某水电站引水隧洞局部洞段围岩变形失稳机理分析

2013-10-23李建明

水电站设计 2013年4期

关键词：千枚岩洞段炭质

李建明

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

某水电站引水隧洞长约15km，纵坡降1.69%，断面型式为圆形，直径为9.5m。引水隧洞穿越地层为三叠系中统杂古脑组(T2z)和三叠系上统侏倭组(T3zh)的一套浅变质层状砂岩和千枚岩。

层状岩体在自然界中分布广泛，水电工程许多建筑物布置在地下不同倾角的层状岩体中，在层状岩体特别是陡倾角层状岩体中开挖洞室，对围岩工程地质分类和围岩的变形破坏特征、加固处理措施等进行研究及工程经验总结具有重要的实际意义。

引水隧洞区的千枚岩系泥岩在较强应力、较低温度下轻微变质而成，具明显的层状构造，且多为薄层状。千枚岩中的结构面以层面为主，并伴有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育，呈现出强烈的各向异性，其工程特征主要受控于岩层产状及岩层组合。其中的炭质千枚岩强度很低，遇水很容易软化和膨胀，工程地质性状很差，炭质千枚岩在隧洞的局部洞段含量较高较发育，成为影响该洞段围岩稳定和工程安全的最重要因素之一。本文将结合工程实践，对该洞段围岩的变形失稳机理以及加固处理措施进行分析和探讨，以期得出有利于工程实践的结论。

2 引水隧洞工程地质条件及评价

引水隧洞位于大型倒转复背斜北东翼，总体为单斜构造，但次级褶曲发育，在隧洞区中段则为倒转向斜，两翼产状基本相同，褶曲紧密，地层挤压强烈。区内以褶皱构造为主体，断裂不发育，未见区域性大断裂通过，小断层、挤压破碎带等小型软弱结构面出现几率较低，且随机分布。引水隧洞穿越区属典型中高山峡谷地貌，区内汇水面积较大、切割较深且有常年流水的冲沟。引水隧洞区大多基岩裸露，地层为三叠系的一套砂质千枚岩、变质长石石英砂岩及少量炭质千枚岩等。

区内物理地质作用主要表现为岩体风化、卸荷和局部段浅表岩体的倾倒变形。变质长石石英砂岩抗风化能力较强，表现为裂隙式风化;千枚岩岩性较软弱，抗风化能力较弱，其风化延续的深度较大。受风化卸荷作用影响，在千枚岩较集中出露的岸坡浅表岩体往往倾倒变形较显著。

区内地下水埋深较大，活动较强烈，谷坡中、上部未见泉水出露。在断层破碎带及其影响带、裂隙密集带、向斜构造部位，含水相对丰富。地下水基本类型主要为基岩裂隙水和第四系覆盖层孔隙水，由大气降水和冲沟沟水补给。

前期勘探及后期开挖施工表明，总的说来引水隧洞穿越的区域围岩地质条件较好，具有良好的施工可行性，绝大部分洞段为Ⅱ、Ⅲ类围岩，而Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段的总和只占全部洞段的10%。但是引水隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩局部洞段不良工程地质条件较明显，局部洞段地层多与洞轴线呈小角度相交，层面对隧洞稳定具有一定控制性;隧洞进出口和过沟段均涉及弱风化卸荷带，地下水活动较为强烈，岩体完整性差，结构松弛，围岩不稳定;炭质千枚岩对局部洞段围岩的稳定极为不利，也是隧洞区影响围岩稳定的最重要因素之一。

隧洞区局部发育的炭质千枚岩颜色为深灰色～灰黑色，板状构造，系泥岩在较强应力、较低温度下轻微变质而成。炭质千枚岩一般较脆、稍软，具滑感，染手，干密度、天然密度均较小;孔隙率、吸水率较大，含水量较高;抗压强度、抗剪强度及变形模量均较低，且具各向异性，抗风化能力较弱，遇水极易软化、崩解或膨胀，以塑性破坏为主，岩体破坏之前的变形较大，表现出显著的塑性变形、流动或挤出。

施工过程中，最初遇到4个炭质千枚岩含量较高或较发育的洞段，合计总长度约200m。临时支护后一段时间，这4个洞段的洞身及支护结构部分发生变形破坏，各段描述见表1。为了确保其他洞段不发生同样的变形破坏现象，让后续施工顺利进行，以下对这4个洞段的变形破坏机理进行了细致研究，为其他洞段的施工提供事故预防依据和施工方案建议。

