深埋长隧洞软岩工程地质特性及变形预测研究

陈长生 何林青 李银泉 史存鹏

摘要：滇中引水工程香炉山深埋长隧洞穿越软岩（含断层破碎带）时，在高地应力和富水条件下易产生围岩大变形，变形量可达数十厘米到数米，如不及时支护或支护不当，不但给工程建设带来极大困难，而且整治费用高昂，同时会严重影响工期、延滞总体工程进度。根据软岩工程地质特性、软岩大变形分析评价方法、数值模拟结果对香炉山深埋长隧洞进行了软岩挤压大变形分析预测，提出了处理措施建议，避免了软岩大变形可能造成的危害。研究成果可为类似深埋长隧洞工程提供一定的借鉴。

关键词：深埋长隧洞; 软岩大变形; 高地应力; 滇中引水工程; 香炉山隧洞

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.007

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0035 - 06

0 引 言

根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》，软岩是指饱和抗压强度低于30 MPa的岩石，一般具有强度低、变形量大的工程特性[1]。深埋长隧洞穿越软岩（含断层破碎带）时，在高地应力和富水条件下易产生围岩大变形，表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界等，不但给工程建设带来极大困难，同时严重影响工程施工工期或正常运营[2]。

目前关于软岩大变形还没有一个统一的定义。铁路系统相关研究提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形，即隧道如果在初期支护中发生了大于25 cm（单线隧道）和50 cm（双线隧道）的位移，则认为产生了大变形[3]。姜云、李永林等[4]将隧道围岩大变形定义为隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏，同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三大类型。总结国内外典型软岩大变形工程实例，主要包括：国外奥地利陶恩公路隧道、日本惠那山隧道，国内堡子梁铁路隧道、木寨岭公路隧道、家竹箐隧道、乌鞘岭特长隧道、锦屏二级水电站输水隧洞等。发生大变形的隧洞围岩一般为软岩、极软岩及断裂破碎带，发生软岩大变形的隧洞埋深一般超过400 m，个别浅者百余米。大变形量级一般在20～120 cm，大者达160～240 cm，变形速率可达10～20 cm/d，变形一般发生在初期支护后，导致喷射混凝土开裂、掉块，型钢拱架严重扭曲变形和断裂。

本文分析研究了香炉山深埋长隧洞软岩大变形，对于解决滇中引水控制性工程——香炉山深埋长隧洞工程的实际地质问题、确保工程顺利施工和正常运营均具有重要工程意义，并可为类似深埋长隧洞工程提供一定的借鉴。

1 工程概况

滇中引水工程是解决滇中地区严重缺水问题的特大型跨流域调水工程，输水工程线路总长664.24 km，其中隧洞58座，占线路总长的92.13%。香炉山隧洞是滇中引水工程全线地质条件及埋深条件最具代表性的深埋长隧洞，最大埋深1 450 m，埋深大于300 m的洞段占比94.05%，大于600 m的洞段占比67.38%，大于1 000 m的洞段占比34.23%。隧洞起点接石鼓水源提水泵站出水池连接隧洞，主洞段斜穿马耳山脉，出口位于松桂西侧情人谷（图1），隧洞总长62.596 km，轴向总体呈NNW～NW向。洞形设计为圆形，净断面直径8.40 m，采用钻爆法+TBM组合掘进施工。

2 香炉山隧洞软岩（含断裂带）分布及工程地质特性

2.1 主要软岩地层及分布特征

香炉山隧洞穿越的软岩地层较多，以三叠系上统松桂组（T3sn）、下统青天堡组（T1q）、二叠系中统黑泥哨组（P2h）的泥页岩类为典型代表（图2）[5]。此外还穿越大栗树断裂（F9）、龙蟠-乔后断裂（F10）、丽江-剑川断裂（F11）、鹤庆-洱源断裂（F12）等宽大断裂带（图3），断裂带内构造岩胶结差、性状软弱。香炉山隧洞软岩总长13.107 km，占比20.94%。

