蘭渝鐵路楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形成因機制探析

宋 章，杜宇本，袁傳保，王 科，王彥東

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.中鐵二院地質創(chuàng)新工作室, 成都 610031)

蘭渝鐵路楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形成因機制探析

宋 章1,2，杜宇本1,2，袁傳保1，王 科1,2，王彥東1

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.中鐵二院地質創(chuàng)新工作室, 成都 610031)

通過分析成蘭鐵路楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)的地層巖性、地質構造、地應力場、工程地質條件及工程設置、施工組織順序等的基礎上,研究1號橫洞工區(qū)大變形產(chǎn)生的成因機制。結果表明：楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形的產(chǎn)生是各種影響因素共同作用的結果；復雜的地質構造及高地應力條件和軟弱破碎的地層巖性條件為其大變形客觀成因,而巖層結構面與洞軸線的不利組合、小間距隧道結構和不合理的施組順序及左右線不對等的支護措施等不利條件為其主觀成因。與大變形的主客觀成因相對應,其力學機制主要呈現(xiàn)為應力擴容型的構造應力機制和結構變形型的結構面型機制的混合機制。

成蘭鐵路；鐵路隧道；1號橫洞；大變形；成因機制；探析

1 概況

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形段處于成蘭鐵路里程YD2K111+700～YD2K112+100段內(nèi)。

當1號橫洞工區(qū)右線隧道施工至上臺階掌子面里程YD2K112+036.4、下臺階左側里程YD2K112+015.2、右側里程YD2K112+012.8、仰拱里程YD2K112+003、二襯里程YD2K111+981時，2014年11月20日發(fā)現(xiàn)右線隧道YD2K111+981～YD2K112+036.4初支鋼架接頭處縱向出現(xiàn)小裂縫，12月3日裂縫明顯變大，并沿格柵鋼架出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫，12月8日縱環(huán)向裂縫寬度加劇，其中一處環(huán)向裂縫寬度達2 cm；拱頂出現(xiàn)裂縫并很快發(fā)展到掌子面附近，裂縫附近噴混凝土開始剝落掉塊，拱部格柵鋼架外露，鋼架主筋明顯彎曲變形，并在二襯到掌子面之間初支有多處不規(guī)則裂縫。至2015年3月10日，發(fā)現(xiàn)右線隧道YD2K111+830～+870段仰拱上隆開裂，YD2K111+830～+958.2段左邊墻2.7 m高處縱向開裂并伴有部分斜向裂紋，最寬處約3 mm；該道裂縫縱向貫通，裂縫表面形成錯臺，裂縫上緣較下緣高出約2 mm，并伴生有2道環(huán)向裂縫，呈樹枝狀分布。后通過進一步的排查工作，于右線YD2K111+734～+862段二襯處發(fā)現(xiàn)3處寬度為0.2～1.0 mm不等的斜向裂紋。

2 工程地質環(huán)境條件

2.1 工程概況

楊家坪隧道處于成蘭鐵路線的羊記溝大橋和茂縣車站之間，其1號橫洞工區(qū)大變形YD2K111+700～YD2K112+100段為此隧道的雙洞單線分修段，其線間距凈巖柱寬度由24.9 m漸變至1.66 m，屬小間距隧道，左右線隧道施工的相互影響較大。

2.2 地形地貌特征

楊家坪隧道處于成蘭鐵路穿越的龍門山中段地帶[1-3]，大屋基背斜北西翼，總體地勢南高北低，屬于剝蝕構造中、高山地貌[1，2]。區(qū)內(nèi)地面高程1 275～2 237 m，相對高差約200～550 m。山脈總體呈NE走向，地勢呈西北高、東南低，地表溝谷縱橫，地形起伏大，山脈與深切沖溝相間，自然坡度15°～60°，地勢普遍陡峻，部分地段為懸崖絕壁。隧道穿越多條橫向山溝。本隧道總體上為傍山隧道(圖1)。

2.3 地質構造特征

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大地構造處于龍門山斷裂帶之龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶之間。龍門山主中央斷裂(映秀—北川斷裂)，走向N40°～60°E，傾向NW，傾角60°～80°，是一條活動性較強的斷裂；龍門山后山斷裂帶(汶川—茂縣斷裂)，斷裂走向N40°E，傾向NW，傾角70°～80°，由一系列傾向北西的疊瓦狀逆沖斷層組成。工區(qū)構造條件極其復雜。

