復雜蝕變巖體隧洞施工特性及安全措施探討

范慶龍，聶 亮，吳少儒，李聯書，殷 滋，燕俊松

（1.四川華能瀘定水電有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學，四川 成都 610059）

0 前 言

成巖后期，巖石受構造、熱液等次生作用改造，礦物組成及結構構造發生改變的過程稱為蝕變，所形成的巖石，稱為蝕變巖。在地質條件復雜地區，尤其是在古老的巖漿巖、變質巖巖體中建設大壩、隧洞工程時，常常會遭遇此類巖石［1-5］。蝕變巖的工程性質具有較大的不確定性，其受控于原巖巖性、蝕變類型、程度等多個因素，盡管少部分蝕變對于巖石的工程性質具有強化作用，但更多的是引起巖石工程性質的劣化［6］，例如滇藏鐵路西北段基性-超基性巖帶中發育的蒙脫石化蝕變［7］；天池抽水蓄能電站混合片麻巖和混合花崗巖中發育的黏土化、云母富集化蝕變［8］；孟底溝水電站花崗閃長巖中發育的黏土化蝕變［6］；大崗山水電站輝綠巖脈的綠泥石化蝕變等［9］。這些蝕變巖大多具有松散、破碎、軟弱等特征，且由于含有親水性黏土礦物，宏觀上可表現出較強的遇水軟化性、膨脹性和崩解性，構成了巖體中相對薄弱的環節，嚴重制約著大壩、隧道工程的建設［1］。

巖體蝕變是硬梁包水電站引水隧洞建設過程中面臨的主要工程地質問題之一，所遭遇的蝕變巖類型復雜、分布廣泛，尤其是與輝綠巖脈斷層伴生的構造蝕變帶和高嶺土化蝕變花崗巖，性狀軟弱，圍巖穩定性差。鑒于目前國內外對蝕變巖工程性質研究尚不充分，且缺乏在蝕變巖體中開挖大跨度隧道的經驗，塌方、大變形等變形破壞事件時有發生，嚴重威脅隧洞施工安全。本文基于現場調研，結合室內巖礦測試、統計分析等手段，總結工程區蝕變巖類型及發育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規律，并提出應對措施，對于保證隧洞施工安全具有指導意義。

1 工程概況

硬梁包水電站位于四川省甘孜州瀘定縣冷磧鎮境內，是大渡河流域第13級梯級電站，采用低閘長引水式開發，由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐等建筑物組成，總裝機容量111.6萬kW。其中引水隧洞布置于大渡河左岸，由兩條平行排列的長約14 km，洞徑為13.5 m的圓形隧洞構成，平均埋深500～600 m。引水隧洞沿線共布置7個施工支洞，均采用城門洞形斷面，跨度8 m，高7 m。

工程區地處川西“Y”字型構造結合部位，構造背景異常復雜。引水隧洞穿越前震旦系澄江期康定雜巖，主要巖性為混合質花崗巖、閃長巖等，并伴隨大量海西期侵入的輝綠巖脈穿插［8-9］。巖脈大多為NE至近EW走向，SN向也有發育，陡傾角產出為主，寬度多在0.3～2 m之間，長度多為數米至數十米。受多期次構造-巖漿（熱液）活動影響，工程區巖漿巖體普遍不同程度遭受“內傷”，即發生蝕變，尤其是輝綠巖脈的構造蝕變和花崗巖的高嶺土化蝕變，嚴重弱化巖體力學性質，對洞室圍巖穩定十分不利，嚴重威脅隧洞施工安全。

2 蝕變巖特征

基于詳細現場調研，結合薄片鑒定、X衍射等巖礦測試手段，將工程區蝕變類型劃分為：輝綠巖構造蝕變、花崗巖高嶺土化蝕變、鉀長石化蝕變以及綠泥石、綠簾石化面蝕變。

2.1 輝綠巖構造蝕變

工程區輝綠巖脈在經歷了多期次構造-熱事件后，普遍不同程度蝕變，一方面宏觀和微觀結構發生明顯改變，另一方面所含輝石、角閃石等暗色礦物分解為綠泥石。根據構造變形、礦物變質程度強弱，將蝕變輝綠巖劃分為碎裂化輝綠巖、碎塊狀輝綠巖、角礫狀輝綠巖、片理化和泥化輝綠巖，主要特征及工程性狀見表1，發育規律總結如下：

