某工程引水隧洞软质围岩变形分析及工程对策
（1四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072；2四川水利职业技术学院，四川成都 611231）
摘要：洞松水电站引水隧洞施工过程中软质围岩洞段出现了严重的洞室变形、掌子面的坍塌。为研究软质围岩变形的原因及工程处理对策，根据本工程的特点和开挖洞段的技术资料，通过原位测试和试验、监测等手段和方法，分析论证软质围岩的变形特征和机理，建议施工遵循短进尺、快循环，弱爆破、强排水，早封闭、强支衬，勤监测、速反馈，边开挖、边衬砌等施工方法和工程处理对策。
关键词：软质围岩 变形 支护 衬砌 工程对策
1 引言
洞松水电站工程是硕曲河水电规划梯级开发中的第四级水电站，为引水式电站。闸址位于乡城县乡城大桥下游1.8km，厂址位于洞松乡卡心大桥上游约50m，引水隧洞布置于河流右岸，长17.86km。电站设计引用流量103.5m3/s，装机容量为180MW。
洞松水电站引水隧洞地质条件较为复杂。自2009年2月开工以来，部分软质围岩洞段出现了严重的洞室围岩变形、掌子面的坍塌，严重影响了工程进度。施工过程中对软质围岩的物理力学性质和洞室变形特征、原因和机理，进行了深入的研究，提出科学合理的控制软岩变形施工方法和工程处理对策，效果良好。2015年该电站已竣工发电。
2 地质背景
工程区大地构造单元属松潘—甘孜地槽褶皱系之玉树—义墩优地槽褶皱带与三江地槽褶皱系江达—巴塘优地槽褶皱带的接合部位，位于川滇菱形断块西缘。洞松水电站引水线路受区域南北向构造控制，处于德格—乡城断裂带内，地质构造主要表现为南北向褶皱和断裂。褶皱主要有龙门色松向斜；区域性大断裂主要有索让断裂（F48）、普鲁边松断裂（F49）、乡城断裂（F50）。引水隧洞挟持于乡城断裂与索让断裂之间，次级小断层和层间挤压破碎带发育。近场区地质构造简图见图1。
引水隧洞沿线围岩主要为三叠系上统图姆沟组地层（T3t），以砂泥质板岩为主，次为含炭泥质板岩、变质砂岩、灰岩、千枚岩。含炭泥质板岩、砂质板岩（极薄—薄层状）和千枚岩属软岩—极软岩。岩层产状N5°~10°E/NW（或SE）∠70°~85°至N5°~10°W/SW（或NE）∠65°~85°，岩层走向与引水隧洞轴线夹角多呈小角度或近于平行，岩层陡倾。根据试验成果资料：千枚岩岩体抗压强度为6.9~25.3 MPa；泥质板岩抗压强度11.6～21.2MPa，试验成果离散性较大，岩性不均一。
图1 近场区地质构造简图
工程区地下水多属基岩裂隙水，赋存于变质砂岩、砂质板岩中。引水隧洞地下水分布不均，开挖洞室干燥—潮湿，局部洞段发生地下涌水，流量达0.10~0.30m3/s。工程区未来50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为71～102cm/s2，对应的地震基本烈度为Ⅶ度，工程区区域稳定性较差。
2号、4号施工支洞及对应主洞组成围岩为三叠系上统图姆沟组工区第八层（
t）泥质板岩、千枚岩，极薄层—薄层状结构或千枚状结构；6号施工支洞及对应主洞图姆沟组工区第九层 （
t）砂质、泥质板岩极薄层—薄层状结构。施工采取全断面开挖，未及时支衬，岩体暴露时间长，加之地下水影响等原因，洞室围岩出现了严重的洞室变形、掌子面的坍塌。研究软质围岩洞室变形的原因并提出合理的控制软岩变形施工方法和工程处理对策就显得十分重要和迫切。
