深埋片理化软岩隧洞开挖力学响应现场试验研究

2020-03-12严锦江

水力发电 2020年12期

严锦江，张洋

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041)

1 工程概况

在深埋软岩地层建设大断面引水隧洞是一项非常大的挑战，若不能事先掌握高应力下开挖过程软岩的力学响应规律，建设过程中将难以避免地发生难以控制的大变形[1-4]，围岩向洞内挤压缩径，严重侵占隧洞过流断面，并且通过扩挖再加固也难以有效控制变形的持续缓慢发展。现场试验洞是掌握深埋软岩隧洞开挖过程中及开挖后围岩变形规律的最直接方式，在现有理论无法准确预测软岩变形规律的前提下，试验洞全程监测为设计和科研提供了最有价值的支撑数据。

丹巴水电站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内的大渡河干流上，拟采用二洞四机布置，2条长为17.3 km的圆形引水隧洞衬砌后断面为12.4 m。引水系统围岩主要由石英岩、长英质变粒岩、石英云母片岩、云母石英片岩、角闪岩等组成。其中，云母石英片岩和石英云母片岩为软岩，初步分析累计长度达3 000 m，约占引水系统总长的18.5%，主要位于引水隧洞后2.5 km洞段，特别是石英云母片岩强度相对更低，为引水系统力学性质最差的岩层，也是本文的重点研究对象。

石英云母片岩天然抗压强度为15～30 MPa，饱和抗压强度为10～25 MPa，软化系数为0.5～0.56，属较软岩[5]，岩石强度低，变形大，遇水易软化，流变效应显著，岩体质量以III类或IIIb类为主；当片理面与隧洞轴线平行或斜交时，在高应力作用下会产生较严重的挤压变形问题，围岩类别为IVb类或Vb类。引水隧洞埋深大，软岩洞段最大埋深达1 220 m，自重应力高，且工程位于强烈构造活动区，构造作用较显著，总体上地应力水平较高。在石英云母片岩地层隧洞开挖后，有可能出现较严重的大变形问题。因此，丹巴水电站引水隧洞深埋软岩变形演化规律的揭示及变形量的准确把握是枢纽开发中的“卡脖子”问题[6-9]。

丹巴水电站设计阶段相应于在现场长探洞软岩最大埋深处设置了1条试验隧洞，并预埋监测仪器，监测试验隧洞开挖过程中围岩不同部位的全程变形值。从开挖完成至今，经过7年的持续监测，获得了大量围岩长期变形数据，并基于这些数据分析其变形分布与演化规律，为深埋软岩引水隧洞的设计提供重要的数据支撑。

2 试验洞布置方案及监测布置

为更好认识大断面深埋软岩隧洞开挖过程中的变形演化规律，现场在该地层最大埋深处(埋深1 220 m)设置了1条试验洞。试验洞为城门洞形，跨度和高度均为8 m，起止桩号为K1+745～K1+781，洞长共36 m。其中，渐变段8 m(K1+745～K1+753)，直线段28 m。为掌握试验洞开挖过程中围岩全程的变形，在试验洞左侧设置了1条观测支洞，由探洞斜向开挖36.77 m，然后转向与试验洞轴线平行方向开挖观测支洞，观测支洞长为15.33 m，其与试验洞净间距为20 m。试验洞设置A-A、B-B、C-C等3个监测断面，桩号分别为K1+759、K1+762、K1+765，每个监测断面在试验洞的顶拱和左右边墙腰部(面向掌子面)各布置1套多点位移计，其中左边墙的多点位移计采用从观测支洞预埋的方式(编号为A1、B1、C1)，以监测试验洞开挖全过程的围岩变形情况，顶拱和右边墙的多点位移计则采用即埋式。试验洞布置方案见图1。多点位移计埋设位置及测点设置见图2。

图1 试验洞布置方案(单位：cm)

图2 试验洞多点位移计监测布置(单位：cm)

由于试验洞开挖爆破的问题，使得原位移计测点位置的设计尺寸没有很好地控制到位，造成了一定的偏差。根据实际测量和计算，除在试验洞顶部、右侧钻孔安装的位移计按设计尺寸保留外，左侧的位移计锚头与原设计有所变化。3个监测断面左侧1号位移计实际锚头与试验洞壁的距离见表1。

表1 左侧位移计锚头与试验洞壁的距离 m

3 试验洞开挖方案

试验洞先开挖导洞(3 m×3 m)，后扩挖成形，现场记录统计的开挖节点及监测数据见表2(以A-A断面左边墙多点位移计锚头A1-6监测数据为例)。试验洞开挖施工节点和监测布置情况如下：

表2 测点变形量特征

(1)第一阶段导洞开挖。先开挖到K1+761后，暂停试验洞段开挖，进行支洞开挖，并进行地应力试验和试验洞左边墙A1、B1、C1多点位移计的预埋和监测。

(2)第二阶段将导洞开挖到K1+768。

(3)第三阶段试验洞室扩挖。进行K1+756～K1+768段的洞室扩挖，扩挖采取非全断面式的分块形式进行。

(4)第四阶段停挖，在已开挖好的试验洞段进行监测仪器钻孔安装及监测等工作。采用即埋方式埋设钢弦式多点位移计(孔口位置为试验洞右侧边墙，距底板4 m，测孔断面编号分别为A3、B3、C3)进行变形监测；采用即埋方式埋设钢弦式多点位移计(孔口位置为试验洞顶拱，距底板8 m，测孔断面编号分别为A2、B2、C2)进行变形监测。