表1 構造蝕變輝綠巖特征及主要工程性狀

（1）受巖脈原始產狀控制，構造蝕變輝綠巖在空間上呈帶狀展布，以NE、NEE和近EW向陡傾角發育為主，近SN、NW向也有發育。

（2）巖脈構造蝕變帶寬度多在50 cm以下，且隨著寬度增大，頻數減小，最寬可達5 m。寬度小于1 m者多片理化、泥化蝕變，寬度較大者多角礫狀，碎塊狀蝕變。蝕變程度隨巖脈寬度增大而減弱。

（3）輝綠巖脈構造蝕變帶的發育密度及蝕變程度具有空間不均性，在2號施工支洞附近，發育密度達到7.8條/百米，且多為片理化、泥化蝕變，而在4號施工支洞附近，發育密度僅為0.27條/百米，且多為碎塊狀、碎裂化蝕變，這可能與巖脈侵入期及構造蝕變期巖漿、構造活動空間差異有關。

（4）單條巖脈內構造蝕變往往不均勻，與圍巖接觸部位蝕變較強，可形成片理化、泥化帶，向巖脈中心蝕變程度減弱，可呈現角礫狀甚至碎塊狀。蝕變一般局限于巖脈內，對混合質花崗巖圍巖影響相對較小，因而往往形成局部軟弱單元。

2.2 花崗巖高嶺土化蝕變

高嶺土化蝕變是花崗巖等長英質巖石中常見的蝕變類型［6］，其消耗巖石中的長石，生成黏土礦物高嶺石，同時破壞巖石結構，使礦物顆粒間失去連接，因而對巖石工程性狀影響極大。工程區高嶺土化蝕變花崗巖主要發育在大型泥化輝綠巖構造帶旁側，或夾持與兩條平行的構造帶之間，或處于多條構造帶交匯部位。產出特征表明其成因與構造變形相關，而非簡單的熱液蝕變。

高嶺土化蝕變花崗巖具散體結構，強度極低，變形性強，遇水后崩解呈砂土狀。X衍射結果顯示，蝕變巖中高嶺土含量僅10%～14%左右，因此微觀結構的破壞是導致巖石工程性質劣化的主要原因。高嶺土化蝕變花崗巖圍巖自穩能力極差，施工過程中多次發生塌方、大變形災害。

2.3 鉀長石化蝕變

鉀長石化是工程區混合質花崗巖中常見的一種蝕變類型，蝕變巖呈微紅色-肉紅色。鉀長石化蝕變多沿節理裂隙或斷層發育，沿節理裂隙熱液侵入量小，鉀長石化蝕變程度弱，影響范圍小，多形成厘米級寬的細脈狀蝕變條帶；沿斷層熱液侵入量大，鉀長石化蝕變強度大，影響范圍大，一般可形成數十厘米寬的蝕變條帶。由于鉀長石同樣為花崗巖主要造巖礦物之一，蝕變對巖石微結構影響較小，故此類蝕變巖工程性狀與原巖相近。

2.4 綠泥石、綠簾石面蝕變

低溫熱液蝕變礦物如黏土、方解石、石英、綠簾石等沿裂隙充填或附著于裂隙面上，稱為面蝕變，其主要影響巖體結構面的剪切強度和剛度。工程區常見的面蝕變類型為綠泥石化和綠簾石化蝕變，二者分別使裂隙面呈現暗綠色和黃綠色，現場極易分別。綠泥石為黏土礦物，遇水軟化，極大地弱化了結構面剪切強度，易使巖體沿結構面發生剪切破壞，從而形成塌方；而綠簾石非軟弱礦物，其莫氏硬度與長石相當，一般對結構面強度無影響，甚至有所加強，僅當具有定向性時，易沿該方向剪切錯動［8］。

3 隧洞施工安全問題分析

片理化、泥化及部分角礫狀輝綠巖，具散體結構，工程性狀軟弱，極易失穩破壞形成塌方；高嶺土化花崗巖顆粒間連接松散，變形性強、強度低，開挖后易產生大變形；綠泥石化面蝕變極大地弱化了巖體結構面強度，當洞頂或邊墻存在不利裂隙組合時，巖體易在重力作用下垮落。上述變形破壞事件在硬梁包水電站引水隧洞開挖過程中屢次發生，對施工安全構成極大威脅。

