不良地质条件下邻近水电站隧道开挖的稳定与控制分析

刘文志，刘 璐

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

我国地域辽阔，受季风气候等因素影响，河流众多，水资源极为丰富。在经济社会的快速发展下，水利水电工程进入了新的大规模建设阶段。由此造成的情况是，地质条件更加复杂，无法进行准确的预测，并且常常因为工程特点的变化引发各种各样的问题。与此同时，边坡变形是当前隧洞进口部位不可忽视的稳定性控制问题，已经成为制约工程安全性的重要因素之一。然而，在水电站隧道开挖的过程中，不良地质条件造成的威胁越发严重。不良地质条件是地球外动力作用为主引起的各种地质现象，包括泥石流、土洞、河流冲刷等。因此，为处理不良地质条件下水电站开挖的不确定性因素，研究以中国北方的某最下游一级水电站为例，通过设计开挖方法和进洞顺序，以期进一步提升施工过程的稳定性。

1 工程概况

某大型水电站位于中国北方，是最下游一级电站。其上距离三峡水利枢纽130km，下方距离郑州花园128km，同时也是黄河干流在三门峡以下唯一能够获得较大库存容量的控制性工程[1]。该工程浩大，总工期历经11年。在工程竣工后，水库面积高达272.3km2，控制流域面积为69.4km2。该水电站的总发电容量为156kW，年均发电能力是51亿kW·h。相关防洪标准由目前的60年一遇，上升至1000年一遇，同时每年可增加至40亿m3的供水量。该工程项目战略地位十分重要，工程规模较为复杂，特殊的水沙条件与严酷的运行条件使其成为了国际上公认的最复杂与最具挑战性的水利工程之一[2]。该工程包含有6条发电引水洞、地下厂房、主变室、闸门室和3条尾水隧洞，所处位置地质条件较差。隧洞内含有大量的Ⅳ与Ⅴ类围岩，Ⅲ类围岩洞段数量较多。在整个隧洞的沿线，地下水位呈现出十分大的变化，起伏不定。厚度50～250m的岩体覆盖在隧洞身段之上，节理裂隙发育与岩体都有不同程度上的破坏，抗压能力较强。通过实地调研发现，该水电站导流隧洞沿线岩石破碎明显，多处存在断面，给工程建设带来了很大的难度。

2 不良地质隧道围岩与边坡的共同作用体系

在隧道不良地质段开挖施工的过程中，主要会涉及到隧道与边坡的稳定性分析两大方面。通常隧道的进口段围岩变形与边坡变形是有着相互制约与影响的关系。因此在对隧道围岩与边坡稳定性进行分析时，需要将其视为“隧道洞入口围岩-边坡共同作用体系”来进行研究。本研究拟将我国不良地质条件下邻近水电站隧道为工程依托，分析进洞条件下隧洞进口围岩-边坡的共同作用机制[3]。隧道进口围岩与边坡体系稳定性的影响因素较多，总体有两个方面。第一是体系所处的岩土物理力学特征、岩体结构和构造、地应力状态、地下水等，这些因素直接影响了隧道建设施工的实际条件。第二是人为因素，包括隧道的结构尺寸、形状、边坡的坡比以及支护措施等。一般前者属于客观因素，后者便属于主观因素，是由前者起作用的。虽不能直接决定隧道的进口围岩与边坡岩体质量，但带给围岩质量与稳定性的影响不可忽视[4-5]。隧道进口围岩与边坡平行作用体系是指潜在滑动面方向与隧道轴向平行或处于0°～20°的角度范围内。以隧道与滑面的位置关系，将该体系分为平行作用体系、正交作用体系以及斜交作用体系3种。以平行作用体系为例，具体如图1所示。

图1 平行作用体系

图1(a)中隧道与边坡坡体的潜在失稳面相互交叉，作用于隧道的外荷载主要有岩土压力与滑坡推力两种。图1(b)中隧道从边坡滑坡坡体的下方穿过，因此作用在隧道上的荷载力有3种，分别为岩土压力、抗力与扰动力。图1(c)中滑坡体的推力作用并没有直接作用于隧道上，尽管隧道不直接受到推力作用，但当隧道与滑坡体相距很近时，隧道开挖会增大滑坡体的活动范围，且会受到洞周岩土扰动的影响，尤其是在接近滑坡体一侧会产生横向裂隙。

3 不良地质隧道进洞顺序与Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ层开挖方法

不良地质邻近水电站隧道的空间位置是由隧道结构的横剖面与纵断面两部分共同决定的。当其对应的空间定位被确定后，隧道的地质条件与因多种因素共同作用而造成的“地形偏压”也被相对地确定下来。地形偏压是指隧道结构两边被覆盖的岩土高度不均匀所产生的一种偏压[6-7]。具体受力如图2所示。