2.2 软岩地层岩性岩相与岩性组合特征

（1） 岩性岩相特征。香炉山隧洞区二叠系上统黑泥哨组（P2h）属滨海沼泽相沉积，岩性为砂岩、页岩夹煤层;三叠系下统青天堡组（T1q）属陆海过渡相沉积，岩性为砂岩、泥页岩;三叠系上统松桂组（T3sn）属浅海陆、湖沼相沉积，岩性为砂岩、泥页岩夹劣质煤线（层）。隧洞区典型软岩地层（断裂带）岩性特征见图4。

（2） 软岩的矿物组成及化学成分。选取香炉山隧洞部分代表性软岩地层进行矿化分析与鉴定，所得主要软岩的矿物组成及化学成分见表1～2。

（3） 岩性组合特征。根据各软岩地层中软、硬岩石组合，划分为纯软岩组（软岩含量在90%以上）、软岩夹硬质岩组（软岩含量70%～90%）、软岩与硬质岩相间组（软岩含量30%～70%）、硬质岩夹软岩组（软岩含量10%～30%）、硬质岩组（软岩含量在10%以下）、断裂破碎带岩组，各岩组概化与分布特征如圖5所示。其中青天堡组（T1q）软岩与硬岩占比大致相当，各占约50%，属软岩与硬质岩相间岩组;松桂组（T3sn）为软岩夹硬质岩组，软岩比例达80%以上;黑泥哨组（P2h）岩性主要为砂泥页岩夹煤层，为软岩组。

2.3 软岩地层主要岩石力学与特殊性特征

2.3.1 物理力学性质

（1） T3sn地层。粉砂质泥岩弱风化带：饱和抗压强度为3.55～7.58 MPa，饱和变形模量E0为1.25～1.47 GPa，泊松比μ为0.26～0.27;属软岩-极软岩。泥岩粉砂岩微风化带：饱和抗压强度为13.3～19.47 MPa，软化系数为0.37～0.5;饱和变形模量E0为3.01～5.52 GPa，泊松比μ为0.27～0.28;属较软岩。

（2） T1q地层。泥质粉砂岩、粉砂岩微风化带：饱和抗压强度为8.52～23.93 MPa，软化系数为0.36～0.66，饱和变形模量E0为2.31～5.69 GPa，泊松比μ为0.27～0.31;属较软岩-软岩。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 断裂带。胶结较好的碎粉岩弱风化带：饱和抗压强度为17.40～30.15 MPa，软化系数平均值0.42，饱和变形模量E0为1.97～7.59 GPa，泊松比μ为0.25～0.27;属较软岩。

2.3.2特殊性特征

（1） 膨胀性。对三叠系青天堡组（T1q）及松桂组（T3sn）地层泥岩类岩石进行了膨胀性试验（表3）。该地层中的泥质岩及泥岩不含蒙脱石成分，自由膨胀率均小于1%，根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》 [1]、TB 10038-2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》 [6]判别标准，初步判断为不具膨胀性。

（2） 崩解性。松桂组（T3sn）及青天堡组（T1q）地层粉砂质泥岩及泥岩的第二次循环耐崩解性指数为88.64%～99.51%（表4），根据岩石耐久性划分标准[7]，两类岩石具有高至极高耐久性。

3 软岩分布区高地应力

香炉山隧洞区主要软岩地层除隧洞出口段的松桂地层埋深较浅外，大部分分布洞段为深埋，埋深一般在580～1 300 m，局部小者为360 m。按建议地应力侧压系数（即400 m以上取1.4、以下取1.2）估算预测隧洞段地应力量级，最大水平主应力一般在15～39 MPa，软岩-极软岩（饱和抗压强度15 MPa以下）区岩石强度应力比值Rb/σm为1～0.03，具有高至极高应力场背景，存在高地应力条件下的软岩大变形问题。

