关键词  引黄工程 红粘土 工程地质特性

 

    分类号  TU521.3    文献标识码  A    文章编号  1000-6915(2001)增1-1018-04

 

    1  前  言

    山西省万家寨引黄工程是一项跨流域引水工程，拟由万家寨水电站枢纽年引水12×10⁸m³，以解决太原市、朔州市和大同市的严重缺水问题。引水线路通过晋西北的偏关、朔州、神池、怀仁、宁武县等地。引水线路长为453km，其中隧洞长为208km，占45.9％。输水隧洞分别穿过片麻岩、石灰岩、砂岩、泥页岩等岩层，以及红粘土、碎石土和黄土等松散堆积物，其中第三系N₂红粘土隧洞段约占隧洞长的3％。N2红粘土洞段用人工钻爆法和TBM挖掘机施工，开挖断面直径为6.0m，用钢筋混凝土管片衬砌，在衬砌与隧洞围岩土间充填豆砾石过渡层，并进行回填灌浆。在隧洞施工挖掘过程中，因上覆围岩土厚度及地形地貌条件的不同，N₂红粘土的含水率及节理裂隙发育差异，所以其围岩土的变形和破坏也不相同，甚至有的洞段发生了塌方，给隧洞施工带来很大影响。为此对N₂红粘土的物质组成、结构及物理力学特性进行了分析研究，以进一步指导隧洞施工，对变形较大和塌方的洞段进行合理的工程处理，使其满足设计技术要求。

    2  N₂红粘土的成因及分布

    本区N₂红粘土属第三系上新统保德组(N₂)地层，在晋西北的广大地区的基岩探槽中普遍沉积了这种冲洪积堆积物。其岩性主要为棕红、微红色砂质粘土，含砂粒较多，结构较密实，五层理，土层中发育大量不规则裂隙，裂面有铁质浸染，局部裂面因地下水活动夹有充填物，至第三系末期本区地壳抬升，发生沉积间断，使本区大部分地区缺失下更新统地层。因地壳抬升，N₂红粘土层裸露于地表，在顶面形成龟裂或夹有风化的灰岩碎石，并随土体含水率不断减少，逐渐固结。在土体失水干缩的过程中形成了其内部发育的大量不规则裂隙，这主要是因该土体的颗粒组成中含有较多砂粒，失水干缩不是以土体的某一部分为中心进行的，而是较均匀地发生在土体内部。尽管如此，因N₂红粘土的土质和砂粒的含量不同，其裂隙发育也有差异，粘粒含量小、砂粒含量多的土体，裂隙发育较多，反之裂隙发育较少。该土沿这些裂隙破碎的粒径一般为0.2～1.0em，为此俗称“蒜瓣土”。

    3  红粘土的工程地质特性

    通过对N2红粘土洞段取原状土样进行室内土工试验分析，其矿物成分主要为高岭石，并含一定量的蒙脱石和石英颗粒等，含水率为10％左右，孔隙比为0.5～0.7，干容重为16～17 kN/m³，塑性指数为1l～16。但是随隧洞开挖其含水率不断增加，一般为15％～22％，甚至有的洞段土体含水率达到塑限，天然压缩系数a_1-2=0.09-0.1 MPa^-1，饱和压缩系数a_1-2-0.1～0.15 MPa^-1，自由膨胀率为5％～20％。从上述物理性质指标判别N2红粘土为低至中偏低压缩性、非膨胀性土。

    3.2  力学及变形特性

    对N₂红粘土洞段取原状土样进行室内直剪、三轴剪，以及邓肯E-μ模型的变形试验，其抗剪试验结果见表1。从表中可以看出该土的抗剪强度是较高的，但是随含水率的增加其抗剪强度降低较明显．说明该土层亲水性较好．再者，因该土层不规则裂隙较发育，所以实际土体的抗剪强度应较低。用邓肯E-ll模型求得的应力应变参数进行有限元变形分析计算，其隧洞变形值为5～10cm。

 

表1  N₂红粘土抗剪甄度指标统计表

 

