張明高

（重慶中環(huán)建設(shè)有限公司 401120）

蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖的圍巖穩(wěn)定性分析及應(yīng)用

張明高

（重慶中環(huán)建設(shè)有限公司 401120）

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過分析層狀巖體的破壞條件、蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，確定隧洞開挖工程中的施工關(guān)鍵技術(shù)。

砂巖 圍巖穩(wěn)定性 隧洞開挖 蓋下壩電站

1 工程概述

重慶云陽蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣境內(nèi)的長江一級支流長灘河中上游河段，以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量12萬kW，保證出力3.1萬kW，多年平均發(fā)電量3.659億kW·h，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)3049h。工程樞紐主要由混凝土雙曲拱壩及左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。引水系統(tǒng)布置在長灘河左岸山體內(nèi)，由進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井及壓力管道組成，采用一洞三機(jī)的布置方式。蓋下壩水電站引水隧洞總長6561.95m，該標(biāo)樁號引1+000.00～引6+537.15，通過三條支洞進(jìn)入引水隧洞進(jìn)行施工。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 基本地質(zhì)條件

a.地形地貌。長灘河流域?qū)贅?gòu)造剝蝕中、低山地貌類型，區(qū)內(nèi)分水嶺海拔一般為800～2000m，河漫灘等河谷地貌相對較發(fā)育。樁號引1+000.00～引6+537.15段引水隧洞洞身主要穿行于三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、中統(tǒng)巴東組、上統(tǒng)須家河組的微新巖體中，上覆巖體厚度一般為50～400m。

b.地層巖性。砂巖段屬三疊系上統(tǒng)須家河組T3xj地層，主要為灰色中厚—薄層狀長石石英砂巖，夾薄層頁巖、炭質(zhì)頁巖和煤，多附于石英砂巖底部，與砂巖呈不整合接觸，軟巖見水易風(fēng)化。

c.地質(zhì)構(gòu)造。引水隧洞方位為357°48′22.5″，巖層走向?yàn)镹30°～37°ENW＜25°～37°，該段未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性構(gòu)造，節(jié)理和層面裂隙發(fā)育，多呈組分布，節(jié)理走向多以與洞軸線呈30°～50°的夾角斜交切割巖層，橫節(jié)理發(fā)育勝于縱節(jié)理，使砂巖多呈條塊狀斷裂，多層面裂隙涌水。由于上述原因，降低了圍巖類別，使巖層穩(wěn)定性差。

d.水文地質(zhì)條件。三疊系上統(tǒng)須家河組長石石英砂巖，屬富含水層。隧洞穿越段距地表埋深高差較大，山高坡陡，地表多溝谷，洞內(nèi)涌水主要受地表水影響，使洞內(nèi)多段涌水，呈分散狀不間斷滴水或涌水，開挖揭穿時(shí)涌水一般在15～20m3/h，涌水嚴(yán)重影響了圍巖的穩(wěn)定，增加了施工難度。

2.2 工程地質(zhì)評價(jià)

圍巖呈微風(fēng)化狀態(tài)，層理發(fā)育，多呈厚—薄層狀構(gòu)造，傾角較緩，巖體較完整，頂拱易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

蓋下壩水電站引水隧洞開挖過程中的關(guān)鍵施工技術(shù)是解決好砂巖洞段的圍巖穩(wěn)定性，加快不良地質(zhì)洞段的開挖與支護(hù)速度，確保整個(gè)隧洞開挖的進(jìn)度和安全。

