(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 73000)

1 工程概况

白龙江引水工程拟从甘肃境内嘉陵江支流白龙江引水至泾、渭河流域，途经黄河、长江流域，穿越秦岭、六盘山分水屏障，规划引水线路总长四百多公里，属于长距离跨流域调水工程。输水线路以隧洞群、大型跨河(沟)建筑物、箱涵等组成，其中以深埋长隧洞穿越六盘山主峰区。

六盘山系贺兰褶带南段以西南北向构造隆起带，整体呈SN走向，北与贺兰山、南与西秦岭山脉相连。区内山体海拔高程1 540～2 600 m间，相对高差600～1 000 m。六盘山山脉是黄河水系泾河、清水河、葫芦河的发源地，也是南北向分水岭。隧洞位于甘肃省庄浪县、华亭县境内，隧洞长56 km，最大埋深1 040 m，为深埋长隧洞。

2 软岩隧洞工程地质条件

六盘山地处秦-祁-昆造山系和华北陆块的交接地带，发育六盘山深大断裂带，褶皱构造发育，新构造运动强烈，地震活动频繁。区内广泛出露中生代白垩系及新生代第三系内陆河湖相红色碎屑沉积岩地层，这类地层一般是在干旱并且温度压力均不高的条件下形成的，稍具粗细韵律，相变剧烈，多见泥岩和砂岩互层或泥岩呈夹层分布，该类岩石系软质岩，泥岩类多为极软岩，强度低，水理性质差，遇水极易崩解泥化，并具长期流变特征，工程地质性质恶劣。

六盘山隧洞长56 km，最大埋深1 040 m，其中软质岩分布洞段长约50 km，占比89.18%。隧洞埋深大于600 m洞段长12 km，占比20.8%，围岩主要为白垩系和尚铺组(K1hs)地层，岩性以砾岩、砂砾岩、泥质砂岩为主。埋深300～600 m洞段长19.9 km，占比35.4%，围岩主要为白垩系(K1hs)、古近系(E3y)、新近系(N1G)地层，岩性以砾岩、砂砾岩、泥质砂岩、泥岩等为主。经取样试验，岩石单轴饱和抗压强度一般小于30 MPa，均属软质岩；新近系岩石单轴饱和抗压强度一般小于5 MPa，属极软岩。

对六盘山隧洞钻孔进行了地应力测试，测试孔均为白垩系地层。测区现今应力场状态以水平应力为主，最大水平主应力方向一般为N4°W～N28°E，主要集中在NNE向。隧洞区在测量深度范围83～433 m内，最大水平主应力SH为3.6～13.7 MPa，最小水平应力Sh为3.4～9.9 MPa，垂直应力SV为2.1～11.0 MPa。总体上水平应力大于垂直向主应力。水平主应力量值随深度(H)变化关系：σH=0.025 3H+2.3，σh=0.018 5H+1.8，σz=γH。

3 软岩物理力学性质

分布于六盘山隧洞的软岩为：白垩系(K1hs)砾岩、砂砾岩、泥质砂岩，古近系(E3y)砾岩、泥岩夹砂岩，新近系(N1G)泥岩、砂质泥岩。在六盘山深埋隧洞的钻孔中取岩样进行了物理力学性质试验，部分软岩物理力学性质见表1、表2。

表1 软岩物理性质试验成果统计表

(1)K1hs属辫状三角洲相沉积，其间发育有薄而不稳定的漫滩泥和粉砂，为六盘山深埋洞段主要地层，其块体密度2.36～2.54 g/cm3，吸水率1.5%～4.2%，饱和抗压强度12.4～40.5 MPa，凝聚力0.1～0.5 Mpa，内摩擦角34.3°～39.6°。

(2)E3y属陆相红色碎屑沉积，岩相变化较大，岩性为砾岩、泥岩夹砂岩，其块体密度2.22～2.6 g/cm3，吸水率1.0%～6.5%，饱和抗压强度1.5～26.5 Mpa，凝聚力0.1～0.3 Mpa，内摩擦角27.2°～36.7°。

