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1、1西部建设中的软岩工程问题摘要：软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，给地下工程建设带来若干岩石力学问题，特别是大中型水电工程建设中的高应力软岩。在西部、特别是西南地区大中型水电站中，地下洞室遇到的高应力软岩则是最为突出的问题之一，它的存在使本身完整坚硬的岩石呈现出工程软岩的特性。本文重点介绍了二滩水电站地下厂房开挖建设中出现的高应力软岩问题、处理措施、效果及建议，同时提出了溪洛渡、锦屏一级水电站地下洞室开挖中可能出现的软岩工程问题。 关键词：岩石力学 软岩 工程软岩 高应力软岩 岩爆 1 前言 软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，可分为地质软岩和工程
2、软岩两大类别。地质软岩指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质；工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程软岩强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 工程软岩和地质软岩的关系是：当工程荷载相对于地质软岩（如泥页岩等）的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩；在大深度、高2应力作用下，部分地
3、质硬岩（如泥质胶结砂岩等）也呈现了显著变形特征，则应视其为工程软岩。 根据软岩特性的差异及产生显著塑性变形的机理，软岩可分为 4 大类，及膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。 根据高应力类型的不同，高应力软岩可细分为自重应力软岩和构造应力软岩。前者的特点是与深度有关，与方向无关；而后者的特点是与深度无关，而与方向有关。高应力软岩根据应力水平分为 3 级，即高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩（表 1.1）。1 表 1.1 高应力软岩分级级别应力水平 /MPa高应力软岩2550超高应力软岩5075极高应力软岩753在西部、特别是西南地区的水电站大都位于深山峡谷中，枢纽区岸坡陡峻、河
4、谷狭窄，主要建筑物只有布置在山体之中。大断面的导流洞、泄洪洞、引水洞、发电厂房、主变室、尾水调压室、尾水洞、交通洞等，构成巨大的地下洞室群，因而涉及到大量的地质、岩石力学问题。如：洞口高边坡稳定问题，洞室软岩段稳定及工程处理问题，高应力下工程软岩的研究和处理问题，层间或层内错动带软弱夹层的研究和处理问题，大跨度洞室顶板的变形和稳定问题，软弱夹层的流变特性及长期强度问题等，而高应力软岩则是最为突出的问题之一。2 二滩水电站地下厂房 2.1 主要软岩工程问题 电站勘测设计阶段在主厂房设计位置进行了原位模拟洞围岩变形特性研究，试验结果预测： 由于岩体坚硬，洞室周边将形成应力集中带，应力值高达 40M
5、Pa 以上。母线廊道岩柱将再次产生应力集中，应力值将在 67MPa 以上，从而使围岩岩体产生脆性拉裂，破裂面与厂房洞室边墙平行。 地下厂房边墙围岩变形一般在 3060mm，顶拱变形在 10mm 左右。 原位模拟洞围岩位移反分析结果表明原岩最大主应力在 30MPa 左右。 根据预测结果，厂房地下洞室群可能存在高应力软岩问题，主要以构造应力特征显现。 地下厂房洞室群于 1993 年 3 月动工开挖，至 1996 年底主体工程开挖完成。施工过程中，完整性较好的正长岩、辉长岩内不同程度地产生过岩石板裂、葱皮现象，尤其是应力集中的工程部位，如三大洞室上游拱座附近、洞室交叉口、岩柱及其他4复杂工程部位等。