    3.3  N2红粘土隧洞段围岩土的实际变形及破坏特性分析

    N₂红粘土渗透系数为1×10^-6cm/s，渗透性弱，为相对隔水层，因本层的隔水作用，在总干线及南干线地段形成上层滞水。在寺疙塔、李家嘴、店湾和岩头寺村等总干线洞段以及利民堡等南干线洞段隧洞开挖施工过程中无地下水活动，围岩土有一定的自稳能力，但是隧洞开挖后因地应力释放并重新调整，沿隧洞断面周边形成松弛环，使隧洞围岩土体内的裂隙张开，引起红粘土顶面以上的上层滞水沿裂隙向洞内渗流，地下水对裂隙面及其内的充填物产生软化和泥化作用，使其承载力和抗剪强度降低，围岩土变形加大，使管片衬砌产生不同程度的裂缝。在局部洞段个别侧拱管片向洞内位移产生错台，一般为0.5～3cm，其中有9环管片错台为8～10cm，严重影响了隧洞质量。通过对隧洞围岩土体和管片的受力进行分析，对小于3.0 cm的管片错台进行了涂抹混凝土，对管片错台较大的9环成功地进行了复位，以减小对隧洞输水的影响。

    3.3.2  破坏特征分析

    在总干线9^#，11^#隧洞和南干线3^#隧洞的挖掘施工过程中曾发生过5次较大的塌方，塌方的特点是突发性，范围大，并将原一次性支护摧毁。从发现初期支护有响动，喷混凝土局部崩落剥离至发生塌方的时间短，补救工作来不及施作。一般塌方高度为3～5cm，方量>300m³，有两处发生冒顶，在地表形成直径8～15m的不规则圆形陷坑，深为3～5 m。发生冒顶的洞段顶拱以上围岩土的厚度为22～29m，塌方处在隧洞开挖过程中均有不同程度的渗水，围岩土的含水率增大，而且裂隙发育，裂隙面有擦痕和泥膜，在塌方后的处理过程中可看到塌方的边界受隧洞开挖边界控制，但是也有超过洞挖边界，主要受裂隙面控制。上述塌方产生的主要原因为：

    (1) 土体结构：N₂红粘土土体中不规则裂隙发育，而且裂隙面充填有泥膜或泥质物，在含水率<12％时，土体的承载力和抗剪强度较高，但是当其含水率>12％时，其承载力和抗剪强度降低，并随含水率的增大，其降低越显著，当达到饱和时土体失于自稳能力，此时向洞内产生明显的变形位移。

    (2) 上层滞水、地表水向隧洞渗流是使隧洞围岩土含水率增大的直接原因，也是隧洞土体塌方的直接原因。N₂红粘土为隔水层，在其上形成上层滞水。隧洞顶拱N₂红粘土厚度小于10m的洞段，因隧洞开挖卸荷应力重新调整在洞周围土体中形成松弛环，使其裂隙不同程度张开，该层的隔水作用减弱，沿裂隙向洞内渗水。减弱了土体的强度，并对隧洞围岩土体和衬砌管片产生一定的水压力，影响了围岩土体稳定。如总干线11^#隧洞桩号37+449km处的塌方主要是由于此处N₂红粘土厚度较薄，且此处地表为一冲沟，N₂红粘土上覆Q₃黄土内喀斯特较发育，冲沟汇集的地表水沿喀斯特入渗补给地下水，并直接渗入洞内。本次塌方发生在连续降雨之后，所以地下水向洞内渗流是塌方发生的直接原因。

    (3) 在以往的施工中，对N₂红粘土的认识绝大部分都认为其强度高、承载力大，对初期支护产生麻痹思想，所以在开挖与一次支护工序上时差较长，致使一次支护背后土体形成一定厚度的松弛环，对无渗水洞段其松弛环厚度较小，围岩变形小，作用于支护的压力也小，土体及支护均处于稳定状态。而塌方洞段N₂红粘土裂隙发育，并有渗水，致使围岩土体松弛环厚度增大，作用于一次支护的山岩压力增大，引起一次支护变形。在洞周围没有形成一次支护与围岩土体共同构成的承荷体系。这样随着支护的变形发展，隧洞围岩土进一步松弛变形，作用于支护上的山岩压力超过其强度，才发生了塌方。

