復雜斷裂帶引水隧洞圍巖穩定分析及處理措施

黨亞山

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000)

0 前 言

天水市城區引洮供水工程2號引水隧洞全長8.72 km，最大埋深305 m，一般埋深150～200 m。隧洞穿越渭河與藉河之間的分水嶺，布置于新近系、古近系、下古生界地層之中，圍巖由松散巖、變質巖組成。隧洞地處秦祁褶皺帶結合區，地質背景復雜。隧洞穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶。隧洞新近系、古近系圍巖構造不發育，但巖性軟弱；下古生界圍巖構造發育，巖體破碎，地下水豐富。在隧洞施工中，出現了嚴重的圍巖變形、掌子面坍塌問題。針對該隧洞施工中出現的上述問題，工程施工、設計團隊加強了對2號隧洞圍巖變形機理的分析，提出了科學合理控制圍巖變形的施工方法及支護對策，為該隧洞安全施工提供了支撐。

1 隧洞區域地質環境

(1) 地形地貌

2號洞地處隴中黃土高原向西秦嶺基巖中低山山地過渡區，區內海拔高程1 300.00～2 200.00 m，相對高差300～500 m，地形破碎，溝壑縱橫，發育黃土梁峁、溝谷地形地貌。2號洞北西-南東向布置，穿越區內渭河與藉河間的分水嶺-南嶺。南嶺走向北西，梁頂高程1 720.00～2 200.00 m。

(2) 地層巖性

2號隧洞地處隴中中新生代坳陷盆地，向西秦嶺變質巖系褶皺隆起基巖中低山地過渡區。隧洞沿線主要分布有新近系(N2l)、古近系(E)、下古生界牛頭河群(Pz1nt)地層巖性。

1) 新近系地層(N2l)：地層主要為砂質泥巖，成巖差，強度低，屬極軟巖，浸水崩解。2號洞該地層分布長度約910 m。地層與古近系呈角度不整合接觸，與牛頭河群地層斷層接觸。

2) 古近系地層(Eg)：地層主要由泥質膠結的砂礫巖、含礫中粗砂巖，砂質泥巖組成，巖質松軟，屬軟巖，浸水崩解。2號洞該地層分布長度1 230 m，地層與下伏牛頭河群地層呈角度不整合接觸，局部為斷層接觸，牛頭河群地層斷層接觸。

(3)地質構造

2號洞地處秦嶺東西向復雜構造帶與祁呂弧形褶皺帶的交匯區，區域地質構造背景復雜。隧洞位于區域構造向斜格板峪向斜北翼，穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶。隧洞區域地質見圖1。

西秦嶺北緣深大斷裂帶：逆斷層，產狀290°～310°NE∠60 °～80°，錯斷沿線Pz1nt、E、N地層，兩盤巖層深受其變形與改造。斷裂全長約500 km，由多條平行斷層組成，帶寬十余公里。斷層形成于前寒武紀，歷經多期構造運動。斷層規模大，活動性強，是區內不同塊體和地貌單元邊界的斷裂。工程2號洞穿越該斷裂鳳凰山-武家河段。斷層分布于洞線K139+865.50 m～K143+164.00 m之間，由2～3條主斷裂和多條次一級斷裂組成，主斷裂帶寬數十米至數百米，帶內物質為糜棱巖、角礫巖，斷層泥，主斷裂兩盤影響帶寬度達數百米，該斷裂與2號洞走向夾角10 °～30°。西秦嶺北緣斷裂帶在2號隧洞右側溝道有出露，見圖2。

(4) 水文地質條件

2號洞圍巖分布松散巖空隙裂隙水、基巖裂隙水兩類地下水。空隙裂隙水賦存古近系砂巖、砂礫巖中，屬層間地下水；基巖裂隙水賦存牛頭河群巖層裂隙之中。隧洞地質勘察揭示圍巖空隙裂隙水水量不豐，開挖呈滴滲狀；裂隙水水量較豐，為滴～線狀流水，涌水量25～47 L/min。

2 隧洞圍巖的物理力學性質研究與圍巖類別分類

(1) 圍巖物理力學性質

1) 新近系(N2l)：含水量W為5～10%，密度γ為2.2～2.25 g/cm3，單軸抗壓強度Rc為2～3 MPa，凝聚力C為0.05～0.2 MPa，內摩擦角φ為27°～32°，彈性模量E為800～1 500 MPa；變形模量Es為300～300 MPa；泊松比μ為0.33～0.35，屬極軟巖，浸水崩解，具流變性。