6、这些部位曾多次产生岩石板裂、剥落掉块、混凝土喷层开裂、脱空，以及部分锚索失效等现象。围岩的破坏在二滩水电站这个高应力区域主要以岩爆的形式表现出来在地下厂房施工过程中，曾发生过数十次不同规模的岩爆，其中最严重的有两次。 1995 年 9 月 8 日，当#2 尾调室靠南端墙侧的台阶开挖并与下部尾水洞的出渣洞贯通时，诱发了主变室 13 号母线洞之间岩柱发生岩爆，导致尾调室上游拱座及母线洞裂缝进一步发展，尤其在#2 母线洞 0+005015 起拱线附近最为严重，大量块石坍落。在#1 与#2 尾水管之间的岩柱也同时发生严重岩爆，范围达几十米，坍落岩块厚度达 3m，PHM21 突变 50mm，并拉断 6
7、根预应力(175t)锚索。 1996 年 4 月 30 日，当主厂房#2 基坑与#2 尾水管贯通时，发生严重岩爆，边墙围岩突变 2441.5mm，基坑围岩坍落大量岩块，#1 和#2 母线洞距离厂房下游边墙 0+0600+130m 中、下部的衬砌混凝土开裂，裂缝宽达 513mm(见图 2.1)，厂房吊顶 0+070150m 段也发生岩爆，吊顶上抬 3040mm，上游拉筋被压弯曲 图 2.1 位移计 PHM21 位移时间关系曲线2.2 处理措施和效果2.2.1 处理措施二滩水电站地下厂房三大洞室基本上采用系统喷锚支护、锚索进行加固。顶拱采用挂网，喷厚度为 510cm 的素混凝土，后期局部加喷厚度为
8、 510cm的钢钎维混凝土，并增加间距 1.5m1.5m、长度 68m 系统砂浆锚杆。边墙喷厚度为 510cm 的钢钎维混凝土，并增加长度 1520m，间距多数为6m，少数为 4m，尾调室少数为 12m，吨位为 175t 的系统锚索锚固。5在变形比较大或稳定条件较差的部位进行补强支护处理。其中，在厂房顶拱增加链状钢丝网，并在 0+51.20+188.62m 段增加长 11m、间距 2.2m3m 的 15t 级单股软锚索。在上游起拱线附近增加一些带垫板锚杆，下游边墙 0+550+120m 中下部增加 14 根长 25m、350t 级的锚索。主变室上游边墙#2#3 母线洞之间增加 6 根 350t
9、 级的对穿锚索，下游边墙增加与尾调室对穿的 175t 级锚索 21 根。尾调室上游起拱线至顶拱中线增加链状钢丝网，并在起拱附近增加间距为1.0m 的垫板锚杆，在 0+1400+160m 段增加两排间距为 2.5m 的 15t 级软锚索。2.2.2 处理效果 1998 年度的观测结果表明，绝大部分围岩变形皆小于 1.0mm，仅厂房一个断面的变形达 3.0mm5.0mm，属突发变形，随后的观测表明其也逐渐趋于稳定；#2 尾调室上游边墙有 2.0mm 变形，但变形缓慢；锚杆应力的变化较小，一般小于10MPa。总体上厂房系统各洞室围岩是稳定的。 地质巡视结果表明，1998 年各洞室的原有裂缝未见进一步
10、扩展，也没有发现新裂缝及其他异常现象。 #2 尾调室上游边墙的围岩在运行两年来仍有变形现象产生，此部位应予以密切关注，并加强监测和巡视。2.2.3 变形及锚杆应力变化规律 各洞室的变形主要表现为收敛变形，锚杆主要承受拉应力，变形和锚杆受力的大小与洞室开挖尺寸关系密切，厂房观测情况表明，安装间变形最小，副厂房的变形小于主厂房，副厂房的锚杆应力也小于主厂房的锚杆应力。 从时间上看，三大洞室的围岩变形及锚杆应力主要受台阶开挖及岩爆的影6响，开挖停止后变形及应力变化即基本停止，仅局部如#2 尾调室上游边墙可能会因为块体松动引起部分位移或应力调整。但总体上绝大部分围岩的流变特征不明显，绿泥石化玄武岩有轻
11、微蠕变。 三大洞室顶拱的变形及锚杆应力都很小，变形值在 28mm 之间，大多数小于 3.0mm，且部分仪器反映顶拱有上抬现象，产生上抬部位的锚杆应受压。 各洞室的变形主要发生在高边墙上，高边墙的锚杆应力变化值远远大于顶拱部位，这与洞室的高宽比和岩体应力状态(水平应力为主)有关。 主厂房高边墙变形较大的部位一般发生在上游边墙的拱座、吊车梁附近和下游边墙的中部。主变室、尾调室变形较大的部位发生在上游边墙，且上游边墙的变形明显大于下游边墙。导致这一现象的主要诱因是地下厂房及尾调室的两次严重岩爆，变形的分布与洞室群交叉有关，也与岩体应力方向有关。 根据原地下厂房模拟洞试验结果，正常情况下厂房围岩的变形
