复杂断裂带引水隧洞围岩稳定分析及处理措施

党亚山

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000)

0 前 言

天水市城区引洮供水工程2号引水隧洞全长8.72 km，最大埋深305 m，一般埋深150～200 m。隧洞穿越渭河与藉河之间的分水岭，布置于新近系、古近系、下古生界地层之中，围岩由松散岩、变质岩组成。隧洞地处秦祁褶皱带结合区，地质背景复杂。隧洞穿越西秦岭北缘深大断裂带。隧洞新近系、古近系围岩构造不发育，但岩性软弱；下古生界围岩构造发育，岩体破碎，地下水丰富。在隧洞施工中，出现了严重的围岩变形、掌子面坍塌问题。针对该隧洞施工中出现的上述问题，工程施工、设计团队加强了对2号隧洞围岩变形机理的分析，提出了科学合理控制围岩变形的施工方法及支护对策，为该隧洞安全施工提供了支撑。

1 隧洞区域地质环境

(1) 地形地貌

2号洞地处陇中黄土高原向西秦岭基岩中低山山地过渡区，区内海拔高程1 300.00～2 200.00 m，相对高差300～500 m，地形破碎，沟壑纵横，发育黄土梁峁、沟谷地形地貌。2号洞北西-南东向布置，穿越区内渭河与藉河间的分水岭-南岭。南岭走向北西，梁顶高程1 720.00～2 200.00 m。

(2) 地层岩性

2号隧洞地处陇中中新生代坳陷盆地，向西秦岭变质岩系褶皱隆起基岩中低山地过渡区。隧洞沿线主要分布有新近系(N2l)、古近系(E)、下古生界牛头河群(Pz1nt)地层岩性。

1) 新近系地层(N2l)：地层主要为砂质泥岩，成岩差，强度低，属极软岩，浸水崩解。2号洞该地层分布长度约910 m。地层与古近系呈角度不整合接触，与牛头河群地层断层接触。

2) 古近系地层(Eg)：地层主要由泥质胶结的砂砾岩、含砾中粗砂岩，砂质泥岩组成，岩质松软，属软岩，浸水崩解。2号洞该地层分布长度1 230 m，地层与下伏牛头河群地层呈角度不整合接触，局部为断层接触，牛头河群地层断层接触。

(3)地质构造

2号洞地处秦岭东西向复杂构造带与祁吕弧形褶皱带的交汇区，区域地质构造背景复杂。隧洞位于区域构造向斜格板峪向斜北翼，穿越西秦岭北缘深大断裂带。隧洞区域地质见图1。

西秦岭北缘深大断裂带：逆断层，产状290°～310°NE∠60 °～80°，错断沿线Pz1nt、E、N地层，两盘岩层深受其变形与改造。断裂全长约500 km，由多条平行断层组成，带宽十余公里。断层形成于前寒武纪，历经多期构造运动。断层规模大，活动性强，是区内不同块体和地貌单元边界的断裂。工程2号洞穿越该断裂凤凰山-武家河段。断层分布于洞线K139+865.50 m～K143+164.00 m之间，由2～3条主断裂和多条次一级断裂组成，主断裂带宽数十米至数百米，带内物质为糜棱岩、角砾岩，断层泥，主断裂两盘影响带宽度达数百米，该断裂与2号洞走向夹角10 °～30°。西秦岭北缘断裂带在2号隧洞右侧沟道有出露，见图2。

(4) 水文地质条件

2号洞围岩分布松散岩空隙裂隙水、基岩裂隙水两类地下水。空隙裂隙水赋存古近系砂岩、砂砾岩中，属层间地下水；基岩裂隙水赋存牛头河群岩层裂隙之中。隧洞地质勘察揭示围岩空隙裂隙水水量不丰，开挖呈滴渗状；裂隙水水量较丰，为滴～线状流水，涌水量25～47 L/min。

2 隧洞围岩的物理力学性质研究与围岩类别分类

(1) 围岩物理力学性质

1) 新近系(N2l)：含水量W为5～10%，密度γ为2.2～2.25 g/cm3，单轴抗压强度Rc为2～3 MPa，凝聚力C为0.05～0.2 MPa，内摩擦角φ为27°～32°，弹性模量E为800～1 500 MPa；变形模量Es为300～300 MPa；泊松比μ为0.33～0.35，属极软岩，浸水崩解，具流变性。

