不良地質條件下鄰近水電站隧道開挖的穩定與控制分析

劉文志，劉 璐

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

我國地域遼闊，受季風氣候等因素影響，河流眾多，水資源極為豐富。在經濟社會的快速發展下，水利水電工程進入了新的大規模建設階段。由此造成的情況是，地質條件更加復雜，無法進行準確的預測，并且常常因為工程特點的變化引發各種各樣的問題。與此同時，邊坡變形是當前隧洞進口部位不可忽視的穩定性控制問題，已經成為制約工程安全性的重要因素之一。然而，在水電站隧道開挖的過程中，不良地質條件造成的威脅越發嚴重。不良地質條件是地球外動力作用為主引起的各種地質現象，包括泥石流、土洞、河流沖刷等。因此，為處理不良地質條件下水電站開挖的不確定性因素，研究以中國北方的某最下游一級水電站為例，通過設計開挖方法和進洞順序，以期進一步提升施工過程的穩定性。

1 工程概況

某大型水電站位于中國北方，是最下游一級電站。其上距離三峽水利樞紐130km，下方距離鄭州花園128km，同時也是黃河干流在三門峽以下唯一能夠獲得較大庫存容量的控制性工程[1]。該工程浩大，總工期歷經11年。在工程竣工后，水庫面積高達272.3km2，控制流域面積為69.4km2。該水電站的總發電容量為156kW，年均發電能力是51億kW·h。相關防洪標準由目前的60年一遇，上升至1000年一遇，同時每年可增加至40億m3的供水量。該工程項目戰略地位十分重要，工程規模較為復雜，特殊的水沙條件與嚴酷的運行條件使其成為了國際上公認的最復雜與最具挑戰性的水利工程之一[2]。該工程包含有6條發電引水洞、地下廠房、主變室、閘門室和3條尾水隧洞，所處位置地質條件較差。隧洞內含有大量的Ⅳ與Ⅴ類圍巖，Ⅲ類圍巖洞段數量較多。在整個隧洞的沿線，地下水位呈現出十分大的變化，起伏不定。厚度50～250m的巖體覆蓋在隧洞身段之上，節理裂隙發育與巖體都有不同程度上的破壞，抗壓能力較強。通過實地調研發現，該水電站導流隧洞沿線巖石破碎明顯，多處存在斷面，給工程建設帶來了很大的難度。

2 不良地質隧道圍巖與邊坡的共同作用體系

在隧道不良地質段開挖施工的過程中，主要會涉及到隧道與邊坡的穩定性分析兩大方面。通常隧道的進口段圍巖變形與邊坡變形是有著相互制約與影響的關系。因此在對隧道圍巖與邊坡穩定性進行分析時，需要將其視為“隧道洞入口圍巖-邊坡共同作用體系”來進行研究。本研究擬將我國不良地質條件下鄰近水電站隧道為工程依托，分析進洞條件下隧洞進口圍巖-邊坡的共同作用機制[3]。隧道進口圍巖與邊坡體系穩定性的影響因素較多，總體有兩個方面。第一是體系所處的巖土物理力學特征、巖體結構和構造、地應力狀態、地下水等，這些因素直接影響了隧道建設施工的實際條件。第二是人為因素，包括隧道的結構尺寸、形狀、邊坡的坡比以及支護措施等。一般前者屬于客觀因素，后者便屬于主觀因素，是由前者起作用的。雖不能直接決定隧道的進口圍巖與邊坡巖體質量，但帶給圍巖質量與穩定性的影響不可忽視[4-5]。隧道進口圍巖與邊坡平行作用體系是指潛在滑動面方向與隧道軸向平行或處于0°～20°的角度范圍內。以隧道與滑面的位置關系，將該體系分為平行作用體系、正交作用體系以及斜交作用體系3種。以平行作用體系為例，具體如圖1所示。

圖1 平行作用體系

圖1(a)中隧道與邊坡坡體的潛在失穩面相互交叉，作用于隧道的外荷載主要有巖土壓力與滑坡推力兩種。圖1(b)中隧道從邊坡滑坡坡體的下方穿過，因此作用在隧道上的荷載力有3種，分別為巖土壓力、抗力與擾動力。圖1(c)中滑坡體的推力作用并沒有直接作用于隧道上，盡管隧道不直接受到推力作用，但當隧道與滑坡體相距很近時，隧道開挖會增大滑坡體的活動范圍，且會受到洞周巖土擾動的影響，尤其是在接近滑坡體一側會產生橫向裂隙。

3 不良地質隧道進洞順序與Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ層開挖方法

不良地質鄰近水電站隧道的空間位置是由隧道結構的橫剖面與縱斷面兩部分共同決定的。當其對應的空間定位被確定后，隧道的地質條件與因多種因素共同作用而造成的“地形偏壓”也被相對地確定下來。地形偏壓是指隧道結構兩邊被覆蓋的巖土高度不均勻所產生的一種偏壓[6-7]。具體受力如圖2所示。

