地质因素在隧洞开挖过程中的控制作用

　　【摘 要】锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷岩溶地区，上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，地质条件复杂，主要工程地质问题有高地应力、岩爆、突涌水、高地温、有害气体、围岩稳定性差及隧洞穿越多条断层破碎带等。

　　【关键词】地质因素;隧洞开挖;控制作用

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　　隧洞开挖是地下工程，施工工程中存在极大的安全隐患，各种地质因素对围岩稳定起到极大的控制作用，准确判断各种地质情况下可能发生的围岩变形、坍塌等现象，可有效减少生产事故的发生，具有极大的社会及经济效益。

　　本文结合锦屏二级水电站3#、4#引水隧洞西端工程施工实际，简要分析各种地质因素在隧洞开挖施工过程中对围岩稳定的控制作用，为类似工程提供参考。

　　1、概述

　　隧洞开挖是地下工程，施工过程中可能发生岩爆、突涌水、高地温、有害气体、塌方、掉块等事件，对施工人员及设备的安全存在极大的威胁。提前发现安全隐患，制定相应的处理措施，有效避免安全事故的发生，对隧洞开挖施工存在极为重大的意义。

　　锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站。水电站引水系统采用4洞8机布置形式，从进水口至上游调压室的平均洞线长度约16.67km，相邻洞轴中心距60m，洞主轴线方位角为N58?W。引水隧洞立面为缓坡布置，底坡3.65‰，由进口底板高程1618.00m降至高程1564.70m与上游调压室相接。引水隧洞洞群沿线上覆盖岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大、地质条件复杂等特点。

　　本文以锦屏二级水电站3#、4#引水隧洞西端工程为依托，简要分析各种地质因素在隧洞开挖施工过程中对围岩稳定的控制作用，为类似工程施工提供借鉴。

　　2、锦屏二级水电站工区地质条件

　　2.1地貌概述

　　雅砻江是本区的干流水系，区内流向自洼里向北经景峰桥、淇木林后折向东，继又南折，经泸宁、里庄、大水沟、巴折等地而出区外，形成一向北凸出的大河弯，常水位面宽70～100m。洼里水面高程约1650m，大水沟水面高程约1326m，河床坡降大，水流湍急。河谷呈“V”形。

　　锦屏山以近南北向展布于河弯范围内，山势雄厚，重峰迭嶂，沟谷深切，峭壁陡立。山脊多呈尖棱状、主脊两侧山梁呈梳状排列。高程在3000m以上的山峰甚多，高于4000m者有大药山(4443m)、罐罐山(4480m)、干海子(4309m)、幺罗杠子(4393.2m)、大弯子(4282.6m)等，最大相对高差达3150m。主分水岭稍偏于河弯地块西侧，二级水电站支沟多为干谷，各级支沟多见十几米～数十米的瀑布或干悬谷。沟谷纵剖面的上、下游较陡，中游较平缓，呈阶梯状变化。

　　区内广布的碳酸盐岩地层，由于经受强烈的构造、区域变质和急剧的上升作用，岩溶不甚发育，岩溶地貌景观不普遍。碳酸盐岩组成的山体峻峭挺拔，尖峰毕露，碎屑岩组成的山体雄厚平缓，两者地貌景观有明显差别。

　　2.2地层岩性

　　工程区内出露的地层为前泥盆系～侏罗系的一套浅海～滨海相、海陆交替相地层。区内三迭系广布，分布面积约占90%以上，其中碳酸盐岩出露面积占70～80%。由于区内经受强烈的挤压，形成非常紧密近SN向展布的复式褶皱。

　　锦屏二级水电站3#、4#引水隧洞西端工程主要揭露的地层岩性为三迭系地层，主要为锦屏山西侧(T1)、杂谷脑组(T2z)、白山组(T2b)、三迭系上统(T3)。

　　1、下三迭统(T1)

　　由绿砂岩、绿泥石片岩、绿砂岩与灰白色或浅肉红色大理岩呈互层状或互夹状。单层厚度在20～60cm不等，其中绿泥石片岩的各向异性明显，性状较软弱。产状变化较大，但以SN～N20°E W～NW∠75～85°为主，为落水洞背斜核部。

