六盤山深埋隧洞工程圍巖變形特征及定性預測研究

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 73000)

1 工程概況

白龍江引水工程擬從甘肅境內(nèi)嘉陵江支流白龍江引水至涇、渭河流域，途經(jīng)黃河、長江流域，穿越秦嶺、六盤山分水屏障，規(guī)劃引水線路總長四百多公里，屬于長距離跨流域調(diào)水工程。輸水線路以隧洞群、大型跨河(溝)建筑物、箱涵等組成，其中以深埋長隧洞穿越六盤山主峰區(qū)。

六盤山系賀蘭褶帶南段以西南北向構(gòu)造隆起帶，整體呈SN走向，北與賀蘭山、南與西秦嶺山脈相連。區(qū)內(nèi)山體海拔高程1 540～2 600 m間，相對高差600～1 000 m。六盤山山脈是黃河水系涇河、清水河、葫蘆河的發(fā)源地，也是南北向分水嶺。隧洞位于甘肅省莊浪縣、華亭縣境內(nèi)，隧洞長56 km，最大埋深1 040 m，為深埋長隧洞。

2 軟巖隧洞工程地質(zhì)條件

六盤山地處秦-祁-昆造山系和華北陸塊的交接地帶，發(fā)育六盤山深大斷裂帶，褶皺構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造運動強烈，地震活動頻繁。區(qū)內(nèi)廣泛出露中生代白堊系及新生代第三系內(nèi)陸河湖相紅色碎屑沉積巖地層，這類地層一般是在干旱并且溫度壓力均不高的條件下形成的，稍具粗細韻律，相變劇烈，多見泥巖和砂巖互層或泥巖呈夾層分布，該類巖石系軟質(zhì)巖，泥巖類多為極軟巖，強度低，水理性質(zhì)差，遇水極易崩解泥化，并具長期流變特征，工程地質(zhì)性質(zhì)惡劣。

六盤山隧洞長56 km，最大埋深1 040 m，其中軟質(zhì)巖分布洞段長約50 km，占比89.18%。隧洞埋深大于600 m洞段長12 km，占比20.8%，圍巖主要為白堊系和尚鋪組(K1hs)地層，巖性以礫巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖為主。埋深300～600 m洞段長19.9 km，占比35.4%，圍巖主要為白堊系(K1hs)、古近系(E3y)、新近系(N1G)地層，巖性以礫巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖等為主。經(jīng)取樣試驗，巖石單軸飽和抗壓強度一般小于30 MPa，均屬軟質(zhì)巖；新近系巖石單軸飽和抗壓強度一般小于5 MPa，屬極軟巖。

對六盤山隧洞鉆孔進行了地應力測試，測試孔均為白堊系地層。測區(qū)現(xiàn)今應力場狀態(tài)以水平應力為主，最大水平主應力方向一般為N4°W～N28°E，主要集中在NNE向。隧洞區(qū)在測量深度范圍83～433 m內(nèi)，最大水平主應力SH為3.6～13.7 MPa，最小水平應力Sh為3.4～9.9 MPa，垂直應力SV為2.1～11.0 MPa。總體上水平應力大于垂直向主應力。水平主應力量值隨深度(H)變化關(guān)系：σH=0.025 3H+2.3，σh=0.018 5H+1.8，σz=γH。

3 軟巖物理力學性質(zhì)

分布于六盤山隧洞的軟巖為：白堊系(K1hs)礫巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖，古近系(E3y)礫巖、泥巖夾砂巖，新近系(N1G)泥巖、砂質(zhì)泥巖。在六盤山深埋隧洞的鉆孔中取巖樣進行了物理力學性質(zhì)試驗，部分軟巖物理力學性質(zhì)見表1、表2。

表1 軟巖物理性質(zhì)試驗成果統(tǒng)計表

(1)K1hs屬辮狀三角洲相沉積，其間發(fā)育有薄而不穩(wěn)定的漫灘泥和粉砂，為六盤山深埋洞段主要地層，其塊體密度2.36～2.54 g/cm3，吸水率1.5%～4.2%，飽和抗壓強度12.4～40.5 MPa，凝聚力0.1～0.5 Mpa，內(nèi)摩擦角34.3°～39.6°。

(2)E3y屬陸相紅色碎屑沉積，巖相變化較大，巖性為礫巖、泥巖夾砂巖，其塊體密度2.22～2.6 g/cm3，吸水率1.0%～6.5%，飽和抗壓強度1.5～26.5 Mpa，凝聚力0.1～0.3 Mpa，內(nèi)摩擦角27.2°～36.7°。