2) 古近系E：含水量W為4.2%～8.4%，密度γ為2.3～2.5 g/cm3；單軸抗壓強度Rc為5～8 MPa；凝聚力C為0.1～0.3 MPa，內摩擦角φ為30°～35°；彈性模量E為1 500～2 000 MPa；變形模量Es為900～1300 MPa；泊松比μ為0.26～0.32，浸水崩解，具流變性。

(2) 圍巖類別分類

根據2號洞圍巖的巖石強度、巖體的完整性、巖體結構面與洞線的組合關系，以及地下水活動程度，劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。Ⅲ類圍巖由下古生界牛頭河群完整、較完整，具中厚層狀結構的巖體構成，隧洞開挖揭示長度約有2.05 km；Ⅳ類圍巖由牛頭河群完整性差、較破碎，具碎裂鑲嵌結構巖體，以及古近系巖體構成，隧洞開挖揭示長度約有2.35 km；Ⅴ類圍巖由斷裂帶的碎裂巖體、新近系松散軟弱巖層組成，隧洞開挖揭示長度約有4.3 km。

3 隧洞圍巖變形破壞機理分析

3.1 圍巖變形類型劃分

隧洞屬地下工程，隧洞開挖，圍巖因卸荷，應力進行重新分布，出現應力集中現象。當應力超出巖體的強度時，就會出現變形破壞現象，如掉塊、坍塌等。根據2號洞圍巖變形受控條件，圍巖變形分巖性控制型和結構面控制型2種。

(1) 巖性控制型：主要出現新近系、古近系圍巖、斷裂帶及其影響帶的松軟巖體。圍巖變形以塑性變形和蠕變變形為主。破壞表象主要為圍巖內斂、片幫、掉塊、剝落、坍塌等。

(2) 結構面控制型：主要出現于受構造影響強烈、結構面發育的牛頭河群圍巖段。圍巖變形以拉裂、壓剪變形為主，破壞表象主要為沿結構面拉裂破壞或和結構面壓剪滑移破壞。

3.2 圍巖應力、應變量計算

(1) 圍巖變形巖性控制型，隧洞圍巖應力、圍巖塑性區半徑、洞周位移量計算

σθ=γ(a+βλ)(H′+Kr0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

公式(1)～(5)中：γ為圍巖密度，g/cm3；λ為側壓力系數；H′為隧洞埋深，m;r0為隧洞半徑，m；a、β、K為計算系數，分別取a=0.974、β=3.3、K=1.2； 為剪切變形模量；Pi為支護抗力，Pi=0。

根據表1數值并利用公式(1)及σθ≥Rc計算得出隧洞新近系圍巖破壞臨界深度為31～48 m；古近系圍巖變形破壞臨界深度為74～120 m。理論計算與隧洞施工監測值基本相符，實測變形值較理論計算值略有偏大，分析隧洞圍巖變形除與自身地質因素、隧洞埋深有關，同時與施工時對圍巖擾動程度關系密切。開挖揭示隧洞古近系圍巖變形量較小，圍巖破壞以剝落、掉塊為主。

表1 隧洞松散軟質圍巖段無支護條件下洞周塑性區半徑及洞周位移量計算

表2 隧洞圍巖無支護條件下圍巖剪裂區應力、剪裂區邊界計算

(2) 圍巖變形結構面控制型，隧洞圍巖剪裂區應力、剪裂區邊界線(R0)計算

隧洞牛頭河群圍巖常見有兩組軟弱結構面。J1走向與洞線夾角約24°，傾角40°～60°；J2走向與洞線夾角約80°，傾角75°。圍巖剪裂區邊界線近似方程如下式：

A5α4+B5α2+C5=0

(6)

式中：

cos2θ-bcosγ0sin2θ}(1-λ)

(1-λ)cos2θ-2b(1-λ)cosγ0sin2θ}

(A2-aB2-D2-aC2)cos2θ-b(1-λ)cosγ0sin2θ}+2Cj

A2=(1+μsin2γ0)tgφj；B2=1-μsin2γ0；

C2=cos2γ0+μsin2γ0

D2=(cos2γ0+μsin2γ0) tgφj

a=sin2β1-cos2β1tgφj;b=cos2β1+sin2β1tgφj

代入公式(6)得:

(7)

其中θ=90°處，隧洞不同埋深，圍巖剪裂區半徑R0=αr0，隧洞圍巖無支護條件下圍巖剪裂區應力采用公式(8)～(9)計算，結果見表2。

(1-4α2+3α4) cos2θ]

