隧道超挖的地质因素分析

广西百色水利枢纽导流隧洞工程造成洞室超挖的地质因素分析刘伟邦张百臻（隧道局一处七公司）（黄河水利委员会地质处高工）内容提要：本文对广西百色水利枢纽导流隧洞工程在施工过程中造成洞室超 挖量达19514m3的地质因素进彳亍了详细的分析，并据此向业主提 出了 3707225.59元的索赔报告。关键词：洞室超挖地质因素一、工程概况1.工程概述广西百色水利枢纽位于广西右江干流百色市上游22km处，是一座集防洪、 发电、航运、灌溉、供水等于一体的综合性水利工程，由一条导流隧洞、碾压 砼大坝（高130m）、地下发电厂房（装机540Mw）、两座副坝（高3050m）、 一条航道等单位工程组成。导流隧洞位于右江右岸，是右江百色水利枢纽的关 键工程、难点工程。本合同编号为BS98006，业主为广西右江水利开发有限责任公司（简称 YWP）；工程监理为小浪底工程咨询有限公司百色项目监理部（简称XBCC）； 设计单位为广西水利电力勘测设计研究院（简称GIDI）；施工单位为铁道部隧 道工程局与中国水利水电闽江工程局联营体（简称SMJV），隧道局为责任方， 负责导流隧洞开挖及初期支护工作，闽江局为非责任方，负责导流隧洞的二次 衬砌工作。2. 设计概况导流隧洞工程主体部分由进口明渠、进水塔、洞体、W #沟明管段和出口 明渠组成，其总长度828m；施工辅助工程有一条施工交通支洞、二条排水洞 等，施工交通支洞总长度126m，排水洞总长度287.77m。导流隧洞为承压（水压力）洞体，其衬砌后的净空形状，除进口 K0+000K0+025段由方形渐变成圆形外，其余地段均为圆形（直径13.2m）。 主洞支护分三大类九种形式，即A、B、C三类和A1、A2、A3、B1、B2、C1、 C2、C3、C4九种形式，其中A类适用于IIIII类围岩；B类适用于W类围岩； C类适用于V类围岩。3. 工程地形导流隧洞进口位于坝轴线上游约200m处，隧洞穿过坝肩山梁和W#沟，出 口位于V#沟口。沿导流洞轴线，坝肩山梁地面最大高程195m，W#沟沟底高程 134m，进口明渠段地面高程121m，出口明渠段地面高程为130140m。4. 工程地质导流隧洞穿过三个主要工程地质岩组，即坚硬的辉绿岩组、中等坚硬坚 硬的硅质岩及灰岩类组和软弱的泥岩类岩组。辉绿岩体风化浅，沉积岩体风化 较深。隧洞沿线主要构造有层间挤压断层F9、F10、F20等共8条，以顺层或微 切层错动为主，规模较小。5. 水文地质导流隧洞所处地域的地下水位高于河水位，除进出口段外，水位线基本在 洞体以上，地下水流向与岩层走向大致相同，层与层之间的水力联系，除风化 层较为顺畅外，其余较弱。6. 施工概况导流隧洞洞身主体工程2000年1月24日正式开工，克服了种种于施工不利的 自然地质条件，于2001年3月9日全线贯通，历时12.5个月，主洞洞挖石方总量 为16.2万立方。共完成导流隧洞洞身开挖828m，其中明挖16m，洞挖812m。施工 方案采用上、下全断面法开挖。上半断面开挖时，对IIIII类围岩采用全断面、光 面爆破开挖；W类围岩采用中洞法开挖；V类围岩采用预留核心土环形开挖。下半 断面开挖时，对III类围岩采用全断面、光面爆破开挖；W、V类围岩采用中间 拉槽，两边错位开挖。根据开挖实际揭露的围岩条件，结合现场的具体施工情况确 定，导流隧洞IIIII类围岩342m，占导流隧洞总长的41.3%；W类围岩103m，占 12.44%；V类围岩 383m，占 46.26%。由于存在极不利的自然地质条件，在施工过程中，虽采取了积极有效的措施， 并不断随地质条件的变化调整施工方案，优化爆破设计，精心组织施工，但仍形成 了较大的超挖，根据量测断面计算，超挖总量达19514m3。