2) 古近系E：含水量W为4.2%～8.4%，密度γ为2.3～2.5 g/cm3；单轴抗压强度Rc为5～8 MPa；凝聚力C为0.1～0.3 MPa，内摩擦角φ为30°～35°；弹性模量E为1 500～2 000 MPa；变形模量Es为900～1300 MPa；泊松比μ为0.26～0.32，浸水崩解，具流变性。

(2) 围岩类别分类

根据2号洞围岩的岩石强度、岩体的完整性、岩体结构面与洞线的组合关系，以及地下水活动程度，划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。Ⅲ类围岩由下古生界牛头河群完整、较完整，具中厚层状结构的岩体构成，隧洞开挖揭示长度约有2.05 km；Ⅳ类围岩由牛头河群完整性差、较破碎，具碎裂镶嵌结构岩体，以及古近系岩体构成，隧洞开挖揭示长度约有2.35 km；Ⅴ类围岩由断裂带的碎裂岩体、新近系松散软弱岩层组成，隧洞开挖揭示长度约有4.3 km。

3 隧洞围岩变形破坏机理分析

3.1 围岩变形类型划分

隧洞属地下工程，隧洞开挖，围岩因卸荷，应力进行重新分布，出现应力集中现象。当应力超出岩体的强度时，就会出现变形破坏现象，如掉块、坍塌等。根据2号洞围岩变形受控条件，围岩变形分岩性控制型和结构面控制型2种。

(1) 岩性控制型：主要出现新近系、古近系围岩、断裂带及其影响带的松软岩体。围岩变形以塑性变形和蠕变变形为主。破坏表象主要为围岩内敛、片帮、掉块、剥落、坍塌等。

(2) 结构面控制型：主要出现于受构造影响强烈、结构面发育的牛头河群围岩段。围岩变形以拉裂、压剪变形为主，破坏表象主要为沿结构面拉裂破坏或和结构面压剪滑移破坏。

3.2 围岩应力、应变量计算

(1) 围岩变形岩性控制型，隧洞围岩应力、围岩塑性区半径、洞周位移量计算

σθ=γ(a+βλ)(H′+Kr0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(1)～(5)中：γ为围岩密度，g/cm3；λ为侧压力系数；H′为隧洞埋深，m;r0为隧洞半径，m；a、β、K为计算系数，分别取a=0.974、β=3.3、K=1.2； 为剪切变形模量；Pi为支护抗力，Pi=0。

根据表1数值并利用公式(1)及σθ≥Rc计算得出隧洞新近系围岩破坏临界深度为31～48 m；古近系围岩变形破坏临界深度为74～120 m。理论计算与隧洞施工监测值基本相符，实测变形值较理论计算值略有偏大，分析隧洞围岩变形除与自身地质因素、隧洞埋深有关，同时与施工时对围岩扰动程度关系密切。开挖揭示隧洞古近系围岩变形量较小，围岩破坏以剥落、掉块为主。

表1 隧洞松散软质围岩段无支护条件下洞周塑性区半径及洞周位移量计算

表2 隧洞围岩无支护条件下围岩剪裂区应力、剪裂区边界计算

(2) 围岩变形结构面控制型，隧洞围岩剪裂区应力、剪裂区边界线(R0)计算

隧洞牛头河群围岩常见有两组软弱结构面。J1走向与洞线夹角约24°，倾角40°～60°；J2走向与洞线夹角约80°，倾角75°。围岩剪裂区边界线近似方程如下式：

A5α4+B5α2+C5=0

(6)

式中：

cos2θ-bcosγ0sin2θ}(1-λ)

(1-λ)cos2θ-2b(1-λ)cosγ0sin2θ}

(A2-aB2-D2-aC2)cos2θ-b(1-λ)cosγ0sin2θ}+2Cj

A2=(1+μsin2γ0)tgφj；B2=1-μsin2γ0；

C2=cos2γ0+μsin2γ0

D2=(cos2γ0+μsin2γ0) tgφj

a=sin2β1-cos2β1tgφj;b=cos2β1+sin2β1tgφj

代入公式(6)得:

(7)

其中θ=90°处，隧洞不同埋深，围岩剪裂区半径R0=αr0，隧洞围岩无支护条件下围岩剪裂区应力采用公式(8)～(9)计算，结果见表2。

(1-4α2+3α4) cos2θ]

