云母片巖隧道圍巖大變形分析研究

胡永占

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710043)

1 引言

隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程的比重不斷加大，云母片巖隧道圍巖大變形已嚴(yán)重影響了隧道施工安全和進(jìn)度，因此對云母片巖圍大變形的分析研究成為隧道建設(shè)中的重要課題[1]，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值。

寶蘭高鐵楊家莊隧道全長8 096 m，洞身圍巖以云母片巖為主，巖質(zhì)軟穩(wěn)定性差、施工初期變形大，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，出現(xiàn)了圍巖大變形問題。本文通過對云母片巖結(jié)構(gòu)特性、礦物成分、抗壓強(qiáng)度和水理特性等工程特性的介紹，對隧道圍巖大變形特征及變形因素進(jìn)行分析研究。

2 楊家莊隧道地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

楊家莊隧道位于天水市秦安縣境內(nèi)，穿越葫蘆河峽谷區(qū)左岸黃土長梁。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，黃土在流水侵蝕作用下主溝多切割至基巖，河谷兩岸黃土沿土石界面形成的滑坡發(fā)育。

2.2 地層巖性

隧道洞口及地表為第四系上-中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土所覆蓋，洞身地層為新近系泥巖、震旦系云母片巖及斷層破碎帶等。云母片巖呈灰黑色、片理發(fā)育、具薄片狀結(jié)合差等特性，圍巖大變形段落均集中在云母片巖地段。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為六盤山帚狀構(gòu)造與隴西黃土高原過渡段，為震旦紀(jì)變質(zhì)巖組成第三紀(jì)天禮盆地北緣，區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，壓扭性黃家大溝斷層與隧道洞身大角度相交。隧道位于北西向展布的天水-蘭州地震帶中部，該地震帶具有地震活動(dòng)頻率高，強(qiáng)度大的特點(diǎn)，見圖1。

圖1 楊家莊隧道地質(zhì)構(gòu)造及地震分布

2.4 水文地質(zhì)

隧道區(qū)內(nèi)黃土梁間沖溝發(fā)育，黃土主溝下切至基巖，溝谷內(nèi)沿土石界面有下降泉匯集成流水；基巖裂隙水較發(fā)育但分布不均勻，地下水沿基巖風(fēng)化層及節(jié)理裂隙向深部滲流。

3 云母片巖的工程特性

隧道洞身主要地層為云母片巖，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合試驗(yàn)成果對云母片巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、抗壓強(qiáng)度和水理特性分析評價(jià)其工程性質(zhì)。

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

根據(jù)隧道掌子面地質(zhì)素描，云母片巖的變質(zhì)片理普遍發(fā)育，呈薄層片狀結(jié)構(gòu)，受地質(zhì)構(gòu)造影響巖體破碎、黏聚力差、擠壓揉皺嚴(yán)重，在部分片理面和構(gòu)造節(jié)理面可見灰褐色泥化夾層[2]72，巖體沿泥質(zhì)發(fā)生塑性蠕變并產(chǎn)生擠壓搓動(dòng)光滑面，易引起巖體變形、失穩(wěn)。

3.2 礦物成分

在隧道洞身里程DK796+613～DK797+633掌子面采集3組巖樣，采用粉晶X射線衍射分析方法對巖樣進(jìn)行礦物分析和黏土礦物定性與定量分析。

表1 巖樣衍射分析礦物成分匯總

由表1礦物成分匯總表分析圍巖的主要礦物為云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，長石和綠泥石少量，局部檢測有少量親水礦物蒙脫石。云母及蒙脫石遇水易軟化，云母片巖吸水率高易軟化產(chǎn)生可塑蠕變現(xiàn)象，因此云母片巖的礦物成分直接影響圍巖的大變形。

3.3 抗壓強(qiáng)度

鱗片狀云母片巖及軟弱夾層對圍巖強(qiáng)度影響較大，取樣試驗(yàn)云母片巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度為2～8 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度僅0.5～3 MPa，圍巖強(qiáng)度低屬極軟巖；黏聚力0.08～0.12 MPa，內(nèi)摩擦角15°～22°，變質(zhì)片理面有泥化夾層易剪切失穩(wěn)，使其抗剪斷強(qiáng)度低，圍巖自穩(wěn)性差，易誘發(fā)大變形。

