軟巖對高寒地區工程施工影響分析與研究

高 靜， 周 志 東， 石 偉 偉

(中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

隨著我國西部大開發戰略的推進，青藏高原等高寒地區的水利水電工程、交通工程飛速發展。同時，也出現了很多工程地質問題，尤其以高寒地區的軟巖問題較為突出，對工程施工產生了較大的影響，特別是對工程質量、工程進度和工程造價影響突出，有時甚至嚴重制約了工程的進展。

巖石的堅硬程度是根據巖塊的飽和單軸抗壓強度(frk)來劃分，可分為堅硬巖石、較堅硬巖石、較軟巖、軟巖和極軟巖。

軟巖是一種特性環境下的具有顯著塑性變形的復雜巖石力學介質，具有相對松散性、軟弱性、低強度性、易風化、水理性差等特點。一般可分成地質軟巖和工程軟巖，工程軟巖系指在工程力作用下具有顯著塑性變形的工程巖體。工程上，一般把飽和單軸抗壓強度小于30 MPa的巖體統稱軟巖。例如，泥灰巖碎屑在水解作用、方解石溶解作用和伊利石向伊-蒙混層礦物轉化作用下，巖石抗剪強度降低[1]。

青藏高原屬于高寒地區，是由原特提斯洋迅速上升隆起的。在西藏，區內沉積巖自元古宇自第四系均有出露，覆蓋面積比例大，約占70%，底層系統發育齊全。特別是三疊系、侏羅系、白堊系和第三系的海相地層是我國范圍內分布最廣泛、發育最齊全、最完整、厚度最大的地層。在西藏地區主要的軟巖有炭質頁巖、泥巖和泥質板巖等。

圖1 軟巖四元件巖石力學地質概念模型

2 施工中軟巖的變化

2.1 應力的變化

一般來說，對于洞室開挖，圍巖應力釋放，是一個卸載的過程，對于軟巖，一般會產生大于1.5 m的松動圈。因此，存在自我調整，達到穩定平衡或者失穩，這也是洞室圍巖產生的流變現象。在西藏的炭質頁巖、泥巖和泥質板巖等軟巖，一般表現為黏彈塑性變形。該地質概念模型(圖1)。

2.2 巖體結構的變化

在工程施工過程中，由于機械和人的作用使圍巖的結構發生變化，特別是開挖過程中，使圍巖增加臨空面，產生新的結構面等。例如，爆破作用對圍巖造成損傷，致使圍巖產生爆破裂縫，降低了巖體的完整性等。由于凍融作用，通常使巖石的裂縫擴展，微裂縫擴張，新裂縫產生等。

2.3 水-力-熱的耦合作用

軟巖被施工揭露后，是一個復雜的水—力—熱相互耦合的作用過程[2]。

水對軟巖強度的影響，以西藏某水利工程為例，頁巖浸水隨時間延長崩解試驗見表1、2，強度改變見表3。

表1 西藏某工程頁巖浸水隨時間延長崩解現象記錄

表2 西藏某工程炭質頁巖崩解試驗成果整理

表3 西藏某工程炭質頁巖強度測試表

從2表可以看出，巖石軟化在5 d后非常迅速，耐崩解指數顯著下降，特別是裂隙發育和膠結相對較弱。有一定風化的巖石，隨著浸泡時間的延長，其裂隙快速擴張，崩解很快。當然，結構相對完整且膠結較好的微風化或者新鮮巖石，其崩解相對不明顯。

由于巖石的不均一性，同樣鉆孔取得的巖石具有的強度不盡相同，但是大致反映了一個趨勢(圖2)，隨著浸水時間的增長，鈣質頁巖的飽和單軸抗壓強度下降明顯，軟化系數大大降低，當浸泡10 d時，軟化系數為0.25。

由于西藏溫差大，日均溫差一般在10～20 ℃，凍融作用突出，特別是在露天開挖的情況下，巖石很容易產生凍融崩解，以炭質頁巖為例。炭質頁巖屬于一種軟巖，節理裂隙多，遇水易于軟化，通過現場試驗，經過近5個月的現場凍融，在冰雪和凍融的作用下，新鮮的巖石崩解(圖3、4)，而凍融對閃長玢巖的強度影響相對較小。