4 软岩大变形预测

4.1 围岩大变形地质条件与发生机理

发生围岩大变形的隧洞多处于高应力区，且大变形地段的隧道一般埋深在100 m以上，围岩的天然含水量大，相应围岩类型主要包括：① 显著变质的岩类，如片岩、千枚岩等;② 膨胀性凝灰岩;③ 软质黏土层和强风化的凝灰岩;④ 凝灰岩和泥岩互层;⑤ 泥岩破碎带和矿化变质黏土;⑥ 断裂破碎带等。这类围岩的黏聚力c值较低，内摩擦角很小，单轴抗压强度较低。目前工程界通常把大变形机制分为两大类：① 开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化;② 岩石中的某些矿物成分和水反应发生膨胀。

4.2 判别准则

关于围岩大变形的预测和判别标准目前还没有形成一致和明确的定义。《水力发电工程地质手册》[8]根据锦屏二级水电站引水隧洞绿泥石片岩和丹巴水电站引水隧洞二云片岩的软岩研究提出：在前期勘察中，按岩体强度与断面最大初始主应力比值S的大小对软岩的挤压变形程度进行初步预测评价，施工期则按实测收敛应变ε的大小进行评价，香炉山隧洞软岩大变形对应标准见表5。

4.3 软岩大变形特性敏感性数值分析

（1） 几何数值模型及边界条件。深埋长隧洞开挖断面软岩大变形问题可按平面应变问题进行分析。采用FLAC3D大型数值计算软件进行数值计算[9-10]，模型尺寸取200 m×200 m×10 m（长×宽×厚），共划分为31 600个单元。采用应力边界条件，仅考虑水平构造应力垂直洞轴线的最不利工况;上下边界应力均匀分布，取相应埋深的自重应力;左右边界应力呈梯形分布，取相应埋深的自重应力乘以相应侧压系数所得值。

（2） 岩体本构模型及参数。计算采用摩尔-库仑模型，参考深埋岩石工程的相关经验，结合滇中引水岩石力学室内试验成果，所取物理力学参数如表6～7所示。

（3） 无支护开挖条件下的软岩隧洞围岩大变形敏感性分析。受水平构造应力影响，围岩最大变形量发生在拱腰或左右边墙中部。以900 m埋深的较软岩隧洞为例（图6～7），开挖卸荷引起拱顶、拱底位置的围岩应力重分布并形成应力集中区，导致水平向卸荷范围更广、变形值更大。不同埋深、岩性和洞形的隧洞围岩最大收敛值见表8。软岩隧洞开挖变形量随围岩等级增大而增大，随隧洞埋深增大而增大，且增幅越来越显著。

4.4 软岩大变形预测结果

香炉山深埋隧洞区软岩具有高应力背景，存在高应力条件下塑状大变形问题。该工程主要软岩地层及断裂破碎带分布洞段隧洞埋深一般在400～1 300 m，强度应力比值S为0.43～0.03，易产生中等至极严重挤压变形（图8～9），少量轻微挤压变形。

香炉山隧洞10.019 km软岩洞段可能发生中等至极严重挤压变形，占软岩洞段长度的76.45%，占隧洞总长的16%;其中易发生极严重变形洞段长4.830 km，占36.85%;严重变形洞段长3.870 km，占29.53%;中等变形洞段长1.319 km，占10.07%;轻微变形洞段长2.628 km，占20.05%。香炉山隧洞深埋洞段软岩和断层破碎带在高地应力条件下的软岩大变形问题较突出。

5 软岩大变形防治措施建议

（1） 加固围岩，控制变形。深埋高地应力及软弱围岩是隧洞产生大变形的内在原因，应特别加强软弱围岩的加固力度，以形成较厚的围岩加固圈，控制围岩松弛变形范围，减少围压对支护衬砌结构的作用力。