二、形成洞室超挖的主要因素1、概述地形上沟谷比较发育，在近出口两端为缓倾河谷的两条较单薄山梁，中间为一 低洼的4#沟谷，沿纵轴方向呈“马鞍状”。洞顶地面最高高程为221.7m，高出右江 枯水位102m左右，最低点4#沟底，高程140m左右，高出右江水位约21m。洞顶以上岩土覆盖厚度，等于大于5倍洞径的洞段长约310米(K0+3400+650)， 占全洞长的37.4%；覆盖厚度2.53.5倍洞径的洞段长418420m，占5051%；覆 盖厚度等于或小于1倍洞径的洞段长约占1112%。可以看出60%以上洞室属于中 浅埋深围岩，稳定性不仅受岩性、构造的制约，还受风化卸荷等外营力的直接影响。 2对洞室的超挖影响因素可归结为以下几方面： 2.1岩性和岩体强度全洞段按岩石成因和岩体工程地质特征可分为两类：2.1.1岩浆岩为华力西期呈岩床式分别在4#、5#沟右侧(K0+1030+250； K0+5240+828)。侵入于上泥盆系和下石炭系之间或二者的接触面之间的基性岩，总长度约450m, 占洞长的50%强。岩性为灰一灰绿色辉绿岩，主要矿物为透灰石、斜长石，次要矿 物为角闪石、橄榄石。新鲜岩石坚硬性脆，天然状态下单轴抗压强度在200Mpa左 右，属极坚硬的均质块状、次块状结构岩体，但岩体强度除与岩石强度有关外，很 大程度上还和构造、风化卸荷、蚀变及节理裂隙的发育程度和割切密度等因素有直 接关系。经开挖可以看到，本地区辉绿岩体受构造挤压错动较严重，节理裂隙发育， 尤其是似层面的较缓倾角裂隙甚发育，且密度大；另一方面受风化卸荷，蚀变影响 较深，岩体块度小，钻孔资料也可说明这一点，不少钻孔在灰绿岩中岩芯获得率很 低，大于80%的较少。RQD质量指标更低，很少有50%以上的，一般在20%37% 左右，平均28%左右。应属坏极坏岩体。纵波波速在中等微风化岩体中一般为 35005500m/s。波形变化大，局部有3000 m/s，呈大锯齿状，二者明显不匹配。其 主要原因，可能是隐、微裂隙发育，反映出纵波速度较高，一旦岩体受扰动后便沿 微裂隙开裂造成RQD值偏低。从洞室开挖中也可看到岩石块度大多数在30cm3以 下，大于50 cm3的岩块不多。主要是开挖扰动影响围岩应力重新分布，风化卸荷以 及构造残余应力释放等因素使隐微裂隙张开或加大，形成岩体较破碎，促使岩体强 度降低，形成局部掉块，坍塌失稳造成超挖。2.1.2沉积岩洞身沉积岩为泥盆系上统榴江组层状粘土岩，化学岩类，包括硅质岩、硅质 泥岩、泥岩、泥质灰岩等，根据不同岩性、结构、构造分为D3L1D3L1010个岩性层。 进口段(K0+000-0+103)分布D3L1-D3L3三个岩性层：为黑色，灰黑色薄层中厚 层含黄铁矿品体的硅质泥岩、硅质岩夹极薄层硅质岩、炭质泥岩，长约100m； 4# 沟5#沟之间(K0+2500+524)，分布D3L4 - D 3L107个岩性层，岩性比较复杂，有 硅质岩、硅质泥岩、泥岩、和泥质灰岩、炭质泥岩等，岩层厚薄不等，岩石软硬差 别大，岩体强度不均一。该段长度270m左右。两段合计长度近380米，占洞线长 度的46%左右。泥盆系上统榴江组的主要特征：为泥质和化学结构的薄层、极薄层、中厚层偶 夹厚层的层状构造，岩层层理、节理极发育，岩石随矿物成分和胶结物的不同，表 现在岩石软、硬差别很大，抵抗构造、风化、水溶解的能力也大不相同，因而表现 出岩体强度和岩体结构的复杂性和不均一性，导致洞室围岩不均匀变形，自稳性差。 在掘进中曾出现经常性不同规模的塌方，掉块和超挖现象。