　　2、中三迭统(T2)

　　白山组(T2b)由杂色大理岩与结晶灰岩互层、粉红色厚层状大理岩、灰～灰白色致密厚层块状臭大理岩等组成。

　　杂谷脑组(T2z)主要岩性为白色～灰白色纯大理岩偶夹绿片岩透镜体、薄层板岩、云母片岩。部分大理岩略具臭味。主要有灰黑色夹灰白色、白色角砾或花斑组成的角砾状大理岩和花斑状大理岩、灰色厚层细晶大理岩、灰黑色细晶夹灰白色条带大理岩或灰白色夹灰黑色条带大理岩、灰色～灰白色厚层状细晶大理岩，中、厚层～巨厚层状，局部夹绿砂岩条带或透镜体。

　　3、三迭系上统(T3)

　　主要为砂岩和板岩，在工程区以西可见到少量泥灰岩。本层厚1400～2025m，自下而上分为：

　　T31：青灰色中～厚层中细砂岩，以中层为主，夹薄层砂质板岩。

　　T32：黑色板岩夹少量深灰色细砂岩或粉砂岩、砂质板岩。

　　T33：青灰色厚层中粗粒砂岩含泥炭质碎片，偶夹板岩。

　　T34：灰黑色板岩夹青灰色粉砂岩，薄层状，并偶夹薄层泥灰岩。其上部可见砂岩、板岩互层并有含砾粗砂岩及呈透镜状之砾岩。

　　3、隧洞开挖对周围岩体的影响

　　岩质洞体自成岩就在地质构造力作用下，存储有构造应力能，因其深埋在山体中应力能释放条件有限，剩余在岩体、岩层中的原有构造应力能加上后期和现期地质构造运动，施加在深埋洞体围岩中的能量以及受深埋控制的岩体重力能，构成山体中岩体地应力。这种应力能存储在地质体中，故称之地应力。

　　地应力大小，取决于岩体地质，区域地质环境和埋藏条件。在浅埋洞体，因岩石风化，岩体卸荷和地下水等长期作用中，围岩体中地应力多已释放消散，剩下的只是卸荷、风化后岩体的自重力。而在深埋的洞室中释放条件有限，在高陡边坡内的地应力占地应力比例比较大，故地应力方向斜下倾向谷底。长隧洞深埋体段远离沟谷，岩体中的构造应力占其主导部位，地应力方向与现区域应力场相吻合，地应力倾角低缓。

　　现今，在洞体开挖前测得的地应力，是地质体形态和所处地质环境中，新构造运动的力持续施加补给占相当大的比重。所以测到的地应力方向同构造应力场相吻合，倾伏角度也小。

　　在隧洞未开挖之前，围岩体都处在深埋的紧固状态，深埋长隧洞的开挖，改变了封闭禁锢环境，人为造就出开放环境和临空状态，破坏了深埋时的平衡条件，存储在地质中的地应力，就自动调整向临空方向扩散聚集，即孔口应力集中。隧洞洞壁(含洞径2～3倍范围内)测出来的地应力多为径向应力，局部偏斜是地质体构造形态不均一性干扰所致。洞体围岩地应力集中值大约是原地应力值的2.5～3.0倍或更高，这个集中值超过所在洞段围岩体岩性抗拉强度时，就会使围岩表层张剪破坏，出现各种形式的围岩体破坏(坍塌、边顶边墙倒塌、滑塌、结构体松动破坏。。。。。。)。

　　4、不同岩性在洞室开挖时围岩破坏模式

　　此区这套副变质岩，板岩和片岩是地质构造力做功的产物。这些片理和板状面都是压扭性结构面，又依岩石性状及变质矿物再进一步定名，如高碳化片岩，绿泥石片岩，薄层状板岩，含硅质板岩……大理岩是石灰岩变质而成，亦应物质成分，颜色和形态而细化定名。