受區(qū)域斷裂等構造的影響，1號橫洞工區(qū)主要受千佛山斜沖斷層影響嚴重，該斷層走向N60～70°E，傾向SE，傾角70°～80°(圖2)。線路沿構造線前進，巖層產(chǎn)狀與線路夾角小于10°，巖層傾角一般為65°～85°，局部受層間扭曲影響傾角可低至50°。

2.4 地層巖性特征

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形YD2K111+800～YD2K112+200段下伏基巖為志留系中上統(tǒng)茂縣群第一亞組(S2-3mx1)的綠泥石千枚巖夾炭質千枚巖等地層，弱風化狀，片理極其發(fā)育，千枚狀構造；因其主要為黏土巖變質而來，巖質較軟，巖體受構造影響較破碎，巖層產(chǎn)狀陡傾。隧道圍巖較破碎，局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性較差。

3 地應力場特征

3.1 構造分區(qū)

研究區(qū)地處龍門山斷裂帶之龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶之間，構造應力條件復雜。1號橫洞工區(qū)主要受千佛山斜沖斷層影響嚴重，該斷層走向N60°～70°E，傾向SE，傾角70°～80°。查閱世界應力圖數(shù)據(jù)庫[4]及相關資料[3，5]關于該區(qū)域應力狀態(tài)的數(shù)據(jù)顯示該區(qū)最大水平主應力方向主要為NE向，如圖2所示。

圖2 世界應力圖關于中國現(xiàn)今地殼應力狀態(tài)在測區(qū)的應力方向

3.2 水壓致裂地應力測量結果分析

為了準確地評價1號橫洞工區(qū)大變形的地應力特征，在工區(qū)右線隧道開展了1個鉆孔的水壓致裂地應力測量工作[6]。地應力測試鉆孔布置在YD2K112+020處避車洞底板，如圖3所示，測試數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)水壓致裂法地應力測量結果，可以得到如下結論。

(1)地應力測點洞身附近的最大水平主應力為20.42～22.37 MPa，最小水平主應力為11.10～11.99 MPa，用上覆巖層容重(約為2.7 g/cm3)估算的垂直主應力為9.28～9.47 MPa。洞線附近三向主應力值的關系為SHShSV，即：該區(qū)地應力特征以水平構造應力為主。

(2)最大主應力方向為N44°～61°E，該方向與擬建隧洞軸線方向(N70°E)交角9°～26°，最大主應力與洞軸線斜交，該數(shù)值處于最優(yōu)夾角30°范圍之內(nèi)。

(3)根據(jù)實驗成果顯示最小水平應力與垂直應力比值為1.19～1.27；最大水平應力與垂直應力比值為2.19～2.48。

圖3 地應力測試布置

測試段深度/m破裂壓力/MPa重張壓力/MPa關閉壓力/MPa水頭壓力/MPa最大水平主應力(SH)/MPa最小水平主應力(Sh)/MPa垂直應力(SV)/MPa最大水平主應力方向27.613.3311.9511.250.2822.3511.539.47N55°E26.7515.9912.3311.720.2723.3711.999.44N61°E24.417.5012.7111.180.2421.3111.429.38N44°E22.314.2712.6610.880.2220.4211.109.3220.614.3411.289.360.2117.229.579.28N32°E17.612.389.658.340.1815.738.529.20

注：測點處地面高程約1 677 m，隧道軌面高程約1 354 m，上覆巖層平均容重取0.027 MN/m3；考慮到開挖的影響和數(shù)值的對比分析，建議采用27.6～22.3 m之間的地應力測試數(shù)據(jù)。

3.3 大變形工區(qū)地應力大小及方向的確定

(1)地應力側壓力系數(shù)確定

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形段落埋深在200～620 m，且處于地質構造復雜地段；根據(jù)表2[7]，結合楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)地應力實測資料[6]及相關資料[3，5]，確定大變形工區(qū)地應力計算，公式如下

表2 受構造應力影響較大地區(qū)的地應力[7]

注：H為埋深，m；γ為巖石的密度，t/m3。

(1)