(3)N1G为淡水湖泊～河流相沉积环境沉积，岩性以砂质泥岩、泥岩为主，为泥质胶结，泥质结构，层状构造，呈中厚～巨厚层状，局部为薄层状，组成成分主要为岩屑、粘土矿物，粘土含量高，胶结程度较差。岩体结构面以层面为主，裂隙不发育，层间结合差，岩层产状较为平缓。其颗粒组成0.25～0.075 mm占8.5%～20%，0.075～0.005 mm占45.5%～50%，<0.005 mm占30%～46%。泥质胶结，成岩程度低。天然密度2.17～2.34 g/cm3，含水量10.6%～17.5%，膨胀率0.5%～8.9%；在天然状态下具有一定强度，天然状态抗压强度0.2～4.8 Mpa，凝聚力0.1～0.4 Mpa，内摩擦角28.0°～38.6°。钻孔岩芯特征：岩芯多呈长柱状，含水量较高时岩芯有变细、拉长等塑性变形现象。

总体来看，六盘山隧洞的围岩岩性软弱，水理性质不良。但由于胶结物不同，胶结程度有所差异，各岩体强度亦有差异，水理性质差异较大，岩石强度低，变形大。

表2 软岩力学性质试验成果统计表

4 围岩变形特征及机理

软岩隧洞的围岩往往保持岩体的原生结构，在高应力状态下围岩岩体产生流动或塑性变形，在地下水的参与下岩体软化流动，当岩体中含有膨胀性矿物时也会发生膨胀变形。隧洞开挖之前，软岩围岩处于稳定平衡状态，开挖以后，原有的天然应力状态被破坏。开挖实质上是一个卸荷过程，卸荷导致围岩压力急剧降低，无论从弹性理论还是塑性理论上分析，洞室开挖后，切向应力增大而径向应力减小，并在隧洞洞壁上达到极值。这表明洞壁围岩处于两向应力状态。围岩的变形和破坏特征是围岩应力和围岩强度共同决定的。一方面地应力发生上述变化，并产生相应的变形，围岩变形实质上是围岩应力不断调整的过程，另一方面，开挖卸荷导致的围压降低和引起的围岩变形使岩石结构面张开、滑移，软岩强度和弹性模量显著降低，而且随着变形的应力调整的继续，降低程度越来越显著。导致塑性区的形成并向深部岩体逐层推进，进而导致隧洞的严重破坏。六盘山区的岩性基本为层状结构，层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：岩层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

5 围岩变形预测

根据《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)进行定性预测。开挖施工期可能发生的变形现象见表3。

表3 高初始应力条件下施工中的主要现象

注：σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力。

根据室内试验成果，取深埋隧洞段围岩单轴饱和抗压强度Rc=26 MPa，围岩应力场按钻孔实测结果以及水平主应力量值随深度变化关系公式预测，水压致裂原地应力测量以弹性力学为理论基础，由弹性理论可推导得出垂直洞轴线方向的最大初始应力计算式

计算得出隧洞不同埋深应力值及垂直洞轴线方向的最大初始应力值见表4。

表4 隧洞不同埋深应力值及垂直

根据《水利水电工程坝址工程地质勘察技术规程》(DL/T 5414-2009)附录H表H.2岩体初始地应力的分级，六盘山输水隧洞当埋深<420 m时，为低地应力；埋深420～800 m时，为中等地应力；埋深>800 m时，为高地应力。

因此在六盘山隧洞的软岩地段以及断层破碎带等围岩部位，存在软岩大变形破坏的可能。在高地应力区主要表现为开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；在中等地应力区主要表现为开挖过程中洞壁岩体局部有位移，成洞性尚好。

6 结语

工程经验表明，高地应力状态下的软岩隧洞，施工中会不可避免地发生大变形，需要采取合适的控制措施。控制软岩大变形的思路是采用新奥法施工，实施动态监测反馈，优化隧洞衬护结构设计和施工方法。具体可以采取以下控制措施：(1)尽量减少围岩扰动，主动采取“保护围岩”的施工理念；(2)优化施工参数，采用超短台阶法施工；(3)采取“边挖边抗”原则，利用“多重支护”手段；(4)通过系统锚杆和长锚杆控制围岩大变形；(5)合理的预留变形量；(6)加强现场监控量测，重视超前地质预报。

[1]甘肃省水利水电勘测设计研究院.甘肃省白龙江引水工程工程地质勘察报告(规划阶段)[R].兰州：甘肃省水利水电勘测设计研究院.2016.8.

[2]GB50218-2014.工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社.2014.

[3]DL/T 5414-2009.水利水电工程坝址工程地质勘察技术规程[S].北京：中国电力出版社.2009.