3.1 層狀巖體中洞室開挖后圍巖受力分析

對于砂巖巖體，由于具有層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面由占有絕對優(yōu)勢的原生的或次生的結(jié)構(gòu)面組成。巖體橫觀各向同性，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面大多屬于物質(zhì)分異面，平行優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方向，巖體的組成基本相同，而垂直優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方向，巖體的組成則呈頻繁地軟硬交替。特別是褶皺運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，巖層間產(chǎn)生的剪切錯(cuò)動(dòng)，則使已有的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步弱化，甚至形成對巖體穩(wěn)定起控制作用的泥化夾層。在洞室開挖后，周邊一定范圍內(nèi)的巖體因受擾動(dòng)以及臨空面的存在，在巖體自重應(yīng)力作用下，初始應(yīng)力就會(huì)發(fā)生重新分布，在洞室周邊圍巖表現(xiàn)最為劇烈，使圍巖內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，因而發(fā)生位移，向臨空面擠壓變形，有的圍巖發(fā)生松脹。周邊圍巖隨著時(shí)間的變化，其變形和應(yīng)力重分布也不斷地進(jìn)行。如圍巖的變形不大于其最大允許變形量，圍巖就趨于穩(wěn)定，在圍巖體中逐漸形成具有一定承載力和自穩(wěn)性的圍巖承載力拱環(huán)。承載力拱環(huán)以內(nèi)的圍巖體主要受自重應(yīng)力的作用，如果巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，根據(jù)塊體失穩(wěn)原理，臨空面圍巖體失穩(wěn)，進(jìn)一步引起其他圍巖的變形。再加上圍巖固有物理力學(xué)特性的復(fù)雜性和一些斷層、節(jié)理的影響，包括巖層的產(chǎn)狀（走向和傾角）、巖石和層面的力學(xué)強(qiáng)度等，使得圍巖的穩(wěn)定性問題變得更加復(fù)雜。

圖1 洞室層狀圍巖周邊應(yīng)力示意圖

文獻(xiàn)1指出影響層狀、似層狀結(jié)構(gòu)巖體力學(xué)性質(zhì)各向異性的主導(dǎo)因素是層狀巖體的裂隙傾角、層數(shù)，尤其是裂隙傾角為巖體破壞提供了破壞弱面。在σ3為常數(shù)情況下，層狀巖體破壞的最大主應(yīng)力σ3與β的關(guān)系曲線如圖2所示。

當(dāng)層面與最小主應(yīng)力的夾角β在β1、β2之間時(shí)，巖體沿層面破壞，在兩點(diǎn)之外，巖體只能通過巖石發(fā)生破壞。最小值βL為層面的最不利位置，隨著位置的不同，巖體單元中最不利破壞層面的傾角也隨之變化，其破壞的最大主應(yīng)力也隨之變化。特別是在洞室開挖后，洞周一定范圍內(nèi)發(fā)生應(yīng)力分異現(xiàn)象，法向應(yīng)力降低，切向應(yīng)力升高。一般表現(xiàn)在頂拱和底板中部最大主應(yīng)力明顯升高，在洞壁處達(dá)到最大值。應(yīng)力集中，進(jìn)一步加快了圍巖的破壞。

圖2 最大主應(yīng)力和β關(guān)系曲線

分析可得，邊墻中部一定范圍內(nèi)，巖體單元A在最大主應(yīng)力的作用下，易發(fā)生順層滑移。對于順傾向側(cè)邊墻（A點(diǎn)）的巖體，順層滑動(dòng)可以直接導(dǎo)致巖塊向洞內(nèi)松動(dòng)、下滑。而對于反傾向側(cè)邊墻的巖體，巖體的順層滑動(dòng)由于受深部巖層的約束，巖體相對較穩(wěn)定，但當(dāng)存在一些不利結(jié)構(gòu)面組合型滑動(dòng)塊體時(shí)，邊墻層面底部巖塊先剝落，進(jìn)一步引起上部巖層向洞內(nèi)傾倒，發(fā)生彎折破壞。

對于頂拱部位的巖體，巖體單元最大主應(yīng)力和層面的夾角從90°變到0°。頂拱中央出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂拱兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，使得頂拱部位的受力也隨β變化而變化。根據(jù)層狀巖體穩(wěn)定性分析，拱部左側(cè)巖體最大主應(yīng)力與層面垂直，其破壞的可能性最小，只能發(fā)生剪斷破壞；拱部中央巖體易發(fā)生順層面滑動(dòng)，特別是拱部中央偏右的部位；拱部右側(cè)巖體，由于最大主應(yīng)力平行層面，極可能發(fā)生彎折破壞。