据初步统计，D3Li、D3L8-2 超挖约达2527m3/m，D3L7-1- D3L7-2. D3L8-1等岩性层一般超挖也在2025 m3/m。 2.2地质构造和岩体结构2.2.1导流洞所经地段为陡倾单斜构造，岩层走向285310度，倾南西，倾角5565 度，并有两条辉绿岩带呈岩床式侵入沉积岩层中，使导流洞所经地段构造断裂比较 发育。在开挖过程中发现的与洞轴近正交的规模大小不等层间断层、挤压破碎带达 15条以上。其中规模较大的有两条，一条位于(K0+4800+487)D3L9上部黑色薄 一极薄层含炭硅质岩、炭质泥岩与薄极薄层状的硅质泥岩、泥质灰岩、生物碎屑 硅质岩分界处。断层带宽1.01.5m，主要为断层泥、挤压错碎的炭质泥岩碎片、岩 屑、硅质岩角砾和挫碎呈粉粒状的石英脉，胶结差，比较松散软弱.两侧影响带宽 约3.03.5 m，岩石破碎呈碎块状、碎片状，构造夹泥层发育，有厚1020cm软塑 夹泥层多条，强度甚低。另一条断层挤压带位于K0+5030+508左右，为D3L9与D 3L10接触面，断层带宽1.52.0m，断层物质为挤压破碎岩片、岩块、岩屑夹泥及石 英脉碎粒，微薄层理中的小褶曲发育，见水后岩石软弱。两侧影响带宽35 m，构 造夹泥层发育，岩石破碎，自稳能力极差，开挖时曾出现几次塌方。最后一次大塌 方发生在两断层之间，主要受两断层影响。断层发育规律和特征，受岩性控制明显，多发育在软，硬差别大，层理厚度不 均的沉积岩中，辉绿岩中不发育，产状和岩层产状一致；断层带宽度一般小于2.0m， 影响带一般23 m，且集中发育在两条辉绿岩带之间的D3L5D3L9五个岩性层 中，尤其是D 3L8-1、D3L8-2、D3L9三个岩性不均一，软硬差别大的岩层中。自 K0+365-0+505长140m发育规模大小不等的断层、挤压带15条，平均910m就有 一条，可见断层密度之大，因而造成岩体破碎呈碎裂结构或碎裂散体结构。2.2.2节理裂隙节理裂隙发育规律除与构造有关外，与岩性和岩石风化程度关系也十分密切。 辉绿岩弱微风化岩体中节理裂隙发育可归纳为下列四组： 2545度，倾向北西，倾角6070度，间距0.20.5m； 走向300340度，倾向北东，倾角2550度，尤以缓倾角较发育，间距0.20.3m； 走向3550度，倾南东，倾角5575度，间距0.20.4m； 走向280300度，倾南西，倾角6575度，间距0.30.4m。上述节理裂隙面大部较平直，少部呈波状弯曲，充填有方解石脉和绿泥石碎片， 局部有石英脉或挤压碎岩片，附有褐黄色铁锈，大部呈微张，少部为闭合半闭合 状。上述节理裂隙将岩体切割成块状、次块状，局部裂隙密集部位岩体呈碎裂结构。 易造成掉块、局部坍塌和超挖。层状构造沉积岩(D3L1D3L10)节理裂隙发育规律：可分为以下几组： 走向280340度，倾向南西，倾角5075度，间距十分密集，大部为层面裂隙 填充有泥和碎岩片，少数为石英脉填充，节理面较平直光滑，尤其是摩擦镜面甚 发育，强度低； 走向1075度，倾向北西，倾南4060度，局部倾角8085度，间距0.20.4米； 走向2060度，倾向南东，倾角4050度，间距0.150.3米； 走向275290度，倾向北东，倾角5060度，间距0.20.3米。上述四组节理裂隙互相切割使岩体破碎呈碎裂或散体结构，并组成“屋脊”状 的正三角形不稳定体。尽管采取短进尺，弱爆破，人工配合反铲的开挖方式，但仍 避免不了开挖中多次塌方，掉块，形成较严重的超挖现象。2.2.3层间小褶曲层间小褶曲发育主要受构造应力和岩性控制明显，多发育在断层带附近的薄层 软弱岩层中，沿洞轴线大致可分为三个带： F9断层附近D3L1下部薄层极薄层硅质泥岩、炭质泥岩中； F44、F38之间D3L8-1上部薄层硅质岩、硅质泥岩中； D3L9顶部薄层硅质岩夹极薄层炭质泥岩中，两条较大断层之间。