3.1 塌 方

3.1.1 塌方規律

塌方是隧洞建設過程中的主要災害之一，不僅給隧洞施工帶來巨大困難，延誤工期，耗費資金，而且留有后患，成為未來隧洞出現病害的主要根源［11］。根據塌方原因及形態，可將塌方分為局部塌方、拱形塌方和異形塌方［11］，其中局部塌方是指由塊體組合形成的掉塊或塌方，規模一般較小；拱形塌方是指發生在碎塊巖體中的塌方，規模較大，呈拱形；異形塌方是指由于特殊地質條件，如溶洞、陷穴，蝕變帶等造成的塌方，形態不規則。根據《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014），塌腔高度小于3 m屬小型塌方；塌腔高度3～6 m屬中型塌方；塌腔高度大于6 m屬大型塌方［12］。

共統計塌方事件139起，其中局部塌方97起，異形塌方42起，無拱形塌方發生。局部塌方中，小型塌方95起，占總數的98%，中型塌方2起，占總數的2%，無大型塌方，塌方體積一般在70 m3以下，最大達337.96 m3，其中25起與綠泥石化面蝕變有關，可見綠泥石化面蝕變是形成局部塌方的重要原因。異形塌方中，小型塌方27起，占總數的64.3%，中型塌方13起，占總數的31%，大型塌方2起，占總數的4.7%，塌方體積一般在160 m3以下，最大達344.59 m3，其中38起與輝綠巖構造蝕變帶有關，4起與高嶺土化蝕變花崗巖有關，可見輝綠巖脈構造蝕變帶是引起異形塌方的主要原因。異形塌方較局部塌方規模更大，處理難度大，危害性更強。

如圖1所示，隨著蝕變帶寬度增加，塌方高度和塌方體積均具增大趨勢，F檢驗表明，蝕變帶寬度與塌方高度、塌方體積具有顯著正相關。能夠引起塌方的臨界蝕變帶寬度為40 cm，意味著寬度小于40 cm的構造蝕變帶對圍巖穩定影響有限；引起中型塌方的臨界蝕變帶寬度為80 cm，而當蝕變帶寬度大于1.5 m時可引起大型塌方。圖2顯示輝綠巖脈構造蝕變帶性狀對異形塌方的影響，可以看出，77%的塌方形成于角礫狀、片理化、泥化輝綠巖中，17%的塌方形成于碎塊狀輝綠巖中，另有10%的塌方形成于高嶺土化蝕變花崗巖中，碎裂化輝綠巖未引起塌方，可見蝕變程度越強，巖體性狀越差，越易產生塌方。統計表明，85.7%的異形塌方發生在有水條件下，因此地下水是弱化巖體力學參數，誘發塌方的重要因素。

圖1 輝綠巖脈構造蝕變帶寬度與異形塌方參數的關系

圖2 輝綠巖脈構造蝕變帶性狀對異形塌方的影響

3.1.2 典型塌方案例分析

2020年7月22日22時10分，1號引水隧洞樁號K2+878 m掌子面爆破，爆破后揭露寬大輝綠巖脈構造蝕變帶，產狀N75°E/NW∠65°，寬約2.4 m。帶內巖體呈角礫狀，自穩能力差，地下水較豐富。次日2時55分陸續對掌子面噴混凝土、施工隨機錨桿、掛網、架設鋼支撐等，7月24日10時30分掌子面開始出現小范圍坍塌，隨即對掌子面噴鋼纖維混凝土進行封閉，穩定后再掛鋼筋、架設鋼支撐，由于巖體極不穩定，加上巖層裂隙水不斷滲漏加劇了巖體的失穩和塌落，在進行支護過程中多次出現小范圍掉塊、掉渣等現象，至8月1日凌晨掌子面再次出現掉渣、掉塊現象，噴射鋼纖維混凝土已無法穩定掌子面，已致拱頂塌方范圍持續增大形成臨空自由面，導致塌方連鎖反應形成較大空腔，至8月1日13時50分塌方部位掌子面已全部被覆蓋，為保證施工安全，人員設備撤離至安全區域。結合現場初步推算塌方體方量約為300 m3。塌方后，參建四方決定采取塌方體反壓、坍塌巖渣注漿固結、泵送C20混凝土回填空腔、小導管注漿加固圍巖等措施進行處理，前后共耗時45天。

