千枚岩隧道大变形特征及处治措施

徐自享，沈习文，郭宏丽，王 新

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，是黑水河干流水电规划"二库五级"开发方案的第三个梯级电站。电站采用引水式开发，开发任务为发电，兼顾下游环境生态用水。电站引用流量222m3/s，额定水头215m，装机容量420MW，年发电量16.58亿kW·h。正常蓄水位2 133m，坝高147m，库容5.35亿m3，水库具有年调节性能。现有S302省道从毛儿盖水电站工程区通过，根据《毛尔盖水电站可行性研究报告》设计成果，按照电站水库淹没影响及施工总布置要求, 需对电站库区淹没范围内现有S302省道进行复建。

西尔滑坡位于黑水河右岸西尔瓜子沟至西尔沟之间的河岸岸坡，属于古滑坡中下部复活的新滑坡。电站前期设计在西尔滑坡前缘阶地规划了渣场，用于堆放电站弃渣，结合电站渣场设计及施工运输要求，毛儿盖水电站S302省道复建公路利用短隧道穿越贝尔山脊，出洞后从西尔滑坡中部弃渣平台顶部通过，然后设隧道穿越滑坡体上游陡峭山壁，在西尔沟右侧沟壁出洞。该隧道施工过程中，毛儿盖水电站施工总布置设计取消了西尔滑坡下方弃渣场。因此，为了绕避西尔滑坡，毛儿盖水电站S302省道库区复建公路调整为贝尔长隧道从西尔瓜子沟左侧穿越贝尔山脊、西尔滑坡，至西尔沟右侧沟壁出洞。隧道全长1 771m，隧道里程桩号K6+673～K8+441m。贝尔隧道同时兼作电站料场运输通道，根据电站施工运输要求，隧道建筑限界为10.5m×5.0m,隧道建筑限界及内轮廓图见图1 ，隧道平面布置见图2。

图1 隧道建筑限界及二衬内轮廓

2 地质概况

隧道工程区属中高山峡谷地貌，两岸山势雄厚，谷坡陡峻，呈“U”形谷。基岩岸坡地形坡度一般为45°～65°，低高程覆盖层谷坡约为20°～35°。右岸冲沟较发育，分布西尔瓜子沟及西尔沟。工程区宏观上表现为单斜构造，地层总体产状为N20°～50°W/ NE∠55°～80°，岩层走向与河谷呈大角度相交，属横向谷。岩体中结构面除层面外，以节理裂隙为主。

隧道工程区主要分布西尔断层，断层产状 N40°～60°E/SE∠70°～80°, 断层两侧的岩层产状不一致，断面呈波状弯曲，具有明显的水平擦痕，显示断裂以水平运动为主。断裂破碎带宽约0.5～1m，影响带宽约10～15m，以糜棱岩为主，中间夹有少量断层泥和方解石脉。

工程区地表水系强烈深切，造成地形陡峻，使之地表径流条件良好，从而决定了本工程区岩体内的地下水具有不甚丰富、坡降大、埋藏深的基本特征。根据地下水的赋存条件及运移特征，可将区内的地下水划分为基岩裂隙水和松散堆积层中的孔隙潜水两种类型。地下水均受大气降水补给，向沟、谷排泄。

图2 贝尔隧道平面示意

西尔滑坡位于黑水河右岸西尔瓜子沟上游约200m左右，顺河宽400m，横河长450m，厚度约10～15m，方量约为120～180万m3。其上无居民和农田，主要为灌木丛和荒地，滑体由崩坡积块碎石土组成，堆积较为紧密，下伏基岩岩性为三叠系中统杂谷脑组(T2z)浅变质砂岩夹炭质千枚岩，石炭系、二叠系下统(Cph)炭质千枚岩夹石英砂岩，两侧基岩完整。其上地表发现有多处拉裂缝，并有明显的滑动变形迹象，目前处于变形拉裂阶段。水库蓄水后，滑坡表层将产生牵引式塌滑破坏。贝尔隧道进口端190～500m洞身段穿越西尔滑坡。

3 初期支护变形特征

贝尔隧道出口端约1 270m洞身段围岩岩性以三叠系中统杂谷脑组中～厚层含钙变质细粒长石石英砂岩为主，局部夹薄层变质砂岩及少量灰黑色炭质千枚岩，属三叠系西康群浅变质岩系。洞挖揭示该段洞身围岩岩性较好，洞挖及支护施工均较为顺利。

根据地质勘察，贝尔隧道进口端约500m洞身段围岩以砂岩、板岩为主，局部夹杂少量千枚岩，原设计Ⅴ级围岩初期支护参数如下：

(1)超前支护：拱部150°范围内设置φ42,L=6.0m超前注浆小导管，间距0.4m，纵向排距4.0m。

(2)系统支护：拱部及侧墙设置φ22,L=3.5m系统锚杆及φ8钢筋网，喷C20混凝土25cm厚，锚杆间排距1.0m×1.0m，钢筋网间距20cm。

(3)拱架：纵向每0.8m间距设型钢拱架1榀，型钢采用18工字钢，拱架间采用φ22连接钢筋纵向焊接，钢筋间距1.0m。

但掘进施工过程中，揭示围岩岩性以石炭系、二叠系下统灰黑色极薄层～薄层状炭质千枚岩为主，局部夹杂薄层状砂岩和少量强风化石英脉(呈酥碎沙状)。强风化千枚岩受基岩裂隙水长期浸泡，软化作用较明显，可塑～硬塑，局部软塑，呈角砾状、碎屑状，局部呈泥状，属于软岩，局部属极软岩。