小褶曲一般为 层间揉皱褶曲，规模小而密集，两翼不对称，褶曲轴面不但垂直岩层面发育，且 平行岩层面方向也发育。据此可看出岩层所受构造应力方向具有垂直层面和平行 层面的双向应力作用，不但使薄层软岩产生双向弯曲变形，也使坚硬的硅质岩、 泥质灰岩十分破碎，甚至“架空”、“分离”等现象，形成碎裂松弛结构岩体，对 洞室稳定不利。2.2.4构造泥化夹层泥化夹层主要发育在上泥盆系层状岩层中，岩性不均一，岩石软硬相差悬殊层 理厚薄不等的岩层介面处，特别是断层带两侧发育密度和强度更大，密度可达12m/ 条，一般厚度35cm，最厚的可达20 cm。从泥化程度上大致可分为四种类型：全泥型：系因受构造应力作用形成层间剪切，使母岩结构遭到完全破坏而呈现 泥状物质，见水呈软塑状。泥夹碎屑型：和全泥型不同之处是其中还残留少部分母岩碎屑，大部分为软塑 状泥；碎屑夹泥型：夹泥层中母岩碎屑含量大于泥的含量；碎屑型：仅为母岩结构遭受破坏成岩屑、岩片，不含泥。以上四种类型夹泥层，在隧洞开挖中均可见到。由于这些泥化夹层是在构造应 力作用下形成的新物质，大都呈软弱可塑，强度低，使层面之间的联结力大为降低， 直接影响岩体强度和结构，对洞室稳定十分不利。如在K0+4800+487大塌方处曾 见到多条宽度达1020cm的软塑构造夹泥层。因而使岩体的结构完整性遭到严重破 坏，强度大大降低，和断层一起形成不稳定围岩，导致大的塌方。2.3风化卸荷及蚀变2.3.1影响岩体风化的因素：导流洞地段岩体风化较为严重，分析起来主要与地形、地貌、地层、岩性、地 质构造、水文地质条件和当地的气候因素有关。地形上沟谷比较发育，洞线中部有4#冲沟，出口有5#冲沟切割，左侧紧邻右江， 地形上为分割不连续的条状薄山梁缓倾右江，临空面范围广，有利于岩体卸荷，且 洞顶以上岩层覆盖厚度较薄，最大厚度不超过百米，有利于风化；地层岩性为薄极薄层硅质岩、炭质泥岩、硅质泥岩和中薄层状泥质灰岩，约 占50%，其余为深层侵入的基性岩浆岩，灰绿色、灰色辉绿岩，两者岩石多为以暗 色矿物为主。岩性软、硬差别悬殊，暗色岩石易于吸热使岩体膨胀和收缩；地质构造比较复杂，岩层倾角陡倾，断层挤压带、层间剪切泥化夹层发育且密 度大，易构成风化营力的良好通道，同时又有岩浆岩侵入蚀变带等。其次是水文地质条件和当地的气候等因素。洞室埋深为中浅埋深，大部分洞 段特别是4#、5#沟附近及层状沉积岩层中地下水位埋深较大，有的接近洞顶。相应 饱气带较厚，这就给风化造成一定有利的条件。同时该地区为湿热气候条件，除物 理风化作用外，化学风化作用也较显著。2.3.2岩体风化形态特征根据洞室开挖过程中所揭露的岩体实际特征，整个洞身岩体风化形态大致分为 以下两种： 夹层和带状风化：主要分布在泥盆系上统层状岩石中，因岩性软硬不均，层理 厚薄不等，断层、层间剪切、构造夹层密集和侵入蚀变使岩体节理裂隙发育，岩体 破碎。全强风化带深度沿这些带可达3070m，部分地段更深。如 K0+3160+420 左右，长 100 余米，涉及 D3L7-1、D3L7-2, D3L8-1. D3L8-2 近 四个岩性层，全洞均为全强风化，岩石褪色，强度降低，泥质灰岩风化为灰白色 粉沙状，泥岩、硅质泥岩风化为灰白、褐黄色软泥，手可扒动；风化深度约在8090m 以上，整个洞身几乎全处在强风化带内。又如K0+4870+504大塌方地段正位于D3L9和D3L10两种软硬差别大，构造挤 压严重，断层、泥化夹层发育段，风化深度明显增大，塌落物质基本为强风化的土 黄、褐黄色岩屑夹泥、碎岩块，松散物质。