蝕變帶寬度較大加之工程性狀軟弱是導致塌方的內在原因。該部位本身為Ⅳ類圍巖，由于采用小導管進行了超前支護，蝕變帶在揭露后尚能自穩一段時間，掛網、初噴后直至第三日才開始出現小范圍坍塌。蝕變帶主要由角礫巖構成，屬導水構造，導致該部位地下水較發育，但初噴封閉后未布設排水孔，致使孔隙水壓力在蝕變帶內不斷積累，降低了巖體間的有效應力，弱化了巖體強度，并最終導致了失穩破壞。

3.2 大變形

圍巖擠壓大變形是高嶺土化蝕變巖洞段面臨的主要災害之一。工程區隧洞所處部位地應力較高，加之高嶺土化蝕變花崗巖性狀軟弱，開挖后易在應力重分布作用下產生大變形，造成拱頂下沉、噴混開裂、底鼓等，嚴重威脅施工安全，并導致初期支護結構侵限，影響工程后期使用。

以6號施工支洞樁號K0+930 m～K0+970 m段為例，該段圍巖為高嶺土化蝕變花崗巖，等級為Ⅴ類。除采用上下臺階開挖、雙層小導管（Φ42 mm，L=4.5 m）注漿預固結外，原初期支護方案為：Φ25 mm，L=6 m徑向漿錨桿，間排距1.5 m，每排16/17根；Φ6.5 mm鋼筋網15 cm×15 cm；I16鋼支撐間距1.5 m；C20噴射混凝土厚20 cm。隧洞開挖初期圍巖整體變形速率較高，停止開挖后15日，圍巖收斂變形仍然較快，左邊墻最大位移速率2.55 mm/d，右邊墻最大位移速率3.12 mm/d；拱頂最大位移速率-5.62 mm/d。為抑制圍巖變形發展，對支護措施進行局部加強，包括：①增加型鋼橫撐作為臨時仰拱；②兩側邊墻進行小導管注漿加固。在采用上述加強支護后，圍巖變形有所減緩，但仍繼續發展，7 d后圍巖收斂變形速率趨于穩定，平均變形量為1.56 mm/d；局部洞段出現裂縫，邊墻擠出變形，混凝土噴層侵入隧洞凈空；橫撐向上彎曲，隧洞底鼓明顯。經參建四方討論，決定進一步加強支護措施，包括：在現有I16鋼支撐榀與榀之間間隔增設一環I20鋼支撐，新增I20鋼支撐榀間距為1 m，鋼支撐之間設置C22縱向連接筋，沿鋼支撐環向每1 m設置1根內外交錯布置。鋼支撐底部開挖弧形橫撐，并采用C30混凝土澆筑平順，澆筑至底板混凝土高程下部。采用如此強力的支護措施后，圍巖變形被顯著抑制，但受巖體流變性影響，監測51天后，變形仍然存在。

4 應對措施

4.1 加強超前地質預報

盡管對輝綠巖脈構造蝕變帶的宏觀發育規律已有較為清晰的認識，但仍無法具體判斷其出現的位置、規模及性狀，因此超前地質預報顯得尤為重要。本文推薦采用鉆孔信息提取法進行超前地質預報，可將部分鉆爆周邊孔加深一倍作為超前探孔（見圖3），對于人工鉆爆而言，每一循環均需向鉆工詳細收集以下信息，包括鉆孔過程中進尺速度、扭力、回水顏色等是否有異常，是否發生卡鉆等，如有異常還需詢問異常點出現部位及大致深度，據此判斷前方圍巖巖性及質量變化，并及時制定應對措施。一些學者開發了自動化鉆進技術與人工智能相結合的超前地質預報系統，其原理也是基于鉆孔信息提取法［13］。當然，該方法還應與隧道地質編錄以及TRT、TSP等物探方法相結合，以提高預報精度。