圖2 隧道地形偏壓受力作用示意圖

一般可以通過圍巖種類、坡體坡度以及蓋板厚度對隧道的地形偏壓進行綜合判斷。通常情況下當隧道的進洞頂拱距離地表的垂直距離較小時，則可以視為是地形偏壓。同時當該隧道所處的地表坡度較大時，蓋板的厚度便會更大，且有很大的傾向壓力，因此可視為該隧道受到的地形偏壓影響較大。

在隧道工程中，不良地質一般是指軟弱、賦水條件下的圍巖以及破碎。其中圍巖的級別通常屬于Ⅴ與Ⅵ類。但隧道斷面較大時，還包括Ⅳ類圍巖。不良地質隧道的圍巖一般有兩個特征，分別是地質特征與強度特征。在隧道施工開挖后圍巖由于力作用會產生一定的拱效應。拱效應反映了圍巖自身的承載能力，但在某些情況下拱效應可能是瞬態的也可能是非平穩的。塌落拱的高度與圍巖跨度、巖性等因素密切相關。隧道開挖時，通常會出現壓力拱橋，當圍巖開挖后，在地應力與重力的聯合作用下，巖體會向著隧道內部變形。同時由于洞周巖石對圍巖的承受能力較強，因此能夠將荷載轉移到鄰近的巖體。最終荷載發生偏移，使得圍巖切向應力增大，導致距離供越近，應力的增幅也就越大[8-9]。隨著隧道變形或垮塌破壞不斷發展時，圍巖壓力拱逐漸向外擴張，進而降低了拱范圍內圍巖的切向應力。反復如此，當隧道形成穩定塌落拱時，圍巖的壓力拱也隨之穩定。目前如何判定隧道中壓力拱的形成還沒有一個統一的方法。在洞身開挖支護施工期間，按照開挖進尺進行施工，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞身段I層開挖循環進尺設為1.6m，Ⅱ層與Ⅲ層的開挖循環進尺設置為3.0m。隧道開挖支護施工結構分為3層，其中Ⅱ層又可以分為上半層與下半層。每次完成一個開挖進尺長度后，都可以采用對應的支護措施，并進行交替進行，直至開挖結束。

選擇具體的隧道施工方法時，通常需要從多方面開始進行考慮。第一，工程的重要性。隧道的開挖需要將工程規模、使用要求以及工期要求進行綜合。第二，工程地質與地下水條件。第三，施工工藝以及開挖機械設備的情況。第四，工程項目投資與運營后能夠獲得的社會經濟效益。第五，項目建設的安全性。第六，項目建設中所需要的東李子園與原材料供應。第七，對環境的要求，例如對環境的污染、隧道的地面沉降以及坍塌。對上述因素進行分析可知，合理的隧道開挖方法是一項較為模糊的決策過程，其與相關技術人員的學識水平與經驗等因素有關。研究以新奧法(New Astria Tunnelling Method，NATM)為例進行隧道開挖方法的討論。NATM主要是以控制爆破或者機械開挖為掘進手段，以錨桿、噴射混凝土作為支護方法，有關于理論、量測以及經驗3個方面相結合的隧道施工方法。按照隧道開挖斷面的大小與位置之間的差異，可分為全斷面法、臺階法、分部開挖法以及不同的變化方案。

基于上述隧道施工方法，并依托于研究項目工程導流洞身段Ⅳ與Ⅴ類圍巖交替出現，對不同開挖方法對隧道圍巖穩定性產生的影響進行分析。在隧道Ⅰ層開挖時，通過對左右兩幅開槽與核心土開挖法兩種方法進行對比，分析其對隧道圍巖力學行為的影響，最終選出較為優秀的開挖方式。具體開挖方法如圖3所示。

圖3 不良地質隧道Ⅰ層開挖方法

對于不良地質斷面隧道Ⅱ、Ⅲ層的開挖方法，其施工開挖厚度與施工量是一個十分重要的問題，而不同的施工開挖厚度對隧道邊墻的變形影響存在較大差別。結合研究項目的具體情況，對半幅薄層和半幅厚層兩種不同的開挖方法下的圍巖力學特征進行對比，以得到最優施工方法[10-11]。半幅薄層開挖方法(3m)是指Ⅱ層由頂至底分為3、4、4m三個層次進行挖掘；半幅厚層開挖方法(8m)，也就是將Ⅱ層分為兩層開挖，從上到下分別為8m和3m。具體開挖方法如圖4所示。

圖4 不良地質隧道Ⅱ與Ⅲ層開挖方法

4 不良地質條件下鄰近水電站隧道開挖的穩定與控制分析

在隧道“圍巖-邊坡體系”中，隧道施工分為兩種情況，分別是邊坡未進行施工與邊坡已施工。本研究基于邊坡是否完成施工的條件下，不同隧道開挖施工步驟對體系變形的影響如圖5所示。

