红层软岩导流隧洞洞径与洞形对围岩稳定性影响研究

崔金鹏 杜威 鄢双红

摘要：红层软岩地区隧洞围岩稳定控制难度较大，研究洞径与洞形对围岩稳定性的影响十分重要。依托巴基斯坦卡洛特水电站导流隧洞工程，在对红层软岩地质特性分析基础上，通过对不同洞径和洞形工况下围岩变形、塑性区和支护应力等的计算分析，确定了导流隧洞的体型和规模，妥善解决了隧洞围岩的稳定性控制问题和经济性之间的平衡。现场监测成果表明：导流隧洞围岩变形整体较小，洞身衬砌结构受力稳定，运行状况良好。

关键词：软岩导流隧洞; 围岩稳定; 数值模拟; 洞径与洞形; 卡洛特水电站; 巴基斯坦

中图法分类号：TV551.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.009

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0054- 07

0 引 言

沉积岩作为组成地球岩石圈的主要岩石之一，在地球地表的岩石中占比约70%。作为沉积岩的重要组成部分，砂岩和泥岩（红层）分布范围广泛。在红层软岩中开挖隧洞，围岩稳定是最为突出的问题。其中，洞径和洞形是影响软岩地区隧洞围岩稳定最主要的因素。以巴基斯坦卡洛特水电站导流隧洞为对象，对软岩隧洞洞径和洞形对围岩稳定展开研究[1]。

卡洛特（Karot）水电站地处巴基斯坦境内吉拉姆（Jhelum）河畔，为Ⅱ等大（2）型工程，工程为单一发电任务的水电枢纽，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量72万kW（4×180 MW）。枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成，最大坝高95.5 m。坝址处河道地形狭窄，呈“几”型，河谷为“V”型窄谷，不具备开挖形成明渠导流的条件，无法采用分期导流[2-3]。因此，根据水文特性、地形地质条件和枢纽建筑物布置特点，卡洛特水电站采用围堰一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式[4-6]。根据规范并综合各方面因素，确定上、下游围堰及导流隧洞为4级建筑物[2-6]，初期导流设计洪水标准[7-13]采用全年10 a一遇洪水，相应最大洪峰流量为6 740 m3/s。卡洛特水电站导流隧洞穿越地层主要为泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩，岩性为软岩，洞身围岩主要以Ⅳ类为主，Ⅳ类和Ⅴ类所占比例达到70%，且岩层产状与洞轴线夹角较小[14]。导流隧洞区域具有时代新、成岩胶结程度较差、岩石较软弱、岩性较复杂，较软岩与软岩呈不等厚互层状分布和岩性较差等特点，加之工程区域的构造应力作用显著，隧洞开挖将面临洞室围岩稳定性较差、大断面开挖施工难度较大等实际工程问题。为保障导流隧洞的围岩稳定性、保证支护正常受力、控制施工期导流风险，对导流隧洞稳定性控制研究是有必要的，評价围岩稳定性和支护受力，可为软岩大断面导流工程设计提供建议和依据[15-16]。

1 岩石水理特性及其对围岩稳定性的影响

1.1 岩石水理特性

卡洛特水电站导流隧洞围岩主要为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。室内膨胀性试验（表1）表明，泥质粉砂岩和粉砂质泥岩具弱膨胀性。同时现场钻探取芯表明，该类岩石具有遇水膨胀、失水干裂的特点[14]，见图1。

1.2 工程施工对软岩隧洞稳定性的影响

该类软岩隧洞在开挖后，由于应力释放和岩石含水量变化，开挖面表层开始风化。但由于岩石透水性很低，表层受外部水的作用强度降低，一般仅局限于开挖表面附近，且该过程较为漫长。现场载荷试验对其中一组粉砂质泥岩进行了承载力试验。在表面浸水（3 d）后，泥岩强度并未出现明显降低;现场大量开挖情况表明：开挖面3～6月内未封闭的情况下，表层风化厚度一般为10～15 cm，风化深度有限。工程实践表明：在隧洞开挖面经过喷混凝土等保护之后，围岩受外界环境影响很小，其含水量变化小，岩体风化缓慢，隧洞的整体稳定性几乎不受影响。

水下钻孔取芯（图2～3）及试验表明，长期处于地下水浸泡之下的软岩，由于含水量几乎保持不变，强度与岸坡中泥岩强度没有明显差别。因此，在水下的开挖面只需要减少爆破扰动，开挖后及时进行封闭，在尽量保持其应力状态和含水量不受影响情况下，岩石强度受影响有限。

