小型水工隧洞软质围岩变形预防及优化措施

游洋，杨鼎，罗涛

（1.云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

隧洞是水利工程中常见的水工建筑物，软质围岩或软质围岩地段是施工中经常遇到的问题，软岩大变形也是长期困扰软岩水工隧道施工的一大难题，特别是在高地应力条件下［1］。由于软质围岩强度低、变形量大，在高地应力富水条件下，隧道断面在施工和开挖过程中经常会产生严重的变形，变形一般可达几十厘米至100cm以上，变形趋势是堵塞隧道，严重影响工程进度和施工安全［2］。鉴于此，有必要通过研究进一步明确小型水工隧洞软质围岩变形机理、特征，并采取相关措施对此进行有效预防和优化，以此保证软质围岩小型水工隧洞施工的顺利进行。

1 小型水工隧洞软质围岩变形力学机理

1.1 软质围岩的组成成分分析

多数软岩主要由粘土矿物、云母、石英、长石等碎屑矿物以及部分钙、铁胶体结构或游离氧化物组成。软岩硬度低，密度低，易变形。同时，软岩的性质主要由粘土矿物的含量决定，含量越高，性能便越差。

1.2 软质围岩膨胀性分析

软岩膨胀性主要是指含有黏土高膨胀性矿物的软质围岩，在较低的应力水平条件下，因膨胀而发生显著变形的特征的岩石，如泥岩、页岩等。通常而言，受软岩膨胀性的影响，其容易出现滑移、膨胀等问题。与此同时，根据软岩膨胀性大小的不同，可将其进一步细分为强膨胀性软岩自由膨胀变形、弱膨胀性软岩自由膨胀变形等。

1.3 软质围岩的力学性质分析

从力学方面考虑，软岩具有变形大、强度低、赋存环境效应和时间效应强烈的特点。这使得软质围岩较为容易变形，且变形呈现明显的时间特点。

1.4 软质围岩变形的力学机理分析

可采用弹性模量E来表示岩石的变形特性，进一步，结合公式σ＝E·ε可知，当应力不变时，随着弹性模量的减少，软岩的变形量就越大。以粘土类岩石为例，其弹性模量通常为E＝300MPa，相较于其他非软质岩石，其表形量通常更大。

2 小型水工隧洞软质围岩变形特征及原因分析

2.1 变形特征

1）变形量大。隧道开挖后会产生明显的塑性变形，这是软质围岩的主要特征。实测数据表明，软质围岩中洞壁位移可达几十厘米，甚至几米，往往表现为初期支护严重开裂，如喷射混凝土开裂脱落、钢架变形，甚至二次衬砌混凝土开裂［3］。2）初期变形速度快。结合众多工程实例可知，在隧道开挖的初期期间，软质围岩将在较短的时间内发生变形并迅速达到变形后的稳定状态，之后，围岩的变形速率将不断减小。3）变形持续时间长。软质围岩不仅初期变形速度快，而且持续时间长，具有明显的流变特性。大量研究表明，随着软质围岩隧道的开挖，围岩的支护、衬砌所承受的的压力便开始发生变化，在长期压力作用下，软质围岩将以蠕变的形式持续变形。以页岩、花岗岩等软质岩石为例，在10MPa的应力和室温下，其典型蠕变曲线通常如图1所示。4）围岩破坏范围大。软质围岩中隧道周围塑性区有所扩大，尤其是在支护不及时或整体结构的刚度和强度达不到要求时，软质围岩的破坏范围将进一步增大。5）压力增长快。随着开挖时间的延长，围岩压力将因此迅速增大，导致在极短的时间内，围岩与支护结构出现接触，继而产生较大的围岩压力。此时，如果施工方法和支护措施得当，则能够较为有效的控制封闭式支护的变形。相反，若施工方法不当、支护不合理，则即使支架关闭，也会持续产生变形，破坏支架。6）变形破坏形式多样。不同工程中的软质围岩隧道的变形形式表现为不同形式，常见形式包括喷射混凝土开裂、初期支护变形、坑底鼓包、塌方等。

图1 坚硬围岩与软质围岩蠕变特征的区别

2.2 变形原因

2.2.1 地质环境条件

地质环境方面，导致水工隧洞软质围岩变形的主要原因有以下几个因素：1）地理位置。若施工区位于海槽褶皱带交汇处或区域性断裂襄城断裂与索梁断裂夹块处，在多次构造运动的影响下，大部分地区存在构造裂隙和层间挤压断裂带。在这里施工时，软质围岩会承受较大的压力和工程扰动，产生变形。2）地应力。当引水隧洞处于高应力区时，软质围岩的结构面在高应力作用下封闭严密。卸荷应力释放后，结构面立即产生拉滑，导致隧道围岩严重变形。3）水文地质条件。引水隧洞工区软质围岩岩性多为碳质泥质板岩、变质砂岩、灰岩、千枚岩等，岩体破碎时结构面发育，被两条阻水断层夹持，为地下水的赋存提供了有利条件。此时，地下水的加入会导致千枚岩和碳质泥质板岩软化，使围岩强度降低，进而发生变形。