圖2 鈣質頁巖軟化系數隨浸泡時間的變化趨勢

圖3 隧洞掌子面新鮮的炭質頁巖

3 高寒地區軟巖對施工的影響分析

以西藏某地下工程為例，對施工的影響主要表現在以下方面：

(1)容易產生超挖。在施工過程中，雖然采取了控制爆破，例如光面爆破等，但是由于巖石本身的強度低，水理性差、變形大，因此，當受到輕微擾動，爆破過程中的爆破振動難免對爆破設計輪廓線一位的圍巖產生影響，圍巖就會產生變形或者破壞。在排危過程中，巖塊沿結構面坍塌的可能性很大，導致超挖。在西藏某工程主洞為馬蹄形斷面，開挖斷面最大寬度5 m，高度5 m，軟巖洞挖過程中，邊頂拱超過平均超挖近40 cm，超挖量超過允許值的100%(規范允許超挖20 cm)。

圖4 通過5個月露天凍融的炭質頁巖

(2)嚴重泥化。泥化主要存在于底板。西藏某些軟巖，在有水的情況下，很容易軟化和泥化。例如，西藏某隧洞施工(圖5)，由于軟巖的存在，在不采取施工底板保護措施的情況下施工作業，特別是在車輛和反鏟等設備的擾動下，大面積發生泥化，造成局部低于設計高程約1.7 m，引發嚴重的超挖。

(3)工程滯后、成本增加且工期延長。 由于超挖及泥化等現象的存在，勢必采取施工措施，導致

圖5 軟巖遇水泥化

(4)存在質量隱患。 由于軟巖的存在和對水的敏感性，施工過程中的水、地下水均有可能對軟施工成本增加。例如，采取超挖超填、淤泥清理和保護措施等。因此，影響施工進度，導致工期延長。巖造成影響，引起巖石軟化和泥化，導致施工質量的隱患。

4 施工對策

軟巖具有容易變形、水理性差、易泥化等問題。因此，在施工過程中，主要的對策有：

(1)及時支護和封閉圍巖。開挖后及時驗收，跟進支護[3]。對于圍巖有鋼拱架的部位做到每循環及時支護、封閉。對于Ⅱ、Ⅲ圍巖及時噴護混凝土進行封閉，避免受到潮濕空氣等的影響產生軟化。根據軟巖崩解試驗，建議一般Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖后1～2 d進行封閉，Ⅱ、Ⅲ類圍巖不宜超過5 d[4]。底板開挖50～150 m左右暫停進尺，立即對底板進行清理，并澆筑墊層混凝土進行封閉。

(2)加強排水。施工過程中要采取集中排水與隨機排水相結合的方式加強排水。集中排水主要根據地下水和施工用水的情況，按照一定的間距設置集水井進行集中排水。隨機排水主要是在有較大地下水時，進行隨機的引排，遇到較大的涌水點，增加排水孔，并將排水孔直接連接到排水溝中，減少巖層裂隙水對軟巖的影響。

(3)底板開挖預留保護層，加強底板保護。開挖過程中，預留30 cm保護層，以減少施工過程中底板圍巖泥化對建基 面產生的影響(圖6)。

圖6 隧道底板預留保護層開挖(單位：cm)

(4)嚴格控制爆破。爆破施工過程中做到精細化管理：一是爆破制度精細化，嚴格執行規范和行業標準，全過程實施監控，加強人員技術的培養和深造；二是爆破安全控制精細化，確定安全控制的關鍵點，細化并明確各個環節工藝流程的安全操作程序，使安全在整個生產過程中處于受控狀態；三是爆破質量控制精細化，實施嚴格的光面爆破(圖7)[5]，從爆破設計到施工各個環節做好精細，特別是對周邊眼的間距控制與裝藥結構嚴格要求，適當根據地質情況，采取個性化裝藥，減小對圍巖的擾動。

(5)加強監測。軟巖變形必須在開挖后進行必要的監測，地下工程必須根據洞室斷面尺寸進行圍巖變形監測，筆者認為西藏地下工程圍巖監測有條件時可以適當提高標準，增設現場監測項目，擴大監測圍巖的類別。例如，規范規定內地洞徑小于5 m時，只需要在Ⅴ類圍巖進行監測，西藏地區圍巖監測范圍可以適當擴大，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖均需進行現場必要監測。總之，監測范圍必須高于標準并嚴于內地。

圖7 光面爆破鉆孔布設圖

5 結 語

施工中經常遇到軟巖，軟巖的強度低、變形大、水理性差是軟巖的突出特征，是一個棘手的工程地質問題。在西藏許多工程實踐中，都遇到了軟巖變形、軟化、泥化和凍融等問題。筆者以西藏某水利工程為例，進行軟巖軟化性能研究，對施工過程中產生的超挖、嚴重泥化、工期延長和質量隱患等進行分析，有針對性地采取措施，嚴格爆破施工、及時封閉圍巖、加強集中和隨機排水、預留保護層、加強現場監測等，保證了工程的順利推進，節約了施工成本。