据监测统计，千枚岩洞身段采用上述Ⅴ级围岩支护参数，初期支护一般于支护7日后喷混凝土表面出现环向细微裂缝，多集中于型钢拱架附近，表现为钢架与喷混凝土接触面缺乏足够粘结性。随着时间的推移，裂缝逐渐张开，20～40日变形进一步加大，拱部喷混凝土大面积龟裂，局部破碎、掉块，变形严重地带，喷混凝土脱落后，可观察到部分型钢拱架出现S状扭曲变形。

监测结果显示，隧道拱顶及拱腰初期支护变形量一般20～40cm，最大达50cm，初期支护不同程度的侵占了原设计二衬空间。其中K6+910.00～K6+980.00m段(70m长)绝大部分断面初期支护侵占二次衬砌约40cm，初期支护表面基本接近或达到原设计二衬的内轮廓表面。隧道盖板边沟因受侧壁变形挤压局部出现折断性开裂。根据隧道变形监测结果，分析统计得出隧道进口端500m范围内，拱部平均变形速率曲线(见图3)，图中显示10～30日变形速度最快。约40日后初期支护变形趋于缓慢，变形量达到30～40cm高位区间。

从变形特征来看，千枚岩隧道围岩变形经历弹性变形、塑性变形与弹性变形并存、塑性变形三个阶段。前两个阶段时间较短，塑性变形阶段持续时间相对较长。在初期支护缺少足够支护强度情况下，隧道表现出初期支护结构快速受压、继而出现破坏，破坏规律符合天数(d)-变形量△(cm)关系曲线图。

图3 拱部平均变形速率曲线

对比发现，在同等洞径、同级围岩、同等支护强度情况下，隧道进口千枚岩洞身段初期支护变形量约是出口砂岩洞身段初期支护变形量的3～5倍。

4 隧道大变形机理分析

根据隧道掘进施工揭示的地质情况及变形监测结果分析，隧道围岩变形主要受以下因素影响：

4.1 围岩岩性及岩体力学性质影响

隧道进口段围岩岩性为炭质千枚岩，岩体强度较低，属软岩，局部属极软岩。岩体风化卸荷强烈，雨水及融雪水易沿节理裂隙下渗。距相关资料，炭质千枚岩的水敏感性强，遇水后其单轴抗压强度、泊松比、粘聚力降低50%～60%。软岩隧道开挖后，塑性变形及流变特性较明显，在隧道洞周产生急剧收敛变形，由于围岩风化卸荷强烈，呈角砾状、碎屑状，较大围岩变形使得变形区域内围岩粘聚力受到破坏，C值进一步降低，并在初期支护外围形成松动圈，松动圈内围岩自身稳定性较差，围岩自重基本靠初期支护承载，初期支护表现出快速受压破坏。根据地质雷达探测结果显示，围岩松动深度约1～4m，主要集中在拱部及腰部，见图4。

图4 围岩松动示意

4.2 高地应力

工程区地处我国西部高原强烈隆起区的东缘和东部较弱抬升区与之毗邻的地带，总体上属新构造运动整体抬升地区，地质构造主要为一系列呈NW～NNW向展布的紧闭、同斜、倒转线形褶皱。工程区新构造运动较强烈，水平挤压地应力较大。当软岩隧道地应力较高时围岩易产生持续大变形。

4.3 西尔断层影响

西尔断层破碎带宽约0.5～1m，影响带宽约10～15m，断层走向与隧道走向大角度相交，断层倾角70°～80°。雨水易沿断层下渗，千枚岩遇水后产生软化作用。

5 工程处治措施

贝尔隧道变形大，局部破坏的初期支护，因其已经承受较大围岩压力，从施工安全角度考虑，不宜拆除重建。考虑到隧道支护变形形成侵限只影响电站施工车辆通行，而不影响作为省道S302线的交通要求，在分析监测数据及变形机理的基础上，决定对贝尔隧道进行加固处理，控制变形进一步发展，主要加固措施如下：

(1)在原有型钢拱架正下方及相邻拱架中间位置各增设一榀型钢拱架，拱架间采用纵向钢筋焊接，拱架脚部及腰部采用注浆小导管锁脚，进一步增强初期支护结构刚度，提高抗压性能。

(2)为了提高围岩自身稳定性，控制围岩松动圈进一步扩大，对松动围岩采用φ42，L=3.0m小导管注浆，小导管间排距1.0m，梅花形布置，通过注浆对初期支护背后空隙进行填充，对松动围岩进行固结，提高围岩粘聚力及整体性，最终形成初期支护与固结围岩整体受力。

(3)在完成前两步处理措施后，对初期支护补喷C20混凝土，监测变形稳定后及时施工模筑混凝土衬砌。

通过上述加固处理后，隧道变形监测表明，隧道施工期变形得到了控制，模筑混凝土衬砌实施后变形监测也表明加固处理措施取得了较好的效果，隧道交工后运行稳定。

6 结论和建议

(1)千枚岩具有强度低、胶结性差、可塑性、流变性、易扰动、水敏感性强等特点。千枚岩隧道极易产生大变形及塌方，建议适当加强地质勘探及超前地质预报措施，为千枚岩隧道设计提供可靠依据。

(2)千枚岩隧道变形具有较明显的流变效应及时间效应，应根据软岩变形规律，适当加强初期支护刚度，提高初期支护抗压性。对于炭质千枚岩，且受裂隙水浸泡洞身段，型钢拱架架设密度不宜小于0.6m/榀。施工时应采用

合理的施工方法，适当加大开挖预留变形量，初期支护变形稳定后及时施工模筑混凝土衬砌。

参考文献：

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