3.4 水理特性

地下水對不同強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的礦物影響各有差異:云母及蒙脫石等礦物遇水易軟化；石英及長石等硬質(zhì)礦物影響較小。通過試驗(yàn)片巖中含有黑云母和蒙脫石等黏土礦物，黏土礦物在地下水作用下沿結(jié)構(gòu)面易發(fā)生軟化崩解[2]70，干濕抗壓強(qiáng)度的比值計(jì)算云母片巖的軟化系數(shù)為0.51～0.59，遇水后云母片巖的抗壓強(qiáng)度降低，因此云母片巖遇水軟化是隧道圍巖大變形不可忽視的因素。

4 云母片巖隧道圍巖大變形特征分析

4.1 圍巖變形壓力測試

4.1.1 測試斷面地質(zhì)特征

隧道開挖采用三臺(tái)階預(yù)留核心工法施工[3]，掌子面地質(zhì)素描圍巖為云母片巖:灰黑色，沿片理形成的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體呈薄層片狀松散結(jié)構(gòu)，層厚為0.5～2 cm，伴有滴滲水現(xiàn)象，層間遇水軟化且結(jié)合差，拱部及左邊墻沿結(jié)構(gòu)面易剝落掉塊。單斜地層徑向破壞形成的圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)散范圍存在差異[4]，拱頂及左側(cè)拱腰圍巖松動(dòng)圈可達(dá)一倍洞徑以上(見圖2)，采用TSP302超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面前方為云母片巖，巖體破碎，弱富水。

圖2 DK797+670片巖揉皺破碎沿片理擠壓塑性變形

4.1.2 圍巖變形量測

在隧道DK797+660～DK797+685段按間隔5 m布設(shè)了6個(gè)斷面進(jìn)行拱頂沉降、拱腳和墻腰水平收斂量測，變形量測采用精密水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)與全站儀相結(jié)合，監(jiān)控量測結(jié)果見表2。

表2 拱頂下沉及拱腳、墻腰水平收斂量測結(jié)果 mm

(1)拱部沉降變形量測

每個(gè)量測斷面拱頂沉降量大，拱頂沉降平均200.5 mm，最大達(dá)246.3 mm。根據(jù)圖3各斷面拱頂沉降與時(shí)間曲線可看出:每個(gè)量測斷面拱頂沉降量在監(jiān)測初期都呈逐漸增大的趨勢[5]，基本在兩周后逐漸趨于平緩，之后拱頂下沉量維持在相對穩(wěn)定的范圍，說明初期支護(hù)措施起到控制沉降效果。

圖3 量測斷面拱頂沉降-時(shí)間曲線

(2)拱腳水平收斂量測

拱腳水平收斂值大于拱頂初期沉降值，墻腰水平收斂值相對較小。根據(jù)圖4各斷面拱腳水平收斂與時(shí)間曲線可看出:在量測初期拱腳水平收斂逐漸增加，基本在10～15 d后收斂變形逐漸趨于平緩，拱腳收斂的平均值為230 mm，說明初支措施有效控制了圍巖的水平收斂[6]。

圖4 量測斷面拱腳水平收斂量-時(shí)間曲線

4.1.3 圍巖壓力測試

在隧道DK797+670段拱頂、拱腳、邊墻、墻腳、仰拱分別埋設(shè)測點(diǎn)，采用頻率接收儀分別對初支圍巖壓力及其與二襯接觸壓力進(jìn)行測試。

(1)初期支護(hù)圍巖壓力測試

埋設(shè)于圍巖與初支之間的壓力盒量測的接觸壓力分布見圖5，量測的圍巖壓力分布不均勻，除仰拱圍巖壓力外最大壓力發(fā)生左拱腳為0.936 MPa，隧道左側(cè)拱腰明顯大于右側(cè)，這與圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀方向一致，說明圍巖沿變質(zhì)片理面易產(chǎn)生變形[7]。