岩石块度约70%以上小于10cm3。由于 全强风化厚度大，构造发育，岩石节理裂隙发育，岩体破碎松散，自稳性极差不 稳定，在这些地段，虽采用人工配合反铲开挖，仍避免不了坍塌、掉块和初期支护 喷层的变形裂缝发生，同时也造成比较严重的超挖现象。 球状和壳状风化：指在侵入的辉绿岩中（p u4-1和6 u4-2），岩石坚硬，岩体均一， 风化特征除蚀变带处呈宽610m左右的带状全强风化外，一般多呈球状或壳状风 化，风化厚度随地形陡缓变化，缓坡地带侵入接触带处，风化较深。全强风化约 在1520m左右，弱风化深度约3040m，接触带处可达7080m左右。全强风化带部位岩体纵波波速Vp=18003000m/s左右，个别大于3500m/s，波 形呈大锯齿状，表现出岩体的不均一性；弱微岩体纵波波速Vp=35004500m/s，个 别达50006000m/s，按纵波波速对岩石风化程度划分可归为弱微风化。但从岩石 质量指标RQD来看，而RQD值一般多低于20%，个别可达4050%，按此指标对 岩体分类，应属于坏的极坏的（WV类），从RQD与纵波波速Vp相对比，二者 虽然不匹配，其原因可能是多方面的，如钻探方法不当或波速测试上的原因都可能 造成二者差别较大。针对该洞室辉绿岩的特点来看，岩石为坚硬极坚硬，但节理、 裂隙较发育，尤其隐微闭合裂隙相当发育，洞室开挖中岩石块度大于50cm3的极少 见，多在1020 cm3，从裂隙间距上也可以看到，一般间距1020cm，因此，这些 隐微裂隙的发育，对波速影响较小，但对RQD值由于钻探扰动，沿裂隙开裂影响 甚大，而洞室的开挖过程也正是对岩体的扰动过程，因此RQD值反映在洞室围岩 上具有一定的代表性，根据实际开挖中可以看到大部分岩体为块状次块状，局部 接触蚀变带和小断层节理密集带附近为碎裂和镶嵌碎裂结构。由于节理裂隙发育， 经炮震松动，卸荷开裂易掉块，曾在2000年6月17日发生砸坏两台三臂台车、伤 人等事故，同时在开挖找顶清除危石时易形成超挖。2.4水文地质条件隧道埋深均在地下水位以下，除进口、4#沟、5#沟（出口）附近洞顶以上水头 较低外，其余洞段水头在1520m，局部可接近30m。由于岩层厚薄不等，岩性软 硬不均，构造发育和岩石风化程度差异较大，对地下水赋存、运移形式控制较明显。在洞室开挖中可清楚看到，在垂直洞轴方向，地下水基本呈潮湿、滴水、集中 股流涌水和局部突涌等形式出现。特别是股流涌水受岩性、构造、风化程度等因素 控制明显，沿洞线具有一定的分带性，主要分布在K0+0000+020； K0+0770+097； K0+4250+435； K0+4510+461 ； K0+4950+509 等 67 段，合计长度 110m 左右。 呈集中股流出露于右侧，沿层面出流。高程上多在拱腰120123m以上。这可能是 受风化卸荷所影响。从地下水类型来看，除K0+4510+461、K0+4250+435两处为小溶洞水造成 局部突涌，水量大，致使洞顶塌方外，一般水量均较小。尽管地下水量不大，但由 于地下水的压力、软化和溶解作用，可导致某些岩体的结构强度降低，破碎软弱岩 石产生渗透变形，和溶蚀裂隙中充填物被带出形成围岩“架空”，自稳能力丧失，导 致洞室坍塌，掉块等超挖现象发生。三、综述基于以上陈述，在开挖导流隧洞过程中形成的超挖工程量，不能不归结为地质因 素引起。虽招标文件中对导流隧洞的地质条件亦作了相应描述，但与实际开挖出露 的具体围岩地质条件相差甚远。因此，只有在施工过程中对围岩进行全程的地质跟 踪描述及编录，才能比较全面地了解导流隧洞具体的地质情况，从而更详细、合理 地对导流隧洞开挖过程中造成的超挖情况作出合理界定。