因此，從巖體受力情況分析，對于圖1中單個(gè)洞室來說，右側(cè)邊墻的穩(wěn)定性好于左側(cè)，左頂拱的穩(wěn)定性好于右側(cè)。

3.2 影響層狀巖體圍巖穩(wěn)定性的因素

a.泥化夾層的影響。在褶皺構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，巖層之間的錯(cuò)動(dòng)，使巖層中頁巖泥化。由于巖體裂隙發(fā)育，軟化頁巖在地下水的作用下，充填巖層裂隙，使得巖體內(nèi)部存在很多破碎裂隙面。大量的現(xiàn)場調(diào)研和工程地質(zhì)資料顯示，泥化夾層在水的作用下，在其內(nèi)部形成有一些特殊的光澤的光滑面[2]。在隧洞開挖的擾動(dòng)下，泥化夾層再一次受到剪切錯(cuò)動(dòng)，這種錯(cuò)動(dòng)進(jìn)一步提高了錯(cuò)動(dòng)破壞面粘粒的含量，并在浸入裂隙面地下水的作用下，形成光滑的裂隙面。巖塊在光滑裂隙面存在的前提下，先是發(fā)生掉塊，隨著圍巖應(yīng)力的釋放，隧洞局部變形，逐漸波及到整個(gè)洞面的坍塌或順層向滑移而形成大范圍坍塌。

b.地下水的影響。在隧洞開挖過程中，地下水是影響洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一。圍巖中賦存的地下水，既影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又影響圍巖的強(qiáng)度。在開挖爆破過程中，巖體中會(huì)形成新的裂隙面，不同結(jié)構(gòu)面中的地下水，通過新裂隙面形成一個(gè)整體，進(jìn)而圍巖結(jié)構(gòu)面中的孔隙水壓力也隨之增大，作用在結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力減小，因而降低巖體沿結(jié)構(gòu)面的抗滑強(qiáng)度。

地下水對軟弱夾層浸泡、軟化、沖蝕，對于一些特殊巖層會(huì)產(chǎn)生膨脹、崩解和溶解等。洞挖爆破使本因地質(zhì)擠壓作用密實(shí)的圍巖呈松散狀態(tài)，形成良好的滲水通道，進(jìn)而造成地下水對圍巖的滲透泥化作用，直接降低了巖體的強(qiáng)度，影響到圍巖的穩(wěn)定性。實(shí)際過程中，許多大型塌方都是由于地下水的存在，影響到圍巖體的整體穩(wěn)定性而坍塌。

轉(zhuǎn)眼初中畢業(yè)，林志進(jìn)了一所普高，紫云心里輕松了許多。她和水仙芝考上定遠(yuǎn)縣一中，碰巧又在一個(gè)班。心中有夢，她們都想拼一把。

c.地質(zhì)構(gòu)造的影響。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，薄層巖體形成裂隙發(fā)育分小褶曲，巖層相互錯(cuò)動(dòng)、相互擠壓，在地下水的作用下，軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，泥質(zhì)充填物過多，一經(jīng)開挖，潛在的應(yīng)力釋放，巖體承壓快，圍巖極易失穩(wěn)而坍塌。隧道穿過斷層及其破碎帶時(shí)，由于破碎帶中一般都是各種堆積體，結(jié)構(gòu)松散，顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差。開挖后，巖體中的充填物或膠結(jié)物被地下水帶走，使堆積體進(jìn)一步松散，進(jìn)而沿破碎帶剝落坍塌。

d.施工措施不當(dāng)。爆破過程中，炸藥爆炸釋放出大量能量對圍巖體做功，一方面以沖擊波形式作用于藥包圍巖的巖面上，使得巖體產(chǎn)生放射狀徑向裂隙，同時(shí)將炸藥周圍一定限度內(nèi)的巖石擊得粉碎；另一方面爆破產(chǎn)生的膨脹作用加劇了上述裂隙的擴(kuò)展，隨著氣體的擴(kuò)散，其溫度和壓力迅速下降，先前被強(qiáng)烈壓縮的巖石迅速卸荷，在藥包周圍產(chǎn)生一系列的環(huán)向裂隙縫。對具體的圍巖體，爆破作業(yè)的不當(dāng)，用藥量過多，往往會(huì)造成巖體中裂隙貫通過深，引起圍巖體的超挖或坍塌。施工方法選擇不當(dāng)，或工序安排不合理，各工序時(shí)間銜接拉得較長，地層暴露時(shí)間，圍巖風(fēng)化較快，先是局部圍巖掉塊，然后引起大型塌方。

