寧夏某引水工程隧洞圍巖變形機理分析及處理

李明福，趙文超

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

寧夏某引水工程隧洞共有11座，總長36.5 km，最大埋深約320 m。隧洞斷面形式為馬蹄形，設計隧洞凈高2.35 m，采用鉆爆法開挖。隧洞穿過地層為中生界白堊系下統(K1n、K1m)及部分第三系始新統(E2s)細碎屑巖，構造上為向SW或NW緩傾的單斜層，傾角一般在8°～15°，最大30°。圍巖以平緩的薄層泥巖為主，呈灰色與暗紅色互層狀，局部夾有泥灰巖及少量砂礫巖。由于巖石強度低，水理性質差，在遇到地下水等不利地質條件下，圍巖穩定性難以控制，給工程建設帶來不同程度的危害。

1 泥巖工程特性

1.1 巖石成分

白堊系(K1n、K1m)泥巖，泥晶泥狀結構，薄層狀構造，巖石主要礦物為泥質礦物和方解石，含少量褐鐵礦及石英，其中泥質礦物含量約58% ～62%，方解石含量為33%～35%。據全巖X射線粉晶衍射分析成果，粘土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脫石。僅少部分含有石膏，但含量較高，達38.2%。化學成分中SiO2含量約31% ～44%，CaO的含量12% ～23%，Al2O3的含量9% ～13%，Fe2O3含量3% ～6%。

第三系始新統(E2s)砂質泥巖，不等粒砂狀泥狀結構，弱定向構造，巖石主要由含鐵泥質、長石、石英、方解石碎屑及巖屑組成，其中含鐵泥質占50%。化學成分中SiO2含量約53% ～56%，CaO含量14% ～15%，Al2O3含量11% ～13%，Fe2O3含量2% ～3%。

1.2 巖石物理力學特性

對隧洞白堊系乃家河組(K1n)、馬東山組(K1m)泥質巖及第三系寺口子組(E2s)砂質泥巖，通過鉆孔取樣進行物理力學性質試驗，成果統計見表1。

從試驗成果看，白堊系下統泥巖干燥狀態和天然狀態下，其平均單軸抗壓強度分別為18.5～37.3 MPa和20.2 ～23.73 MPa，彈性模量和變形模量也相對較高。但飽和狀態下其平均抗壓強度僅4.3～8.53 MPa，明顯低于干燥狀態和天然狀態，軟化系數0.22～0.37，最低僅0.1。同樣，彈性模量和變形模量也具有相似的規律性，巖石遇水軟化特性顯著。

第三系砂質泥巖，干燥狀態下單軸抗壓強度為8.5～12.1 MPa，濕單軸抗壓強度為 0.1 ～1.6 MPa，軟化系數為0.02～0.33;干燥狀態下彈性模量為 3.30 GPa，濕彈性模量接近于0.003～1.30 GPa。其濕抗壓強度、濕彈性模量明顯低于天然狀態，屬于易軟化巖石，水的作用對其力學強度影響強烈。

表1 巖石物理力學性質指標Table 1 The summary for indexes of physical and mechanical properties

上述巖樣是從鉆孔采取的較新鮮完整的巖石。實際上巖石的強度還與風化程度和結構面發育程度密切相關。現場看到經過風化的泥巖具有極軟巖的特性。

1.3 巖石流變特性

對隧洞白堊系泥巖進行三軸流變試驗，在不同應力水平下天然狀態和飽水狀態的泥巖軸向分別加載蠕變曲線，如圖1和圖2。

圖1 泥巖(天然)軸向流變曲線Fig.1 The axial rheological curves of mudstone(water-saturated)

圖2 泥巖(飽水)軸向流變曲線Fig.2 The axial rheological curves of mudstone(natural)

據試驗結果，天然含水狀態下泥巖的瞬時應變量、蠕應變量以及總應變量均較小，然而飽水后巖石軸向瞬時應變量是天然狀態下的3.1～4.7倍，軸向蠕應變量是天然狀態下的4.6～6.4倍，軸向總應變量是天然狀態下的3.5～5.0倍;同樣飽水后巖石的徑向總應變量是天然狀態下的9.6～13.6倍。因此，隧洞泥巖飽水后在上部荷載的長期作用下將產生較為顯著的時效變形。

2 泥巖變形機理分析

2.1 圍巖變形破壞的形式

隧洞圍巖多為薄層狀泥巖，巖層較平緩，層面膠結強度低。隧洞開挖后拱頂巖體下部臨空，受地下水、地應力及受爆破擾動等影響，軟巖整體向洞內臨空面變形，頂拱下沉，底板向上隆起，側壁向內移動，頂拱常常伴有掉塊、局部坍塌。

經檢測，隧洞收斂變形量一般以洞頂中心線為最大，而兩側變形較小;松弛圈的厚度以頂拱附近為最大，向兩側逐漸降低。如果不采取支護措施，洞頂松動圍巖可能出現較大變形甚至垮塌。