3 软质岩体物理力学性质
3.1 软质岩体的矿物成分分析
在2号、4号支洞分别泥质板岩（岩样1）、千枚岩（岩样2），进行电镜扫描和能谱分析。
扫描电镜像分析：对岩样1、岩样2进行岩样微观结构显微镜放大（3000、5000和10000倍）扫描，结果表明：岩样中片状矿物含量多，片状矿物有定向性，其粒径为2~5μm。
能谱分析：对岩样1、岩样2进行能谱分析，如图2和图3所示。岩石矿物成分为绢云母、伊利石、蒙脱石，含石膏。
图2 岩样1能谱分析图
图3 岩样2能谱分析图
3.2 软质岩体的膨胀特性
3.2.1 自由膨胀率
在2号、4号支洞对应的主洞分别取泥质板岩（岩样1）、千枚岩（岩样2），在6号支洞对应的主洞取泥质板岩（岩样3、岩样4）进行岩石自由膨胀率试验，试验成果见表1。自由膨胀率采取式（1）计算：
式中 Fs——自由膨胀率，%；
V1——膨胀稳定体积,mL；
V0——试样原体积,mL。
据试验成果，4号支洞下游取的千枚岩自由膨胀率最低，10%～12%；6号支洞上游取的含碳泥质板岩自由膨胀率最高，21%～34%；2号支洞下游取的含碳泥质板岩自由膨胀率20%。表明含碳泥质板岩和千枚岩均具弱膨胀性。
表1 自由膨胀率试验成果表
3.2.2 膨胀力
采用在2号、4号、6号支洞对应的主洞取的泥质板岩（岩样1、岩样3、岩样4）、千枚岩（岩样2），进行膨胀力试验，试验成果见表2。
表2 膨胀力试验成果表
试验成果表明，4号支洞下游取的千枚岩膨胀力5～16kPa，平均值9.3kPa；2号支洞下游取的含碳泥质板岩膨胀力7～13kPa，平均值11kPa；6号支洞上游取的含碳泥质板岩膨胀力5～23.4kPa，平均值11kPa，其离散性较大，说明岩性不均一，性质也会存在一定差异。
3.3 软质岩体的力学性质
由于极薄层状泥质板岩取样、运输和室内制样十分困难，因此采取点荷载试验，点荷载试验测得极薄层状的泥质板岩抗压强度为3.4～5.7MPa，属极软岩；室内试验薄层状的微新泥质板岩抗压强度为11.6～21.2MPa；微风化—新鲜的千枚岩抗压强度为6.9～25.3MPa，均属软岩，其抗压强度离散性较大，说明其岩性的不均一性，与施工揭示的情况一致。泥质板岩和千枚岩弹性模量基本相当，在1.2～2.0GPa变化。隧洞软质围岩建议参数见表3。
表3 隧洞软质围岩建议参数表
3.4 软质岩体变形的力学机理分析
软质岩体变形机制复杂。总体上讲，软质岩体变形可划分为空间变化（如工程开挖）产生的弹塑性变形、与时间有关的流变（或膨胀）变形等两部分。稳定隧洞的弹塑性变形在掌子面至后方大多在3d内基本完成，3d后的变形主要是流变变形。
洞松水电站引水隧洞的含碳泥质板岩和千枚岩属弱膨胀岩，洞室开挖后有一定膨胀变形，但不严重。主要变形来自于围岩弹塑性变形和支护不力的松弛变形，与岩体的强度和弹性模量密切相关。含碳泥质板岩和千枚岩的弹性模量小，可变形能力强，岩体本身的弹性变形就可导致洞室围岩的大变形。岩体的弹性模量对围压非常敏感，卸围压路径下的弹性模量较常规加载路径下降低50%，说明隧洞开挖前掌子面前方岩体处于一定围压作用下，其弹模较高，开挖之初围岩内应力未充分调整前，围岩弹模在一定时间内保持较高水平，变形尚未出现，但随着应力状态的调整，围压降低，岩体弹模将迅速下降，如果有地下水的渗出加大加快了弹模下降的速度和量级，同时围岩变形也急剧增大。洞室开挖后的弹塑性变形主要是开挖扰动区域内的围岩变形，要有效地控制这一部分变形，则需要强有力的支护，以控制围压的丧失或恢复一定的围压。
