洞室围岩稳定性分析及处理措施

2.1　施工特点

两河口水电站初期导流洞为特大断面的长隧道，开挖施工难度大。其主要施工特点如下：

（1）隧道长，单洞长约2 km，开挖施工期间进出口需预留岩塞进行施工期水流控制，空气不易流通，通风散烟难度大。

（2）开挖断面大。典型开挖断面为205～278 m2，最大开挖高度达18.15m，最大开挖跨度达15.3m。

（3）进出口段及局部地段地质条件差。出口尾水段为不同板岩互层岩体，阿农沟位于导流洞出口上游约300m处，深沟切割对导流洞围岩完整性影响较大，进出口段为Ⅳ类、Ⅴ类围岩，隧洞进出口偏压，同时洞室均处于河水面以下，地下水较为丰富，出口段隧洞顶、底板冒水作喷射状，底板喷射水柱最大高度约50cm。

（4）局部应力集中。隧洞中段岩体埋深较深，进出口上覆岩体较薄，且交叉口、变断面、弯段布置相互交错，两条导流洞紧邻且与401#、402#公路立体布置，局部应力集中。

2.2　洞室围岩稳定性分析

2.2.1　工程地质条件

导流洞区出露地层岩性主要为三叠系两河口组，岩性以粉砂质板岩向上渐变为粉砂质板岩夹绢云母板岩及粉砂质板岩与绢云母板岩互层，工程区出露岩层走向为NWW—SEE，倾角由陡变缓，层序正常。

以Ⅲ类围岩为主，进口段为Ⅳ类围岩，进洞口近地表段少量为Ⅴ类围岩，距出洞口约300 m处受阿农沟切割影响极少量为Ⅴ类围岩。

2.2.2　基础施工地质参数

（1）基本施工地质参数，按照地质报告，确定导流洞的围岩的计算参数为：

1）单轴抗压强度。Ⅲ1 Rg=60～100 MPa，Ⅲ2 Rg=40～60 MPa，ⅣRg＜40 MPa，ⅤRg＜30 MPa。

2）岩石的坚固系数。砂板岩Ⅲ1 fk=6～10，Ⅲ2 fk=4～6，Ⅳfk＜4，Ⅴfk＜3。

3）岩石容重。砂板岩γ=2.60～2.77g/cm3（Ⅲ类围岩为2.68～2.77，Ⅳ类围岩为2.65～2.70，Ⅴ类围岩为2.60～2.65）。

4）侧压力系数。Ⅲ、Ⅳ类围岩λ=σH/σV=0.33～0.54，Ⅴ类围岩入＞0.54。

（2）上覆岩体厚。

1）1　#导流洞。最大埋深约240m，进口0+169.56～0+184.56竖井闸室段约120 m，出口1+368附近阿农沟段约80m。

2）2　#导流洞。最大埋深约300m，进口0+229.56～0+244.56竖井闸室段约165m，出口1+505附近阿农沟段约120m。

（3）施工支洞位置。1#施工支洞上岔洞与导流洞相交位置为（导1）0+220；1#施工支洞下岔洞与导流洞相交位置为（导1）0+430；中部施工支洞与导流洞相交位置为（导1）0+786；2#施工支洞下岔洞与导流洞相交位置为（导1）1+125；2#施工支洞上岔洞与导流洞相交位置为（导1）1+368。

2.2.3　基本计算

（1）岩体垂直初始应力。在大多数情况下，在无实测资料的情况下，垂直地应力等于上覆岩体的重量，可近似计算，施工期导流洞地应力计算表见表1。

表1　施工期导流洞地应力计算表

（2）导流洞围岩在重分布应力作用下的稳定性，主要取决于导流洞周边重分布的切向应力σθ与岩体强度Rg的比值，即σθ/Rg，一般情况下σθ=（2～5）σV，因此可作出如下的判断：

1）当σθ≥Rg，或σV≥（0.2～0.5）Rg时，洞室围岩一般要采取支护措施，从表1可以看出在隧道Ⅳ类、Ⅴ类围岩及2#导流洞中段Ⅲ2类围岩区均有可能在这个范围，对洞室围岩稳定不利。

2）当σθ/Rg较小，或σV≈（0.01～0.15）Rg时，若λ≈1（实测Ⅲ、Ⅳ类围岩λ=σH/σV=0.33～0.54，Ⅴ类围岩λ＞0.54），隧洞进口段及中部Ⅲ1类围岩（σV/Rg=0.0332～0.1385，绝大部分Ⅲ2类围岩（σV/Rg=0.0332～0.2078）可能在圆形洞室的围岩形成一个切向压力环，有利于洞室顶拱围岩的稳定。

