小型水工隧洞軟質圍巖變形預防及優化措施

游洋，楊鼎，羅濤

（1.云南省滇中引水工程建設管理局，云南 昆明 650000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

隧洞是水利工程中常見的水工建筑物，軟質圍巖或軟質圍巖地段是施工中經常遇到的問題，軟巖大變形也是長期困擾軟巖水工隧道施工的一大難題，特別是在高地應力條件下［1］。由于軟質圍巖強度低、變形量大，在高地應力富水條件下，隧道斷面在施工和開挖過程中經常會產生嚴重的變形，變形一般可達幾十厘米至100cm以上，變形趨勢是堵塞隧道，嚴重影響工程進度和施工安全［2］。鑒于此，有必要通過研究進一步明確小型水工隧洞軟質圍巖變形機理、特征，并采取相關措施對此進行有效預防和優化，以此保證軟質圍巖小型水工隧洞施工的順利進行。

1 小型水工隧洞軟質圍巖變形力學機理

1.1 軟質圍巖的組成成分分析

多數軟巖主要由粘土礦物、云母、石英、長石等碎屑礦物以及部分鈣、鐵膠體結構或游離氧化物組成。軟巖硬度低，密度低，易變形。同時，軟巖的性質主要由粘土礦物的含量決定，含量越高，性能便越差。

1.2 軟質圍巖膨脹性分析

軟巖膨脹性主要是指含有黏土高膨脹性礦物的軟質圍巖，在較低的應力水平條件下，因膨脹而發生顯著變形的特征的巖石，如泥巖、頁巖等。通常而言，受軟巖膨脹性的影響，其容易出現滑移、膨脹等問題。與此同時，根據軟巖膨脹性大小的不同，可將其進一步細分為強膨脹性軟巖自由膨脹變形、弱膨脹性軟巖自由膨脹變形等。

1.3 軟質圍巖的力學性質分析

從力學方面考慮，軟巖具有變形大、強度低、賦存環境效應和時間效應強烈的特點。這使得軟質圍巖較為容易變形，且變形呈現明顯的時間特點。

1.4 軟質圍巖變形的力學機理分析

可采用彈性模量E來表示巖石的變形特性，進一步，結合公式σ＝E·ε可知，當應力不變時，隨著彈性模量的減少，軟巖的變形量就越大。以粘土類巖石為例，其彈性模量通常為E＝300MPa，相較于其他非軟質巖石，其表形量通常更大。

2 小型水工隧洞軟質圍巖變形特征及原因分析

2.1 變形特征

1）變形量大。隧道開挖后會產生明顯的塑性變形，這是軟質圍巖的主要特征。實測數據表明，軟質圍巖中洞壁位移可達幾十厘米，甚至幾米，往往表現為初期支護嚴重開裂，如噴射混凝土開裂脫落、鋼架變形，甚至二次襯砌混凝土開裂［3］。2）初期變形速度快。結合眾多工程實例可知，在隧道開挖的初期期間，軟質圍巖將在較短的時間內發生變形并迅速達到變形后的穩定狀態，之后，圍巖的變形速率將不斷減小。3）變形持續時間長。軟質圍巖不僅初期變形速度快，而且持續時間長，具有明顯的流變特性。大量研究表明，隨著軟質圍巖隧道的開挖，圍巖的支護、襯砌所承受的的壓力便開始發生變化，在長期壓力作用下，軟質圍巖將以蠕變的形式持續變形。以頁巖、花崗巖等軟質巖石為例，在10MPa的應力和室溫下，其典型蠕變曲線通常如圖1所示。4）圍巖破壞范圍大。軟質圍巖中隧道周圍塑性區有所擴大，尤其是在支護不及時或整體結構的剛度和強度達不到要求時，軟質圍巖的破壞范圍將進一步增大。5）壓力增長快。隨著開挖時間的延長，圍巖壓力將因此迅速增大，導致在極短的時間內，圍巖與支護結構出現接觸，繼而產生較大的圍巖壓力。此時，如果施工方法和支護措施得當，則能夠較為有效的控制封閉式支護的變形。相反，若施工方法不當、支護不合理，則即使支架關閉，也會持續產生變形，破壞支架。6）變形破壞形式多樣。不同工程中的軟質圍巖隧道的變形形式表現為不同形式，常見形式包括噴射混凝土開裂、初期支護變形、坑底鼓包、塌方等。

圖1 堅硬圍巖與軟質圍巖蠕變特征的區別

2.2 變形原因

2.2.1 地質環境條件

地質環境方面，導致水工隧洞軟質圍巖變形的主要原因有以下幾個因素：1）地理位置。若施工區位于海槽褶皺帶交匯處或區域性斷裂襄城斷裂與索梁斷裂夾塊處，在多次構造運動的影響下，大部分地區存在構造裂隙和層間擠壓斷裂帶。在這里施工時，軟質圍巖會承受較大的壓力和工程擾動，產生變形。2）地應力。當引水隧洞處于高應力區時，軟質圍巖的結構面在高應力作用下封閉嚴密。卸荷應力釋放后，結構面立即產生拉滑，導致隧道圍巖嚴重變形。3）水文地質條件。引水隧洞工區軟質圍巖巖性多為碳質泥質板巖、變質砂巖、灰巖、千枚巖等，巖體破碎時結構面發育，被兩條阻水斷層夾持，為地下水的賦存提供了有利條件。此時，地下水的加入會導致千枚巖和碳質泥質板巖軟化，使圍巖強度降低，進而發生變形。