洞松水电站引水隧洞2号、4号和6号支洞对应的主洞组成围岩为含碳泥质板岩和千枚岩，强度低，属极软—软岩，低围压和卸围压时强度更低，隧洞开挖后在洞室周围岩形成大范围的塑性区，导致围岩松弛是软质岩变形的重要因素。
地下水的作用，含碳泥质板岩和千枚岩遇水易软化，岩石强度大大降低，特别是低围压条件下，围岩强度和弹模软化非常严重，至使围岩弹性模量对围压不再敏感，此时如果单纯增大围压来控制弹性模量的降低很难取得效果。
4 隧洞围岩变形特征及原因分析
4.1 软质围岩变形的类型划分
根据国际国内软质围岩变形的典型实例和变形机制，按变形受控条件，可将软质围岩变形的类型划分为：结构构造型（构造改造和浅表生改造型）、岩性控制型和人工扰动型三种主要类型。
4.1.1 结构构造型
按照岩体结构形成机制分为构造改造型和浅表生改造型。
构造改造型：围岩环境应力高，岩块强度高，围岩强度受其结构特征的影响，围岩变形受应力环境的明显控制，开挖前在高围压状态下具有较高的强度和稳定性，一旦开挖围压降低、应力差增大，结构面张开滑移，围岩整体强度和模量降低，表现出明显的结构流变特征。其变形特点：岩块强度高，结构面发育，岩体强度远低于岩块强度；环境应力高，围岩紧密闭合，开挖卸荷结构面易于张开滑移；变形破坏模式表现为塑性楔体挤出和结构流变。
浅表生改造型：受地表成坡过程浅表生改造作用，岩体被碎裂化。其遭受的改造程度不同，分为块裂状和碎块状结构型。块裂状结构型，围岩由于表生改造作用产生新的结构面和应力集中现象。碎块状结构型，围岩应力已经释放，自身承载能力基本丧失，近于散体结构，变形破坏扩展很快。其变形特点：地应力总体不高但局部集中；近于散体的围岩，未支护或支护不力围岩松动圈累进性扩展导致变形破坏。
4.1.2 岩性控制型
岩性控制型包括软质岩和具有膨胀性的软岩，在高应力状态下产生流动或塑性变形，遇地下水软化发生膨胀变形。
其围岩特性：①强度低、具膨胀性；②围岩环境应力高，具有很高的应力强度比；③变形破坏主要为围岩的挤出作用，而具有膨胀性的软岩的膨胀作用反而不突出；④地下水对围岩的变形起到至关重要的作用；⑤变形破坏模式主要为塑性流变和弯曲变形。洞松水电站引水隧洞2号、4号和6号支洞对应的主洞的含碳泥质板岩和千枚岩等软质围岩变形就是典型的岩性控制型。
4.1.3 人工扰动型
人工扰动型是指采煤、采矿形成的采空区的变形导致巷道或隧道的变形破坏，此处不再赘述。
4.2 软质围岩变形特征
2号支洞对应主洞桩号S3+614.3~S3+752.4段，4号支洞对应的主洞桩号S8+268～S8+409.46段，均属Ⅴ类围岩；6号支洞对应的主洞桩号S13+471～S13+603.0段，属Ⅳ2类围岩。根据《硕曲河洞松水电站可行性研究报告》及施工过程中收集的技术资料和变形监测成果，将各洞段围岩地质特征和变形情况列于表4。
表4 软质围岩变形特征
4.3 软质围岩变形原因分析
软质围岩变形、破坏和失稳原因是多方面的，机制十分复杂。总体可归结于：地质环境、围岩（岩体）本构缺陷和施工扰动三方面的原因。
4.3.1 地质环境