图2 隧道地形偏压受力作用示意图

一般可以通过围岩种类、坡体坡度以及盖板厚度对隧道的地形偏压进行综合判断。通常情况下当隧道的进洞顶拱距离地表的垂直距离较小时，则可以视为是地形偏压。同时当该隧道所处的地表坡度较大时，盖板的厚度便会更大，且有很大的倾向压力，因此可视为该隧道受到的地形偏压影响较大。

在隧道工程中，不良地质一般是指软弱、赋水条件下的围岩以及破碎。其中围岩的级别通常属于Ⅴ与Ⅵ类。但隧道断面较大时，还包括Ⅳ类围岩。不良地质隧道的围岩一般有两个特征，分别是地质特征与强度特征。在隧道施工开挖后围岩由于力作用会产生一定的拱效应。拱效应反映了围岩自身的承载能力，但在某些情况下拱效应可能是瞬态的也可能是非平稳的。塌落拱的高度与围岩跨度、岩性等因素密切相关。隧道开挖时，通常会出现压力拱桥，当围岩开挖后，在地应力与重力的联合作用下，岩体会向着隧道内部变形。同时由于洞周岩石对围岩的承受能力较强，因此能够将荷载转移到邻近的岩体。最终荷载发生偏移，使得围岩切向应力增大，导致距离供越近，应力的增幅也就越大[8-9]。随着隧道变形或垮塌破坏不断发展时，围岩压力拱逐渐向外扩张，进而降低了拱范围内围岩的切向应力。反复如此，当隧道形成稳定塌落拱时，围岩的压力拱也随之稳定。目前如何判定隧道中压力拱的形成还没有一个统一的方法。在洞身开挖支护施工期间，按照开挖进尺进行施工，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞身段I层开挖循环进尺设为1.6m，Ⅱ层与Ⅲ层的开挖循环进尺设置为3.0m。隧道开挖支护施工结构分为3层，其中Ⅱ层又可以分为上半层与下半层。每次完成一个开挖进尺长度后，都可以采用对应的支护措施，并进行交替进行，直至开挖结束。

选择具体的隧道施工方法时，通常需要从多方面开始进行考虑。第一，工程的重要性。隧道的开挖需要将工程规模、使用要求以及工期要求进行综合。第二，工程地质与地下水条件。第三，施工工艺以及开挖机械设备的情况。第四，工程项目投资与运营后能够获得的社会经济效益。第五，项目建设的安全性。第六，项目建设中所需要的东李子园与原材料供应。第七，对环境的要求，例如对环境的污染、隧道的地面沉降以及坍塌。对上述因素进行分析可知，合理的隧道开挖方法是一项较为模糊的决策过程，其与相关技术人员的学识水平与经验等因素有关。研究以新奥法(New Astria Tunnelling Method，NATM)为例进行隧道开挖方法的讨论。NATM主要是以控制爆破或者机械开挖为掘进手段，以锚杆、喷射混凝土作为支护方法，有关于理论、量测以及经验3个方面相结合的隧道施工方法。按照隧道开挖断面的大小与位置之间的差异，可分为全断面法、台阶法、分部开挖法以及不同的变化方案。

基于上述隧道施工方法，并依托于研究项目工程导流洞身段Ⅳ与Ⅴ类围岩交替出现，对不同开挖方法对隧道围岩稳定性产生的影响进行分析。在隧道Ⅰ层开挖时，通过对左右两幅开槽与核心土开挖法两种方法进行对比，分析其对隧道围岩力学行为的影响，最终选出较为优秀的开挖方式。具体开挖方法如图3所示。

图3 不良地质隧道Ⅰ层开挖方法

对于不良地质断面隧道Ⅱ、Ⅲ层的开挖方法，其施工开挖厚度与施工量是一个十分重要的问题，而不同的施工开挖厚度对隧道边墙的变形影响存在较大差别。结合研究项目的具体情况，对半幅薄层和半幅厚层两种不同的开挖方法下的围岩力学特征进行对比，以得到最优施工方法[10-11]。半幅薄层开挖方法(3m)是指Ⅱ层由顶至底分为3、4、4m三个层次进行挖掘；半幅厚层开挖方法(8m)，也就是将Ⅱ层分为两层开挖，从上到下分别为8m和3m。具体开挖方法如图4所示。

图4 不良地质隧道Ⅱ与Ⅲ层开挖方法

4 不良地质条件下邻近水电站隧道开挖的稳定与控制分析

在隧道“围岩-边坡体系”中，隧道施工分为两种情况，分别是边坡未进行施工与边坡已施工。本研究基于边坡是否完成施工的条件下，不同隧道开挖施工步骤对体系变形的影响如图5所示。

