深埋軟巖水工隧洞開挖支護設計及工程對策

王才品，周 勇，魏 樺，李曉峰

（1.霍山縣水務局，安徽 霍山，237200；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122；3.2510工程建設指揮部，北京，100000）

0 引言

近年來，我國西部水電開發和南水北調工程建設加速，大量深埋水工隧洞工程先后開工建設。但隨著隧洞埋深的不斷增加，地質環境越來越復雜，相應的工程災害也日趨頻繁，較為常見的如硬巖巖爆、軟弱圍巖大變形及流變、巖溶突水等，這些都對深埋隧洞的圍巖穩定性造成了很大威脅[1]。其中，深埋軟巖水工隧洞工程因賦存高應力條件、軟巖本身的低強度和塑性大變形產生了巨大的圍巖壓力，施工期通常表現為圍巖擠壓變形、自穩能力差、流變特性顯著、甚至發生坍塌破壞等工程現象，易造成施工進度拖延及安全隱患。在運行期，由于水工隧洞運行環境的特殊性，圍巖還將受軟巖流變效應、長期浸水軟化效應、內外水壓力作用等多種因素的綜合作用，影響其正常運行及長期穩定性。目前，國內外學者對深埋軟弱圍巖的公路、鐵路隧道均進行了廣泛研究[2-7]，但專門針對深埋軟巖水工隧洞的研究成果較少。

深埋軟巖隧道圍巖大變形是一種常見的、危害極大的施工地質災害[3]。軟弱圍巖開挖會產生具有累進性擴展和時間效應的塑性變形，基本特點是變形量大、變形持續時間長、掌子面前后方變形影響范圍大、變形速度快[5]。由于常規支護難以抑制該類變形，給施工處理帶來了極大困難，處理不當將造成塌方、侵限等，進而造成施工機具損毀、襯砌開裂、工期延誤、施工成本增加等問題[3]。因此，深埋軟巖隧洞開挖支護設計對圍巖穩定性與結構安全性非常關鍵，需要充分考慮工程圍巖和支護結構的短期和長期穩定性。李磊[6]通過研究千枚巖隧道的擠壓性大變形機理，提出了考慮時空效應的多層支護分析方法與控制技術，為軟弱圍巖隧道的設計與施工提供了技術支撐。沙鵬等[8]深入分析了新建蘭渝鐵路多座長大深埋隧道層片狀圍巖的大變形破壞機制，認為高地應力條件和層片狀結構的各向異性特征誘發了圍巖的不對稱擠出變形，并提出了一種針對層片狀巖體擾動各向異性的定向主動支護措施。張傳慶等[9]通過分析深埋綠泥石片巖隧洞圍巖變形特征，建立了基于多變形指標圍巖穩定控制方法，發展了當前規范中提出的圍巖收斂變形控制標準，可作為深埋軟巖隧洞穩定性調控的主要手段之一。

另一方面，大量工程實踐表明，典型的深埋軟巖諸如片巖、泥巖、砂板巖、千枚巖等，通常具有明顯的層狀或各向異性特征，將導致隧洞圍巖出現非均勻、不對稱擠出變形，進而會影響支護結構的聯合承載機制及穩定性。巖石層理、片理、夾層和定向裂隙系統導致了巖體各向異性，如何準確描述該特性一直是巖土力學研究的難題。許多研究者針對巖體各向異性進行了各類理論和試驗的深入研究工作，Jaeger[10]基于摩爾庫倫準則發展了單弱面強度理論，為研究固有不連續面對巖體強度的影響提供了有益的起點，Tien Y M[11]、Duveau G[12]等人對此進行了有益的修正。Hoek等[13]通過對片頁巖、板巖和砂巖變角度的單軸、三軸室內加載試驗，獲得了各類巖體在不同弱面加載角、不同圍巖下的強度各向異性特性試驗曲線。張曉平[14]和單治鋼[15]等通過開展二云英片巖單軸壓縮小尺度試驗研究，得出片巖單軸壓縮條件下的裂紋擴展過程及強度存在顯著各向異性。張春生等[16]利用三維數碼攝像技術，現場采集并精細統計了石英云母片巖巖體結構的空間展布特征，并將該特征準確還原于數值模型中，用于開展不同尺寸、不同結構組成的各向異性特征研究。

