松潘隧道軟弱圍巖大變形特點(diǎn)及機(jī)理分析

劉方舒

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇 南京 210000）

0 引言

由于我國(guó)對(duì)鐵路建設(shè)投入大量的資金，鐵路系統(tǒng)日趨完善。鐵路隧道技術(shù)的發(fā)展很大程度上制約著鐵路的建設(shè)，隧道工程對(duì)減少建設(shè)里程，滿足鐵路對(duì)平面線形、縱坡的要求，特別是山區(qū)地帶，隧道工程建設(shè)可以最大程度減少土方用量和減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。但在隧道建設(shè)時(shí)經(jīng)常需要解決軟弱圍巖的大變形問(wèn)題。軟弱圍巖存在于強(qiáng)度低、空隙率大、粘性小、因風(fēng)化和構(gòu)造面擠壓現(xiàn)象明顯的地層。眾多學(xué)者對(duì)于隧道軟弱圍巖大變形作出了理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型上的研究[1]，為工程建設(shè)的可行性和安全性增加了保障，以成蘭鐵路松潘隧道為例，從施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)學(xué)角度對(duì)隧道軟弱圍巖的變形物理特點(diǎn)和其機(jī)理作用進(jìn)行了分析。

1 工程概況

成蘭鐵路從海拔約500m的成都平原一路爬坡至3400m的松潘草地，沿線生態(tài)脆弱，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，具有典型的“四極三高”特征，全線有多座特長(zhǎng)大隧道，經(jīng)過(guò)60條褶皺，75條斷裂，大約占線長(zhǎng)的70%。松潘隧道位于四川省阿壩州松潘縣，全長(zhǎng)8048m。設(shè)計(jì)為雙線隧道，最大開(kāi)挖斷面方約128m2，具有“復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史、復(fù)雜的構(gòu)造形跡、復(fù)雜多變的復(fù)理巖建造、復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境、復(fù)雜的地下水條件”等典型特征。隧道巖體成分是軟弱且松散的千枚巖、炭質(zhì)板巖等，加上構(gòu)造作用，大多呈現(xiàn)出劇烈的揉皺變形和擠壓破碎。軟巖中千枚巖占主要成分，其節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度底，膨脹性小。千枚巖主要礦物成分見(jiàn)表1。

表1 松潘隧道軟巖（千枚巖）主要礦物成分/%

松潘隧道千枚巖水理及基本物理特性如表2所示。由表可知該線路千枚巖吸水率和自由膨脹率較低，說(shuō)明膨脹性相對(duì)較小。聲波波速和抗崩解耐久性沿不同方向的特性表明了千枚巖節(jié)理發(fā)育情況明顯，具有各向異性特征。

表2 松潘隧道軟巖基本物理特性

松潘隧道千枚巖工程力學(xué)特性如表3所示。擠壓性軟隧道千枚巖強(qiáng)度低，粘聚力小。單軸抗壓平均強(qiáng)度屬于軟巖范圍。該隧道中的絹云母千晶石最低，僅為1.95 MPa。平均抗拉強(qiáng)度為0.26?2.59MPa。該隧道中絹云母千晶石的平均抗拉強(qiáng)度為0.46MPa。

表3 松潘隧道軟巖基本力學(xué)特性

2 松潘隧道大變形特點(diǎn)

隧道的穩(wěn)定依靠圍巖和支護(hù)兩部分組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在隧道施工階段因?qū)κ┕きh(huán)境和巖石種類(lèi)復(fù)雜，產(chǎn)生的施工力學(xué)效應(yīng)也存在差異性。隧道內(nèi)部產(chǎn)生大變形是隧道施工效應(yīng)的宏觀、綜合的現(xiàn)象，通過(guò)變形量的長(zhǎng)期準(zhǔn)確觀測(cè)和發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)判，可以對(duì)后期施工和最終的隧道穩(wěn)定提供指導(dǎo)[2]。隧道工程中圍巖的大變形將導(dǎo)致施工工期的延后，同時(shí)也會(huì)為工程和工人帶來(lái)極大的安全隱患。因此，有必要總結(jié)和總結(jié)弱圍巖的隧道變形特征。

2.1 變形量大

軟弱圍巖在開(kāi)挖后會(huì)發(fā)生明顯的塑形變形，這是軟弱圍巖最有代表性的特征。松潘隧道初期支護(hù)施做后，發(fā)生了嚴(yán)重的裂縫，包括隧道的局部噴射混凝土由于裂縫而脫落，支撐結(jié)構(gòu)變形和變形以及次襯砌混凝土的嚴(yán)重裂縫（見(jiàn)圖1）。

圖1 松潘隧道初支剝落扭曲變形圖

2.2 初期變形速度快

隧道開(kāi)挖后初期變形速度與圍巖的本身屬性有關(guān)。在堅(jiān)硬的圍巖環(huán)境中，隧道支護(hù)后變形量比較小，并且變形能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率?。幌喾丛谲浫鯂鷰r開(kāi)挖后，隧道變形量和變形速率都相對(duì)要大。軟弱圍巖因本身強(qiáng)度弱，開(kāi)挖后，力發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，從而引起圍巖變形。隧道開(kāi)挖后，變形將保持很長(zhǎng)時(shí)間。它具有明顯的流變性。研究表明，圍巖壓力也一直在變化，有些學(xué)者稱之為弱圍巖的蠕變（見(jiàn)圖 2）。

2.3 壓力增長(zhǎng)快

由于圍巖壓力會(huì)隨著變形時(shí)間的增加而增加，且速度快時(shí)間短。在很短的時(shí)間內(nèi)，圍巖與相接觸的支護(hù)結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。當(dāng)隧道施工方法選擇恰當(dāng)和支護(hù)工作做的嚴(yán)格，支護(hù)封閉后變形會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，壓力處于平衡狀態(tài)。因此，測(cè)量施工階段圍巖大變形，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)掌握其發(fā)展規(guī)律和控制技術(shù)是保證隧道安全事故的重要保障（見(jiàn)圖3）。