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

通过下式：

(14)

计算判别出2号洞牛头河群围岩J1、J2结构面发生压剪破坏，分析该变形破坏除与围岩结构面自身强度有关，更与洞轴线与结构面走向夹角关系密切。

4 隧洞围岩变形破坏控制措施

通过对2号洞区域地质的研究、围岩物理力学性质的研究，以及围岩变形破坏机理分析。施工中，针对隧洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，进行了如下处理对策：

(1) 层状中硬质围岩体(Ⅲ类围岩)

由牛头河群中硬岩体组成，围岩岩质坚硬，裂隙较发育，完整性较差，赋存地下水。开挖后，岩体破坏主要沿裂隙面剪裂或拉裂，表象为围岩松动，局部坍塌，隧洞超挖严重。控制措施：进行围岩结构面的研究，找出围岩稳定受控软弱结构面，计算分析围岩剪裂区范围；建议采用弱爆破短进尺开挖，支护时锚杆穿透剪裂区，加强排水，及时喷混凝土挂网封闭掌子面。

(2) 松散软质岩体(Ⅳ、Ⅴ类围岩)

围岩由新近系、古近系软质岩组成，围岩岩性软弱，强度低，具塑性流变性。隧洞开挖后，围岩变形破坏受控于岩石强度，破坏表象主要为洞壁内敛、掉块、剥落。控制措施：施工中采用弱爆破短进尺，快循环及时封闭围岩施工；设小导管、仰拱超前强支护；加强洞内排水，防止围岩潮解；根据收敛变形观测值，及时调整围岩支护强度，例如新近系大埋深洞段改用Ⅰ16钢拱架支护；古近系围岩段取消拱架支护，采用系统锚杆挂网喷混凝土施工。

(3) 构造松散破碎岩体(Ⅴ类围岩)

围岩由断层带、挤压带破碎岩体组成。围岩结构松散，强度极低。开挖后，围岩无自稳时间，破坏表象为先是挤压变形，后是松动掉块，最后片帮、掌子面失稳坍塌。控制措施：加强地质预报与围岩检测工作；采用非爆破开挖，减小围岩扰动，短进尺，快循环；采用注浆小导管加固围岩，设仰拱强支护，喷混凝土挂网封闭围岩，加强排水，防止围岩软化潮解。

5 结 论

(1)通过2号洞区域地质环境、围岩物理力学性质的研究，得出该隧洞是地处秦岭东西向复杂构造带与祁吕弧形褶皱带交汇区，穿越西秦岭北缘深大断裂带，布置于新生代成岩差的泥质碎屑岩地层和构造发育深度变质的下古生代地层，地下水丰富，围岩以极不稳定的Ⅴ类围岩为主，地质条件极为复杂的越岭隧洞。隧洞施工中，围岩变形大、掌子面坍塌强烈。

(2)通过2号隧洞围岩应力应变计算得出：隧洞新近系围岩破坏临界深度在31～48 m之间，其最大埋深187 m时，洞周位移量6.9 cm；古近系围岩变形破坏临界深度在74～120 m之间，其最大埋深200 m，洞周位移量1.6 cm；经施工验证，实际变形量与估算值基本相符。

(3)通过2号隧洞牛头河群变质岩地层围岩剪裂区应力应变计算，得出：隧洞具中厚层状结构，以中硬质岩为主的围岩，隧洞开挖后，围岩J1、J2软弱结构面发生压剪破坏。

(4)根据围岩分类及围岩变形破坏形式，施工中，提出了层状中硬质围岩体(Ⅲ类围岩)采用了弱爆破、短进尺、锚杆穿透剪裂区，及时喷混凝土挂网封闭掌子面；对松散软质岩体(Ⅳ、Ⅴ类围岩)采用快循环及时封闭围岩，必要时超前强支护，根据收敛变形观测值，调整围岩支护强度；对松散构造破碎岩体(Ⅴ类围岩)采用了机械开挖、快循环，采用注浆小导管加固围岩，设仰拱强支护，喷混凝土挂网及时封闭围岩，加强排水，防止围岩软化潮解的施工方法，有效避免了隧洞因围岩变形及围岩中地下水涌出引发的较大规模地质灾害的发生。