(5)第五阶段试验洞延伸段导洞开挖。将延伸段导洞开挖到K1+786(设计到K1+781)。

(6)第六阶段延伸段扩挖(包括洞室整修)。

4 试验洞围岩变形规律分析

试验洞左侧预埋位移计全程记录了试验洞开挖引起的围岩变形，六点式位移计能够反映岩体(围岩)变形的空间和时间上的分布关系。因此，本节从左侧围岩变形过程、变形速率及变形空间分布等方面进行不同监测断面变形监测成果分析[10]。

4.1 左侧围岩变形过程

试验洞左侧预埋位移计所测变形与时间过程见图3。由于距离试验洞洞口较近，早期开挖扩散段有所提前，释放了一部分变形，由于测点锚头距离围岩相对较远，A1断面监测位移相对较小；各监测仪器监测变形变化规律基本一致，后期延伸段开挖对距离较近的B1断面影响更明显。

图3 多点位移计监测结果

受开挖扰动影响，围岩变形主要发生在扩挖期、停挖期、延伸段开挖和延伸段扩挖完成后的围岩流变变形4个阶段。由于与开挖掌子面距离的变化，各阶段的影响效应有所不同，纯开挖未出碴时的变形占总变形量的25%～30%左右，出碴和修边等动作导致的变形占15%(实际也有时间效应变形)，两者加起来占到总变形的40%～45%以上，短期变形速率大。

停挖期的变形量较大，停挖期(3个月)的围岩流变变形约占总变形的17%～20%左右。延伸段开挖导洞开挖时间较短，对变形的总量影响较小。扩挖成形的影响十分显著，加上导洞开挖和主洞身的扩挖导致的变形约占总变形的30%。延伸段扩挖完成后，位移随时间的变化曲线趋于平缓，变形收敛趋势明显，扩挖完成后的围岩流变变形约占总变形的10%。停止开挖之后至今，围岩变形逐渐趋于稳定，基本保持不变。

4.2 左侧围岩变形速率

左侧洞壁各测点变形速率见图4。从图4可知，开挖时围岩变形速率最大，以A1-6点为例，最大值可达5.81 mm/d，变形量迅速增大，随着掌子面的远离，变形速率迅速降低，变形曲线趋于平缓。扩挖期至延伸段导洞开挖之间围岩的最小变形速率为0.005 mm/d，延伸段扩挖期变形速率约为0.021 mm/d，最终稳定后的变形速率为0.000 4 mm/d。各部位的平均变形速率与测点锚头距离洞壁的远近有关，其中A1-6远些，其速率较小；其他2个近些，总的变形大，变化速率也更高，并成倍地放大。

图4 围岩变化速率

4.3 左侧围岩变形空间分布特征

由于位移计传感器安装在支洞侧，监测计算位移量以支洞端为不动点，但支洞实际也一定有变形。因此，可近似地认为1号传感器的监测值(离支洞最近点)为支洞的变形，其他各点的变形总量中扣减该变形即围岩在相应位置上实际位移。左侧不同剖面测点沿洞壁距离的变形见图5。从图5可知，试验洞围岩变形由支洞侧平缓升高，自支洞洞壁至8 m处，不同时间围岩变形呈线性升高。8～5 m处，不同时间点对应的变形也近似呈线性增长。这表明开挖过程中，深度大于5 m的围岩处于弹性状态，在扰动应力作用下发生变形。而深度小于5时，围岩变形则呈非线性增长，表明此时围岩开始发生破裂屈服，非线性变形显现，特别是靠近洞壁2 m以内，变形迅速增大，现场围岩松驰严重。

图5 测点沿洞壁距离的变形(单位：cm)

4.4 隧洞顶拱变形监测成果

由于A-A、B-B和C-C监测断面的围岩变形规律基本一致，本文仅以A-A断面为典型断面，分析不同部位的变形特征。图6为A-A断面的顶拱变形演化曲线。从图6可知，该断面监测顶拱位移相对较小，其中3号测点所测2014年2月18日～2014年5月27日变形数据为负值，该数值在后续分析中应去除。后期延伸段开挖对距离较近断面影响更明显，延伸段扩挖完成后，孔口处位移变化明显，其他测点位移变化较小，但位移收敛趋势明显。

图6 A-A断面顶拱变形

5 围岩变形趋势分析

试验洞变形监测期间共有2次停挖，第1次为2013年4月21日～2013年7月31日，第2次为延伸段开挖出渣完成后2013年9月25日～2014年5月27日。截取这2次停挖期间的左边墙监测数据，对围岩变形趋势进行分析。围岸变形趋势见图7。采用观测天数计算，用2次项式对变形曲线趋势进行拟合，按变化速率为0(方程一阶导数)计算变形收敛天数。依据第1次停挖期间的监测数据所计算出来的拟收敛天数小于依据第2次停挖期间的监测数据所计算出来的，由于第1次停挖期的时间较短，故可选取依据第2次停挖期间的监测数据所计算出来的更为合理。由此可得，围岩变形的拟收敛天数最高可达500 d，最低为208 d。依据左边墙长期监测数据计算可得，至2015年2月23日约180 d，围岩变形速率为0.000 4 mm/d，可近似为0，围岩收敛，接近变形趋势分析预测的天数。