4 引水隧洞開挖主要施工方案及措施

蓋下壩水電站引水隧洞洞身全長6561.95m，樁號引1+000.00～引6+537.15段洞身巖石經(jīng)初步劃分，Ⅱ類圍巖約占50%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占50%。其中Ⅱ類圍巖隧洞段開挖斷面為城門洞形，斷面尺寸為790cm×590cm；Ⅲ類圍巖段隧洞段開挖斷面為圓形，直徑為640cm；Ⅳ、Ⅴ類圍巖段隧洞段開挖斷面為圓形，直徑為760cm。

4.1 砂巖段隧洞開挖方式及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

Ⅱ、Ⅲ類圍巖隧洞采用全斷面開挖、Y28手風(fēng)鉆鉆孔、周邊光面爆破。出渣采用ZLC40裝載機(jī)配10t自卸汽車運(yùn)至碴場，圓形斷面預(yù)留1.2~1.5m厚斷面以后同檢底一起開挖。Ⅱ類圍巖設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺3.0m，光爆孔鉆孔深3.3m，崩落孔孔深3.3m，掏槽孔孔深3.5m，孔徑40mm，周邊孔孔距一般為40～50cm，采用斷面下半部楔形掏槽方式。平均每天2.0個(gè)循環(huán)，計(jì)劃月進(jìn)尺150m。

根據(jù)砂巖巖性和層狀巖層的受力分析，為確保洞室周邊光面爆破質(zhì)量和減少爆破對圍巖穩(wěn)定性的影響，對原有的爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。掏槽孔采用垂直楔形掏槽，周邊光爆孔采用小直徑藥卷底部加強(qiáng)不耦合裝藥，小藥卷每根截成三段，裝藥間距40cm，藥卷分布必須均勻。起爆網(wǎng)絡(luò)采用串、并聯(lián)連接方式，周邊孔采用導(dǎo)爆索串聯(lián)，其余孔采用并聯(lián)連接。爆破孔布置及網(wǎng)絡(luò)連接見圖3，單孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖4，主要爆破參數(shù)見表1、表2。

圖3 爆破孔布置圖

圖4 爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

4.2 砂巖段隧洞開挖光面爆破參數(shù)的調(diào)整

光面爆破孔孔距布置和裝藥量需根據(jù)開挖掌子面巖層產(chǎn)狀和洞軸線交角適當(dāng)?shù)厝≈嫡{(diào)整。一般層狀巖層中隧洞開挖后，掌子面巖層產(chǎn)狀呈現(xiàn)水平巖層、傾斜巖層、垂直巖層，如圖5所示。

對于水平巖層洞室開挖掌子面，如圖5（a）所示，左右邊墻相對穩(wěn)定，可以采用大孔距、大藥量的光面爆破孔參數(shù)；而頂拱部位特別是左右頂拱腰線部位應(yīng)力比較集中部位，采用小孔距、小藥量光面爆破參數(shù)，光爆鉆孔盡量布置在各巖層厚度中部。對于傾向巖層洞室開挖掌子面，如圖5（b）所示，右側(cè)邊墻的光面爆破孔孔距采用大孔距、大藥量，左側(cè)邊墻的光面爆破孔孔距采用小孔距、大藥量，右側(cè)頂拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、大藥量，左側(cè)頂拱的光面爆破孔孔距采用小孔距、小藥量。對于垂直巖層洞室開挖掌子面，如圖5（c）所示，左右邊墻中部位置的巖體在應(yīng)力釋放后易發(fā)生向洞內(nèi)彎折破壞，因此光面爆破易采用大孔距、小藥量參數(shù)，鉆孔可以布置在層面上，起到松動(dòng)巖層效果；頂拱部位的光面爆破主要是克服巖層橫向應(yīng)力，兩側(cè)頂拱部位腰線應(yīng)力也比較集中，施工過程中一定要注意兩側(cè)頂拱腰線的爆破孔距和裝藥量，易采用小孔距、小藥量爆破參數(shù)。