綜上所述，深埋軟巖隧洞的開挖施工難度極大，軟巖的擠壓變形機理及控制技術復雜，而水工隧洞的特殊運行環境又帶來了更大的不確定性，其開挖支護設計必須充分考慮圍巖支護結構體系在施工及運行階段的整體安全性和穩定性。

依托某水電站深埋軟巖水工隧洞工程，針對其面臨的高地應力、低強度、片巖各向異性及擠壓大變形等問題，結合工程經驗、試驗研究、現場監測、數值仿真等手段，提出了針對性的開挖支護方案與控制對策，將作為工程建設的重要依據。

1 工程概況

某水電站位于四川省大渡河干流，廠壩間采用長約17.4 km 的兩條長引水隧洞連接，隧洞直徑約14 m。地質勘察資料顯示，引水隧洞尾端的賦存環境十分復雜，成洞問題較突出，為強度偏弱的石英云母片巖夾少量云母石英片巖、變粒巖洞段，累計長度約2.8 km，約占隧洞總長的17%。實測地應力表明，引水隧洞沿線普遍地應力量級達17～31 MPa，其中深埋段達30 MPa以上，屬高地應力條件。

圖1 根據現場長探洞揭示的巖性、地應力條件，將隧洞末端分成三個區段（A段、B段、C段），其中引水隧洞A段地層（石英云母片巖），最大埋深約1 200 m，巖石天然抗壓強度15～30 MPa，飽和抗壓強度10～25 MPa，軟化系數0.5～0.56，屬于典型的深埋軟巖。巖層總體產狀為N45°～60°W，NE∠45°～85°，其巖體力學強度較低，具有明顯各向異性特征，巖體質量以Ⅲ、Ⅳ類為主，局部V類。以下主要針對A段的巖體工程條件展開分析。

圖1 引水隧洞末端沿線地層巖性分區Fig.1 Stratigraphic lithology along the end of diversion tunnel

2 深埋軟巖隧洞開挖支護設計與工程對策

深埋軟巖的低強度和高地應力環境會導致隧洞開挖后出現擠壓變形問題，不同的擠壓變形程度對應不同的支護方案。應該說，到目前為止有關深埋軟巖隧洞的實踐，已積累了比較豐富的工程經驗，也有相關的解析理論公式，可幫助進行各種工程環境下深埋軟巖隧洞的設計，但對具體的工程還需針對性開展分析研究。

2.1 軟巖各向異性與隧洞布置

片理作為石英云母片巖中最普遍的結構面，是導致片巖各向異性宏觀特征的主要原因。大量的室內物理力學性試驗、現場原位試驗研究及數值試驗研究[16]均表明，在不同片理方向加載時的巖體強度及變形模量均存在較大的差異，該類片巖的變形及強度各向異性突出。圖2 為采用室內試驗與數值模擬獲得的片巖強度各向異性特征。

圖2 片巖的強度各向異性特征Fig.2 Characteristics of strength anisotropy of schist

由于石英云母片巖的各向異性特性明顯，優勢片理面與洞軸線的交切關系將會對隧洞不同部位的圍巖變形失穩模式及穩定性產生程度各異的影響[17]，這將直接影響隧洞的軸線布置方案。針對這一問題，現場開展了補充論證，在CPD1勘探洞深埋軟巖洞段，因CPD1平洞軸線（N8°W）與優勢片理面呈大角度相交，主洞內的破壞現象并不明顯；而鄰近的K1720 支洞（軸線走向N53°W）順著片理走向開挖，洞壁出現了明顯的片理彎折破壞與鼓脹松弛變形現象，見圖3。對比探洞內存在鮮明差異的巖體開挖響應特征，表明片理各向異性對隧洞圍巖穩定的影響具有明顯的方向性。

圖3 CPD1平洞K1725支洞邊墻應力松弛Fig.3 Stress relaxation of side wall in K1725 branch of CPD1 adit

結合上述認識，深埋軟巖隧洞布置方案的優化設計，一方面需考察洞軸線與初始地應力場的空間關系，另外則需重點分析洞軸線與優勢片理面的有利交切關系。由于深埋段的地應力場以水平構造應力為主，第一、第二主應力量值基本相當（分別達23～24 MPa 和27～31 MPa），且均近水平向，因此無論引水隧洞的軸線如何選擇，均難以避開高應力軟巖擠壓作用的影響。圖4 為采用數值計算獲得的不同洞軸線方案下，隧洞開挖后的圍巖位移場分布對比情況。其中方案A 的洞軸線走向N4°W，與片理面斜交，最終的變形及穩定問題相對不突出，較好地規避了片巖各向異性及不均勻地應力場帶來的不利影響，可以作為引水隧洞軸線布置的最終推薦方案。

