簡析深埋條件下綠泥石片巖洞段的變形特征論文

　　引言

　　雅碧江錦屏二級水電站處于高山峽谷巖溶地區(qū)，它利用錦屏大河灣150 km的天然落差，開挖隧洞截彎取直，引水發(fā)電，總裝機容量4800MW;由閘壩、引水隧洞、地下廠房等主要建筑物組成，其中4條引水隧洞平均長為16.67 km，開挖直徑f12.4~14.3 m，一般埋深15002000 m，最大埋深2525 m東到西分別穿越鹽塘組大理巖、自山組大理巖、三迭系上統(tǒng)砂板巖、雜谷腦組大理巖、三迭系下統(tǒng)綠泥石片巖和變質(zhì)中細砂巖等地層。巖層陡傾，其走向與主構(gòu)造線方向一致;在最大埋深一帶實測的第一最大主應力量值一般在64.6975.85 MPa，局部可達94.97 MPa;實測最大外水壓力10.2 MPa,故引水隧洞群具有“超長、超埋深、超高地應力、超高外水壓、局部巖溶較發(fā)育”等特點。

　　綠泥石片巖主要分布于1號和2號引水隧洞內(nèi)，即樁號引(1)1+5371+800 m、引(2)1+613755 m，埋深為15501850 m。在施工期間，由于受高地應力及綠泥石片巖自身性質(zhì)的影響，隧洞開挖期間出現(xiàn)大規(guī)模塌方、圍巖初期支護后的圍巖持續(xù)變形、臨時支護結(jié)構(gòu)損壞等情況，給引水隧洞整個施工過程帶來了較大的影響。

　　1綠泥石片巖基本特征

　　綠泥石片巖是一種以綠泥石為主要礦物成分的區(qū)域變質(zhì)巖，其特征是具有片理構(gòu)造，一般為鱗片變晶結(jié)構(gòu)，巖石表面具有玻璃光澤，未完全解理。綠泥石是族層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，主要為Mg和Fe的礦物種;通過X射線物相分析!2l，綠泥石片巖的成分為:綠泥石、滑石、閃石、方解石。

　　引(1)1+537一1+800 m、引(2)1+613一755 m兩個段圍巖為三迭系下統(tǒng)的純綠泥石片巖，局部夾少量大理巖條帶或透鏡體，構(gòu)成了陡立的背斜核部地層，其兩翼為三迭系中統(tǒng)雜谷腦組大理巖。為一尖棱狀背斜，背斜軸面與洞向大角度相交，向南傾伏，受褶皺構(gòu)造影響，巖體受擠壓明顯，巖層產(chǎn)狀變化較大，裂隙密集發(fā)育，且綠泥石片巖被擠壓后，圍巖變得松散、軟弱，巖塊手冊即斷，結(jié)構(gòu)面之間充填巖粉，沿面變得光滑，手摸具有強烈滑感，幾乎無粘聚力。

　　綠泥石片巖洞段為相對隔水層，地下水不甚發(fā)育，以少量裂隙水為主，具體表現(xiàn)為滲滴水，偶見線狀流水。綠泥石片巖屬典型的軟巖，軟化系數(shù)約為0.5，雖然其十抗壓強度有3040 MPa，其飽和抗壓強度為19.47 MPa，飽和條件下的彈模約為十燥時的27%，這說明綠泥石礦物遇水導致的軟化效應十分突出，地下水對圍巖穩(wěn)定的影響明顯。

　　綠泥石片巖洞段埋深為15501850 m，現(xiàn)場實測的最大地應力為30.45 MPa，方位角145.730 ,傾角一55.240。純綠泥石片巖或以綠泥石片巖為主的洞段，受褶皺構(gòu)造擠壓、高地應力、巖體自身性質(zhì)差等各方面因素綜合影響，圍巖較破碎，均為W類圍巖。而與其相鄰的大理巖或以大理巖為主洞段(巖溶洞段除外)的圍巖完整性較差，則以III圍巖為主。

　　據(jù)膨脹性試驗成果，微風化綠泥石片巖的軸向自由膨脹率均值為0.077%，徑向為0.117%，體積膨脹率為0.311%，而膨脹性軟巖的自由膨脹變形量小于10%，比較可見，綠泥石片巖的膨脹性極低。側(cè)向約束軸向膨脹率為0.102%，很低。膨脹力在11.07819.436 kPa之間，均值為15.35kPa，相對于現(xiàn)場約30 MPa級原巖應力和二次應力來說，膨脹力可以忽略不計。

　　2綠泥石片巖變形特征

　　2.1軟巖大變形

　　綠泥石片巖本身具有強度及彈性模量等力學參數(shù)較低、遇水軟化效應明顯的特點，開挖后其圍巖自穩(wěn)時間較短，再加上前期系統(tǒng)支護措施未能及時有效地完成，圍巖初期的松馳變形得不到有效控制，因此圍巖出現(xiàn)了較大程度的變形，變形主要以塑性變形為主。變形導致隧洞凈空被侵占，噴層出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。

　　據(jù)施工期的收斂變形監(jiān)測成果表明，1號引水隧洞引(1)1+575,1+655,1+675,1+725,1+760,1+780實測收斂值較大，多為邊墻BC和DE兩條水平測線，其次是拱肩的側(cè)向變形，其中最大收斂累計值為1號引水隧洞引(1)1+670 m斷面的DE測線(累計值為310 mm，系非原始收斂值)。1號引水隧洞引(1)1+760 m斷面DE(水平)測線收斂速率最大，為1.97 mm/d。后期在收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，對隧洞斷面進行了激光掃描，斷面掃描結(jié)果顯示，圍巖變形侵占設計襯砌凈空厚度普遍都在20 cm以上，大部分為2060 cm之間，局部超過1 m，其中以1號引水隧洞引(1)1+6351+800 m段變形最為明顯，其變形主要發(fā)生在北側(cè)拱腳、邊墻、拱肩和南側(cè)拱腳。