表1 砂巖段隧洞開挖主要爆破參數(shù)

表2 砂巖段隧洞開挖爆破主要技術(shù)參數(shù)

圖5 層狀巖層中隧洞開挖掌子面巖層產(chǎn)狀示意圖

蓋下壩水電站引水隧洞已開挖洞室段的掌子面多為緩傾角傾斜巖層，根據(jù)圍巖受力分析和巖層產(chǎn)狀，現(xiàn)場施工對洞室開挖光面爆破孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，見表3和圖6。另外，在周邊光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)上也進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對于頂拱孔采用小直徑藥卷，底部不加強(qiáng)裝藥，小藥卷每根截成三段均距布置；拱腰以下采用小直徑藥卷，底部加強(qiáng)不耦合裝藥，小藥卷每根截成三段均距布置；對于兩邊墻采用小直徑藥卷底部加強(qiáng)不耦合裝藥，小藥卷單根不截?cái)嗑嗖贾谩，F(xiàn)場施工實(shí)踐證明：通過圍巖受力分析進(jìn)行爆破參數(shù)調(diào)整和控制，所取得的洞室開挖斷面尺寸效果良好，如圖7所示，隧洞頂拱光面爆破殘孔率高，圍巖穩(wěn)定性較好；兩邊墻光面爆破孔殘孔率稍低，圍巖穩(wěn)定性仍較好；底板開挖尺寸控制良好，超挖量較小。

表3 緩傾斜巖層掌子面光面爆破孔主要參數(shù)調(diào)整

圖6 緩傾斜狀巖層掌子面光面爆破孔布置圖

4.3 砂巖段隧洞圍巖初期支護(hù)形式

根據(jù)隧洞開挖后巖體受力況分析，如圖5（a）所示，左右邊墻自穩(wěn)性相對較好，頂拱部位較差，需調(diào)整頂拱部位的錨桿間距，增加部分隨機(jī)錨桿；如圖5（b）所示，需在穩(wěn)定性較差的左側(cè)邊墻和右側(cè)頂拱進(jìn)行錨桿間距調(diào)整，增加部分隨機(jī)錨桿；如圖5（c）所示，左右邊墻中部位置需布置錨桿，錨桿應(yīng)采用帶托盤的錨桿，左右邊頂拱易增加與巖層層面夾角較大隨機(jī)錨桿，加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。現(xiàn)場施工實(shí)踐證明：根據(jù)具體的隧洞開挖后巖體受力分析，適當(dāng)調(diào)整錨桿的支護(hù)方案，有利于洞室的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

圖7 光面爆破效果

砂巖段隧洞開挖是我國西部大開發(fā)各項(xiàng)大型工程建設(shè)中常見的工程實(shí)例，如何解決砂泥巖層狀巖層中洞室開挖圍巖穩(wěn)定性，也是近年來國內(nèi)許多學(xué)者研究課題之一。蓋下壩水電站引水隧洞施工中，較好地利用層狀巖層中洞室開挖后圍巖應(yīng)力分布狀況，適當(dāng)調(diào)整隧洞開挖爆破參數(shù)和圍巖支護(hù)方式，減少爆破施工對圍巖穩(wěn)定性的影響程度，加強(qiáng)洞室開挖后支護(hù)措施，確保圍巖穩(wěn)定性和工程的快速施工，取得了良好效果。

1 曾紀(jì)全,邵小曼.巖體力學(xué)各向異性試驗(yàn)研究.水電工程研究.2001（2）:p8-20.

2 唐良琴,聶德新,任光明.軟弱夾層粘粒含量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系分析.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2003,14(2):p56-60.

3 王思敬,楊志法,劉竹華.地下工程巖體穩(wěn)定分析.北京：科學(xué)出版社，1984.