    4  N₂红粘土对隧洞施T影响

    (1) N₂红粘土结构密实，含水率<12％，土质较硬，人工挖掘很困难，常用钻爆法施工，但是为减少对隧洞围岩土变形和稳定的影响，应严格控制药量和进尺。用TBM掘进机施工时，因红粘土粘性强，施工过程中经常发生粘结切刀，即“泥裹刀”现象，掘进速度较缓，不能发挥机械施工的优势，效率低。从对N：红粘土的施工挖掘方法对比分析，用钻爆法施工较合理，效率较高，该土不适合用TBM掘进机施工。

    (2) 在N₂红粘土与其上部Q₃黄土或洪积碎石土接触处，由于N₂红粘土的隔水作用，形成上层滞水，隧洞施工挖掘至此接触处在洞内易产生渗水或少量线状滴水，使隧洞围岩土的含水率增加，甚至饱和。从而使其承载力、抗剪强度均降低，产生较大变形，甚至坍塌，影响正常施工或施工困难。

    (3) 隧洞未挖掘前N₂红粘土天然含水率<12％，此时其表现为较好的工程地质特性，其承载力、抗剪强度较高。随着隧洞开挖其地应力释放并进一步调整，隧洞围岩土体内形成松弛圈，虽然在洞内进行了挂网喷混凝土，或是挂网加格栅等一次支护。但是在隧洞项N₂红粘土厚度小于3倍洞径时，局部洞段裂隙发育并张开，使其顶面以上的上层滞水下渗。隧洞围岩土体的含水率增加，甚至饱和，围岩土变形较大，没有形成支护与松弛带土体共同构成的统一承荷环，来限制围岩土体变形的发展，结果产生了不同规模的塌方，严重影响了施工进度，并造成了一定的经济损失。

    5  结  语

    通过对山西省万家寨引黄工程总干线及南干线隧洞段N₂红粘土的工程地质特性研究，认识到：

    (1) 本区N₂红粘土主要分布于基岩深槽内，为冲洪积堆积，土体内不规则裂隙较发育，其物质组成、结构不均匀，基岩深槽边缘处土颗粒组成中含砂粒较多，向基岩槽中心逐渐减少。

    (2) N₂红粘土含水率<12％时，其承载力和抗剪强度较高，抗变形能力强，工程地质性质较好；当含水率>12％时，并随含水率的增加，承载力和抗剪强度显著降低。因N₂红粘土为相对隔水层，其含水率一般<12％，所以该土层作为一般建筑物地基土持力层是较好的，但作为隧洞的围岩土，其内发育不规则裂隙，因隧洞开挖卸荷形成松弛环，使其裂隙不同程度的张开，隔水性能减弱，形成渗水的通道，将上层滞水或地表水导渗至洞内，使围岩土的含水率显著增加，甚至达到饱和，从而使围岩土的承载力和抗剪强度显著降低，影响洞体稳定，特别是当隧洞顶拱围岩厚度<10m时，地下水对稳定影响更为显著，而以往对此认识不够深入。所以，在水利水电行业隧洞工程或其他行业的隧洞工程遇N₂红粘土洞段一定要注意，采取必要的措施预防土体产生较大变形或塌方。建议防堵地下水，避免向洞内渗或滴水，控制围岩土的含水率，使洞体围岩处于稳定状态。

    (3) N₂红粘土隧洞段的施工方法宜采用钻爆法，但应控制药量。该土层不适合用TBM掘进机施工。

    (4) 在N₂红粘土隧洞施工挖掘过程中，必须及时进行地质编录，查明裂隙发育及地下水的渗流情况，针对不同的工程地质条件，采取相应的支护和衬砌型式、厚度。并及时进行一次支护，随后尽快完成衬砌，进行豆砾石回填灌浆，使围岩土的松弛带与回填豆砾石及衬砌共同形成统一的承荷环，协调变形，满足设计技术要求，使隧洞处于稳定状态。

 

(水利部山西水利水电勘测设计研究院  太原  030024)

发布：秀英　审核：施文琪 田远珬　责任总编：楼如岳