圖3 超前探孔設計剖面示意

4.2 做好超前支護

超前小導管注漿在蝕變巖洞段是行之有效的預支護手段。小導管注漿參數應通過生產性實驗確定，富水洞段可對蝕變圍巖注水泥-水玻璃雙液漿。硬梁包工程采用Φ42 mm，壁厚3.5 mm的鋼花管，長度為5 m，注漿壓力為0.1～0.5 MPa，環向間距70 cm，外插角10°、15°交錯布置，縱向搭接長度為1.5 m。實踐證明，超前小導管注漿能夠對蝕變圍巖起到較好的預加固效果。

4.3 合理選擇開挖方式

開挖方式的選擇對于圍巖穩定具有重大影響。在高嶺土化蝕變花崗巖洞段或發育寬大、強蝕變輝綠巖脈時，必須遵循“短進尺、多循環、輕擾動”的原則，推薦采用上下臺階四步開挖法。以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、下兩個臺階四個開挖面（見圖4），各部位開挖與支護采用沿隧洞縱向錯開、平行推進的隧洞施工方法［14］。采用弱爆破或機械開挖上部弧形導坑，核心土長度宜為3～5 m，寬度宜為隧洞跨度的1/3～1/2，開挖循環進尺不得超過1 m。弧形導坑開挖完畢后，緊跟初期支護，在確保上臺階開挖面穩定后再進行后續開挖。

圖4 上、下兩個臺階四個開挖面施工工序透視

4.4 加強支護

蝕變巖屬軟弱圍巖，自穩能力差，易變形，通過蝕變巖洞段時應適當加強支護，如加密、加長錨桿、減小鋼支撐間距等。在6號施工支洞開挖過程中，高嶺土化蝕變花崗巖圍巖持續變形，直至增設仰拱后變形才逐步收斂，可見盡快使支護結構閉合成環對于控制蝕變圍巖大變形至關重要。應加強圍巖變形監測，根據監測結果對病害洞段及時補強，同時動態調整后續支護方案。

4.5 開挖后及時封閉掌子面，富水段及時排水

蝕變巖由于含有親水性黏土礦物，如綠泥石、高嶺石等，且結構較為松散，遇水后性狀劣化迅速且明顯。開挖后應及時噴混封閉，阻斷其與空氣中的水分接觸。富水地段應及時排水，必要時可采用超前鉆引水，盡量減少蝕變巖與地下水相互作用。

5 結 論

巖體蝕變是硬梁包水電站引水隧洞建設過程中面臨的主要工程地質問題之一，本文基于現場調研，結合室內巖礦測試、統計分析等手段，總結硬梁包水電站引水隧洞蝕變巖類型及發育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規律，并提出了針對性應對措施，主要獲得以下結論：

（1）工程區蝕變類型主要包括輝綠巖構造蝕變、花崗巖高嶺土化蝕變、鉀長石化蝕變以及綠泥石、綠簾石化面蝕變，其中輝綠巖構造蝕變又可依據蝕變程度從弱至強劃分為：碎裂化、碎塊狀、角礫狀、片理化和泥化蝕變。

（2）輝綠巖脈構造蝕變帶以NE、NEE和近EW向陡傾角發育為主，寬度多在50 cm以下，最寬可達5 m，蝕變程度總體隨巖脈寬度增大而減弱。輝綠巖脈蝕變帶發育密度及蝕變程度具有空間不均性，單條巖脈內構造蝕變程度往往也不均勻。

（3）工程區塌方主要分為局部塌方和異形塌方兩類，綠泥石化面蝕變是形成局部塌方的重要原因，而輝綠巖脈構造蝕變帶是引起異形塌方的主要原因。輝綠巖脈構造蝕變帶寬度、性狀以及地下水狀態對異形塌方具有顯著影響。

（4）高嶺土化蝕變花崗巖工程性狀軟弱，加之工程區隧洞所處部位地應力較高，這些是導致其開挖后易產生大變形災害的根本原因。

（5）在總結工程區蝕變巖類型及發育特征，分析蝕變引起的圍巖變形破壞規律基礎上，提出了針對性應對措施，主要包括：加強超前地質預報；合理選擇開挖方式；做好超前支護；蝕變巖洞段適當加強支護；開挖后及時封閉掌子面，富水段及時排水。