　　松動圈測試成果表明，綠泥石片巖IV類圍巖洞段松弛范圍較大，一般為3~6 m總體波速范圍為33006500 m/s，平均波速44004500m/s;局部大理巖含量較高洞段圍巖松弛范圍稍小，一般為2.54.0 m，總體波速范圍為33006500 m/s，平均波速45004600 m/s;表明大理巖夾層的存在對巖體質(zhì)量有一定程度的提高。

　　2.2軟巖流變特性

　　根據(jù)綠泥石片巖巖性本身具有強度及彈性模量等力學參數(shù)較低、遇水軟化效應明顯的特點，結(jié)合已開挖揭露的實際情況，隧洞開挖卸荷后，軟巖巖洞段的變形并沒有很快收斂，而是在高應力長期作用下，表現(xiàn)出十分明顯的變形時效特征，也即流變現(xiàn)象，圍巖的破壞方式表現(xiàn)為大變形。隧洞監(jiān)測儀器為圍巖表層臨空面位置布置的收斂變形計，能夠監(jiān)測到的位移為隧洞開挖后的圍巖卸荷變形，監(jiān)測時間至少1年，這樣獲取的監(jiān)測信息能夠較好地反映軟巖卸荷后時效變形特征。

　　軟巖時效變形過程大致分為瞬時彈性變形、初始流變、等速流變、收斂穩(wěn)定或加速流變等幾個階段。由于收斂計為隧洞開挖后一段時間內(nèi)埋設，無法監(jiān)測到開挖瞬時的彈性變形，因此在流變曲線沒有初始彈性變形階段。從整個監(jiān)測過程可以看出，軟巖流變經(jīng)歷了初始蠕變，這一過程中巖體變形隨時間增長變形速率逐漸遞減，位移逐漸增加;而后經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)流變，即變形速率基本呈定值，位移持續(xù)增加。

　　(1)綠泥石片巖卸載條件下的流變參數(shù)及長期強度

　　由于綠泥石片巖所處區(qū)域變質(zhì)巖區(qū)域，均表現(xiàn)出一定的'片理，為了客觀地反映綠泥石片巖的各向異性所帶來的流變特性規(guī)律，試驗中采用了平行層理方向加載和垂直層理方向加載。在綠泥石片巖卸圍壓蠕變試驗中，軸向流變速率與側(cè)向流變速率均表現(xiàn)出了兩個階段，即初始流變速率階段:流變速率隨著時間增長，很快衰減至一個大于零的常量;穩(wěn)態(tài)蠕變速率階段:流變速率隨著時間的增長，基本保持不變。這充分表明，圍壓的存在使得巖樣流變速率減小。根據(jù)摩爾庫侖強度準則回歸其長期強度參數(shù)值見表1。綠泥石片巖長期強度參數(shù)要比瞬時強度參數(shù)要小，長期內(nèi)摩擦角要比瞬時內(nèi)摩擦角小34.8 %，長期粘聚力要小4%。

　　(2)收斂變形監(jiān)測

　　收斂變形監(jiān)測布置，從監(jiān)測成果來看，收斂值累計值較大的測線多為BC和DE兩條水平測線，其次是拱肩的側(cè)向變形。在高應力環(huán)境下開挖隧洞，洞周圍巖應力水平較高，圍巖產(chǎn)生流變變形后達到穩(wěn)定收斂狀態(tài)時間較長，軟巖段開挖卸荷至收斂穩(wěn)定，在未持續(xù)開挖擾動的情況下，大部分洞段需要經(jīng)歷6~8個月時間到達基本穩(wěn)定，部分洞段流變變形收斂時間達到1年左右。這種規(guī)律性認識對于錦屏二級引水隧洞相應軟巖段二次襯砌施作時機有重要指導意義。

　　(3)軟巖流變力學參數(shù)反演

　　綜合考慮了地質(zhì)條件、監(jiān)測資料及設計要求，選擇了引水隧洞西端深埋段監(jiān)測數(shù)據(jù)較好，地質(zhì)條件典型即綠泥石片巖洞段號為1+675的監(jiān)測斷面作為模型參數(shù)辨識的代表性斷面。反演主要采用Hooke-Kelvin ( H-K)流變模型，同時考慮到，綠泥石片巖力學性質(zhì)中存在明顯的彈塑性性質(zhì)，且當應力超過一閩值后，綠泥石片巖會在外力左右下出現(xiàn)拉壞或者剪壞，故同時考慮Hooke- Kelvin ( H- K)流變模型和Mohr-Coulomb屈服準則，即采用粘一彈一塑流變力學模型。

　　3結(jié)語

　　綠泥石片巖作為工程軟巖，具有強度及彈性模量等力學參數(shù)較低、遇水軟化效應明顯的特點，同時具有“變形量大、初期變形速度快、變形持續(xù)時間長、破壞范圍大”的特點;并在深埋條件下圍巖存在一定的流變特性。錦屏二級水電站引水隧洞綠泥石片巖洞段在開挖初期，圍巖曾發(fā)生大變形，在采取相應的工程處理手段后，已經(jīng)出現(xiàn)塑性流變變形部位巖體的變形能夠得到控制，說明變形的可控性。

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