(2)1號橫洞工區(qū)大變形段地應力大小及方向確定

根據(jù)公式(1)及1號橫洞工區(qū)大變形段隧道的埋深，可得大變形段的地應力值，如表3所示。

表3 1號橫洞工區(qū)大變形段地應力計算

根據(jù)上述分析，此處地應力場主要以構造應力場為主導，而最大水平主應力方向，根據(jù)構造分區(qū)及地應力實測資料，可以確定其方向范圍為N44°～61°E。

4 大變形成因及機制分析

4.1 大變形成因分析

(1)復雜的地質構造及高地應力條件

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)因受龍門山斷裂帶之龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶夾持影響，大地構造條件極其復雜。受區(qū)域斷裂等構造的影響，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育楊家坪背斜、楊家坪向斜及千佛山斜沖斷層。線路沿構造線前進，巖層產(chǎn)狀與線路夾角小于10°，巖層傾角陡一般為65°～85°。

1號橫洞工區(qū)受區(qū)域構造影響嚴重，尤其是受千佛山斜沖斷層影響(該斷層走向N60°～70°E，傾向SE，傾角70°～80°)，構造應力條件復雜。根據(jù)區(qū)域地應力場分析及地應力實測資料，1號橫洞工區(qū)右線隧道大變形處(YD2K111+716～D2K112+000)埋深230～320 m，三向主應力值的關系為SH>Sh>SV，以構造水平主應力為主，最大水平主應力為14.9～20.74 MPa，其方向為N44°～61°E。

(2)軟弱破碎的地層巖性條件

楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)YD2K111+800～YD2K112+200段下伏基巖為志留系中上統(tǒng)茂縣群第一亞組(S2-3mx1)綠泥石千枚巖夾炭質千枚巖地層，弱風化，片狀結構極其發(fā)育，千枚狀構造，層面光滑局部礦物富集，層間膠結結合較差；因其為黏土巖變質而來，巖質較軟；受構造影響節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎；開挖拱頂及側壁巖體具有剝落現(xiàn)象；因巖層綠泥石化程度高，巖質軟、受構造影響巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

該段埋深220～320 m，據(jù)附近深孔取樣試驗統(tǒng)計資料，結合此處地層巖性，設計綠泥石千枚巖巖石抗壓強度為6.65 MPa；根據(jù)1號橫洞工區(qū)地質構造及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，可取巖體強度為巖石強度的40%計算[8]，可得巖體的強度為2.66 MPa。

(3)巖層結構面與隧道洞軸線的不利組合條件

受測區(qū)斷層及褶曲等構造影響，1號橫洞工區(qū)YD2K111+800～YD2K112+200段小褶曲發(fā)育，巖層揉皺明顯；巖層走向、構造軸線基本與線路平行，掌子面開挖揭示巖層傾角(N75°E/85°NW)近于直立，呈薄片狀，石英脈發(fā)育，呈線狀、局部呈塊狀分布于層間或斜穿巖層；受構造影響較嚴重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖層產(chǎn)狀N60°～75°E/70°～85°NW，巖層走向與隧道(N70°E)夾角為5°～10°。褶曲構造明顯，主要發(fā)育2組密閉型節(jié)理，J1:N45°W/45°NE，節(jié)理間距為3～10 cm；J2: N25°E/35°SE°，節(jié)理間距為5～50 cm；裂隙水不發(fā)育，但手觸摸具有潮濕感覺。

因巖層走向與隧道洞軸線交角為5°～10°，且?guī)r層為陡傾薄片狀結構，隧道開挖后側邊墻擠壓嚴重，在洞室地應力重分布情況下，易導致圍巖出現(xiàn)彎折壓饋變形。

(4)兩線小間距隧道結構的不利條件

線路上，大變形區(qū)隧道左右兩線線間距凈巖柱寬度由24.9 m漸變至1.66 m，為小間距隧道；其圍巖圈較單線大，雙線開挖圍巖擾動范圍半徑大，半徑至少為3倍洞涇。在左右兩線施工過程中中柱圍巖至少經(jīng)過4次擾動，在應力不斷重新分布作用下導致圍巖強度降低，出現(xiàn)塑性變形，塑性區(qū)不斷擴大，表層甚至出現(xiàn)松動區(qū)。

