鄂北地区片岩成洞条件分析及支护措施探讨
作者简介：黄定强 注册土木工程师，主要从事水利水电工程地质勘察和研究工作。
摘要：鄂北地区水资源配置工程隧洞沿线大量出露太古界、元古界及震旦系地层，而这些古老地层中岩性又大都以片岩为主，受该区域地质构造和地质环境影响，片岩的成洞条件差异很大。本文结合工程施工实际情况，对片岩的成洞条件进行了详细分析，认为该地区片岩洞室围岩稳定主要受片理面产状和地下水影响，进而指导现场围岩类别快速判别，提出相应初期支护措施建议，并对永久支护措施进行了探讨，为工程安全施工和运行提供了依据。
关键词：鄂北工程 片岩成洞条件分析 支护措施探讨
1 引言
鄂北地区水资源配置工程是国家立项的重大水利工程，工程从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线襄阳市老河口市、襄州区、枣阳市，随州市随县、曾都区、广水市，以及孝感市大悟县的城乡生活和工农业供水。工程线路整体呈西北—东南方向，总长度269.67km，干渠设计流量1.8～38.0m3/s，引水线路共有隧洞55座，总长119.43km，占整个引水线路总长的44.3%。引水隧洞设计洞室宽度2.8～6.5m，大部分隧洞的设计洞室宽度小于5m。
工程区大地构造单元都属于秦岭褶皱系，隧洞沿线广泛出露元古界和震旦系片岩，片岩分布的隧洞长62.35km，占整个隧洞长度的52.2%。片岩片理发育，受构造作用，褶曲、节理裂隙也较为发育，由于本区隧洞的埋深较浅（隧洞埋深大都在50m以内），加上地表河流的侵蚀或再造作用，风化作用等，使得片岩隧洞的成洞条件复杂，工程自2015年10月开工以来，现已进入全面大施工阶段，研究片岩隧洞的成洞条件，探讨围岩支护措施，对确保工程安全顺利施工及后期运行安全有着极为重要的意义。
2 工程区古地理古构造环境及片岩的物质特征
工程区大地构造单元属秦岭褶皱系（Ⅰ）南秦岭冒地槽褶皱带（Ⅰ1）的随州应山复背斜 （
）和襄枣断陷 （
）。
工程区古地理环境的重大转变主要受神农运动和印支运动控制。早元古代处在河淮陆核南侧的陆缘海槽环境，早期以槽盆相火山喷发沉积为主，晚期以陆棚相陆源碎屑和碳酸盐沉积为主。中元古代大别运动以后，工程区转变成陆内裂陷槽盆地，早期发育滨岸—陆棚相陆源碎屑和少量碳酸盐岩及含锰磷酸盐沉积；中晚期以裂陷槽槽盆相水下火山碎屑流及陆源碎屑浊流沉积为主。晚元古代早期—早震旦世神农运动后，工程区演变成浅海火山盆地，发育陆棚相陆源碎屑沉积及火山喷发沉积。晚震旦世—中三叠世演变成陆棚—陆表海环境。晚三叠世—第三纪印支运动后，工程区转变成大陆环境。第四纪为现代地貌形成时期。
古地理和古构造环境决定了工程区变质岩的物质组成。古地理和古构造环境的复杂多变，也就决定了工程区片岩的原岩沉积特征及物质组成的复杂多样性。工程区出露的片岩主要为元古界及震旦系地层，其物质组成详述如下。
2.1 中元古界上岩组（Pt2b）
岩性为含砾含晶屑岩屑白云钠长石英片岩、白云石英钠长片岩、白云片岩，含石墨绿泥蓝闪石片岩。
中元古界上岩组是区域动力热流变质作用形成的，属低压相系。其原岩为钙碱性玄武质—英安质—流纹质系列的火山岩和含炭黏土岩、碳酸盐岩，属地槽型火山喷发—沉积建造。
2.2 震旦—青白口系耀岭河群［（Qn-Z1）yl］
总的来说为一套蓝闪绿片岩相—低片岩相区域变质岩系，属中高压变质相系，其原岩为偏碱性富钠玄武岩、粗面岩、安山岩、石英角斑岩等火山碎屑岩与熔岩，上部有较多陆源碎屑岩和碳酸盐岩。
工程区出露的岩性大致分为三段。①下段：中—下部为由不同比例的黑云母、绿泥石、绿帘石、钠长石、阳起石组成的绿色片岩，具气孔状、杏仁状构造，并夹有大量石英绿帘石岩团块，偶夹一层厚8m由绢云母片岩、绿泥片岩和大理岩组成的铜矿化层；上部由含绿帘石和钠长石的黑云母片岩组成，具杏仁状构造，夹少量石英绿帘石岩与钠长浅粒岩。②中段：下部由含尘点状磁铁矿的钠长绢云片岩、含钛磁铁矿的绢云绿泥钠长片岩、钠长黑云片岩、钠长绿泥片岩组成，中部为含砾绿帘黑云钠长片岩、黑云钠长片岩与钠长黑云片岩，局部含铁质结核，夹变质火山砾岩、钙质石英岩与二云石英钠长片岩；上部为蓝闪黑云片岩。③上段：为普遍具铜矿化的蓝闪钠长绿泥片岩、蓝闪钠长绢云片岩夹蓝闪大理岩与白云滑石片岩。