　　本区片岩为碳质和含碳泥质片岩，部分为绿泥石化片岩，因其低强度，它伴随岩层强烈褶皱和断错挤压，多成为细碎片状结构状态，受挤压强烈错动，时常出现高碳化镜面或挤压破碎带，绿泥石化(结构应力变质作用产物)片岩破碎岩带，如有地下水浸泡饱和就变成Ⅴ类围岩，它在埋藏山体中时，受挤压状态不存在失稳的问题，尽管质软和破碎在地应力作用下，因受压紧密仍储存一定数量的应力能。隧洞开挖改变了被挤压和周围环境，内载的应力能作功使其扩容，在洞体周围一定深度松弛张裂失稳坍塌，有地下水时泥化坍塌。

　　锦屏山区岩层在地质构造运动中受小金河断裂控制，是陆壳板块碰撞挤压带，岩层强烈褶皱，面层陡立、陡倾(时有倒转)，走向为NE-NNE向，大体垂直洞体。板状层面和片理化层面及优势构造面的劈理化面(都是陡倾面)与洞体走向夹角有两种情况，层间片理及层面因紧闭垂直洞体有利稳定。NWW/NE∠60°～70°构造面发育成的劈理化面与洞体边墙夹角向甚小，是洞体开挖时最不稳定构造面。

　　由于板岩、片岩介质的差异性和互层性，在地质构造运动中抗力性的差异，而出现破坏不均一性，在局部应力场能作用下扭曲旋转，和鸡窝状破碎。总体可归结几种破坏模式：

　　1、层间挤压破坏垮塌：片岩破碎岩常临空受重力作用和应力释放松弛垮塌，破坏边顶拱及边墙稳定。

　　2、在大理岩与板岩、片岩，因介质不均一性，常出现不同规模的挤压破碎带或压扭性断裂层带，开挖时出现塌顶。如F5、F6、f24等。

　　3、板岩和片岩多以互层相伴，在洞体开挖中，远离大理岩分布(≥50m)时，其中片岩软质受夹挤破碎出现临空垮塌。

　　4、中厚层状板岩层面陡倾大体垂直洞体，受构造结构面组合切割(主要是一序次共轭面翻转后成为优势结构破坏面： N50°～70°/NE∠60°～70°及N80°～90°W/ SW∠30°～40°)控制，出现结构体坍塌。

　　(1)左偏型和右偏型的偏层眷型坍塌。

　　(2)右侧上半洞受N50°～70°/NE∠60°～70°劈理化裂隙密集控制，应力回弹张裂倒塌。

　　(3)右侧上半洞受N80°～90°W/ SW∠30°～40°中缓结构面反倾切割N50°～70°/NE∠60°～70°顺坡陡倾所组成倒悬三角体，应力回弹松弛滑塌。

　　(4)下半洞开挖是三心马蹄形的下部，因洞壁内收，左侧洞壁开挖面陡角与N50°～70°/NE∠60°～70°优势面(反倾)夹角大于30°，洞壁不易垮塌(破碎岩带除外)右侧下半洞壁面陡角与N50°～70°/NE∠60°～70°优势面大等相等，洞壁总体稳定，仅局部少量垮塌。

　　(5)底板开挖清基又有几种破坏模式：

　　a、破碎带和细碎岩因岩爆震动和应力回弹松弛，清基“超挖”

　　b、软岩受地下水浸泡泥化，清基“超挖”

　　c、多组结构面交切，裂面光滑爆破震动开裂，清基“超挖”

　　d、陡倾裂面受中倾裂面(中缓面)应力回弹松动情面“超挖”

　　e、对倾中倾角面(走向大体一致)切割，裂面光滑，应力回弹松动，清基“超挖”。此乃三角沟槽式“超挖”

　　5、绿泥岩带：在锦屏二级水电站3#、4#引水隧洞西端工程标中，应力集中在3#洞1+660～1+720段，绿泥岩与其伴生的条纹大理岩受N50°W/NE∠60°断层切割破碎，开挖后应力回弹扩容和洞体变形，侵占设计开挖断面，后期需进行二次扩大开挖。亦因岩石质软破碎造成清基“超挖”。其余绿片岩多被错动破坏夹在断层破碎带中，导致塌方。

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文章名称： 地质因素在隧洞开挖过程中的控制作用

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