(3)N1G為淡水湖泊～河流相沉積環(huán)境沉積，巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，為泥質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，呈中厚～巨厚層狀，局部為薄層狀，組成成分主要為巖屑、粘土礦物，粘土含量高，膠結(jié)程度較差。巖體結(jié)構(gòu)面以層面為主，裂隙不發(fā)育，層間結(jié)合差，巖層產(chǎn)狀較為平緩。其顆粒組成0.25～0.075 mm占8.5%～20%，0.075～0.005 mm占45.5%～50%，<0.005 mm占30%～46%。泥質(zhì)膠結(jié)，成巖程度低。天然密度2.17～2.34 g/cm3，含水量10.6%～17.5%，膨脹率0.5%～8.9%；在天然狀態(tài)下具有一定強度，天然狀態(tài)抗壓強度0.2～4.8 Mpa，凝聚力0.1～0.4 Mpa，內(nèi)摩擦角28.0°～38.6°。鉆孔巖芯特征：巖芯多呈長柱狀，含水量較高時巖芯有變細、拉長等塑性變形現(xiàn)象。

總體來看，六盤山隧洞的圍巖巖性軟弱，水理性質(zhì)不良。但由于膠結(jié)物不同，膠結(jié)程度有所差異，各巖體強度亦有差異，水理性質(zhì)差異較大，巖石強度低，變形大。

表2 軟巖力學性質(zhì)試驗成果統(tǒng)計表

4 圍巖變形特征及機理

軟巖隧洞的圍巖往往保持巖體的原生結(jié)構(gòu)，在高應力狀態(tài)下圍巖巖體產(chǎn)生流動或塑性變形，在地下水的參與下巖體軟化流動，當巖體中含有膨脹性礦物時也會發(fā)生膨脹變形。隧洞開挖之前，軟巖圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，開挖以后，原有的天然應力狀態(tài)被破壞。開挖實質(zhì)上是一個卸荷過程，卸荷導致圍巖壓力急劇降低，無論從彈性理論還是塑性理論上分析，洞室開挖后，切向應力增大而徑向應力減小，并在隧洞洞壁上達到極值。這表明洞壁圍巖處于兩向應力狀態(tài)。圍巖的變形和破壞特征是圍巖應力和圍巖強度共同決定的。一方面地應力發(fā)生上述變化，并產(chǎn)生相應的變形，圍巖變形實質(zhì)上是圍巖應力不斷調(diào)整的過程，另一方面，開挖卸荷導致的圍壓降低和引起的圍巖變形使巖石結(jié)構(gòu)面張開、滑移，軟巖強度和彈性模量顯著降低，而且隨著變形的應力調(diào)整的繼續(xù)，降低程度越來越顯著。導致塑性區(qū)的形成并向深部巖體逐層推進，進而導致隧洞的嚴重破壞。六盤山區(qū)的巖性基本為層狀結(jié)構(gòu)，層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素控制，其破壞形式主要有：巖層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。

5 圍巖變形預測

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218-2014)進行定性預測。開挖施工期可能發(fā)生的變形現(xiàn)象見表3。

表3 高初始應力條件下施工中的主要現(xiàn)象

注：σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應力。

根據(jù)室內(nèi)試驗成果，取深埋隧洞段圍巖單軸飽和抗壓強度Rc=26 MPa，圍巖應力場按鉆孔實測結(jié)果以及水平主應力量值隨深度變化關(guān)系公式預測，水壓致裂原地應力測量以彈性力學為理論基礎(chǔ)，由彈性理論可推導得出垂直洞軸線方向的最大初始應力計算式

計算得出隧洞不同埋深應力值及垂直洞軸線方向的最大初始應力值見表4。

表4 隧洞不同埋深應力值及垂直

根據(jù)《水利水電工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5414-2009)附錄H表H.2巖體初始地應力的分級，六盤山輸水隧洞當埋深<420 m時，為低地應力；埋深420～800 m時，為中等地應力；埋深>800 m時，為高地應力。

因此在六盤山隧洞的軟巖地段以及斷層破碎帶等圍巖部位，存在軟巖大變形破壞的可能。在高地應力區(qū)主要表現(xiàn)為開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞；在中等地應力區(qū)主要表現(xiàn)為開挖過程中洞壁巖體局部有位移，成洞性尚好。

6 結(jié)語

工程經(jīng)驗表明，高地應力狀態(tài)下的軟巖隧洞，施工中會不可避免地發(fā)生大變形，需要采取合適的控制措施?？刂栖泿r大變形的思路是采用新奧法施工，實施動態(tài)監(jiān)測反饋，優(yōu)化隧洞襯護結(jié)構(gòu)設計和施工方法。具體可以采取以下控制措施：(1)盡量減少圍巖擾動，主動采取“保護圍巖”的施工理念；(2)優(yōu)化施工參數(shù)，采用超短臺階法施工；(3)采取“邊挖邊抗”原則，利用“多重支護”手段；(4)通過系統(tǒng)錨桿和長錨桿控制圍巖大變形；(5)合理的預留變形量；(6)加強現(xiàn)場監(jiān)控量測，重視超前地質(zhì)預報。

[1]甘肅省水利水電勘測設計研究院.甘肅省白龍江引水工程工程地質(zhì)勘察報告(規(guī)劃階段)[R].蘭州：甘肅省水利水電勘測設計研究院.2016.8.

[2]GB50218-2014.工程巖體分級標準[S].北京：中國計劃出版社.2014.

[3]DL/T 5414-2009.水利水電工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社.2009.