(2)初支與二襯接觸壓力測試

埋設(shè)于初支與二襯之間的壓力盒量測接觸壓力分布見圖6。接觸壓力在量測初期有一定波動(dòng)，在埋設(shè)一個(gè)月后，接觸壓力趨于穩(wěn)定，量測接觸壓力平均值為0.086 MPa。二襯壓力分布相對均勻，這說明初支措施有效控制了圍巖的變形。

圖5 DK797+670圍巖壓力分布(單位：MPa)

圖6 DK797+670初支與二襯接觸壓力分布(單位：MPa)

4.2 圍巖大變形特征

4.2.1 圍巖變形及初支結(jié)構(gòu)破壞形式

楊家莊隧道云母片巖層薄質(zhì)軟并有泥化夾層，單斜構(gòu)造偏壓顯著，巖體破碎并有滴滲水現(xiàn)象。施工中圍巖變形難以控制且累計(jì)變形量大，圍巖變形監(jiān)控量測預(yù)警段落多，出現(xiàn)初支開裂掉塊并造成侵限；初噴砼出現(xiàn)不同程度環(huán)向和縱向裂縫，伴有初支開裂、噴砼掉塊、鋼拱架扭曲變形或拱頂沉降、拱腰及邊墻外鼓等現(xiàn)象(見圖7)。

圖7 初噴砼出現(xiàn)環(huán)向和縱向裂縫

4.2.2 大變形特征

依據(jù)施工圍巖監(jiān)控量測結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)編錄綜合分析[8]，隧道圍巖大變形有如下特征:

(1)隧道結(jié)構(gòu)偏壓變形。隧道圍巖為單斜地層，拱頂下沉及單側(cè)拱腰及側(cè)壁滑移擠出明顯呈結(jié)構(gòu)性偏壓，導(dǎo)致初支受力及位移不均，出現(xiàn)圍巖不同位置變形程度存在差異，初支破壞形式也不同。

(2)沉降及收斂變形量大。圍巖變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降及左側(cè)拱腳向洞內(nèi)擠出為主；監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)DK797+660～DK797+675段拱腳水平收斂累計(jì)最大值達(dá)376 mm，拱頂沉降累計(jì)最大值246 mm。

(3)變形速率較快。掌子面開挖一周內(nèi)監(jiān)測呈逐漸增大的趨勢，變形速率可達(dá)80～120 mm/d，若仰拱不封閉，二襯不及時(shí)跟進(jìn)，持續(xù)變形易產(chǎn)生侵限甚至可能塌方。

(4)變形持續(xù)時(shí)間較長。圍巖沿變質(zhì)片理面有塑性蠕變性，隧道開挖后圍壓應(yīng)力重分布時(shí)間持續(xù)長，拱頂沉降和水平收斂達(dá)到相對穩(wěn)定需要一段時(shí)間，變形持續(xù)約兩周后才逐步趨于穩(wěn)定。

(5)洞身縱向變形分布不均。洞身不同段落變形量各異，根據(jù)隧道收斂變形實(shí)測數(shù)據(jù)和侵限破壞情況統(tǒng)計(jì)分析，巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞身主軸夾角越小、地下水發(fā)育地段收斂變形量相對較大。云母及蒙脫石等軟質(zhì)礦物含量高的段落收斂變形量大，嚴(yán)重段初支鋼架出現(xiàn)扭曲變形。

5 云母片巖隧道圍巖大變形主要因素分析

5.1 地形地貌引起的偏壓

楊家莊隧道地形呈向左側(cè)葫蘆河峽谷區(qū)傾斜的黃土梁峁區(qū)，黃土在流水侵蝕作用下切割強(qiáng)烈、地形起伏較大，相對高差約50～220 m，向河谷單向傾斜，自然坡度20°～50°，為單斜偏壓地形，埋深淺的段落產(chǎn)生偏壓導(dǎo)致圍巖變形較大。