由泥岩泡水试验和水下钻孔情况分析可知：在岩石块度增大并保持含水量基本不变时，岩石崩解作用不明显，并能保持较好的完整性;长期处于地下水浸泡之下的软岩，由于其应力状态及含水量保持不变，其强度与未受到水影响的泥岩强度没有明显差别。因此在隧洞开挖后及时封闭情况下，岩体强度不会因暴露在空气中而发生迅速崩解破坏，其强度和完整性可基本保持原状，这为隧洞围岩稳定计算时岩体物理力学性质参数取值提供了条件。

2 计算模型与计算理论

2.1 计算模型

考虑到下闸因素，卡洛特水电站导流隧洞进口20 m段为城门洞形，其后渐变为标准洞段。为分析卡洛特水电站导流隧洞不同洞段和岩性条件下的围岩稳定性和支护受力，利用FLAC3D软件建立卡洛特水电站导流隧洞三维计算分析模型，选取了A，B和C这3个典型截面进行分析。其中，截面A位于距洞脸约10 m的部位，作为进口段（城门洞形）的典型分析截面;截面B位于距洞脸约90 m的部位，处于V类围岩洞段（标准段）;截面C位于距洞脸约150 m的部位，处于IV类围岩洞段（标准段）。截面A，B和C围岩均为泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层。根据卡洛特初始地应力实测成果，导流隧洞区域的最大水平主应力方向稳定在N7°E～N16°E，水平向大主应力侧压力系数约为2.2，水平向小主应力侧压力系数约为1.5。计算分析时，根据上述信息，计算得到模型的初始地应力场，以考虑构造应力的影响。计算模型见图4～6，计算参数取值见表2。

2.2 屈服准则

在岩土工程中，土体破坏准则应用最广泛的准则即为屈服（Mohr-Coulomb）准则，若主应力σ1，σ2，σ3已知，并规定了σ1≥σ2≥σ3，则Mohr-Coulomb屈服条件用主应力表示为

[12（σ1-σ3）+12（σ1+σ3）sinφ-ccosφ=0]  （1）

式中：c为黏聚力，MPa;[φ]为内摩擦角，（°）。

在计算中采用了基于Mohr-Coulomb准则的剪切屈服破坏和基于最大主应力准则的拉伸破坏的组合破坏准则，如图7所示。

破坏包络线f（σ1，σ3）=0，从A到B由剪切破坏准则f s=0定义：

[fs=σ1-σ3Nφ+2cNφ]            （2）

從B到C由拉伸破坏准则f t=0定义：

[ft=σ3-σt]                         （3）

式中：σt为抗拉强度，kN;[Nφ=1+sinφ1-sinφ]。

只有第一主应力和第三主应力在剪切屈服函数中起作用;第二主应力不起作用。当材料的内摩擦角[φ]≠0时，则其抗拉强度不得超过[σtmax]，如式（4）所示：

[σtmax=ctanφ]                              （4）

3 隧洞稳定性控制研究

3.1 隧洞稳定性影响因素

隧洞围岩的稳定性对隧洞的施工和运行起到 至关重要的作用，除岩石性质、岩体结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态等自然因素外，其主要影响因素还有隧洞规模（洞径）和隧洞洞形 [15]。因此，在卡洛特水电站导流隧洞布置方案以及标准段断面设计方案中，主要采用数值分析方法，对围岩稳定性和支护受力进行了分析和评价[17]。

3.2 隧洞规模比选研究

3.2.1 围岩变形

统计国内外类似岩体条件导流隧洞设计情况，洞径约为10～15 m，因此隧洞规模拟定2洞（洞径15.2 m）和3洞（洞径12.5 m）两个布置方案进行比选研究。不同隧洞规模条件下，标准段体型为圆形和马蹄形规律基本一致，本节以圆形方案进行论证。根据图8～9可以看出，圆形断面条件下，3洞方案典型截面各部位的围岩变形量值总体上均小于2洞方案的围岩变形量值。截面A中，3洞方案除底板部位以外，顶拱和边墙区域的围岩变形比2洞方案减小9.8%～13.2%;截面B中，3洞方案各部位的围岩变形比2洞方案减小16.6%～30.5%;截面C中，3洞方案各部位的围岩变形比2洞方案减小15.3%～19.6%。

3.2.2 围岩塑性区

进口段截面A，2洞和3洞方案塑性区均贯穿顶拱上覆岩体（量值较大且对比不明显，图7未列出）。截面B和截面C，采用3洞布置方案洞周塑性区深度比2洞布置方案小0.2～2.6 m，见图10～11。

3.2.3 锚杆应力

图12可以看出，开挖完成后，3洞方案的锚杆应力值在总体上稍小于2洞方案。其中，3洞方案的截面A洞周锚杆应力与2洞方案基本相当;截面B洞周锚杆应力比2洞方案小11～24 MPa;截面C洞周锚杆应力比2洞方案小3～4 MPa。

