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、高应力作用下，部分地质硬岩(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

25～50

超高应力软岩

50～75

极高应力软岩

>75

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：

⑴由于岩体坚硬，洞室周边将形成应力集中带，应力值高达40mpa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。

⑵地下厂房边墙围岩变形一般在30~60mm，顶拱变形在10mm左右。

⑶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、岩柱及其他复杂工程部位等。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。

⑴1995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1~3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+005~015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根预应力(175t)锚索。

⑵1996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24~41.5mm，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+060~0+130m中、下部的衬砌混凝土开裂，裂缝宽达5~13mm(见图2.1)，厂房吊顶0+070~150m段也发生岩爆，吊顶上抬30~40mm，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5~10cm的素混凝土，后期局部加喷厚度为5~10cm的钢钎维混凝土，并增加间距1.5m×1.5m、长度6~8m系统砂浆锚杆。

边墙喷厚度为5~10cm的钢钎维混凝土，并增加长度15~20m，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。

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+51.2~0+188.62m段增加长11m、间距2.2m×3m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+55~0+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+140~0+160m段增加两排间距为2.5m的15t级软锚索。

2.2.2处理效果

⑴1998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3.0mm~5.0mm，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。

⑵地质巡视结果表明，1998年各洞室的原有裂缝未见进一步扩展，也没有发现新裂缝及其他异常现象。

⑶#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

⑴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。

⑵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微蠕变。

⑶三大洞室顶拱的变形及锚杆应力都很小，变形值在2~8mm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。

⑷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。

⑸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。

⑹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应在30~60mm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5~10m，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10~15m，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。

⑺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。

2.3建议

⑴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。

⑵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，σ1=16~18mpa，方向n60°~70°w，接近水平;σ2=11~13mpa，近直立;σ3=6mpa，方向n20°~30°e，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)。

左岸地下厂房轴线n24°w，与最大主应力成35°~45°的夹角。顶拱围岩均为p2β6层，边墙由p2β6、p2β5和p2β4层组成，主变室顶拱主要为p2β6层，部分为p2β5和p2β7层。

右岸地下厂房轴线n70°w，与最大主应力的夹角小于10°，厂房和主变室顶拱主要为p2β4层，边墙为p2β3~p2β4层，尾调室由p2β3~p2β6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ⅱ类，1/3为ⅲ1类，局部层内错动发育带，且在顶拱埋深较浅的部位为ⅲ2~ⅳ1类，围岩稳定条件整体较好。

可能存在的软岩工程问题主要有三方面：

⑴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。

⑵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。

⑶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σ1一般为25～30mpa，最大达35.7～40.4mpa，方向介于n36°w～n67°w之间，平均n51°w，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，还与本区河谷深切、谷坡高陡、岩体自重应力较大有关，从而构成坝区自重应力、构造应力及构造残余应力迭加的高应力场。另外，随岸坡高程增加，岩体应力降低;同一高程随着水平深度的增加，岩体应力升高，应力水平分带性明显。

以上现象表明，在地下厂房系统开挖中，将会出现比二滩地下厂房开挖时更为严重的岩石板裂、葱皮、剥落掉块、混凝土喷层开裂、脱空及岩爆等一系列工程软岩问题。这些工程软岩问题以什么方式表现?什么时候出现?在哪些部位最容易产生?采用什么工程处理措施能更有效地予以解决等等?都是今后工作中需要进一步探讨和研究的。

在岩石三轴压缩试验中，杂色角砾状大理岩变形模量、弹性模量出现围压为5mpa时变形模量、弹性模量值最高，0mpa时最低，围压从0mpa升高至5mpa，变形模量、弹性模量值升高154%～117%;从5mpa升高至10mpa，变形模量、弹性模量值降低18%和12%;从10mpa升高至15mpa，变形模量、弹性模量值降低33%和31%。峰值抗压强度则是围压为10mpa时最高，0mpa时最低。这一现象初步表明杂色角砾状大理岩具有围压超过5mpa以后岩石变形性质随围压的增加而降低，围压超过10mpa以后岩石强度性质随围压的增加而降低的规律，即此种岩石在较高围压应力条件下具有工程软岩(高应力软岩)的特性。

3.3软岩工程前景

随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多地触及到软岩(高应力软岩)工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究，摸清它发生、发展的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法是十分必要的，