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

通過下式：

(14)

計算判別出2號洞牛頭河群圍巖J1、J2結構面發生壓剪破壞，分析該變形破壞除與圍巖結構面自身強度有關，更與洞軸線與結構面走向夾角關系密切。

4 隧洞圍巖變形破壞控制措施

通過對2號洞區域地質的研究、圍巖物理力學性質的研究，以及圍巖變形破壞機理分析。施工中，針對隧洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，進行了如下處理對策：

(1) 層狀中硬質圍巖體(Ⅲ類圍巖)

由牛頭河群中硬巖體組成，圍巖巖質堅硬，裂隙較發育，完整性較差，賦存地下水。開挖后，巖體破壞主要沿裂隙面剪裂或拉裂，表象為圍巖松動，局部坍塌，隧洞超挖嚴重。控制措施：進行圍巖結構面的研究，找出圍巖穩定受控軟弱結構面，計算分析圍巖剪裂區范圍；建議采用弱爆破短進尺開挖，支護時錨桿穿透剪裂區，加強排水，及時噴混凝土掛網封閉掌子面。

(2) 松散軟質巖體(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

圍巖由新近系、古近系軟質巖組成，圍巖巖性軟弱，強度低，具塑性流變性。隧洞開挖后，圍巖變形破壞受控于巖石強度，破壞表象主要為洞壁內斂、掉塊、剝落。控制措施：施工中采用弱爆破短進尺，快循環及時封閉圍巖施工；設小導管、仰拱超前強支護；加強洞內排水，防止圍巖潮解；根據收斂變形觀測值，及時調整圍巖支護強度，例如新近系大埋深洞段改用Ⅰ16鋼拱架支護；古近系圍巖段取消拱架支護，采用系統錨桿掛網噴混凝土施工。

(3) 構造松散破碎巖體(Ⅴ類圍巖)

圍巖由斷層帶、擠壓帶破碎巖體組成。圍巖結構松散，強度極低。開挖后，圍巖無自穩時間，破壞表象為先是擠壓變形，后是松動掉塊，最后片幫、掌子面失穩坍塌。控制措施：加強地質預報與圍巖檢測工作；采用非爆破開挖，減小圍巖擾動，短進尺，快循環；采用注漿小導管加固圍巖，設仰拱強支護，噴混凝土掛網封閉圍巖，加強排水，防止圍巖軟化潮解。

5 結 論

(1)通過2號洞區域地質環境、圍巖物理力學性質的研究，得出該隧洞是地處秦嶺東西向復雜構造帶與祁呂弧形褶皺帶交匯區，穿越西秦嶺北緣深大斷裂帶，布置于新生代成巖差的泥質碎屑巖地層和構造發育深度變質的下古生代地層，地下水豐富，圍巖以極不穩定的Ⅴ類圍巖為主，地質條件極為復雜的越嶺隧洞。隧洞施工中，圍巖變形大、掌子面坍塌強烈。

(2)通過2號隧洞圍巖應力應變計算得出：隧洞新近系圍巖破壞臨界深度在31～48 m之間，其最大埋深187 m時，洞周位移量6.9 cm；古近系圍巖變形破壞臨界深度在74～120 m之間，其最大埋深200 m，洞周位移量1.6 cm；經施工驗證，實際變形量與估算值基本相符。

(3)通過2號隧洞牛頭河群變質巖地層圍巖剪裂區應力應變計算，得出：隧洞具中厚層狀結構，以中硬質巖為主的圍巖，隧洞開挖后，圍巖J1、J2軟弱結構面發生壓剪破壞。

(4)根據圍巖分類及圍巖變形破壞形式，施工中，提出了層狀中硬質圍巖體(Ⅲ類圍巖)采用了弱爆破、短進尺、錨桿穿透剪裂區，及時噴混凝土掛網封閉掌子面；對松散軟質巖體(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)采用快循環及時封閉圍巖，必要時超前強支護，根據收斂變形觀測值，調整圍巖支護強度；對松散構造破碎巖體(Ⅴ類圍巖)采用了機械開挖、快循環，采用注漿小導管加固圍巖，設仰拱強支護，噴混凝土掛網及時封閉圍巖，加強排水，防止圍巖軟化潮解的施工方法，有效避免了隧洞因圍巖變形及圍巖中地下水涌出引發的較大規模地質災害的發生。