2.2 擠壓變形分析

本工程對隧洞埋深范圍(300 m)內的原地應力進行了測試，測試方法為水壓致裂法。根據測試數據，繪制地應力隨深度的分布圖，如圖3所示。

測試結果，地應力量值總體上表現為隨深度增加而逐漸增加。最小水平主應力(Sh)的量值在2.91～6.56之間，最大水平主應力(SH)的量值在 3.99 ～7.90之間。除個別測點外，與按上覆巖石靜巖壓力計算的垂向應力(SV)相比，三向主應力的關系基本表現為SH＞SV＞Sh，表明測點附近水平應力占主導地位，屬于走滑型應力狀態。對實測數據進行線性回歸分析后，可得到最大和最小水平主應力隨深度變化的線性回歸方程:

通過測量確定該孔附近最大水平主應力的方向為N54°W。

圖3 鉆孔地應力隨孔深分布圖Fig.3 The distribution of ground stress changing with the depth of drilling

根據極限平衡準則，將巖石的抗壓強度(Rb)與圍巖的最大正應力(σm)之比(臨界應力比)作為判斷有無擠壓變形及發生變形的程度劃分原則。計算公式為:

S=RbKV/σm式中:KV為巖體完整系數，利用實測彈性波速求得;σm為圍巖最大正應力，即水平正應力。按下式計算:

其中，θ為隧洞橫截面和水平面的交線與水平最大主應力方向的夾角。

根據國內外一些工程實例統計:當RbKV/σm＜4時會出現應力超限，形成塑性區，圍巖穩定性差;當RbKV/σm＜2時，圍巖不穩定，變形顯著。

以隧洞某分段為例，各段強度應力比計算結果見表2。

表2 隧洞分段巖體強度應力比計算匯總表Table 2 The summary for ratio of strength and stress of rock masses in different segments of tunnel

由表2可以看出，第三系砂質泥巖各種狀態的強度應力比均＜4，按照上述判斷標準，該地層洞段內發生圍巖擠壓變形的可能性大。白堊系(K1n)泥巖在天然狀態下，部分洞段圍巖強度應力比＜4;飽和狀態的強度應力比均＜2，可以認為該段隧洞飽水圍巖產生塑性變形可能性較大。隧洞開挖未支護下由于洞室圍巖大主應力增大和小主應力減小，圍巖在一定深度范圍內出現塑形破壞，塑性區內巖體的“剪脹”加劇了擠壓作用，增大圍巖質點向開挖空間的移動。

據隧洞圍巖松動圈實測結果，隧洞開挖后洞壁巖體即呈現0.5 m左右的松弛帶，隨著時間的增加，洞壁巖體的松弛厚度也逐漸加大。

2.3 膨脹變形分析

對白堊系、第三系泥巖進行天然含水狀態的膨脹試驗，試驗成果見表3。

從試驗結果看，側向約束膨脹率＜3%，膨脹力＜100 kPa;徑向自由膨脹率和軸向自由膨脹率均 ＜30%。按有關標準多屬非膨脹巖。但天然含水量狀態下部分泥巖的荷載平均膨脹率為0.7%，而膨脹壓力在4.4 ～62.2 kPa，平均值為 20.6 kPa;泥巖成分中伊利石、蒙脫石為主的粘土礦物含量較高，且兩者均為親水性礦物;泥巖的硅鋁分子比達3.4～4.5等，說明泥巖具有一定的膨脹潛勢。有關試驗研究成果表明，泥質膨脹性圍巖的性狀變化主要是因巖石含水量變化引起的，隧洞開挖后泥巖逐漸干燥失水和風化，再遇水可能產生膨脹崩解;膨脹性巖體的潛在應力及變形的時間效應顯著，即應力釋放過程是比較長的。因此，在隧洞襯砌設計和施工建設中，應考慮膨脹力因素的影響，采取適宜的處理措施，抑制或減弱泥巖產生膨脹和力學強度降低的不利影響。

表3 巖石膨脹試驗成果表Table3 The results of rock expansion test

3 泥質圍巖變形影響因素分析

3.1 巖石成分對變形影響

該地區白堊系地層為一套河流淺湖相—深湖相細碎屑巖建造，巖性以灰色、黑灰色、暗紅色的灰質泥巖為主，夾有淺灰色的泥灰巖及粉砂質泥巖，局部含有極薄層石膏。第三系地層生成環境則是以河湖相為主，巖性主要為砂質泥巖及砂礫巖。泥巖的成分是影響其物理力學性質的主要因素，而粘土礦物的含量很大程度影響到其力學性質的好壞，一般來說，泥巖中粘土礦物含量越高，其力學強度相對越低;同時，粘土礦物的成分及含量也影響到泥巖的水理性質［1］。該地區灰質泥巖中以伊利石、蒙脫石為主的粘土礦物含量較高，一般含量達23.5% ～37.0%，其中暗紅色灰質泥巖粘土礦物含量高達60%。粘土礦物中伊利石含量略高于蒙脫石，兩者均為親水性礦物。因此，當泥巖中粘土礦物含量較高時使泥巖表現出較強的遇水軟化性和崩解、膨脹等現象。在水穩性方面，暗紅色灰質泥巖會比其他灰質泥巖表現得更差。相同含水率的情況下，其力學強度也較低。