2.3 震旦—青白口系随县群垸子湾组［（Qn-Z1）y］
为一套中高压区域变质的低绿片岩相—高绿片岩相变质岩组成，原岩为钙碱性玄武质—流纹质双峰式火山岩。
岩性主要由含晶屑、岩屑和长石、石英残斑的浅色片岩、绢云母片岩组成，岩石中的钠长石或石英残斑具弯曲、碎裂和溶蚀等现象。
2.4 震旦—青白口系岔河组（Z2c）
岩性主要为板岩、千枚岩或片岩夹薄层大理岩、白云岩。
从区域上显示本组地层从南到北从东到西有厚度由厚变薄、变质程度加深的规律。沉积类型由单一的陆源细碎屑—碳酸盐岩建造渐变为角斑质火山碎屑—碳酸盐岩的火山喷发—沉积建造。工程区中部枣阳的石盘寺一带，岩性由含黄铁矿的二云石英片岩与绢云千枚岩组成，夹细晶灰岩透镜体，夹薄层状或透镜状硅质岩。工程区东部随县高城—应山县郝店一带，本组岩性由大理岩与变角斑质凝灰岩—石英钠长黑云片岩、钠长绿泥片岩、黑云母片岩组成，下部为二者互层产出，上部以变角斑质凝灰岩为主，夹众多似层状与透镜状白云石大理岩。
2.5 震旦—青白口系白兆山组（Z2b）
岩性为黑云母片岩、钠长绿泥片岩、石英钠长黑云片岩夹大理岩。
3 片岩的成洞条件分析
3.1 工程地质条件
3.1.1 地形及隧洞埋藏条件
片岩隧洞位于桐柏山南和双峰山之间，跨枣阳市东部、随州市，工程区总体地形呈低山丘陵地貌，隧洞沿线地面高程85～345m，受岩性控制，山坡坡度较缓。
隧洞设计底板高程100～110m，隧洞埋深大都小于50m，最大埋深238m。
3.1.2 地质构造
工程区大地构造单元都属于秦岭褶皱系，除尾段处于桐柏—大别山中间隆起外，其余地段都处于南秦岭冒地槽褶皱带。区内构造线总体方向为北西—南东向，因此区内岩层或片面理走向、主要断层走向、构造形迹以及山脉走向等都与区内构造线一致，呈北西—南东走向。
区内的地质构造主要表现为褶皱、断层和裂隙。断层主要以压性和压扭性为主。
3.1.3 水文地质条件
片岩隧洞分布区的地下水类型主要为基岩裂隙水。赋存于基岩的裂隙、断层带中，水量相对小，受地表水和大气降水补给，向地势低洼处排泄。隧洞开挖时，隧洞地下水大都以滴水或线状渗水型式流出，局部储水量大的裂隙或破碎带水呈喷射状流出，地下储水量与裂隙或破碎带的宽度成正比，随着排水时间增加，渗水量持续减小直至干涸。值得特别指出的是，在岔河组地层中，由于薄层大理岩的存在，强烈的构造作用使得该层岩体的裂隙发育，因此该层岩体中的地下水分布较为均匀，使得该层岩体表现为饱水状态。
3.1.4 岩石的主要物理力学性质
隧洞出露的片岩岩石主要物理力学性质指标见表1，从表1可以看出，片岩的强度随风化程度加深而急剧降低，其软化系数相对较小。
表1 岩石的主要物理力学性质指标统计表
续表
3.2 围岩变形破坏类型
根据工程隧洞开挖过程中出现的围岩变形破坏情况，总结出片岩隧洞围岩变形破坏的类型主要有掉块、侧壁滑塌、洞顶坍塌和塑性变形四种情况。
掉块主要是由片理面或是节理裂隙面组合交切形成的不稳定块体滑出形成，体积往往较小，掉块直径一般小于20cm，掉块容易在洞顶或是洞壁上部部位出现。如在隧洞侧壁正好有断层或是大的延伸长的裂隙发育时，侧壁围岩力学性质差，隧洞开挖形成临空面，然后侧壁出现滑塌变形破坏。当隧洞上方岩体呈强风化或是岩体破碎时，隧洞开挖形成临空面，洞顶围岩失稳坍塌。当隧洞围岩呈强风化或是因地下水作用使得围岩强度变低时，隧洞围岩出现塑性变形，表现为拱形冒落或是侧鼓。
3.3 影响围岩稳定性的主要因素