圖2 松潘隧道D3K244+262圍巖位移曲線圖

圖3 松潘隧道D3K244+262圍巖壓力變化曲線圖

2.4 破壞形式多樣圍巖破壞范圍大

軟弱圍巖間粘結(jié)力和強(qiáng)度相對(duì)比較弱，在隧道開(kāi)挖后塑性區(qū)域會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)大，當(dāng)隧道支護(hù)不及時(shí)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度低時(shí)，圍巖發(fā)生破壞的程度更顯著。軟弱圍巖因巖性弱，發(fā)生破壞的形式不一，但總體表現(xiàn)為局部或者整體巖體破碎后冒落、塌方、噴射混凝土嚴(yán)重開(kāi)裂、變形侵限、支護(hù)結(jié)構(gòu)扭曲，更為嚴(yán)重的發(fā)生隧道底部上鼓、頂部坍塌等（見(jiàn)圖4）。

3 松潘隧道變形機(jī)理分析

隧道變形機(jī)理是由內(nèi)因和外因兩方面共同作用。隧道變形的內(nèi)因在于圍巖本身抵抗壓、拉、剪外力的能力。隧道變形的外部原因是由于隧道的開(kāi)挖，原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞，巖石的應(yīng)力被重新分配，其中在尋求新的平衡時(shí)巖石緩慢的大變形，被稱為擠出作用，相反，圍巖若瞬間大變形被稱為巖爆。大變形隧道按其成因可以分為高應(yīng)力松動(dòng)（散）型、擠壓型、結(jié)構(gòu)變形型3種不同類(lèi)型。

圖4 松潘隧道初支變形

3.1 松動(dòng)（散）型

在破碎、層狀及塊狀巖體中巖塊強(qiáng)度大于30MPa的硬巖環(huán)境下，且淺埋隧道中，圍巖變形時(shí)間短暫，變形量小。當(dāng)圍巖處理不及時(shí)，變形發(fā)展到一定程度時(shí)，圍巖會(huì)出現(xiàn)松散或坍塌，破碎巖體擺脫圍巖整體通過(guò)自重的形式將力傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼架產(chǎn)生嚴(yán)重變形，變形曲線出現(xiàn)向上反彎或者“跳躍”的趨勢(shì)。

3.2 結(jié)構(gòu)變形型

結(jié)構(gòu)變形型大變形隧道穿越的地層含泥質(zhì)成分很少（或幾乎不含）巖體呈現(xiàn)各向異性或節(jié)理發(fā)育的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面是影響巖體變形的力學(xué)機(jī)制。巖體本身強(qiáng)度高，屬于硬巖，但是在隧道工程施工過(guò)程中由于受到工程力的作用會(huì)發(fā)生明顯的變形，此時(shí)表現(xiàn)出軟巖的結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生塑性變形，其機(jī)理是在工程力的影響下，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生相對(duì)滑移和擴(kuò)容變形。

不同類(lèi)型的圍巖變形處治理念和工程措施均應(yīng)有所不同。

3.3 變形機(jī)理分析

隧道大變形是由圍巖的本身屬性、破碎結(jié)構(gòu)以及所在環(huán)境等多因素耦合導(dǎo)致，其機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)結(jié)合松潘隧道分析如下：

3.3.1復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境

松潘隧道位于岷江斷裂帶的下盤(pán)，穿過(guò)第七滑坡體和第八變形段。在岷江斷層的影響下，巖體破裂，層間受壓嚴(yán)重，斷層和軟皺紋發(fā)育，層理行為發(fā)生很大變化。在隧道的連續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中，原本處于平衡狀態(tài)的圍巖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布。在這種作用下，應(yīng)力集中可能會(huì)在周?chē)膸r石附件中局部存在。

3.3.2破碎的地層巖性條件

地層的巖性主要為三疊系上三疊統(tǒng)新都橋組（T3X）的花崗石，碳質(zhì)板巖，砂巖（主要為千層石和碳質(zhì)板巖），中間夾有煤線，巖層軟硬。受岷江活動(dòng)斷層的影響，裂隙和微裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石軟硬，隧道開(kāi)挖松弛圈大。

3.3.3地下水的軟化特性

松潘隧道由于圍巖的本身屬性、破碎結(jié)構(gòu)以及所在環(huán)境等多因素耦合，隨著時(shí)間的推移地下水慢慢滲入巖體結(jié)構(gòu)面，降低圍巖層與層之間的結(jié)合力，降低了巖體間物理力學(xué)特性，破碎巖體擺脫圍巖整體通過(guò)自重的形式將力傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性不滿足實(shí)際需求，加速圍巖的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

成蘭鐵路松潘隧道處于復(fù)雜構(gòu)造的地應(yīng)力環(huán)境場(chǎng)中，巖體軟硬相間，構(gòu)造發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙、微裂隙發(fā)育；層理發(fā)育，層面和隧道走向不利組合形成順層偏壓，地下水軟化作用等多種因素易引起測(cè)段大變形現(xiàn)象。松潘隧道可以定義為高應(yīng)力作用下的松散型大變形。針對(duì)松散型大變形的特質(zhì)，通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度，整體剛度等“強(qiáng)支硬頂”手段控制變形。因此，在進(jìn)行隧道大變形施工和整治措施時(shí)，需要通過(guò)隧道大變形相應(yīng)特征，找出引起隧道大變形的內(nèi)在機(jī)理，綜合多方面的因素，制定準(zhǔn)確有效的整治措施，保證工程安全，節(jié)約工程建設(shè)成本。