可以看出，采用3洞布置方案时，圆形断面和马蹄形断面条件下的标准段围岩塑性区深度、围岩变形和锚杆应力等指标均小于2洞布置方案，围岩成洞条件及稳定性更好。同时，由于2洞方案和3洞方案隧洞过流断面面积基本相同，投资相差较小。综上对比分析，3洞布置方案的开挖断面尺寸相对较小，施工开挖对围岩的卸荷扰动程度也较小，对保障围岩稳定性更为有利，因此推荐采用3洞布置方案。

3.3 隧洞洞形比选研究

3.3.1 围岩变形

隧洞洞形主要有城门洞形断面、圆形断面和马蹄形断面，考虑围岩受力条件和施工便利性，本节主要对标准段采用圆形断面和马蹄形断面进行对比研究，见图13和图14。

标准段为圆形断面方案的截面A围岩变形量值均比马蹄形断面方案的围岩变形增加1.1%～6.3%，这是由于与圆形断面对应的进口段开挖断面尺寸为21.9 m×17.7 m（宽×高），要稍大于与马蹄形断面对应的进口段开挖断面尺寸（21.4 m×17.2 m）。截面B和截面C位于标准段，圆形断面的开挖断面尺寸与马蹄形基本相当，但围岩变形量值在总体上比马蹄形断面减小9.3%～24.0%，表明标准段为圆形断面时，有利于限制围岩变形。

3.3.2 围岩塑性区

如图15和图16所示，圆形断面方案与马蹄形断面方案截面A的围岩塑性区深度和分布特征基本相当，均是顶拱和底板的塑性区深度较小，而洞间岩柱塑性区贯通（量值较大且对比不明显，图10未列出）。截面B和截面C位于标准段，圆形断面的开挖断面尺寸与马蹄形基本相当，但围岩塑性区深度在总体上比马蹄形断面减小0.2～2.4 m，表明标准段为圆形断面时，有利于限制围岩塑性区深度，降低开挖卸荷对洞周岩体的扰动。

3.3.3 锚杆应力

圆形断面方案和马蹄形断面方案的各截面锚杆应力量值基本相当，差别较小，见图17。

综上对比分析，圆形断面和马蹄形断面的围岩稳定计算结果规律及特征基本相似，但部分计算指标在量值上有所差异。标准段为圆形断面时，更有利于限制围岩变形、围岩塑性区深度和降低开挖卸荷对洞周岩体的扰动，因此建议采用圆形作为软岩导流隧洞标准段的断面形状。

4 实际开挖及运行情况

导流洞自2018年9月过水以来，已顺利运行3 a。根据工程地质条件，工程总体布置以及结构受力等情况，在导流洞布置了两个监测断面，选定的监测项目分别为围岩变形、支护锚杆受力、衬砌混凝土外水压力，衬砌混凝土与围岩的接缝开度、衬砌混凝土结构受力等，监测成果如下。

（1） 导流洞洞身共布设多点位移计6套，目前测得各测点孔口端的变形在3.24～15.82 mm之间，当前月位移量变化量在0.08～0.19 mm之间。多点位移计实测岩体变形不超过16 mm，围岩整体变形较小，导流洞开挖支护后各测点变形稳定无异常。

（2） 导流洞洞身共布设锚杆应力计10支，目前锚杆应力计测值在-96.84～163.17 MPa之间，锚杆应力变化基本呈稳定收敛趋势，导流洞开挖支护后，锚杆应力实测值已经基本稳定。

（3） 导流洞洞身共布设钢筋计8支，目前鋼筋计计测值在-73.64～54.00 MPa之间，大部分钢筋计表现为压应力，钢筋应力测值基本稳定。

（4） 导流洞洞身共布设混凝土应变计4支、无应力计2支。目前混凝土应变计测值在-132.24～82.87之间，混凝土的应变量变幅较小，应变无异常。

5 结 论

针对卡洛特水电站导流隧洞的围岩稳定性研究，采用三维数值计算方法，对导流隧洞的3洞布置方案和2洞布置方案进行了计算比选，并对标准段为圆形断面和马蹄形断面的洞形设计方案进行了对比分析。主要结论如下。

（1） 虽然泥岩存在快速风化、遇水软化的特性，但是长期处于地下水浸泡之下的泥岩，其强度与岸坡中新鲜岩石没有明显差别;即使在多年的水位变动条件下，若泥岩表层未脱落分离或支护封闭条件下，其风化和软化程度也难以进一步加深。导流隧洞的支护设计应重点考虑开挖后对软岩洞段及岩层交界洞段的及时封闭与支护，同时也要重视施工过程中的动态设计。