12、应在3060mm 范围内，而实测变形值在很多部位远远大于此预测值，产生此种现象的原因是围岩表层在一定范围内产生了应力松弛区，从位移与深度关系、锚杆应力变化与深度关系上可以得到验证。根据推测，厂房和尾调室边墙的松弛区深度为510m，主变室边墙的松弛区深度小于 5m。松弛区的产生必将扩大围岩内部的塑性区域，估计厂房边墙围岩的塑性区深度为 1015m，主变室边墙的塑性区深度在 10m 左右，尾调室上游边墙的塑性区深度有可能超过 15m，主变室与尾调室之间岩柱的塑性区有可能连通。 由于岩爆、大变形及松弛区的产生，较大程度地损坏了厂房洞室群围岩的完整性和自支承能力。但由于支护及时，支护强度合理，使厂房系
13、统各洞室在开挖结束后即基本停止了变形，近年来的观测结果证明各洞室围岩目前是稳定的。 72.3 建议 地下洞室施工中应严格按设计施工程序进行，不要为加快施工进度轻易更改。如为加快施工进度，承包商沿尾调室上游边墙底部开挖出渣通道进行 6 条尾水管的挖掘，造成尾调室下部成为单薄的承力岩板，致使围岩处于严重破损的危险境地，应引以为戒。 由于岩体开挖后必将释放应力和变形，其巨大的能量是很难压制的(如二滩 B、C 断面预应力加固锚索因岩爆而拉断)，因此加固的锚索应不施加预应力(对已破损且不再有大的应力释放部位可以施加预应力)，预留一定的调节变形量，只起到限制坍落并减少岩体松动的作用。对于高应力区则采用胀壳
14、式锚杆增加岩体抗剪强度，避免砂浆式锚杆因高应力作用使砂浆损坏而造成锚固失效。3 结束语以上是二滩水电站建设中出现的软岩工程问题，事实上，其他工程也可能存在类似的软岩工程问题。如：3.1 溪落渡水电站地下厂房溪落渡水电站地下厂房三大洞室对称布置于两岸库内山体中，垂直和水平埋深均大于 300m，洞室围岩均由新鲜、坚硬、完整性好较好的玄武岩组成。岩体应力量值中等，1=1618MPa，方向 N6070W，接近水平；2=1113MPa，近直立；3=6MPa，方向 N2030E，近于水平。岩体透水性较弱，含水极少，为裂隙和脉状含水，洪枯水位变化幅度约 15m，地下水位高程 375（枯）390（洪）。左岸地
15、下厂房轴线 N24W，与最大主应力成 3545的夹角。顶拱围岩均为P26 层，边墙由 P26、P25 和 P24 层组成，主变室顶拱主要为 P26 层，部分为P25 和 P27 层。8右岸地下厂房轴线 N70W，与最大主应力的夹角小于 10，厂房和主变室顶拱主要为 P24 层，边墙为 P23P24 层，尾调室由 P23P26 层组成。洞室区层间错动发育较弱，层内错动主要发育于 5 层中下部和 6 层中部，规模一般较小，破碎带厚度薄，嵌合紧密，以新鲜的裂隙岩块型为主，裂隙稀疏短小。围岩类型约 2/3 为类，1/3 为1 类，局部层内错动发育带，且在顶拱埋深较浅的部位为21 类，围岩稳定条件整体较
16、好。可能存在的软岩工程问题主要有三方面： 当缓倾角的错动带在顶拱集中发育成带，且埋深较浅时，或错动带与裂隙组合构成不利的块体时，有可能出现局部的塌顶或掉块。 在错动带较发育、岩体较破碎、围岩类别较低的部位，在开挖后二次应力调整的作用下，易发生塑性变形。 在洞室群交叉和洞室的拐点，如尾水管、母线洞、交通洞等部位，应力分布较复杂，容易产生一定范围的塑性变形和位移。3.2 锦屏一级水电站地下厂房锦屏一级水电站坝址位于变质岩地区，地质构造复杂，在钻孔与探洞中有岩心饼化及片帮的发生，表明坝址为高地应力区。其最大主应力 1 一般为2530MPa，最大达 35.740.4MPa，方向介于 N36WN67W 之间，平均 N51W，与岸坡走向近于垂直；倾角变化较大，最小 3，最大 57。产生高应力的原因，除本区所处特殊的大地构造环境，岩体中残留有较高构造应力外