2.2.2 圍巖本身性質

首先，引水隧洞軟質圍巖巖性以砂質、泥質板巖為主，其次為碳質泥質板巖、砂巖、變質砂巖和千枚巖等組成。其次，軟巖的礦物成分在水中容易軟化，然后發生變形。如碳質泥質板巖、千枚巖主要由絹云母、伊利石、蒙脫石組成，遇水易軟化，暴露后易風化。最后，軟巖體結構具有明顯的各向異性［5］。碳質泥質板巖具有極薄至薄層結構，千枚巖具有千枚巖結構，含有大量片狀礦物，層理極為發育，圍巖結構各向異性明顯，這也使得軟質圍巖容易變形

3 小型水工隧洞軟質圍巖變形工程處理措施

由于水工隧洞施工現場的地質環境條件和圍巖性質無法改變，為防止水工隧洞軟質圍巖變形，可根據其變形特點采取相應的工程處理措施對隧道開挖段的圍巖進行控制，從而有效地控制圍巖的變形。

3.1 合理選擇開挖方式

現階段，根據工程具體開挖斷面的大小及位置，隧道開挖的常見方法包括：全斷面法、臺階法、分部開挖法三大類。

對上述三種挖法進行比較可知，相較于其他兩種挖法，臺階法具有位移小、可減小塑性區范圍的優勢，對于圍巖變形量的控制有積極作用。鑒于此，建議無特殊情況下，水工隧洞軟質圍巖變形的預防可優先考慮臺階法。

3.2 正確確定支護時間

首先，應當根據圍巖地質條件、隧道規模、形狀、埋深、隧道施工方法和管理水平，預測無支護圍巖變形。當變形達不到變形控制標準時，可采取兩種對策：一是改變施工方法或提高管理水平；二是添加初期支護。若進行初期支護的過程中，在嚴格依據預設的參數進行變形控制仍無法達到要求的變形控制基準時，可通過提高初期支護強度、添加超前支護措施的方式進行解決。若進行超前支護的過程中，在根據超前支護預先設計的參數對圍巖變形進行預防但仍然無法控制變形基準時，可通過加強超前支護強度的方式，來控制圍巖的變形程度。

3.3 預留必要的變形空間

第一，多重支護。多重支護的目的在于預留足夠的容許變形和二次支護空間，即在超前錨管或錨桿支護下，開挖后設置第一層支護，限制圍巖初始變形，然后在工作面后左右位置設置第二層支護，穩定隧道，控制圍巖大變形。第二，可縮式支護。在選用可縮式支護時，需要為變形和二次支撐留下一定的空間。在相關設施的選擇上，隧道開挖后，需及時使用支設伸縮錨桿、伸縮鋼架等支護體系，通過支護的方式，釋放圍巖壓力、減小變形。第三，分階段綜合控制。所謂分階段綜合控制，及時為變形和二次支護預留空間，在隧道開挖后，通過設置錨桿、鋼架進行支護的方式，抑制初始變形；隨后，進一步在工程掌子面設置長系統錨桿，進一步加固圍巖，達到鞏固效果。

1）施工中及時排水。碳質泥質板巖和千枚巖遇水易軟化，抗壓強度和變形模量大大降低。為了有效控制圍巖變形，應采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，以有效控制圍巖變形。2）科學爆破。在進行爆破的過程中，針對軟質圍巖硬度低、變形量大等特點，應當堅持少藥量、弱爆破的原則，以最大限度的降低爆破過程中對圍巖造成的傷害。3）加強地質超前預報與施工過程圍巖變形監測。準確有效的地質預報，是確保施工方案的選擇、設計具有較高的科學性與合理性的關鍵和前提所在。此外，有效的地質預報也有助于對施工中的圍巖變形進行全面監測，有助于對圍巖變形的監測實施方案進行合理評估，如測點的布置、監測頻率的設計、監測手段的選擇等。進一步的，在監測數據的輔助下，有利于相關人員及時動態的對圍巖變形特征進行分析，并以此為依據，對各項支護設計進行改進優化，繼而達到及時控制圍巖變形，保證施工進度和工程質量的目的。

4 結語

綜上所述，在水工隧洞施工過程中，遇有軟巖時，圍巖的變形破壞不容忽視。此時，繼而通過合理的工程處理措施有效預防水工隧洞軟質圍巖變形，包括隧道施工超前地質預報、合理選擇開挖方法、合理確定支護時間、預留必要的變形空間等。