2.2.2 围岩本身性质

首先，引水隧洞软质围岩岩性以砂质、泥质板岩为主，其次为碳质泥质板岩、砂岩、变质砂岩和千枚岩等组成。其次，软岩的矿物成分在水中容易软化，然后发生变形。如碳质泥质板岩、千枚岩主要由绢云母、伊利石、蒙脱石组成，遇水易软化，暴露后易风化。最后，软岩体结构具有明显的各向异性［5］。碳质泥质板岩具有极薄至薄层结构，千枚岩具有千枚岩结构，含有大量片状矿物，层理极为发育，围岩结构各向异性明显，这也使得软质围岩容易变形

3 小型水工隧洞软质围岩变形工程处理措施

由于水工隧洞施工现场的地质环境条件和围岩性质无法改变，为防止水工隧洞软质围岩变形，可根据其变形特点采取相应的工程处理措施对隧道开挖段的围岩进行控制，从而有效地控制围岩的变形。

3.1 合理选择开挖方式

现阶段，根据工程具体开挖断面的大小及位置，隧道开挖的常见方法包括：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类。

对上述三种挖法进行比较可知，相较于其他两种挖法，台阶法具有位移小、可减小塑性区范围的优势，对于围岩变形量的控制有积极作用。鉴于此，建议无特殊情况下，水工隧洞软质围岩变形的预防可优先考虑台阶法。

3.2 正确确定支护时间

首先，应当根据围岩地质条件、隧道规模、形状、埋深、隧道施工方法和管理水平，预测无支护围岩变形。当变形达不到变形控制标准时，可采取两种对策：一是改变施工方法或提高管理水平；二是添加初期支护。若进行初期支护的过程中，在严格依据预设的参数进行变形控制仍无法达到要求的变形控制基准时，可通过提高初期支护强度、添加超前支护措施的方式进行解决。若进行超前支护的过程中，在根据超前支护预先设计的参数对围岩变形进行预防但仍然无法控制变形基准时，可通过加强超前支护强度的方式，来控制围岩的变形程度。

3.3 预留必要的变形空间

第一，多重支护。多重支护的目的在于预留足够的容许变形和二次支护空间，即在超前锚管或锚杆支护下，开挖后设置第一层支护，限制围岩初始变形，然后在工作面后左右位置设置第二层支护，稳定隧道，控制围岩大变形。第二，可缩式支护。在选用可缩式支护时，需要为变形和二次支撑留下一定的空间。在相关设施的选择上，隧道开挖后，需及时使用支设伸缩锚杆、伸缩钢架等支护体系，通过支护的方式，释放围岩压力、减小变形。第三，分阶段综合控制。所谓分阶段综合控制，及时为变形和二次支护预留空间，在隧道开挖后，通过设置锚杆、钢架进行支护的方式，抑制初始变形；随后，进一步在工程掌子面设置长系统锚杆，进一步加固围岩，达到巩固效果。

1）施工中及时排水。碳质泥质板岩和千枚岩遇水易软化，抗压强度和变形模量大大降低。为了有效控制围岩变形，应采取集中或分散的排水措施，迅速排出地下水，以有效控制围岩变形。2）科学爆破。在进行爆破的过程中，针对软质围岩硬度低、变形量大等特点，应当坚持少药量、弱爆破的原则，以最大限度的降低爆破过程中对围岩造成的伤害。3）加强地质超前预报与施工过程围岩变形监测。准确有效的地质预报，是确保施工方案的选择、设计具有较高的科学性与合理性的关键和前提所在。此外，有效的地质预报也有助于对施工中的围岩变形进行全面监测，有助于对围岩变形的监测实施方案进行合理评估，如测点的布置、监测频率的设计、监测手段的选择等。进一步的，在监测数据的辅助下，有利于相关人员及时动态的对围岩变形特征进行分析，并以此为依据，对各项支护设计进行改进优化，继而达到及时控制围岩变形，保证施工进度和工程质量的目的。

4 结语

综上所述，在水工隧洞施工过程中，遇有软岩时，围岩的变形破坏不容忽视。此时，继而通过合理的工程处理措施有效预防水工隧洞软质围岩变形，包括隧道施工超前地质预报、合理选择开挖方法、合理确定支护时间、预留必要的变形空间等。