圖5 不同隧道施工對體系變形的影響

從圖5中可以發現，隧道在開挖過程中洞口邊坡的開挖對整體體系的變形影響較大，這主要是因為隧道上覆巖石體的重力效應所致。隧道在Ⅰ層開挖后，邊坡未開挖時頂拱的最大沉降量數值為39.65mm；而邊坡開挖后對應得到的沉降值為20.45mm，邊坡未開挖與開挖得到的變形值大約小1倍。隧道在Ⅱ層開挖完成后，邊坡未開挖時的最大變形值為94.07mm；邊坡已完成開挖后得到的變形值為31.42mm，后者比前者數值約小3倍，同時最大變形值所處的位置也發生了改變。這可能是因為隧道周圍存在著地形偏壓所致。綜合可知，隧道上覆巖體自重是隧道變形的主要影響因素，其與隧道的最大變形數值與分布位置有著較為直接的關系。本研究利用左右兩幅開挖法與核心土開挖法兩種方法對Ⅰ層與Ⅲ層進行開挖，所得到的隧道圍巖變形對比見表1。

表1 兩種開挖方法隧道圍巖變形數值對比 單位：mm

對比表1可知，將左右半幅開挖法應用于隧道Ⅰ層開挖后，相比于核心土開挖法，其頂拱最大沉降量為23.852mm，增加了2.254mm；Ⅲ層開挖完成后則增加了6.731mm。隧道開挖的深度越深，兩種方法運行得到的指標數值也逐漸增大。當隧道的施工開挖不斷進行時，頂拱沉降速率呈現出逐漸減小的趨勢，同時底部回彈位移均大于頂拱沉降量。利用左右兩幅左右開挖法對I層進行開挖并完成后，左右兩側邊墻最大內鼓變形量分別為6.102mm與3.480mm，相較于核心土開挖法分別增加了2.622mm與2.684mm。隧道Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ層開挖方法下隧道圍巖塑性區分布如圖6所示。

圖6 隧道Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ層開挖方法下隧道圍巖塑性區分布

圖6(a)與圖6(b)表示不同Ⅰ城開挖方法下隧道圍巖塑性區的分布。可以發現，在Ⅳ類圍巖洞身部分開挖支護施工結束后，隧道周圍巖體會出現一定范圍的塑性區。左右兩幅開挖法與核心土開挖法的塑性區主要集中在隧道兩側以及隧道與隧道之間的接觸部位。左右兩幅開挖方法邊墻上的塑性區均集中在邊墻下部分，其中最大塑性區的深度可以達到3m；核心土開挖方法邊墻上的塑性區均集中在邊墻中部位置，同樣最大塑性區深度也可以達到3m。但相比于左右兩幅開挖方法圍巖，其塑性區的分布范圍更大。從整體上來看，核心土開挖方法的邊墻與拐角位置的塑性區分布區域范圍綜合大于左右兩幅開挖方法。

圖6(c)與圖6(d)表示不同Ⅱ層與Ⅲ層開挖方法下隧道圍巖塑性區分布圖。可以發現隧道在不同的Ⅱ層與Ⅲ層開挖方法下，隧道洞周所有圍巖均會出現一定程度上的剪切屈服區，其中邊墻處塑性區向著隧道圍巖深度擴展的范圍整體較大，隧道拱腳與墻角處塑性區的面積則相對較小。相對于半幅薄層開挖法，半幅厚層開挖法下邊墻與底板之間塑性區面積更大，邊墻兩側圍巖基本呈現為塑性屈服狀態，這主要是因為半幅厚層開挖法下對隧道挖空的厚度較大所導致的臨空面較大，且該部位在施工過程中應當重點關注。總體而言，半幅薄層開挖法的優點較多，如開挖層厚度變化幅度較小，邊墻水平位移增長平穩等。而半幅厚層開挖法的施工工藝與程序相對簡單，但是對支護條件的要求較高。鑒于半幅薄層開挖法洞周圍巖的塑性區的存在，以及邊墻內鼓變形相對較小等因素。因此，在不良地質鄰近水電站隧道Ⅱ與Ⅲ層開挖時，選用半幅薄層開挖法更有利于圍巖的穩定性。

5 結語

水電站隧道開挖過程的不良地質條件是穩定性控制的重要因素。研究通過分析不良地質隧道圍巖與邊坡的共同作用體系，提出了相應的不良地質隧道進洞順序與Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ層開挖方法，并對其穩定性進行了驗證。結果顯示，隧道在Ⅱ層開挖完成后，邊坡未開挖時的最大變形值為94.07mm，邊坡已完成開挖后得到的變形值為31.42mm。利用左右兩幅左右開挖法對Ⅰ層進行開挖并完成后，左右兩側邊墻最大內鼓變形量分別為6.102mm與3.480mm，相較于核心土開挖法分別增加了2.622mm與2.684mm，證明了所提方法的有效性。但對于穩定性控制的實時情況未進行分析，需要改進監測手段實現進一步優化。