图5 不同隧道施工对体系变形的影响

从图5中可以发现，隧道在开挖过程中洞口边坡的开挖对整体体系的变形影响较大，这主要是因为隧道上覆岩石体的重力效应所致。隧道在Ⅰ层开挖后，边坡未开挖时顶拱的最大沉降量数值为39.65mm；而边坡开挖后对应得到的沉降值为20.45mm，边坡未开挖与开挖得到的变形值大约小1倍。隧道在Ⅱ层开挖完成后，边坡未开挖时的最大变形值为94.07mm；边坡已完成开挖后得到的变形值为31.42mm，后者比前者数值约小3倍，同时最大变形值所处的位置也发生了改变。这可能是因为隧道周围存在着地形偏压所致。综合可知，隧道上覆岩体自重是隧道变形的主要影响因素，其与隧道的最大变形数值与分布位置有着较为直接的关系。本研究利用左右两幅开挖法与核心土开挖法两种方法对Ⅰ层与Ⅲ层进行开挖，所得到的隧道围岩变形对比见表1。

表1 两种开挖方法隧道围岩变形数值对比 单位：mm

对比表1可知，将左右半幅开挖法应用于隧道Ⅰ层开挖后，相比于核心土开挖法，其顶拱最大沉降量为23.852mm，增加了2.254mm；Ⅲ层开挖完成后则增加了6.731mm。隧道开挖的深度越深，两种方法运行得到的指标数值也逐渐增大。当隧道的施工开挖不断进行时，顶拱沉降速率呈现出逐渐减小的趋势，同时底部回弹位移均大于顶拱沉降量。利用左右两幅左右开挖法对I层进行开挖并完成后，左右两侧边墙最大内鼓变形量分别为6.102mm与3.480mm，相较于核心土开挖法分别增加了2.622mm与2.684mm。隧道Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ层开挖方法下隧道围岩塑性区分布如图6所示。

图6 隧道Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ层开挖方法下隧道围岩塑性区分布

图6(a)与图6(b)表示不同Ⅰ城开挖方法下隧道围岩塑性区的分布。可以发现，在Ⅳ类围岩洞身部分开挖支护施工结束后，隧道周围岩体会出现一定范围的塑性区。左右两幅开挖法与核心土开挖法的塑性区主要集中在隧道两侧以及隧道与隧道之间的接触部位。左右两幅开挖方法边墙上的塑性区均集中在边墙下部分，其中最大塑性区的深度可以达到3m；核心土开挖方法边墙上的塑性区均集中在边墙中部位置，同样最大塑性区深度也可以达到3m。但相比于左右两幅开挖方法围岩，其塑性区的分布范围更大。从整体上来看，核心土开挖方法的边墙与拐角位置的塑性区分布区域范围综合大于左右两幅开挖方法。

图6(c)与图6(d)表示不同Ⅱ层与Ⅲ层开挖方法下隧道围岩塑性区分布图。可以发现隧道在不同的Ⅱ层与Ⅲ层开挖方法下，隧道洞周所有围岩均会出现一定程度上的剪切屈服区，其中边墙处塑性区向着隧道围岩深度扩展的范围整体较大，隧道拱脚与墙角处塑性区的面积则相对较小。相对于半幅薄层开挖法，半幅厚层开挖法下边墙与底板之间塑性区面积更大，边墙两侧围岩基本呈现为塑性屈服状态，这主要是因为半幅厚层开挖法下对隧道挖空的厚度较大所导致的临空面较大，且该部位在施工过程中应当重点关注。总体而言，半幅薄层开挖法的优点较多，如开挖层厚度变化幅度较小，边墙水平位移增长平稳等。而半幅厚层开挖法的施工工艺与程序相对简单，但是对支护条件的要求较高。鉴于半幅薄层开挖法洞周围岩的塑性区的存在，以及边墙内鼓变形相对较小等因素。因此，在不良地质邻近水电站隧道Ⅱ与Ⅲ层开挖时，选用半幅薄层开挖法更有利于围岩的稳定性。

5 结语

水电站隧道开挖过程的不良地质条件是稳定性控制的重要因素。研究通过分析不良地质隧道围岩与边坡的共同作用体系，提出了相应的不良地质隧道进洞顺序与Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ层开挖方法，并对其稳定性进行了验证。结果显示，隧道在Ⅱ层开挖完成后，边坡未开挖时的最大变形值为94.07mm，边坡已完成开挖后得到的变形值为31.42mm。利用左右两幅左右开挖法对Ⅰ层进行开挖并完成后，左右两侧边墙最大内鼓变形量分别为6.102mm与3.480mm，相较于核心土开挖法分别增加了2.622mm与2.684mm，证明了所提方法的有效性。但对于稳定性控制的实时情况未进行分析，需要改进监测手段实现进一步优化。