输水隧洞软岩变形治理探讨

代苏田,唐拥军

（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710000）

摘要：隧洞开挖后，在构造节理发育带的软岩变形洞段，围岩应力重新分布，结构面间发生错动，碎裂结构体产生滑移，围岩整体强度大幅下降，持续扩容松弛，在强烈构造应力的作用下发展为变形。本文结合引水隧洞软岩变形治理效果，提出了隧洞软岩变形治理的认识。

关键词：隧洞、软岩、变形、治理

1.工程概况

某引水隧洞起止里程YX60+117.226～YX74+696.067，线路全长14.58km，设4条施工支洞。隧洞设计断面形式为城门洞型，永久断面尺寸为3.0×3.9m，混凝土衬砌厚度为40cm～50cm。引水隧洞沿线分布J2s、J2z、J1f地层，含泥岩、粉砂岩等红层软岩， J2z粉砂岩类具有弱膨胀性，J2z泥质岩类具有中等膨胀性，J1f粉砂岩类具有中等膨胀性，J1f泥质岩类具有弱～中等膨胀性；J2s粉砂岩类具有弱膨胀性，J2s泥质岩类具有中等膨胀性。

某引水隧洞软岩变形洞段岩性为：侏罗系下统冯家河组（J1f）紫红色、紫灰中层状～中厚层状泥岩，全～强风化，为极软岩，泥岩遇水易软化、泥化，且具有弱～中等膨胀性。未揭露大的地质构造，主要发育三组结构面，挤压现象明显，结构面微张～张开，泥质充填。岩体完整程度为较破碎、破碎，岩体结构为碎裂结构、散体结构。隧洞位于地下水位线以下，掌子面潮湿，局部有线状流水，地下水活动性中等。

2.软岩变形分析

2.1变形情况

某引水隧洞YX60+958～YX60+983已支护完成的断面，出现不同程度的开裂、变形。表现为边墙中部隆起、顶部下沉、初支开裂，侵占设计断面。其中，左侧边墙中部变形最大，最大变形约50cm，顶部最大下沉23cm，右侧变形约20cm。支护时已在钢拱架底板增加横撑，钢拱架已成闭环，底板未见明显隆起。

2.2变形分析

变形洞段揭露围岩主要为全风化泥岩、粉砂质泥岩等极软岩、软岩，开挖时干燥无水，支护完成后，上部裂隙水、周边层间水向开挖断面周边下渗、汇集，泥岩遇水软化、泥化，加之膨胀作用，产生软岩塑性变形。

开挖时下切底板，加大了临空下滑力，受临近区段开挖扰动，支护段围岩右侧沿结构面顺层挤压破坏，支护结构刚度和强度不足以抵抗应力释放，加之岩体裂隙贯通、地下水汇集，泥岩在水的作用和浸泡下，强度大幅降低，加剧了变形破坏，导致支护产生了严重的软岩挤压变形破坏。

3.软岩治理方案

（1）钢支撑材料工字钢的型号由I16调整为I18，安装间距由80cm/榀调整为60cm/榀。

（2）钢支撑底部钢垫板尺寸增大至30cm*30cm，增大受力面积。

（3）开挖时，在原设计断面尺寸基础上增加10cm预留变形量。

（4）每榀钢支撑在腰部、底脚各布置1对锁脚锚管，将锁脚锚管长度增加至3.0m（空间受限最长可施工3m），并开孔注浆增加锚固力。

（5）在底板的钢支撑底部增加I18工字钢横撑，浇筑20cm厚C20常态混凝土硬化底板。

（6）超前小导管、砂浆锚杆、喷混凝土、挂钢筋网、临时排水孔、钢支撑联系筋的参数不调整，按设计图纸实施。

通过增强初期支护的强度、刚度，确保支护的安全、稳定。

4.软岩变形监测分析

（1）监测断面设置

某引水隧洞进口段软岩变形洞段初期支护措施增加后，在桩号YX61+070处新增永久安全监测断面1个，布设有收敛监测点、多点位移计、钢拱架应变计（钢板计）、锚杆应力计。

（2）监测成果分析

1）收敛观测

通过SL01、SL02、SL03、SL04、SL05、SL06收敛监测点的安全监测数据进行分析，累计最大收敛值为7.69mm、累计最小为0.69mm，月度变化量为-0.04～0.54mm，收敛速率为-0.02～0.04mm/d，收敛变形在一周时间内已基本稳定。