（3）地应力对导流洞侧边墙的影响。据威尔逊等人对岩体中隧洞边墙围岩的研究：①当σV/Rg≤0.1时，对边墙围岩可不支护；②当σV/Rg=0.1～0.2时，边墙围岩有轻微剥落；③当σV/Rg=0.1～0.3时，边墙围岩将会严重剥落；④当σV/Rg=0.1～0.4时，则围岩剥落相当严重；⑤当σV/Rg＞0.4时，侧墙围岩会出现岩爆。

（4）导流洞围岩侧墙稳定及岩爆。导流洞σV/Rg一般为0.0665～0.265，一般边墙围岩可不支护、有轻微剥落，在进、出口段局部边墙围岩将会严重剥落或剥落相当严重，在中段局部应力集中段有发生岩爆的可能性。

（5）导流洞开挖后围岩的变形。在坚硬岩体的洞室，当σV/Rg的值较大时，会产生围岩的径向收敛变形。

1）确定施工期导流洞围岩最大位移的经验方法。据莫斯特科夫采用的统计方法，经过计算可得到产生径向收敛变形的最大位移量为：

式中　u1——顶拱中心最大位移，mm；

　　　u2——边墙最大位移，mm；

　　　H——边墙开挖高度，拱座至底板计，m；

　　　b0——开挖跨度，m；

　　　fk——修正的普氏系数。

导流洞顶拱边墙变形位移计算表见表2。

表2　导流洞顶拱边墙变形位移计算表

2）法国工业部对围岩顶拱变位的规定见表3。

表3　法国工业部对围岩顶拱变位的规定

因此，导流洞若严格按设计开挖轮廓开挖，并且严格采用光面爆破，则开挖质量较好，围岩表面无较大的起伏差，超挖量不大，毛洞的围岩变形绝大多数在允许变形范围内，但需防范局部围岩强度较低段的较大变形。

3）导流洞围岩位移实测成果。根据导流洞多点位移计监测成果，累计最大位移为4.07mm，发生在1#导流洞（1+486、1+520）监测断面，与采用导流洞围岩最大位移的经验方法计算的成果基本吻合。(www.xing528.com)

（6）围岩的松脱压力（塌落拱高度）。围岩的失稳过程，若没有对围岩及时支护，使变形进一步发展，最后达到松脱压力，导致塌方。大断面塌落拱范围的综合公式为

式中　hH——塌落高度，m；

　　　k——系数，根据岩石情况取值，f=4时k=0.3，f=10～14时k=0.05～0.1；

　　　b0——开挖跨度。

因此，作用于支护围岩塌落拱范围内的岩体上的荷载为

式中　γ——岩石容重。

系数β的取值见表4。

表4　β系数取值

注 α0为塌落拱的圆心角。

塌落高度及支护在岩体上的荷载计算表见表5。

表5　塌落高度及支护在岩体上的荷载计算表

2.2.4　导流洞施工期洞室围岩稳定性分析成果

（1）导流洞围岩的稳定性。通过计算分析，导流洞进口段及中部Ⅲ1类围岩（σV/Rg=0.0332～0.1385）以及绝大部分Ⅲ2类围岩（σV/Rg=0.0332～0.2078）处于σV≈（0.01～0.15）Rg区，边墙本身岩石力学特性是稳定的，顶拱围岩可能会形成一个切向压力环，有利于顶拱围岩的稳定。

导流洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩及部分Ⅲ2类围岩σV/Rg均大于0.05，在交叉口、变断面、弯段及局部断层、节理裂隙发育等地段，受低强度的板岩影响，其值将大于0.2，边墙围岩将会严重剥落或剥落相当严重，并存在岩爆的可能性，对洞室围岩稳定不利，需及时采取支护措施。

（2）导流洞变形。通过计算得到导流洞顶拱最大变形为35.3mm，边墙最大变形为38.66mm，小于法国工业部对围岩顶拱及边墙变形的规定。导流洞若严格按设计开挖轮廓开挖，并且严格采用光面爆破，则开挖质量较好，围岩表面无较大的起伏差，超挖量不大，毛洞的围岩变形较小且稳定，但需防范局部不良地质段的围岩变形失稳。

（3）围岩塌落拱及松脱压力。为确保导流洞建筑物安全和围岩稳定，通过计算得到导流洞的塌落拱高度为1.53～4.59m，作用于其上的支护荷载为3.1～9.3 t/m2。

2.2.5　随机支护和开挖支护

（1）随机锚杆支护参数的确定。导流洞Ⅲ2类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩均布置有“锚杆+挂网钢筋+喷混凝土”系统支护，Ⅲ1类围岩布置有“锚杆+喷混凝土”系统支护。根据导流洞围岩塌落拱及松脱压力计算成果，局部不良地质段应采用随机锚杆支护跟进，随机锚杆支护的确定原则如下：

