简析深埋条件下绿泥石片岩洞段的变形特征

引言

雅碧江锦屏二级水电站处于高山峡谷岩溶地区，它利用锦屏大河湾150 km的天然落差，开挖隧洞截弯取直，引水发电，总装机容量4800MW;由闸坝、引水隧洞、地下厂房等主要建筑物组成，其中4条引水隧洞平均长为16.67 km，开挖直径f12.4~14.3 m，一般埋深15002000 m，最大埋深2525 m东到西分别穿越盐塘组大理岩、自山组大理岩、三迭系上统砂板岩、杂谷脑组大理岩、三迭系下统绿泥石片岩和变质中细砂岩等地层。岩层陡倾，其走向与主构造线方向一致;在最大埋深一带实测的第一最大主应力量值一般在64.6975.85 MPa，局部可达94.✍97 MPa;实测最大外水压力10.2 MPa,故引水隧洞群具有超长、超埋深、超高地应力、超高外水压、局部岩溶较发育等特点。

绿泥石片岩主要分布于1号和2号引水隧洞内，即桩号引1+5371+800 m、引1+613755 ™m，埋深为15501850 m。在施工期间，由于受高地应力及绿泥石片岩自身性质的影响，隧洞开挖期间出现大规模塌方、围岩初期支护后的围岩持续变形、临时支护结构损坏等情况，给引水隧洞整个施工过程带来了较大的影响。

1绿泥石片岩基本特征

绿泥石片岩是一种以绿泥石为主要矿物成分的区域变质岩，其特征是具有片理构造，一般为鳞片变晶结构，岩石表面具有玻璃光泽，未完全解理。绿泥石是族层状结构硅酸盐矿物，主要为Mg和Fe的矿物种;通过X射线物相分析!2l，绿泥石片岩的成分为:绿泥石、滑石、闪石、方解石。

引1+537一1+800 m、引1+613一755 m两个段围岩为三迭系下统的纯绿泥石片岩，局部夹少量大理岩条带或透镜体，构成了陡立的背斜核部地层，其两翼为三迭系中统杂谷脑组大理岩。为一尖棱状背斜，背斜轴面与洞向大角度相交，向南倾伏，受褶皱构造影响，岩体受挤压明显，岩层产状变化较大，裂隙密集发育，且绿泥石片岩被挤压后，围岩变得松散、软弱，岩块手册即断，结构面之间充填岩粉，沿面变得光滑，手摸具有强烈滑感，几乎无粘聚力。

绿泥石片岩洞段为相对隔水层，地下水不甚发育，以少量裂隙水为主，具体表现为渗滴水，偶见线状流水。绿泥石片岩属典型的软岩，软化系数约为0.5，虽然其十抗压强度有3040 MPa，其饱和抗压强度为19.47 MPa，饱和条件下的弹模约为十燥时的27%，这说明绿泥石矿物遇水导致的软化效应十分突出，地下水对围岩稳定的影响明显。

绿泥石片岩洞段埋深为15501850 m，现场实测的最大地应力为30.45 MPa，方位角145.730 ,倾角一55.240。纯绿泥石片岩或以绿泥石片岩为主的洞段，受褶皱构造挤压、高地应力、岩体自身性质差等各方面因素综合影响，围岩较破碎，均为W类围岩。而与其相邻的大理岩或以大理岩为主洞段的围岩完整性较差，则以III围岩为主。

据膨胀性试验成果，微风化绿泥石片岩的轴向自由膨胀率均值为0.077%，径向为0.117%，体积膨胀率为0.311%，而膨胀性软岩的自由膨胀变形量小于10%，比较可见，绿泥石片岩的膨胀性极低。侧向约束轴向膨胀率为0.102%，很低。膨胀力在11.07819.436 kPa之间，均值为15.35kPa，相对于现场约30 MPa级原岩应力和二次应力来说，膨胀力可以忽略不计。

2绿泥石片岩变形特征

2.1软岩大变形

绿泥石片岩本身具有强度及弹性模量等力学参数较低、遇水软化效应明显的特点，开挖后其围岩自稳时间较短，再加上前期系统支护措施未能及时有效地完成，围岩初期的松驰变形得不到有效控制，因此围岩出现了较大程度的变形，变形主要以塑性变形为主。变形导致隧洞净空被侵占，喷层出现开裂等现象。