表1 研究的4个洞段描述

3 4个洞段围岩开挖及支护后出现的主要问题

炭质千枚岩较发育的4个洞段均采用上、下断面分开开挖方式，上断面高7～8m，下断面高2～3m。IV类围岩洞段开挖前先在千枚岩或破碎岩体区采用超前锚杆支护，然后采用人工风镐爆破开挖剥离至设计断面以外30～40cm(便于钢支撑或适应围岩变形)，开挖后进行锚喷网+钢拱架联合支护，并在地下水较丰富洞段布设排水孔，各项支护参数符合规范的规定。V类围岩洞段开挖前在顶拱120°～180°范围采用注浆小导管(间距20～40cm，视围岩情况定)对围岩加固，然后采用人工风镐弱爆破及挖掘机直接开挖剥离至设计断面以外40～60cm(便于立钢支撑或适应围岩变形)，开挖后进行锚喷网+钢拱架联合支护，各项支护参数符合规范的规定，并且在地下水丰富地段采用超前排水，并布设排水孔。

洞段在施工过程中出现的主要问题是洞室左右边墙及左拱座围岩受炭质千枚岩较软弱、层面走向与洞轴线交角小及节理裂隙切割的影响，以及衬砌严重滞后、开挖断面不规则等原因的影响，在开挖爆破过程中，部分段围岩产生松动张裂，左边墙(山外侧)岩层层面陡倾洞外，表现为倾倒破坏或局部滑移破坏;右边墙岩层层面陡倾洞内，表现为顺层滑移为主，特别是当临时支护未紧跟掌子面支护时，部分洞段右侧边墙出现较明显的开裂、沿层面滑移及塌落等现象。左拱座普遍掉块及小垮塌，如支护和衬砌不及时，会产生大的垮塌。

洞段在临时支护完成约3～4个月后，在下半洞开挖剪底过程中，部分段长(详见表1)的上部出现了不同程度的变形破坏，多榀型钢拱架出现压弯或扭曲变形，喷射的混凝土部分开裂。为了保证结构稳定及施工安全，对变形破坏部位采取了补强措施，补强支护后，洞段变形达到收敛状态，变形得到了控制，并及时作了永久衬砌。

经过对围岩收敛及拱架变形进行监测，4个洞段的围岩变形有如下特点:

(1)围岩变形量因围岩类别的不同存在一定的差异，Ⅳ类围岩变形一般在3～5cm，局部5～10cm;Ⅴ类围岩变形一般在5～8cm，局部可达8～12cm;

(2)围岩变形与工程部位关系密切，左拱座及左、右边墙部位变形量较大;

(3)围岩变形存在明显的时间效应，Ⅳ类围岩临时支护后一般在15～30d变形趋于收敛，Ⅴ类围岩临时支护后一般在30～50d变形趋于收敛。如图1、2 所示。

图1 K8+820～8+825m部位Ⅳ类围岩拱顶变形监测

图2 K0+880～0+885m部位Ⅴ类围岩拱顶变形监测

4 4个洞段围岩变形的原因分析

4个洞段共有接近1/2的段长范围发生了变形破坏，其发生与发展是很复杂的，影响的因素也是多种多样的，主要是自然的因素，也有人为的因素。就自然因素而言，起控制作用的是围岩工程地质条件，包括区域地质构造、岩体的物理力学性质、岩体结构面特征及结构面空间方位、岩体结构、地下水的作用等等。洞段围岩变形破坏的主要原因有:

(1)区域构造复杂:工程区位于较场弧形构造带的北西翼，由一系列北西向断层和紧密褶皱组成，引水隧洞位于瓦布梁子倒转复背斜北东翼，次级褶曲发育。导致洞段岩层产状变化较大，出露地层岩性错综复杂，岩体挤压破碎严重;地下水较丰富;工程地质条件复杂，成洞条件差。

(2)岩体软硬相间:洞段中的Ⅳ类围岩多为炭质千枚岩与砂质千枚岩或砂岩组合成的软硬相间的层状岩体，炭质千枚岩较发育，岩体破碎，遇水易软化。软硬相间的层状岩体，由于其中软弱岩层强度较低，容易变形和破坏，所以在构造运动中，常沿软硬相间岩层的接触处发生错动，形成厚度不等的层间破碎带，大大破坏了岩体的完整性。坚硬岩层，其裂隙较发育，透水性较强，而软弱岩层透水性较弱，因此，当地下水通过透水性强的多裂隙岩层至透水性弱的软弱岩层接触面时受阻而在接触面集中，这样就促使下伏软弱岩层软化或泥化。开挖洞室之后，地下水向洞内汇集，形成新的渗透场，使岩体受到指向洞内的场力，从而导致围岩变形或失稳。

