引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞出口段軟巖變形特征及支護(hù)分析

趙 力，魏軍政，王 博，厙海鵬，陶 磊

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

在水利水電、交通等隧洞工程建設(shè)中，開(kāi)挖擾動(dòng)會(huì)引起圍巖受力狀態(tài)發(fā)生變化，受復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境影響，時(shí)常出現(xiàn)圍巖變形、坍塌、巖爆等不同形式的破壞，使隧洞施工安全和工期面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1- 3]。作為較常見(jiàn)的不良地質(zhì)災(zāi)害之一，軟弱圍巖的變形破壞受到工程建設(shè)者的廣泛關(guān)注[4- 7]。同時(shí)，由于巖體工程特性、地應(yīng)力大小及分布等在開(kāi)挖之前難以準(zhǔn)確確定，隧洞支護(hù)方案往往需要根據(jù)開(kāi)挖揭示的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[8- 11]，而開(kāi)展圍巖穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)分析對(duì)支護(hù)方案的確定具有重要的指導(dǎo)意義。

在軟巖變形方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作。李濤[12]采用監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)；郭小龍[13]等提出了成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制技術(shù)，建立了基于施工過(guò)程的隧道位移控制基準(zhǔn)；韓小妹[14]等以官帽舟水電站為依托，對(duì)泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖等軟巖隧洞的工程特性和開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行了研究；王有平[15]圍繞九道河隧洞工程，通過(guò)分析軟弱圍巖的地質(zhì)特征，探討了軟弱圍巖隧道施工處理措施；陶志剛[16]等分析了微觀負(fù)泊松比錨桿靜力學(xué)特性，并驗(yàn)證了其在圍巖變形控制方面的應(yīng)用效果。

本文以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞出口段為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了軟巖變形特征及成因，提出了相應(yīng)的支護(hù)措施，并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性分析，論證了及時(shí)支護(hù)的必要性和支護(hù)措施的可行性，可為軟巖變形研判和支護(hù)方案優(yōu)化提供參考和借鑒。

1 工程現(xiàn)場(chǎng)軟巖變形特征

引漢濟(jì)渭工程是“十三五”期間國(guó)家加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程之一，自漢江及其支流子午河取水，可滿足西安、咸陽(yáng)、渭南、楊凌4個(gè)重點(diǎn)城市及渭河兩岸11個(gè)縣城、西咸新區(qū)5個(gè)新城及1個(gè)工業(yè)園區(qū)居民生活及工業(yè)用水，將對(duì)緩解關(guān)中缺水、置換陜北黃河用水指標(biāo)、帶動(dòng)陜南經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

秦嶺輸水隧洞作為引漢濟(jì)渭項(xiàng)目的控制性工程，全長(zhǎng)98.3km，最大埋深2012m，設(shè)計(jì)流量70m3/s，縱比降1/2500。隧洞起點(diǎn)接黃金峽水利樞紐泵站出水池，出口位于渭河一級(jí)支流黑河金盆水庫(kù)下游右側(cè)支流黃池溝，沿線共布設(shè)14條施工支洞。隧洞采用鉆爆法和TBM法施工，鉆爆段采用馬蹄形斷面，斷面尺寸為6.76m×6.76m(寬×高)，工程建設(shè)難度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，部分洞段面臨軟巖變形的不利影響[17，18]。

隧洞K79+900～K78+779段埋深為132～282m，巖性為炭質(zhì)云母片巖夾石英片巖，云母含量高，節(jié)理裂隙發(fā)育，小褶曲發(fā)育，局部糜棱化、粉末化，巖體為薄層狀結(jié)構(gòu)。局部變形坍塌如圖1—2所示。

圖1 K78+807處拱部變形坍塌

圖2 K78+807處左側(cè)邊墻變形坍塌

結(jié)合地質(zhì)勘察資料對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟巖變形特征進(jìn)行分析，該洞段圍巖變形破壞主要是由于以下兩類原因：