（1）地质构造：工程区大地构造单元属松潘—甘孜地槽褶皱系之玉树—义墩优地槽褶皱带与三江地槽褶皱系江达—巴塘优地槽褶皱带的接合部位，位于川滇菱形断块西缘之德格—乡城断裂带，引水隧洞挟持于区域性大断裂乡城断裂（F50）与索让断裂（F48）之间，地质历史上经历了多次构造运动，次级小断层、层间挤压破碎带和构造裂隙发育，岩体破碎。岩层陡倾，走向与引水隧洞轴线夹角多呈小角度或近于平行。
（2）岩性：引水隧洞组成围岩为三叠系上统图姆沟组地层，以砂泥质板岩为主，次为含炭泥质板岩、变质砂岩、灰岩、千枚岩。含炭泥质板岩、砂质板岩（极薄—薄层状）和千枚岩属软岩—极软岩，围岩强度和弹模、变模低。
（3）地下水：引水隧洞位于乡城断裂（F50）与索让断裂（F48）两条阻水断裂之间，岩层陡倾，结构面发育，岩体破碎；其岩性组合含炭泥质板岩、变质砂岩、灰岩、千枚岩相间分布，利于地下水的储蓄与运移。根据开挖洞段的技术资料，除6号支洞对应的主洞段相对干燥外，其余洞段地下水较丰富，洞室潮湿，地下水呈滴状或线状、股状渗出。在2号、4号支洞对应的主洞还发生了涌水，最大流量达0.30m3/s。含碳泥质板岩和千枚岩遇水易软化，岩石强度大大降低。因此，施工中加强排水，对控制变形和围岩稳定至关重要。
（4）地应力：引水隧洞处于以NW—SE向水平主压应力与NNE—SWW向水平主张应力的现代构造应力场中，属高应力区。地应力高，围岩紧密闭合，开挖卸荷应力释放后结构面产生张滑，导致洞室围岩变形破坏。
4.3.2 围岩（岩体）本构缺陷
（1）矿物成分：（含炭）泥质板岩、千枚岩中片状矿物含量多，粒径2～5μm，岩体各向异性特征明显；据能谱分析岩石矿物成分主要为绢云母、伊利石、蒙脱石，含石膏，具有遇水易软化，暴露后易风化的特点。
（2）岩体结构：（含炭）泥质板岩，极薄—薄层状结构，千枚岩千枚状结构，层理发育，岩体力学性能各向异性明显。
（3）力学性质：①岩石的矿物组分和结构特征决定了围岩的膨胀性能，（含炭）泥质板岩、千枚岩均具弱膨胀性；②（含炭）泥质板岩、千枚岩，围岩强度和弹模、变模低，属极软—软岩，尤其是在低围压和卸围压时强度更低，隧洞开挖后洞周围岩形成一定范围的塑性区，导致围岩松弛是软质围岩变形的重要因素。
4.3.3 施工扰动
（1）开挖方式：由于对软质围岩的变形、破坏和失稳认识不足、重视不够，施工中2号、4号和6号支洞对应的主洞采取全断面开挖方式，开挖方式利于围岩变形、破坏。据开挖洞段的技术资料和二维模型计算，全断面开挖在初期支护完成后顶拱和水平位移达53mm和45mm，台阶法开挖顶拱和水平位移达36mm和19mm。台阶施工法比全断面施工法开挖引起的位移小35%左右。
（2）施工爆破：爆破参数对塑性半径的影响十分显著。应少药量、弱爆破，最好是采取光面爆破，尽量减小了塑性区范围，减少爆破对围岩的不利影响。
（3）围岩膨胀性：开挖造成围岩含水量特别是干、湿交替条件的变化，顶拱空腔应回填不密实，未及时封闭、衬砌成洞，软质围岩的膨胀变形和破坏。
（4）支护与衬砌：初期支护、二衬施作时间对隧洞周边位移影响明显。加强支护，及早二衬（离掌子面距离越小）能有效减小隧洞周边位移和塑性半径。隧洞变形与初期支护强度不足，衬砌不及时密切相关。
（5）二次开挖：初期支护强度不足，衬砌不及时往往造成初期支护侵入隧洞净空，需二次开挖。施工中需要预留一定变形量，以2号支洞对应的主洞（S3+614.3～S3+752.4）监测资料为例（表5），说明施工中需要预留合适的变形量，可以避免二次开挖。