（2） 相比2洞布置方案，3洞布置方案开挖断面尺寸相对较小，降低了洞群开挖对围岩的卸荷扰动程度，围岩塑性区深度减小0.2～2.6 m，围岩变形减小0.8%～33.6%，锚杆应力减小2～25 MPa，围岩成洞条件及稳定性更好。因此，软岩隧洞洞径越小对围岩稳定越有利，但隧洞规模选择还应综合考虑施工进度、施工水平和经济性等因素，卡洛特水电站导流隧洞推荐3洞布置方案。

（3） 相比马蹄形断面，圆形断面标准段的开挖断面尺寸基本相当，但洞周围岩变形量值减小9.3%～24%，围岩塑性区深度减小0.2～2.4 m，围岩成洞条件及稳定性更好。因此，圆形断面受力条件较马蹄形更好，卡洛特水电站导流隧洞推荐采用圆形作为导流隧洞标准段的断面形状。

（4） 导流洞施工和运行期间监测成果表明，导流洞围岩变形整体较小，导流洞开挖支护后，围岩变形基本呈稳定收敛趋势。随着混凝土衬砌的施工完成，围岩变形和支护受力均已逐步收敛，洞身衬砌结构受力基本稳定，导流洞运行状况良好。

参考文献：

[1] 崔金鹏， 李昊， 郭鸿俊. 巴基斯坦卡洛特水电站软岩导流隧洞设计与施工[J].水利水电快报， 2020， 41（3）：42-46.

[2] 郑守仁，王世华，夏仲平，等.导流截流及围堰工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[3] 全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册第五卷施工导（截）流与度汛工程[M].  北京：中国电力出版社，2005.

[4] 匡林生. 施工导流及围堰[M]. 北京：水利电力出版社， 1993.

[5] 王晓春. 施工导流和围堰技术在水利水电施工中的应用[J]. 科技创新与应用， 2014（30）：211.

[6] 尹思全. 水利水电工程施工导流方案决策研究[D]. 西安：西安理工大学， 2004.

[7] 翁永红，饶志文，李勤军，等.乌东德水电站导流规划与设计[J]. 人民长江，2014，45（20）：64-67，84.

[8] 张超. 叶巴滩水电工程施工初期导流标准优选[J].  人民长江， 2016， 47（16）： 58-61.

[9] 李方平， 崔金鹏. 金沙江旭龙水电站施工导流关键问题研究[J]. 人民长江， 2019， 50（11）：174-177.

[10] 楼叔英. 二滩水电站施工导流设计[J].  水电站设计， 1994（1）：47-52.

[11] 宋亦农， 周洁. 龙滩水电站导流设计与施工[J]. 水力发电， 2003， 29（10）：51-53.

[12] 薛宝臣， 王剑涛， 史晓阳，等. 苏洼龙水电站导流隧洞设计[J]. 四川水力发电， 2018（6）：120-121，128.

[13] 秦中平， 吴朝月， 彭战旗. 土卡河水电站软岩导流隧洞设计与施工[J]. 云南水力发电，2006，22（6）：25-27，30.

[14] 张必勇，徐俊，沈金刚，等.巴顿Q系统围岩分类在软弱岩体隧洞中的应用[J].水利水电快报， 2019，40（5）：59-61.

[15] 俞祥荣. 大型水电站不良地质段大断面导流隧洞围岩稳定与施工技术研究[D]. 天津：天津大学， 2015.

[16] 袁光裕，胡志根.水利工程施工[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.

[17] 张雨霆，吴勇进. 巴基斯坦KAROT水电站导流隧洞布置方案及洞形比选研究[R]. 武汉：长江科学院，2014.

（编辑：唐湘茜）

Study on influence of diversion tunnel diameter and shape in red Bed soft rock on stability of surrounding rock

CUI Jinpeng， DU Wei， YAN Shuanghong

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： It is difficult to control the stability of tunnel surrounding rock in red-bed soft rock area， and there are great influence of tunnel diameter and shape on the stability of surrounding rock. Relying on the diversion tunnel project of Karot Hydropower Station in Pakistan and based on the analysis of the geological characteristics of red-bed soft rock， through calculation and analysis of surrounding rock deformation， plastic zone and supporting stress under different tunnel diameters and shape conditions， the shape and scale of the diversion tunnel are determined， and the balance between economics and stability control of the surrounding rock of the tunnel is properly solved. According to the results of on-site monitoring， the surrounding rock deformation of the diversion tunnel is relatively small， the lining structure of the tunnel body is under stable force， and the operation is in good condition.

Key words： soft rock diversion tunnel; surrounding rock stability; numerical simulation; tunnel diameter and tunnel shape; Karot Hydropower Station; Pakistan