圖4 不同洞軸線方案下隧洞開挖后圍巖位移場分布Fig.4 Displacement field after tunnel excavation in different schemes

此外，由于深埋軟巖洞段面臨地應力偏高、斷面應力比偏大、強度應力比偏低等不利初始應力環境，洞軸線的優化設計并不能完全消除圍巖擠壓大變形問題，在工程設計和實際開挖施工時應提供足夠的支護壓力以維持軟巖隧洞的圍巖穩定。

2.2 圍巖變形控制標準討論

深埋軟巖隧洞工程中，圍巖擠壓變形問題相對顯著，如果軟弱圍巖的變形得不到有效控制，變形即會出現不收斂現象。通常，不收斂變形是圍巖變形量累計到一定程度的結果，這就需要預先制定“圍巖變形控制標準”，即要求通過合理的優化開挖支護設計，將圍巖總變形量控制在發生失穩變形之前。

由于變形是地下工程開挖后最基本的圍巖響應方式，目前工程上多以圍巖“收斂應變率”建立相匹配的穩定控制標準，并已得到了廣泛的工程應用和驗證。“收斂應變率”指隧洞圍巖收斂變形量與開挖直徑之比（或變形量與半徑之比），一般地，根據收斂應變率的大小可經驗判斷隧洞圍巖的穩定特性。

Hoek 等[7]人根據實例統計將軟巖隧洞按其擠壓變形特征分成5種典型類別或等級，見表1，不同的擠壓變形等級對應不同的支護理念。比如，收斂應變為1%～2.5%的輕微擠壓變形隧洞，可采取系統噴錨支護為主的加固措施來控制圍巖變形及穩定；對非常嚴重的擠壓變形隧洞，除需對掌子面采取超前支護、系統噴層和錨桿施作應緊跟掌子面外，還應采用埋置鋼構架或可伸縮型鋼拱架等強力加固措施，以規避圍巖大變形侵陷或失穩問題。另外，對小洞徑的軟巖隧洞，在遇到嚴重擠壓變形情況下，也可以采用封閉成環的剛性混凝土襯砌以提供強大的剛性支護力。Hoek等人提出的圍巖變形收斂應變與支護類型之間相互匹配的對照表，可用于此類地下工程的初步支護設計，這也給軟巖隧洞的變形控制標準的擬定提供了可資借鑒的依據。

表1 圍巖收斂應變與支護類型的關系[7]Table 1 Relationship between convergence strain of surrounding rock and support type

GB 50086-2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》[18]也給出了針對不同埋深條件的隧洞允許位移相對值（表2），等同于隧洞收斂應變率。規范對埋深超過300 m的水工隧洞，Ⅲ類圍巖允許收斂應變范圍是0.40%～1.20%，Ⅳ類圍巖允許收斂應變范圍是0.80%～2.00%，塑性圍巖取表中較大值。但軟巖洞段的埋深普遍在600～1 200 m，遠超規范中界定的300 m埋深范疇，且引水隧洞的直徑也達到了14 m，該規范已不再適用。結合工程實際條件，應在該表的基礎上適度放寬圍巖收斂應變的控制標準。

表2 隧洞周邊允許位移相對值[18]Table 2 Relative allowable displacement around the tunnel

圖5 深埋軟巖試驗洞開挖變形過程及流變特征Fig.5 Deformation process and rheological characteristics of pilot deep-buried soft rock tunnel during excavation

2.3 隧洞系統支護設計

深埋軟巖問題有其特殊性，軟巖隧洞的支護設計應重點把控支護時機與支護剛度的選擇，如新奧法[19]提出的“支護不能太早，不能太晚，不能太剛，不能太柔”，見圖6。深埋軟巖本身的低強度和大變形產生了巨大的圍巖壓力，出于安全經濟上的考慮，長期實踐經驗表明，能適應此類圍巖變形特性又不失控制變形能力的支護系統才能起到明顯的支護加固效果，即柔性支護系統。柔性支護系統可以提供持續有效的支護力，一方面保護了圍巖完整性，并可維持較好的應力狀態，增強圍巖的整體變形能力；另一方面，在協調變形過程中也適量釋放了圍巖變形能，有效降低圍巖壓力。