(3)炭质千枚岩集中:炭质千枚岩在洞段的围岩里集中或半集中发育，炭质千枚岩遇水易软化，强度很低，但重量却较大，开挖后很容易产生坍塌，成洞条件极差。炭质千枚岩大大降低了围岩的整体力学强度，岩体很容易进入塑性屈服状态而进入破坏阶段。隧洞开挖后，岩体临空面产生应力释放，向临空面以外发生位移，位移积累到一定程度就会引起岩体变形破坏，隧洞顶拱向洞内收敛变形，两侧边墙以水平向位移为主，均向临空面产生卸荷松弛。声波测试表明，松弛圈厚度大于5m，从而产生巨大的塑性变形，松弛岩体逐渐向洞内挤压。刚性支护在一定程度上抑制了岩体的变形和膨胀，但由于其上部松弛圈岩体荷载太大，致使钢拱架和混凝土的联合支护系统出现变形破坏。

此外，炭质千枚岩与锚杆的咬合力很低(尤其是在顶拱部位)，因此锚杆的长度必须保证能穿越炭质千枚岩，进入坚硬岩体至少1m。原支护参数锚杆的长度定为3m和4.5m，而炭质千枚岩在许多部位的实际厚度达到4～6m，因此原方案没能确保大多数锚杆穿过炭质千枚岩并且深入坚硬岩体至少1m，锚杆支护作用十分有限。用于锁固钢拱架的锚杆如果只扎根在炭质千枚岩里(特别是在隧洞的顶拱部位)，锚杆的锁固作用是很低的，发生变形破坏的结果也是致命的。

(4)岩层走向与洞轴线交角较小以及结构面不利组合:洞段岩层走向与洞轴线方向小角度相交，沿岩层层面容易发生剪切破坏。在洞室右边墙倾斜的层面与边墙相交，倾斜角大于层面的摩擦角，洞壁的自稳能力极差，产生顺层滑移，沿层面张裂和局部垮塌破坏。左侧的洞壁局部产生倾倒破坏，亦存在结构面不利组合，产生滑移破坏。对于拱座部位，层面与拱座相切的部位，剪切破坏范围很大，围岩变形失稳的可能性最大。此外，各种结构面的不利组合使得洞身存在大量不稳定块体，也是围岩变形或失稳的重要引发因素。

(5)洞室开挖断面大:隧洞开挖断面直径一般为10～10.5m，洞室开挖断面愈大(Ⅴ类围岩开挖断面最大)，其变形速度愈快。开挖断面如此大，开挖完毕到临时支护的时间间隔长达7～10h，临时支护难以及时跟上，从时间上给围岩变形创造了条件。

(6)洞段开挖断面成型不规则:4个洞段为Ⅳ、Ⅴ类围岩，岩体多软硬相间，施工放炮一般根据硬岩控制药量，爆破后软弱岩部分围岩超挖现象严重，一般超挖30～100cm，硬质岩部分超挖一般较小，这样就形成了开挖断面的不规则，钢拱架紧贴岩面的长度较小，给围岩松弛和变形创造了足够空间，围岩变形进一步加剧，松动圈厚度进一步加大。

(7)下半洞开挖使得上半洞的主要临时支护结构(钢拱架)底部临空，锁固钢拱架的锚杆与炭质千枚岩的咬合力很低，锚杆没有发挥良好的锁固效果，钢拱架无法承担上部松弛圈岩体的巨大自重荷载，从而导致岩体变形，钢拱架扭曲或压坏。

(8)在4个洞段发生变形破坏部位的实际施工中，从开挖支护到永久衬砌的时间间隔较长，超过了新奥法原理给出的“从支护到衬砌”的合理时间间隔。洞段的洞身永久衬砌的明显滞后，使得临空的岩体暴露时间太久，客观上给围岩的变形提供了足够的时间，加剧了围岩的变形破坏。根据新奥法的基本原理，隧道施工应该做到“短进尺、弱爆破、勤支护、及时封闭、及时衬砌”。监测试验表明，本工程引水隧洞围岩变形存在明显的时间效应，Ⅳ类围岩临时支护后一般在15～30d应力调整结束，变形趋于收敛，Ⅴ类围岩临时支护后一般在30～50d应力调整结束，变形趋于收敛。那么Ⅳ、Ⅴ类围岩最佳衬砌时间应该是临时支护后30～50d，而实际衬砌时间一般是在临时支护后100～120d，没能正确地把握衬砌时间。在衬砌滞后时段内，在顶部松弛圈岩体自重荷载的长期作用下以及外界扰动下，特别是施工爆破和下半洞开挖剪底使得钢拱架底部架空，临时支护结构以及岩体很容易变形加剧而破坏。为了防止这种不良结果，应该合理掌握衬砌时间和衬砌方式，使得岩体变形得到有效的控制。