3.2 膠結物對泥質圍巖變形影響

膠結物成分對泥質巖工程性質的影響非常大。由于泥質巖沉積的自然地理環境的不同，其膠結物成分和表現出來的性質是不同的。它的膠結物有:硅質、鐵質、鈣質、石膏、泥質等。泥質巖的強度主要取決于膠結物成分和性質，換句話說，與泥質巖的膠結程度有關。膠結程度還取決于膠結物含量及膠結形式等。膠結程度的強弱對泥巖的水理性質、結構特征、物化性質有較大的影響，并且最終使其力學性質及抗風化能力及脹縮性等有明顯的差別。通過巖礦鑒定、巖石化學成分分析、X-射線衍射分析等試驗結果，工程區泥質巖及砂礫巖的主要膠結方式為鈣質膠結及泥質膠結，白堊系(K1n、K1m)泥質巖膠結物以鈣質及鈣泥質為主，第三系(E2s)巖層則以泥質膠結為主。巖石膠結程度為弱—中等膠結。隧洞開挖揭露后，泥鈣質膠結的暗紅色泥巖比其他灰質泥巖的強度衰減更明顯，抗風化性能更差，而較強膠結的泥灰巖的強度最高，水穩性也好。

3.3 施工環境對圍巖變形特性的影響

隧洞開挖，泥巖暴露地表后，經過一段時間其工程性質出現明顯變化。白堊系(K1n、K1m)泥質巖及第三系(E2s)砂質泥巖均具有失水干裂的不良特性，特別是泥巖在干燥后的二次浸水作用下，其工程性質存在著巨大的差異。在保持天然含水狀態或三維應力條件下，巖體具有較高的強度，但遇水浸泡后泥巖易軟化，強度衰減十分明顯，飽水狀態下的泥巖在附加應力的長期作用下將產生明顯位移變形。

隨著巖石的風化程度、干濕交替等環境變化其水穩性也發生變化。有關試驗研究成果表明，泥質膨脹性圍巖的性狀變化主要因巖石含水量變化引起，若能保持開挖前的含水量，其通常不具備膨脹特性;但開挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水，再遇水便要膨脹崩解，其干燥失水越多，膨脹量越大。

4 工程措施

基于上述泥質巖的力學性質、水理性質及變形影響因素，針對本引水隧洞工程圍巖變形問題，采取的工程措施包括防止和處理兩個方面:

(1)在施工過程中避免圍巖長時間暴露、風干、充水和浸泡，盡量保持工作面濕潤的天然狀態，是防止或減少泥巖工程性質惡化而產生失穩或變形的關鍵，隧洞開挖后應盡快封閉。根據現場巖體卸荷效應試驗成果，在5—8 h內完成混凝土噴護較為適宜。洞底積水應盡快清除，避免水與軟巖接觸的機會和時間。

(2)隧洞開挖后的支護前、后位移對比檢測表明，洞室位移量在支護后大幅度減小，支護效果明顯。隧洞支護后大主應力減小，小主應力增大，剪應力減小，洞室圍巖中沒有塑形破壞產生。對于頂拱部位薄層泥巖變形撓曲、剝落坍塌的防治，采用錨桿、掛網和噴混凝土的支護方式效果較好，系統錨桿選用Φ22長1.5 m的砂漿錨桿，入巖深度1.4 m，穿過圍巖松動圈。第三系泥巖等極軟巖、斷層破碎帶等破碎巖體，在地下水和地應力作用下造成大范圍擠壓變形、破碎圍巖塌方等整體破壞，對于此類巖體(屬Ⅴ類巖體)，必須及時采取系統有效的支護措施，主要采用I12.6工字鋼拱架支護。通過鋼拱架支護間距優化分析的研究，該類圍巖中鋼拱架較優的支護間距可選為1.0 m。

另外，在鉆爆作業中控制好裝藥量和改進工藝，可減少爆破對圍巖的破壞擾動，也是提高隧洞圍巖的力學強度、保障圍巖穩定性的重要一環。

5 結語

(1)輸水隧洞泥質圍巖變形位移主要與圍巖整體強度、地下水、地應力及工程施工方法有關。在以上各因素的相互疊加作用下，往往使圍巖加劇惡化，造成變形破壞。

(2)隧洞開挖使本來深埋的巖體臨空，一方面，巖體內部原有應力平衡受到破壞，周邊圍巖向徑向釋放應力，從而導致邊墻內脹、拱頂坍塌;另一方面，由于地下水的浸潤，使得這種具有不良水理性質的巖體脹裂和軟化，加速變形。

(3)天然狀態下泥質巖的工程特性較為穩定，但浸水飽和后其力學強度急劇降低，尤其是泥巖在干燥失水后的再次浸水，使其工程性質將發生巨大的變化，激發諸如蠕變、崩解、膨脹等劣質巖的特性，因此在工程設計和建設中針對這種變化因素，采取行之有效的防護措施，抑制或減弱泥巖產生對工程不利的變形影響，以保證工程的長期穩定和安全運行。

［1］ 林在貫，高大釗，顧寶和，等.巖土工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1994.