩变形。其中，K79+023～K78+977段开挖完成后，在地下水作用下，拱部岩石不断剥落掉块，导致局部地段超前小导管塌落，形成较大塌方，K79+005～K79+000段拱部塌方尺寸为9m×5m×1.3m(环×纵×高)，墙脚遇水软化，围岩日收敛变形量较大，测得日收敛变形最大值20mm/天，部分段落初支侵限。K78+790开挖完成后，拱顶岩石剥落掉块，超前小导管塌落，碎块掉落形成大空腔，塌腔高度7～8m，纵向延伸4m，环向6m。塌方后K78+800～K78+790段部分初支出现裂纹，此段围岩初期收敛变形较大，达10mm/天。

(2)断裂切割形成冒落或滑移块体。该洞段节理发育，易在拱顶发生块体冒落，边墙发生滑移破坏。其中，K79+022处存在3组节理，其中J1：N20°W/60°S，间距0.1～0.2m，延伸约1m，节理平直光滑，无擦痕，密闭，无填充；J2：N15°W/60°N，间距0.3～0.5m，延伸1～2m，节理面平直光滑，无擦痕，微张，无填充；J3：N30°E/55°N，间距0.05～0.1m，延伸0.5～1m，节理面平直粗糙，无擦痕，微张，充填泥质。经分析，3组节理在拱顶和边墙形成安全系数较低的块体，如图3所示。拱顶块体为冒落型，在围岩中最大埋入深度为0.7m，体积为0.6m3；边墙块体为单面滑动型，自然状态下的安全系数为0.35，在围岩中最大埋入深度为2.4m，体积为12.7m3。

K78+970处存在3组节理，其中J1：N40°W/50°S；J2：N25°W/70°N；J3：N40°E/65°N。经分析，3组节理在拱顶和边墙形成安全系数很低的块体，如图4所示。拱顶块体为冒落型，在围岩中最大埋入深度为0.9m，体积为0.8m3；边墙块体为单面滑动型，自然状态下的安全系数为0.23，在围岩中最大埋入深度为1.4m，体积为2.5m3。

图3 K79+022处块体分布图

图4 K78+970处块体分布图

2 围岩支护措施

隧洞K79+900～K78+779段主要为Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩，根据初步设计阶段地勘资料，经工程类比拟定Ⅳ、Ⅴ类围岩支护及衬砌参数，见表1—2。

局部洞段，如K79+005～K78+977段，由于围岩极为破碎，裂隙水发育，稳定性差，开挖后易发生坍塌。因此拱部120°范围设Ф42超前小导管，小导管长度3.5m，纵向间距2.0m/环，环向间距30cm，拱墙设I16钢拱架，间距0.8m，设Ф8钢筋网，间距15cm×15cm，喷射C20混凝土，厚度25cm。

针对结构面控制型破坏，由于隧洞开挖卸荷，结构面张开，会发生块体滑动或掉落破坏，这种类型起初的破坏规模不大，可采用加强锚网喷初期支护的措施。另外，在施工方面，采取弱爆破、短进尺等措施，防止较大规模塌方的形成。

3 围岩稳定性分析

根据K79+900～K78+779段隧洞开挖及支护，建立三维数值模型，如图5所示。隧洞周边到计算边界的最小距离为40m。模型采用直角坐标系，X轴垂直水流方向，右手为正，Y轴顺水流方向，指向下游为正，Z轴为竖直方向，指向上为正。模型单元总数为265508个，节点总数为142612个，围岩、喷射混凝土和二次衬砌结构采用实体单元，超前小导管和锚杆采用杆单元，钢拱架采用梁单元。开挖附近围岩单元长度在0.2～1.0m。综合围岩收敛变形监测结果、现场施工条件及围岩失稳情况，通过反演分析，可知此段围岩的变形模量为2.0GPa，凝聚力为0.30MPa，内摩擦角为28.0°。

图5 计算模型示意图

在未及时支护的工况下，隧洞边墙最大水平变形可达96.7mm，如图6(a)所示，收敛变形率达到2.4%，此时软岩极易破坏；拱顶竖向沉降最大变形为44.0mm，如图7(a)所示。在及时支护的工况下，隧洞边墙最大水平变形达49.3mm，如图6(b)所示，收敛变形率为1.21%；拱顶竖向沉降最大变形为27.3mm，如图7(b)所示。洞周局部(边墙与底板交接处)有应力集中，如图8所示，最大第一主应力为13.2MPa。受围岩变形方向的影响，超前小导管的应力最大值为151.9MPa。位于塑性区范围内的锚杆的杆体应力相对较大，部分锚杆应力超过400MPa，如图9所示。喷射混凝土拉应力较大，局部区域的拉应力远大于抗拉强度标准值1.43MPa，因此，局部混凝土可能开裂，会降低对围岩变形的约束力。

表1 Ⅳ类围岩支护参数

表2 Ⅴ类围岩支护参数

图6 围岩水平变形

图7 围岩竖向变形

图8 围岩第一主应力分布示意图

图9 锚杆应力分布示意图

综上，若未及时初期支护，隧洞围岩失稳的可能性较大，因此建议在Ⅳ和Ⅴ类围岩区宜采取“短进尺、强支护、快封闭”的施工原则，施工过程中，可根据开挖揭露的实际情况作适当调整。

4 结语

(1)隧洞出口段围岩变形破坏主要原因在于：一方面，该洞段岩石云母含量高，岩性较软，岩体结构破碎，自稳性差，且内摩擦角低，抗剪能力差；另一方面，该洞段节理发育，易在拱顶和边墙分别形成冒落和滑移块体。

(2)隧洞出口段围岩主要为Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩，初支采用拱部120°范围设Ф42超前小导管，拱墙设I16钢拱架、Ф8钢筋网及C20喷射混凝土。对较大规模塌腔，采用混凝土护拱结合钢架、喷混凝土的支护型式，并预留吹沙孔，吹沙形成缓冲层。

(3)在Ⅳ和Ⅴ类围岩洞段采用“短进尺，强支护、快封闭”的施工原则，地质复杂、变化快的洞段，施工过程中应根据实际情况做动态调整。