根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，影响隧洞围岩稳定性的主要因素为岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态以及主要结构面产状等。本工程片岩隧洞受地质环境以及片岩的特点的控制，影响围岩稳定性的主控因素如下：
（1）岩性及风化程度：从前述可知，受原岩及成岩环境影响，工程区出露的片岩岩性较为复杂，就风化程度来说，风化程度越高，围岩越不稳定，但是单从岩性来说，围岩稳定性从好到差的地层岩性依次为：Pt2b（白云钠长石英片岩为主）、Z2c（钠长片岩与薄层大理岩互层）、（Qn-Z1）yl（钠长片岩为主）、Z2b（黑云母片岩为主）、（Qn-Z1）y（绢云母钠长片岩为主）。
（2）片理面产状及性状：由于片岩的片理面极为发育，片理面为原生结构面，因此片理面的产状对片岩洞室围岩稳定性影响很大。片理面结合越紧密，围岩越稳定；隧洞轴线与片理面走向的夹角越小，围岩越不稳定；片理面的倾角越小，围岩越不稳定。
（3）结构面产状及性状：主要为构造作用形成的断层、节理裂隙。结构面及破碎带越宽，产状越缓，围岩越不稳定。
（4）岩体中地下水分布情况：工程区地下水主要以裂隙水的型式赋存于岩体中，总体来说，地下水贫乏，因此地下水相对较多分布的地带，肯定是节理、裂隙等结构面相对发育的部位，再加上地下水的软化作用，故若围岩中地下水越多，地下水分布越均匀，岩体则越不稳定。
3.4 隧洞围岩分类
依据GB 50487—2008，根据工程区岩体的工程地质条件，结合影响围岩稳定的主控因素，对鄂北工程开工以来片岩隧洞围岩类别的实践总结，进行隧洞围岩类别快速判别见表2。
表2 鄂北工程片岩隧洞围岩类别快速判别表
4 片岩隧洞围岩支护措施探讨
隧洞围岩的支护分为临时支护（初期支护）和永久支护（二衬）。现场初期支护措施是保障工程施工安全和工程质量安全的。通过对本工程的围岩稳定支护综合分析总结，在片岩隧洞施工中考虑初期支护措施时，除首要考虑围岩类别外，还应考虑次要结构面性质、隧洞上覆围岩厚度以及围岩失稳类型等因素。围岩类别及建议初期支护措施见表3。
表3 围岩类别及建议初期支护措施对应表
按照SL 279—2016《水工隧洞设计规范》，项目初步设计阶段拟定的永久支护措施Ⅱ类围岩不需二衬，Ⅲ类围岩仅对过水断面进行衬砌。通过施工图阶段的工程地质工作，以及围岩失稳情况的分析总结，为了确保工程运行期水工隧洞的稳定，提出了对于片岩隧洞，Ⅲ类围岩应进行全断面衬砌，对于Ⅱ类围岩，当片理面的倾角小于30°时，也应进行衬砌。
5 结语
鄂北地区水资源配置工程是湖北省委、省政府确定的重点水利工程，本文从工程区古地理环境及片岩成岩条件着手，通过对片岩的物质组成、成洞条件以及围岩稳定性进行分析，总结了基于片理面产状和地下水分布情况的该地区片岩隧洞围岩类别快速判别方法，并与初期支护措施对应起来，极大地提高了一线工程师的工作效率，同时也结合工程岩体的特点，提出了对片岩隧洞永久支护措施的建议，为工程施工和运行安全提供了有力的保障。
参考文献
［1］ 湖北省地质矿产局区域地质矿产调查所.湖北省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1985.
［2］ 方平，邹勇，等.湖北省鄂北地区水资源配置工程初步设计工程地质勘察报告［R］.武汉：湖北省水利水电规划勘测设计院，2015.
［3］ GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.
［4］ 彭土标.水力发电工程地质手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.
［5］ SL 279—2016水工隧洞设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2015.