(5)不合理的施組順序及左右兩線支護措施不對等的不利條件

施工中出現(xiàn)左線后開挖擾動右線的影響。該段左右線間距為24.9 m漸變至1.66 m，后行左線隧道掌子面開挖對先行右線隧道支護產(chǎn)生應力重新分布，對先行右線隧道影響較大且不利。

此外，隧道左右兩線支護措施相差較大，后行隧道左線支護措施強于先行右線硐室，導致應力重分布及變形向先行右線硐室加劇的情況。

4.2 大變形的力學機制分析

大變形的產(chǎn)生是其各種影響成因共同作用的結果；復雜的地質構造及地應力條件和軟弱破碎的地層巖性條件為大變形客觀成因，而巖層結構面與洞軸線的不利組合、小間距隧道結構和不合理的施組順序及左右線不對等的支護措施等不利條件為其主觀成因。從客觀成因出發(fā)，其大變形的力學機制可以歸納為應力擴容型[9]的構造應力機制；而相對主觀成因而言可總結歸納為結構變形型[9]的層理型和優(yōu)勢節(jié)理型的混合型機制。

5 結論

(1)楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)因其處于龍門山斷裂帶之龍門山主中央斷裂帶與龍門山后山斷裂帶之間，大地構造條件極其復雜；區(qū)域構造地應力高。應力條件可根據(jù)下式計算：最大水平應力SH=2.40γH；最小水平應力Sh=1.25γH；豎向應力SV=1.0λH。

(2)楊家坪隧道1號橫洞工區(qū)大變形斷裂地層巖性為志留系中上統(tǒng)茂縣群第一亞組(S2-3mx1)綠泥石千枚巖夾炭質千枚巖等地層；其綠泥石化程度高，巖體軟弱破碎，其巖體抗壓強度約為Rb=2.66 MPa。

(3)根據(jù)水壓致裂法地應力測試資料及《水電水利工程地下建筑物工程地質勘察技術規(guī)程》(DL/T 5415—2009)，綜合確定橫洞大變形段落最大水平地應力SH=14.90～20.74 MPa，方向N44°-61°W，與洞軸線(N70°E)夾角9°～26°。

(4)根據(jù)巖體強度應力比[10，11]Rb/SH=0.13～0.18，大變形等級類別為中等～嚴重大變形。

(5)大變形成因可總結為復雜的地質構造和高地應力條件、軟弱破碎的地層巖性條件的大變形客觀成因及巖層結構面與洞軸向的不利組合、小間距隧道結構及不合理的施組順序和左右線不對等的支護措施等不利條件的主觀成因。

(6)大變形的力學機制可歸納為應力擴容型的構造應力機制和結構變形型的層理型和優(yōu)勢節(jié)理型混合型機制的綜合機制體現(xiàn)。

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Analysis of Cause and Mechanism of Large Deformation in No.1 Cross-tunnel Area of Yangjiaping Tunnel of Lanzhou-Chongqing Railway

SONG Zhang1,2， DU Yu-ben1,2， YUAN Chuan-bao1， WANG Ke1,2， WANG Yan-dong1

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., ltd., Chengdu 610031, China;2.Geological Innovation Studio of CREEGC, Chengdu 610031, China )

Based on the research of strata, lithology, geological structure, geostress, engineering geology, engineering design and construction organization plan, the paper analyzes the cause and mechanism of larger deformation in No. 1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel on Chengdu-Lanzhou railway. The results indicate that the larger deformation in No.1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel is the end product of all such objective factors as the intricate geological structure, high geostress, weak and broken lithology and such subjective factors as adverse combination of rock structure surface along the tunnel, short distance between double track tunnels, unfavorable construction organization plan, different supporting measures between left and right lines of double track tunnel. Due to the objective and subjective factors of larger deformation in No. 1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel, a mixed mechanism is presented of geotectonic stress expansion and structural surface deformation.

Chengdu-Lanzhou Railway; Railway tunnel; No. 1 cross-tunnel; Large deformation; Cause and mechanism, Analysis

2015-05-25；

2015-05-30

鐵道部科技研究開發(fā)計劃(Z2012-061)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2013G014-B)；中鐵二院工程集團有限責任公司科研項目(院計劃14126005(14-17))。

宋 章(1977—)，男，高級工程師，2008年畢業(yè)于西南交通大學，工學博士。

1004-2954(2015)12-0079-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.019