据施工期的收敛变形监测成果表明，1号引水隧洞引1+575,1+6۵55,1+675,1+725,1+760,1+780实测收敛值较大，多为边墙BC和DE两条水平测线，其次是拱肩的侧向变形，其中最大收敛累计值为1号引水隧洞引1+670 m断面的DE测线。1号引水隧洞引1+760 m断面DE测线收敛速率最大，为1.97 mm/d。后期在收敛监测数据基本稳定后，对隧洞断面进行了激光扫描，断面扫描结果显示，围岩变形侵占设计衬砌净空厚度普遍都在20 cm以上，大部分为2060 cm之间，局部超过1 m，其中以1号引水隧洞引1+6351+800 m段变形最为明显，其变形主要发生在北侧拱脚、边墙、拱肩和南侧拱脚。

松动圈测试成果表明，绿泥石片岩IV类围岩洞段松弛范围较大，一般为3~6 m总体波速范围为33006500 m/s，平均波速44004500m/s;局部大理岩含量较高洞段围岩松弛范围稍小，一般为2.54.0 m，总体波速范围为33006500 m/s，平均波速45004600 m/s;表明大理岩夹层的存在对岩体质量有一定程度的提高。

2.2软岩流变特性

根据绿泥石片岩岩性本身具有强度及弹性模量等力学参数较低、遇水软化效应明显的特点，结合已开挖揭露的实际情况，隧洞开挖卸荷后，软岩岩洞段❣的变形并没有很快收敛，而是在高应力长期作用下，表现出十分明显的变形时效特征，也即流变现象，围岩的破坏方式表现为大变形。隧洞监测仪器为围岩表层临空面位置布置的收敛变形计，能够监测到的位移为隧洞开挖后的围岩卸荷变形，监测时间至少1年，这样获取的监测信息能够较好地反映软岩卸荷后时效变形特征。

软岩时效变形过程大致分为瞬时弹性变形、初始流变、等速流变、收敛稳定或加速流变等几个阶段。由于收敛计为隧洞开挖后一段时间内埋设，无法监测到开挖瞬时的弹性变形，因此在流变曲线没有初始弹性变形阶段。从整个监测过程可以看出，软岩流变经历了初始蠕变，这一过程中岩体变形随时间增长变形速率逐渐递减，位移逐渐增加;而后经历了稳态流变，即变形速率基本呈定值，位移持续增加。

绿泥石片岩卸载条件下的流变参数及长期强度

由于绿泥石片岩所处区域变质岩区域，均表现出一定的片理，为了客观地反映绿泥石片岩的各向异性所带来的流变特性规律，试验中采用了平行层理方向加载和垂直层理方向加载。在绿泥石片岩卸围压蠕变试验中，轴向流变速率与侧向流变速率均表现出了两个阶段，即初始流℃变速率阶段:流变速率随着时间增长，很快衰减至一个大于零的常量;稳态蠕变速率阶段:流变速率随着时间的增长，基本保持不变。这充分表明，围压的存在使得岩样流变速率减小。根据摩尔库仑强度准则回归其长期强度参数值见表1。绿泥石片岩长期强度参数要比瞬时强度参数要小，长期内摩擦角要比瞬时内摩擦角小34.8 %，长期粘聚力要小4%。

收敛变形监测

收敛变形监测布置，从监测成果来看，收敛值累计值较大的测线多为BC和DE两条水平测线，其次是拱肩的侧向变形。在高应力环境下开挖隧洞，洞周围岩应力水平较高，围岩产生流变变形后达到稳定收敛状态时间较长，软岩段开挖卸荷至收敛稳定，在未持续开挖扰动的情况下，大部分洞段需要经历6~8个月时间到达基本稳定，部分洞段流变变形收敛时间达到1年左右。这种规律性认识对于锦屏二级引水隧洞相应软岩段二次衬砌施作时机有重要指导意义。

软岩流变力学参数反演

综合考虑了地质条件、监测资料及设计要求，选择了引水隧洞西端深埋段监测数据较好，地质条件典型即绿泥石片岩洞段号为1+675的监测断面作为模型参数辨识的代表性断面。反演主要采用Hooke-Kelvin 流变模型，同时考虑到，绿泥石片岩力学性质中存在明显的弹塑性性质，且当应力超过一闽值后，绿泥石片岩会在外力左右下出现拉坏或者剪坏，故同时考虑Hooke- Kelvin 流变模型和Mohr-Coulomb屈服准则，即采用粘一弹一塑流变力学模型。

3结语

绿泥石片岩作为工程软岩，具有强度及弹性模量等力学参数较低、遇水软化效应明显的特点，同时具有变形量大、初期变形速度快、变形持续时间长、破坏范围大的特点;并在深埋条件下围岩存在一定的流变特性。锦屏二级水电站引水隧洞绿泥石片岩洞段在开挖初期，围岩曾发生大变形，在采取相应的工程处理手段后，已经出现塑性流变变形部位岩体的变形能够得到控制，说明变形的可控性。