1）锚杆直径一般采用系统锚杆的直径。

2）锚杆长度不得小于塌落拱高度，并有一定的安全保证系数，一般情况下顶拱、拱座、边墙锚杆长度分别取塌落拱高度的1.5倍、2.0倍、1.5倍。

3）Ⅴ类围岩段随机锚杆长度顶拱、拱座、边墙分别为6.0m、9.0 m、6.0 m，入岩分别为5.5m、8.5m、5.5m。

4）Ⅳ类围岩段随机锚杆长度顶拱、拱座、边墙分别为4.5m、6.0 m、4.5 m，入岩分别为4.0m、5.5m、4.0m。

5）Ⅲ1类、Ⅲ2类围岩段随机锚杆长度顶拱、拱座、边墙分别为3.0m、4.5m、3.0 m，入岩分别为2.5m、4.0 m、2.5m。

（2）开挖与支护距离的初步确定。导流洞围岩严格按设计开挖轮廓开挖，并且严格采用光面爆破，则开挖质量较好，围岩表面无较大的起伏差，超挖量不大的情况下，通过对施工期导流洞围岩稳定性与变形分析，开挖与支护的距离初步确定如下：

1）导流洞Ⅲ1类围岩、大部分Ⅲ2类围岩洞室开挖后整体稳定，洞室变形量及围岩塌落拱高度小，开挖后应对局部不稳定块体进行清撬、随机锚杆支护，一般情况下，开挖与支护的距离可控制在30～80m。但在交叉口、变断面、弯段及局部断层、节理裂隙发育等地段，受围岩的地质构造影响，需要及时采取支护措施。

2）导流洞Ⅳ类围岩及局部Ⅲ2类围岩洞室开挖后整体稳定，在交叉口、变断面、弯段及局部断层、节理裂隙发育等地段，围岩稳定性差，洞室变形量及围岩塌落拱高度可能较大，需视实际情况采取随机锚杆、钢拱架等支护措施，且系统支护及时跟进，开挖与支护的距离可控制在0～30m。

3）导流洞Ⅴ类围岩洞室开挖后稳定性差，洞室变形量及围岩塌落拱高度较大，围岩自稳时间短或没有自稳时间，随机支护与系统支护需及时跟进，支护需紧跟开挖掌子面。

2.3　不良地质体的处理

导流洞不良地质条件主要包括Ⅳ类、Ⅴ类围岩中的软弱破碎地层和岩层走向与洞轴线小角度相交的Ⅳ类围岩。

软弱破碎地层中，其岩体单轴抗压强度小于40 MPa或30 MPa，甚至小于10 MPa，隧洞开挖后软弱破碎地层带自稳时间很短或没有自稳时间，如进出口段近地表且地下水丰富的Ⅴ类围岩等。

导流洞洞向为S54°54＇11〞W—S0°5＇49〞E—S52°E。中部主要为两河口组中段，岩性以粉砂质板岩向上渐变为粉砂质板岩夹绢云母板岩及粉砂质板岩与绢云母板岩互层，岩层走向为NWW～SEE，倾角由陡变缓。中部直段洞向（S0°5＇49〞E）与岩层走向（NWW～SEE）成小角度相交，且岩性以板岩为主，倾角较陡，这种洞向与岩层的组合不利于边墙围岩的稳定。

（1）Ⅳ类、Ⅴ类围岩中软弱破碎地层带施工。

1）改为先中导洞，后两侧扩挖施工方案。

2）采用“小断面、短进尺，多循环、小装药，多钻孔”的施工方法。

3）对于有一定的自稳能力的Ⅳ类围岩中软弱破碎地层带围岩，一般采用“超前锚杆+钢拱架”的支护方案，超前锚杆通过与钢拱架的组合作用，一是稳定了已开挖段围岩，二是对未开挖段起到加固的作用，对于不是极破碎的Ⅳ类围岩效果显著。同时，系统支护与随机支护跟进。

4）对于几乎没有自稳能力的Ⅴ类围岩中软弱破碎地层带围岩，一般采用“超前管棚+钢拱架”的支护方案，超前管棚通过固结灌浆达到局部固结岩体的作用，使松散的岩体成为一个整体，在开挖后、支护前暂时性抑制顶拱岩体发生塌方、掉块等破坏，对于极破碎的Ⅴ类围岩效果显著。同时，系统支护与随机支护跟进。

（2）不利洞向与岩层走向组合施工。

1）边墙光爆孔宜采用手风钻搭设简易钻孔样架钻孔，不宜采用预裂孔。

2）开挖后系统支护跟进，并根据不利岩层面块体组合增加随机锚杆支护，必要时采用钢拱架支护。