(1)巖體結(jié)構(gòu)破碎，巖性較軟。局部破壞洞段的巖性主要為云母石英片巖，局部夾炭質(zhì)片巖，云母含量高、巖性較軟，巖石抗壓強(qiáng)度較低，節(jié)理、片理發(fā)育，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體糜棱化比較嚴(yán)重，局部存在粉末狀俘虜體，手捏即碎，自穩(wěn)性差，易坍塌掉塊。云母片巖表面極為光滑，內(nèi)摩擦角低，抗剪能力差，易錯(cuò)斷。

隧洞開(kāi)挖引起卸荷變形，遇水易軟化產(chǎn)生塑性變形，可能導(dǎo)致初期支護(hù)變形破壞。在該段發(fā)生了多次較大的圍巖變形。其中，K79+023～K78+977段開(kāi)挖完成后，在地下水作用下，拱部巖石不斷剝落掉塊，導(dǎo)致局部地段超前小導(dǎo)管塌落，形成較大塌方，K79+005～K79+000段拱部塌方尺寸為9m×5m×1.3m(環(huán)×縱×高)，墻腳遇水軟化，圍巖日收斂變形量較大，測(cè)得日收斂變形最大值20mm/天，部分段落初支侵限。K78+790開(kāi)挖完成后，拱頂巖石剝落掉塊，超前小導(dǎo)管塌落，碎塊掉落形成大空腔，塌腔高度7～8m，縱向延伸4m，環(huán)向6m。塌方后K78+800～K78+790段部分初支出現(xiàn)裂紋，此段圍巖初期收斂變形較大，達(dá)10mm/天。

(2)斷裂切割形成冒落或滑移塊體。該洞段節(jié)理發(fā)育，易在拱頂發(fā)生塊體冒落，邊墻發(fā)生滑移破壞。其中，K79+022處存在3組節(jié)理，其中J1：N20°W/60°S，間距0.1～0.2m，延伸約1m，節(jié)理平直光滑，無(wú)擦痕，密閉，無(wú)填充；J2：N15°W/60°N，間距0.3～0.5m，延伸1～2m，節(jié)理面平直光滑，無(wú)擦痕，微張，無(wú)填充；J3：N30°E/55°N，間距0.05～0.1m，延伸0.5～1m，節(jié)理面平直粗糙，無(wú)擦痕，微張，充填泥質(zhì)。經(jīng)分析，3組節(jié)理在拱頂和邊墻形成安全系數(shù)較低的塊體，如圖3所示。拱頂塊體為冒落型，在圍巖中最大埋入深度為0.7m，體積為0.6m3；邊墻塊體為單面滑動(dòng)型，自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為0.35，在圍巖中最大埋入深度為2.4m，體積為12.7m3。

K78+970處存在3組節(jié)理，其中J1：N40°W/50°S；J2：N25°W/70°N；J3：N40°E/65°N。經(jīng)分析，3組節(jié)理在拱頂和邊墻形成安全系數(shù)很低的塊體，如圖4所示。拱頂塊體為冒落型，在圍巖中最大埋入深度為0.9m，體積為0.8m3；邊墻塊體為單面滑動(dòng)型，自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為0.23，在圍巖中最大埋入深度為1.4m，體積為2.5m3。

圖3 K79+022處塊體分布圖

圖4 K78+970處塊體分布圖

2 圍巖支護(hù)措施

隧洞K79+900～K78+779段主要為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段地勘資料，經(jīng)工程類比擬定Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護(hù)及襯砌參數(shù)，見(jiàn)表1—2。

局部洞段，如K79+005～K78+977段，由于圍巖極為破碎，裂隙水發(fā)育，穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后易發(fā)生坍塌。因此拱部120°范圍設(shè)Ф42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)度3.5m，縱向間距2.0m/環(huán)，環(huán)向間距30cm，拱墻設(shè)I16鋼拱架，間距0.8m，設(shè)Ф8鋼筋網(wǎng)，間距15cm×15cm，噴射C20混凝土，厚度25cm。