2）多点位移计监测

在围岩内部设置多点位移计D1、D2、D3，监测围岩内部软岩变形情况，每个多点位移计的监测深度分别设置在3m、5m、7m断面。通过持续监测，D1-3、D1-5、D1-7全部受压缩，累计位移分别为-1.15mm、-1.40mm、-0.35mm；D2-3、D2-5、D2-7全部受拉伸，累计位移分别为2.61mm、3.24mm、3.39mm；D3-3、D3-5受拉伸、D3-7受压缩，累计位移分别为2.29mm、3.07mm、-0.63mm；围岩内部变形累计位移整行，变化速率正常，无异常情况，围岩深部变形状态已基本稳定。

3）锚杆应力计监测

在隧洞左右侧边墙的底部和中部各设置2个锚杆应力计。经持续监测，锚杆应力值分别为M10锚杆应力计数值为142.88MPa、M11锚杆应力计数值为-1.01MPa、M12锚杆应力计数值为103.37MPa、M13锚杆应力计数值为139.59MPa。锚杆应力计安装前期，应力值增长速率较快，最大速率为15.63 MPa/d，在一个月后锚杆应力值基本稳定，但仍有平均0.25 MPa/d的增速。

4）钢板计监测

在钢支撑受力最大的顶拱和左右两侧的边墙中部设置3个钢板计，测量钢支撑的受力情况。经持续监测，钢板计C1应力值为-48.53MPa、钢板计C2应力值为-85.08MPa、钢板计C3应力值为-3.97MPa。钢板计安装前期，应力值增长速率较快，最大速率为6.77MPa/d，在三个月后钢板计应力值基本稳定，但仍有平均0.32 MPa/d的增速。

综上，根据安全监测数据分析，目前监测断面收敛值及收敛速率、围岩内部变形累计位移及变化速率均处于正常状态，隧洞初期支护监测断面稳定。但围岩内部的锚杆应力计和钢板计的应力值仍在增加，说明调整后的隧洞初期支护体系能抵抗软岩变形所产生的压力，抑制软岩变形。随着围岩内部应力重新分配，逐渐形成初期支护与内部围岩的平衡状态。

5.隧洞软岩变形治理探讨

（1）通过某引水隧洞进口段软岩变形过程分析，微膨胀泥岩遇水产生软岩塑性变形，随着裂隙水、层间水浸润围岩，使泥岩软化、泥化，产生内部应力，当初期支护体系不能抵抗压应力时，会导致初期支护变形。因此，及时有效解决初期支护后岩体内部的裂隙水、层间水，减小渗水与泥岩接触，是解决微膨胀泥岩变形的有效措施。

（2）软岩变形洞段的初期支护系统的设置，其强度需能抵抗软岩变形的压力。钢支撑需在底板增加横撑，使钢支撑形成闭环，增加钢支撑的整体受力。其次，砂浆锚杆在支护系统中也起到至关重要的作用，需根据隧洞断面尺寸尽量增加锚杆长度并与钢支撑可靠焊接。

（3）重视安全监测工作。在进行常规施工期安全监测的同时，建议选择典型断面设置多点位移计、钢板计、锚杆应力计、渗流渗压计等安全监测仪器设备。既能随时监控围岩内部应力应变及渗水情况，又可优化初期支护系统，做到技术可行、经济合理。

6.隧洞软岩变形段施工建议

在软岩洞段施工是，可以采取以下措施防止初期支护变形：

（1）减少对围岩的扰动

在隧洞施工过程中，应该尽量减少外界环境对围岩的影响，进而控制围岩的变形。具体可以从两个方面进行控制：首先，严格控制爆破的数据，采用的爆破参数应该保证其振动更加小，尽量减少对围岩的干扰， 如果一次爆破对围岩的扰动比较大，则可以考虑分段分部位批次爆破；其次，采用预留支护等手段，对围岩软弱处进行支护，并且预留一定的预留开挖量，使围岩的应力能够得到一定的释放，这样有利于围岩应力重分布，以便充分发挥围岩的自稳能力。

（2）采用超前支护

在进行隧洞施工的过程中，可以先采用锚杆控制软岩的结构，喷锚结合的方式对围岩进行加固。同时，结合超前支护型式①采用超前小导管注浆。②在拱顶和边墙采用径向注浆小导管。

（3）采取短进尺、弱爆破、强支护、勤量测的方式开挖支护

根据围岩揭露情况、超前探孔及超前地质预报，优化爆破参数，及时施工初期支护系统，使得隧洞能够更早地完成封闭成环，控制软岩大变形的产生。过程中，加强监控量测。根据监测数据和软岩变形情况，及时优化开挖、支护参数。

（4）尽早施工钢支撑的底部横撑，并对底板及时进行硬化，即利于钢支撑的整体受力，又利于围岩的稳定，对抑制初期支护变形起到至关重要的作用。

（5）对于初期支护变形较大的洞段，需分析原因，尽早采取增加支护强度的“换拱”（更换钢支撑）措施，确保施工安全。加强隧洞初期支护参数是抑制软岩变形最快、最有效的措施。