5.2 地層巖性特征的影響

隧道洞身巖性主要為云母片巖，經(jīng)礦物分析，云母片巖主要礦物為云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，還有少量親水礦物蒙脫石。云母及蒙脫石遇水易軟化，云母片巖吸水率高易軟化產(chǎn)生可塑蠕變現(xiàn)象，是引起隧道圍巖變形的內(nèi)在因素。

5.3 巖體結(jié)構(gòu)的影響

隧址位于震旦紀(jì)變質(zhì)巖組成的第三紀(jì)天禮盆地北緣，晚第三紀(jì)以來區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，巖體受到強(qiáng)烈的揉皺擠壓，巖體極破碎呈薄片狀角礫結(jié)構(gòu)，片理及節(jié)理裂隙發(fā)育，易沿片理面擠壓剪出發(fā)生破壞，形成圍巖巖體發(fā)生剪切破壞的軟弱結(jié)構(gòu)面[9]。隧道洞身主軸走向N10°W，云母片巖產(chǎn)狀N78°E/65°S，巖層產(chǎn)狀與隧道洞身及河谷走向呈單斜順層偏壓。受自重壓力及偏壓影響，隧道開挖左側(cè)拱頂及拱腰沿片理面向洞內(nèi)擠壓發(fā)生塑性蠕變，圍巖表現(xiàn)出明顯大變形特征。

5.4 地下水滲流軟化作用

隧道圍巖收斂變形與地下水活動(dòng)密切關(guān)系，圍巖的破碎有利于地表水下滲和地下水的滲流。收斂變形大的掌子面開挖后多有滴滲水及線狀流水。地下水對云母片巖及泥化夾層有軟化，圍巖遇水強(qiáng)度降低并發(fā)生塑性蠕變，加劇了圍巖的變形。

5.5 圍巖壓力分布不均的影響

圍巖壓力測試說明偏壓地形和單斜地層是初支壓力分布不均衡的主要原因[10]，造成初支鋼架和噴射混凝土承受較大應(yīng)力，出現(xiàn)噴層開裂掉塊。二襯適時(shí)施作又限制初支變形，分擔(dān)部分圍巖壓力。

5.6 施工開挖擾動(dòng)引起圍巖變形

隧道監(jiān)控量測是判斷圍巖穩(wěn)定性有力手段[11]。根據(jù)斷面收斂變形監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，收斂變形可分為急劇變形、緩慢變形和基本穩(wěn)定三個(gè)階段。掌子面開挖卸荷及初期支護(hù)過程中軟弱圍巖的變形釋放，造成圍巖對初支不均衡壓力分布。

6 結(jié)論

針對楊家莊隧道地質(zhì)環(huán)境特征，結(jié)合圍巖變形量測及壓力測試，對隧道圍巖大變形進(jìn)行分析研究，結(jié)論如下:

(1)云母片巖隧道大變形具有收斂變形量大、變形速率較快、變形持續(xù)時(shí)間長、洞身縱向變形分布不均及破壞形式多樣性的特征。

(2)圍巖變形監(jiān)測及壓力測試表明，圍巖變形與圍巖壓力具有密切的相關(guān)性:初支壓力出現(xiàn)波動(dòng)半月后逐漸趨于穩(wěn)定，同時(shí)拱頂沉降和水平收斂等圍巖變形也逐步趨于穩(wěn)定。

(3)復(fù)雜區(qū)域地質(zhì)條件是云母片巖隧道圍巖發(fā)生大變形的獨(dú)特性，導(dǎo)致圍巖變形的因素有地形地貌、巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)、地下水及圍巖壓力；巖性及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響在諸因素中占主要地位，其它因素均起到不同作用。

(4)單斜地層和地形產(chǎn)生偏壓、開挖卸荷后圍巖受地下水滲流軟化沿變質(zhì)片理面及泥質(zhì)夾層產(chǎn)生塑性蠕變，使圍巖壓力分布不均等因素是導(dǎo)致楊家莊隧道圍巖大變形的根本原因。