針對(duì)結(jié)構(gòu)面控制型破壞，由于隧洞開(kāi)挖卸荷，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，會(huì)發(fā)生塊體滑動(dòng)或掉落破壞，這種類型起初的破壞規(guī)模不大，可采用加強(qiáng)錨網(wǎng)噴初期支護(hù)的措施。另外，在施工方面，采取弱爆破、短進(jìn)尺等措施，防止較大規(guī)模塌方的形成。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)K79+900～K78+779段隧洞開(kāi)挖及支護(hù)，建立三維數(shù)值模型，如圖5所示。隧洞周邊到計(jì)算邊界的最小距離為40m。模型采用直角坐標(biāo)系，X軸垂直水流方向，右手為正，Y軸順?biāo)鞣较?，指向下游為正，Z軸為豎直方向，指向上為正。模型單元總數(shù)為265508個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為142612個(gè)，圍巖、噴射混凝土和二次襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，超前小導(dǎo)管和錨桿采用桿單元，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧?。開(kāi)挖附近圍巖單元長(zhǎng)度在0.2～1.0m。綜合圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及圍巖失穩(wěn)情況，通過(guò)反演分析，可知此段圍巖的變形模量為2.0GPa，凝聚力為0.30MPa，內(nèi)摩擦角為28.0°。

圖5 計(jì)算模型示意圖

在未及時(shí)支護(hù)的工況下，隧洞邊墻最大水平變形可達(dá)96.7mm，如圖6(a)所示，收斂變形率達(dá)到2.4%，此時(shí)軟巖極易破壞；拱頂豎向沉降最大變形為44.0mm，如圖7(a)所示。在及時(shí)支護(hù)的工況下，隧洞邊墻最大水平變形達(dá)49.3mm，如圖6(b)所示，收斂變形率為1.21%；拱頂豎向沉降最大變形為27.3mm，如圖7(b)所示。洞周局部(邊墻與底板交接處)有應(yīng)力集中，如圖8所示，最大第一主應(yīng)力為13.2MPa。受圍巖變形方向的影響，超前小導(dǎo)管的應(yīng)力最大值為151.9MPa。位于塑性區(qū)范圍內(nèi)的錨桿的桿體應(yīng)力相對(duì)較大，部分錨桿應(yīng)力超過(guò)400MPa，如圖9所示。噴射混凝土拉應(yīng)力較大，局部區(qū)域的拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.43MPa，因此，局部混凝土可能開(kāi)裂，會(huì)降低對(duì)圍巖變形的約束力。

表1 Ⅳ類圍巖支護(hù)參數(shù)

表2 Ⅴ類圍巖支護(hù)參數(shù)

圖6 圍巖水平變形

圖7 圍巖豎向變形

圖8 圍巖第一主應(yīng)力分布示意圖

圖9 錨桿應(yīng)力分布示意圖

綜上，若未及時(shí)初期支護(hù)，隧洞圍巖失穩(wěn)的可能性較大，因此建議在Ⅳ和Ⅴ類圍巖區(qū)宜采取“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的施工原則，施工過(guò)程中，可根據(jù)開(kāi)挖揭露的實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)隧洞出口段圍巖變形破壞主要原因在于：一方面，該洞段巖石云母含量高，巖性較軟，巖體結(jié)構(gòu)破碎，自穩(wěn)性差，且內(nèi)摩擦角低，抗剪能力差；另一方面，該洞段節(jié)理發(fā)育，易在拱頂和邊墻分別形成冒落和滑移塊體。

(2)隧洞出口段圍巖主要為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，初支采用拱部120°范圍設(shè)Ф42超前小導(dǎo)管，拱墻設(shè)I16鋼拱架、Ф8鋼筋網(wǎng)及C20噴射混凝土。對(duì)較大規(guī)模塌腔，采用混凝土護(hù)拱結(jié)合鋼架、噴混凝土的支護(hù)型式，并預(yù)留吹沙孔，吹沙形成緩沖層。

(3)在Ⅳ和Ⅴ類圍巖洞段采用“短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的施工原則，地質(zhì)復(fù)雜、變化快的洞段，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做動(dòng)態(tài)調(diào)整。