圖6 新奧法的基本原則之一［19］Fig.6 One basic principle of NATM

深埋軟巖水工隧洞支護設計的關鍵是確保水工隧洞結構的施工安全與長期穩定，并注重設計方案的經濟合理可行，這就需要充分利用現代圍巖壓力理論與現代支護原理加以開展。在工程可行性研究階段，依托長期實踐積累的豐富工程經驗，秉承圍巖是隧洞承載和防滲的主體的設計理念，通過開展大量的科研試驗工作，對軟巖隧洞設計方案進行優化，制定了針對性的噴錨支護、混凝土襯砌、圍巖灌漿等方案，其中深埋軟巖段的系統噴錨支護措施以“系統錨桿+噴層+鋼拱架”為主。

具體的，軟巖水工隧洞的支護體系主要包括系統噴錨支護和混凝土襯砌結構兩大部分。施工期圍巖穩定主要依靠噴錨支護及圍巖自承載能力，隧洞開挖后，先實施一期支護，包括系統錨桿、掛網、噴層、鋼拱架等。其中，當掌子面穩定性較差時（如受優勢片理不利交切關系影響）或圍巖擠壓變形問題突出時，應進行超前支護和緊跟掌子面的臨時支護，并需充分保證初期支護的及時性和支護強度。而混凝土襯砌結構作為水工隧洞永久支護的必要手段，一般需要待圍巖變形基本結束之后再施作。這樣在運行期，圍巖、系統支護和襯砌結構能夠聯合承載，還可依靠系統固結灌漿，提高圍巖承載能力和防滲能力。另外，由于深埋軟巖隧洞開挖變形具有較強時效特性，支護時機的擬定也同樣關鍵，應盡可能使圍巖與支護的變形協調發展，并在安全裕度足夠的前提下最大程度發揮支護體系的加固效果，以此提升設計方案的可靠性和經濟性。

除了以上基本支護設計外，在遇到非常嚴重和極其嚴重的擠壓變形情況下，為匹配圍巖收斂變形的時效性特點，還需嚴格采用“逐次施加、先柔后剛、多步控制”的漸進支護方式。支護措施隨著掌子面推進，逐步由柔性變為剛性構件，并以多重支護體系來共同實現對圍巖擠壓大變形的有效控制，此設計思路也適用于同類工程。具體可以采取如下策略：

（1）施加高強度、具有良好延展性的錨桿或錨索支護系統，必要時采用可伸縮式鋼拱架。加強錨桿材質的延性特征，使其達到峰值強度以后具備同等程度承載力的同時，仍然有能力承擔圍巖變形。

（2）調整錨桿安裝時機和預張拉水平，使用能夠抵抗大變形的屈服性錨桿或錨索。適當延后永久支護的安裝時間，在早期相對快速的變形發生以后再安裝系統支護，使系統支護主要起到控制大變形發展速度和維持圍巖長期穩定性的作用。

（3）使用可調式錨索，即安裝后若錨索應力偏低，可以進行二次張拉提高錨固力，錨索應力接近設計允許值時，可以放松錨索降低其受力水平。可調式錨索已經在國外一些工程中使用，與普通錨索在設備和施工技術要求上基本沒有差別，僅需要在工藝上進行適當改造，工程應用具有可行性。