（2） 先柔后剛，先放后抗。“先柔后刚”指支护结构，即钢筋网喷混凝土、可缩钢架及长锚杆是最佳构成，而二次支护应是刚性的，以承受残余的应力荷载;“先放后抗”即要求初期支护施作完成后允许发生一定程度的变形，达到设计预留的变形量后再施作二次模注混凝土衬砌。

（3） 变形留够，防侵净空。在确定开挖轮廓时必须预留足够的变形量，防止变形后的初期支护侵入二次模注混凝土衬砌净空。

（4） 加强施工期地质超前预报及围岩塑性大变形实测与规律性总结，及时优化隧洞支护参数，完善围岩大变形的判别标准，以便未施工段的进一步判别和预测。

6结 论

（1） 软岩一般具有强度低、变形大等工程地质特性，深埋隧洞通过软岩（含断层破碎带）时，在高地应力和富水条件下易产生围岩大变形。

（2） 目前关于软岩大变形的界定及预测方法尚无统一技术规定，本文根据软岩工程地质特性、软岩大变形分析评价方法、数值模拟分析成果进行了软岩挤压大变形初步预测。8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C

（3） 香爐山隧洞穿越软岩洞段总长13.107 km，占比20.94%，其中易发生中等至极严重变形的洞段长10.019 km，占比16.01%。隧洞深埋洞段软岩和断层破碎带在高地应力条件下的软岩大变形问题较突出。

（4） 通过对香炉山深埋长隧洞软岩变形进行分析研究，预测了软岩大变形可能发生的洞段，并提前采取处理措施，避免了软岩大变形可能造成的危害。研究成果为隧洞设计和施工提供了地质依据，对类似深埋长隧洞工程具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] GB 50487-2008 水利水电工程地质勘察规范[S].

[2] 史存鹏，王家祥，刘承新，等.西南某引水隧洞深埋软岩洞段围岩变形量敏感性分[J].人民长江，2015，46（14）：46-51.

[3] 俞喻.挤压性围岩支护大变形的机理及判别方法[J].世界隧道，1998，2（1）：46-51.

[4] 姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程围岩大变形类型与机制研究[J].地质灾害与环境保护，2004，15（4）：46-51.

[5] 王旺盛，陈长生，王家祥，等.滇中引水工程香炉山深埋长隧洞主要工程地质问题研究[J].长江科学院院报，2020，37（9）：154-159.

[6] TB 10038-2012  铁路工程特殊岩土勘察规程[S].

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[8] 彭土标，袁建新，王惠明.水力发电工程地质手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[9] 刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

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Study on engineering geological characteristics and deformation prediction of soft rock in deep-buried long tunnel

CHEN Changsheng1，2，HE Linqing3， LI Yinquan1，2， SHI Cunpeng1，2

（1. National Dam Safety Research Center， Wuhan  430010， China; 2. Changjiang Three Gorges Survey and Research Institute Limited Company， Wuhan  430074， China; 3. CISPDR Corporation， Wuhan 430010，China）

Abstract： When crossing the soft rock （including fault fracture zone）， surrounding rock of Xianglushan deep-buried long tunnels of Central Yunnan Water Diversion Project are prone to large deformation under the condition of high ground stress and rich water， and the deformation can reach tens of centimeters to several meters. If the support is not timely or is improper， there will be great difficulty for engineering construction， and the treatment will be costly. At the same time， it will seriously affect the construction scheme for a project and delay the overall progress of the project. Based on the engineering geological characteristics of soft rocks， large deformation analysis and evaluation method for soft rocks， and the numerical simulation analysis results， the large soft rock extrusion deformation prediction is analyzed for Xianglushan deep-buried long tunnel. The treatment measures are proposed to avoid potential hazards caused by large soft rock deformation. The research results can be a reference for similar deep buried long tunnel engineering.

Key words： deep-buried long tunnel; large deformation of soft rock; high ground stress; Central Yunnan Water Diversion Project; Xianglushan tunnel8E377025-3B40-4E5A-AA43-F84F4BF4647C