表5 2号支洞对应的主洞变形监测表
5 软质围岩变形工程处理对策
工程区地质环境、围岩（岩体）本身工程特性是无法改变的，但可以根据隧洞围岩物理力学性质和开挖洞段的围岩变形特征，采取相应的工程处理措施和对策，抑制围岩变形。围岩变形处理的工程对策总体原则：短进尺，快循环；弱爆破，强排水；早封闭，强支护；勤监测，速反馈；边开挖，边衬砌。
5.1 开挖与爆破
（1）开挖方式：采取台阶法开挖比全断面施工法开挖引起的位移小35%左右，大大减小了塑性区范围，对隧洞开挖初期的稳定性非常有利。
（2）爆破：建议施工采取少药量、弱爆破，并实施光面爆破，减少了爆破对围岩的不利影响。
5.2 施工排水
施工排水：含炭泥质板岩和千枚岩遇水易软化，强度和变形模量会大大降低，施工中加强排水，对控制变形和围岩稳定效果十分显著。
5.3 预报与监测
预留变形空间，隧洞软质围岩变形与洞室埋深、围岩强度密切相关，施工中应预留适当的变形空间，避免二次开挖。
预报与监测：加强地质超前预报，加强变形监测。
5.4 围岩膨胀性抑制
围岩膨胀性抑制方法，及时封闭、衬砌成洞，尽可能避免围岩干、湿交替变化，减少超挖，尤其是顶拱空腔应回填密实，顶拱和边墙加强衬砌，洞底采取反底衬砌等工程处理措施，抑制软质围岩的膨胀变形和破坏。
5.5 支护衬砌
支衬：短进尺，快循环施工，边开挖，边衬砌，及时采取永久混凝土衬砌跟进的处理措施。
事实证明采取上述工程处理措施，处理洞松水电站引水隧洞桩号S3+614.3～S3+752.4、桩号S8+268～S8+409.46、桩号S13+471～S13+603.0等洞段效果良好，新开挖的洞段掘进顺利，未出现前述软质围岩大规模的变形破坏。确保了隧洞施工安全，加快了施工进度，提高了施工质量，降低了施工成本。说明洞松水电站软质围岩的变形处理措施和工程对策是科学合理的、行之有效的。
6 结语
（1）洞松水电站引水隧洞属高地应力区，地质条件非常复杂，研究软质围岩洞段的变形、破坏和失稳原因，提出科学合理的易操作的控制软质围岩变形施工方法和工程处理对策具有重要的工程意义。
（2）研究隧洞软质围岩的变形，至关重要的是要研究软质围岩的变形的力学机理。我们把软质岩体变形划分为空间变化（如工程开挖）产生的弹塑性变形、与时间有关的流变（或膨胀）变形等两部分。研究成果表明弹塑性变形在掌子面至后方一般在3d内基本完成，3d后的变形主要是流变变形。软质围岩弹性模量小，对围压非常敏感，卸围压路径下的弹性模量下降极快。围岩弹模开挖之初应力未充分调整前的一定时间内保持较高水平，变形尚未出现，但随着应力状态的调整，围压降低，岩体弹模将迅速下降，如果有地下水的渗出会加大加快弹模下降的速度和量级，导致围岩变形急剧增大。要有效地控制围岩变形，则需强有力支护，以控制围压的快速丧失或恢复一定的围压。洞松水电站引水隧洞通过现场测试、试验和监测等，综合分析论证了软质围岩的变形特征、原因和机理，提出了控制软质围岩变形的工程处理对策：短进尺，快循环；弱爆破，强排水；早封闭，强支护；勤监测，速反馈；边开挖，边衬砌。效果良好，对类似工程具有一定的借鉴意义。
参考文献
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