（4）掌握各種支護結構聯合作用機理，調節各支護結構的施作時間，使錨桿、錨索、金屬網、混凝土噴層和鋼拱架等支護措施充分發揮協同作用來維持圍巖和結構的長期穩定性。

（5）面對軟巖擠壓問題，噴層的厚度、強度和施作時機均是關鍵，有必要時需分層多次噴射。有條件可采用鋼纖維混凝土噴層或納米混凝土噴層。

2.4 隧洞爆破開挖設計

深埋軟巖隧洞的施工爆破開挖一般應遵循“弱爆破、短進尺、早噴錨、強支護、緊封閉成拱”的基本原則，并加強超前地質預報與動態監測反饋等，以實現對施工全過程的有效管控。

2.4.1 分層分幅分序開挖

針對深埋軟巖大斷面水工隧洞，建議采用分層分幅分序的開挖方案。包括隧洞分上下層開挖，在上層開挖時采用導洞、分幅開挖，在進尺方向上視情況分序開挖，并綜合擬定三維層次化開挖支護方案，以盡量降低開挖擾動對圍巖的不利影響，為系統噴錨支護和鋼支撐施作提供合理可行的時間及空間，并在確保施工安全與圍巖穩定的前提下注重建設效率的提升。同時，掌子面受軟巖各向異性及高地應力的影響突出，存在不均勻擠壓變形風險，需嚴格限制每個循環的開挖進尺，根據類似工程經驗，建議最大進尺不宜超過2 m。此外，對局部洞段圍巖自穩能力差、極易掉塊或坍塌部位，建議進行適當超前支護，比如深孔注漿、長大管棚、超前錨桿等，并在開挖面形成后立即進行混凝土噴護或初期噴錨支護，以延長圍巖自穩持時。

2.4.2 優化爆破設計參數

受制于片狀巖體的特殊巖體結構效應，片巖隧洞在開挖過程中的爆破振動作用機理與常規巖體會有較大差異，其破巖過程因存在優勢方向，將直接影響最終開挖成型效果。因此，要求施工承包人在施工過程中充分依據設計文件、地質情況、爆破材料性能及鉆孔機械等條件進行精細化爆破設計，并通過積極開展現場爆破振動測試確定合理的爆破參數，嚴格控制裝藥量和單響藥量，以防止過大的振動對圍巖的不良影響。鑒于工程問題的復雜性，還需通過不斷積累總結經驗，調整優化爆破參數或改善施工方法。

2.5 施工地質預報與安全反饋分析

2.5.1 現場施工地質預測預報

隧洞開挖在穿越斷層、軟弱帶等不利地質條件洞段時，容易出現較大規模松弛或塌落現象。現場應加強地質跟蹤及預測預報工作，充分利用前期地質勘探資料及施工期超前物探與現場開挖揭示的地質信息，對隧洞掌子面前方可能出現的不良水文及工程地質問題，及早預警預報，以便及時采取恰當的施工程序及支護措施，以抑制不良地段圍巖發生大變形甚至塌方等工程安全風險。考慮到深埋軟巖隧洞的開挖施工難度極大，應充分發揮地質及設計人員在復雜地下工程建設中的主觀能動性。

2.5.2 施工期監測反饋分析及動態優化設計

深埋軟巖隧洞開挖穩定問題有其復雜性和不確定性，建議開展全過程的實時監測反饋分析及動態開挖支護優化設計工作。在施工階段，應注重現場安全監測和檢測工作，及時復核各洞段圍巖分類、水文地質條件、地應力場及物理力學參數，以典型監測斷面為例，重點研究施工開挖、圍巖變形、支護結構受力三者之間的信息傳遞與時空響應機制，精準地預測分析圍巖及支護結構的穩定性特征，動態調整優化開挖支護的具體方案和實施時機，以達到深埋隧洞建設圍巖穩定、安全快速施工、經濟合理的目的。

3 結語

深埋軟巖工程問題需從軟巖力學特性、隧洞方案布置、系統支護設計、爆破開挖控制、施工地質工作、超前地質預報、安全監測預警與動態反饋分析等方面采取一系列的應對措施，來保證工程的安全高效施工和圍巖穩定。依托某深埋軟巖水工隧洞，主要認識有：

（1）深埋軟質片巖的各向異性突出，優勢片理面對軟巖隧洞圍巖穩定的影響具有明顯的方向性。經綜合分析，推薦洞軸線走向為N4°W，與片理面斜交，可較好規避片巖各向異性的不利影響。

（2）深埋軟巖隧洞工程環境復雜、各向異性突出、擠壓變形明顯，建議采用3%～5%的收斂應變率作為圍巖變形控制標準，以確保圍巖開挖后不發生顯著失穩破壞與侵陷問題。當圍巖質量較好時，控制標準應更為嚴格。

（3）深埋軟巖水工隧洞支護設計秉承圍巖是隧洞承載和防滲的主體的設計理念，但在面臨突出擠壓變形問題時，需嚴格采用“逐次施加、先柔后剛、多步控制”的漸進支護方式進行圍巖穩定調控，以達到安全經濟合理的目的。在施工期，圍巖穩定主要依靠噴錨支護及圍巖自承載能力，運行期則依靠隧洞圍巖、系統支護和襯砌結構聯合承載。