云屯堡隧道圍巖大變形機(jī)制及控制技術(shù)

冉龍華

成蘭鐵路有限責(zé)任公司，成都610037

在高地應(yīng)力條件下，泥巖、頁(yè)巖、千枚巖等軟巖在隧道開(kāi)挖后易發(fā)生大變形，引起支護(hù)破壞甚至二次襯砌破壞等災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工工期及安全。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)隧道軟巖大變形問(wèn)題已積累了不少的工程案例和經(jīng)驗(yàn)，取得了不少成果，如烏鞘嶺隧道［1-3］、木寨嶺隧道［4-6］、大梁隧道［7］、毛羽山隧道［8］等。但由于地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，圍巖變形影響因素和變形過(guò)程異常復(fù)雜，軟巖大變形問(wèn)題仍是隧道建設(shè)面臨的一大難題。

成蘭鐵路所在區(qū)域是華南地塊、華北地塊及青藏地塊夾持的川西北三角形斷塊區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。在高地殼應(yīng)力作用下，成蘭鐵路多條隧道在施工中發(fā)生了軟巖大變形問(wèn)題［9-11］。其中云屯堡隧道3#—4#橫洞工區(qū)，主要穿越千枚巖夾砂巖、炭質(zhì)千枚巖夾砂巖地層，處于極高地應(yīng)力下，在施工前期發(fā)生了嚴(yán)重的軟巖大變形。本文研究云屯堡隧道嚴(yán)重大變形破壞形式及變形特征，深入分析大變形發(fā)生機(jī)制，提出控制措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證控制措施的可靠性，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

云屯堡隧道地處龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的A形三角形斷塊中，如圖1所示，具有“四極三高五復(fù)雜”的顯著特點(diǎn)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造格架

隧道洞身穿越巖層主要是千枚巖，巖體較破碎，

2 圍巖大變形破壞形式及破壞特征

2.1 圍巖破壞形式

施工前期，對(duì)該隧道的地質(zhì)情況未能充分認(rèn)識(shí)，施工過(guò)程圍巖發(fā)生了不同程度的大變形，以千枚巖和炭質(zhì)千枚巖為主，圍巖破碎的洞段發(fā)生了嚴(yán)重的大變形。

主要圍巖變形破壞形式有三種，如圖2所示。

圖2 圍巖變形破壞形式

1）掌子面圍巖崩解坍塌。4#洞D5K222+395斷面，在開(kāi)挖及初期支護(hù)后，掌子面向臨空面發(fā)生坍塌。

2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。4#洞D5K222+375—D5K222+400斷面，拱頂初期支護(hù)噴射混凝土層產(chǎn)生開(kāi)裂、剝落、掉塊。3#正洞D5K218+820和4#橫洞工作區(qū)PD1K222+400斷面處，由于洞室兩側(cè)圍巖擠壓，鋼拱架發(fā)生扭曲變形。

3）二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞。4#橫正洞交叉口HD4K0+040—HD4K0+004處，二次襯砌產(chǎn)生多處開(kāi)裂、破壞。

2.2 圍巖大變形特征

通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)合變形監(jiān)測(cè)資料，分析云屯堡隧道圍巖大變形特征。

1）圍巖變形量大，且以拱頂沉降為主。通過(guò)對(duì)比拱頂處與拱腰處的變形量可知，拱頂沉降變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱腰的收斂變形，部分?jǐn)嗝娴墓绊敵两盗可踔吝_(dá)到500 mm以上。如D5K222+445和D5K222+450監(jiān)測(cè)斷面，拱頂?shù)睦塾?jì)沉降量均大于上臺(tái)階和下臺(tái)階累計(jì)收斂量，見(jiàn)表1。

表1 拱頂沉降與拱腰收斂量對(duì)比

2）前期變形速率大，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在隧道開(kāi)挖后，前期變形速率較大，變化的波動(dòng)也較大，后期圍巖的變形速率逐漸減小并慢慢趨于穩(wěn)定。D5K222+445監(jiān)測(cè)斷面的變形速率最高達(dá)到43 mm∕d，平均變形速率為3.8 mm∕d。該斷面拱頂達(dá)到沉降穩(wěn)定歷時(shí)近90 d，上臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖變形達(dá)到收斂穩(wěn)定歷時(shí)超過(guò)60 d，而中臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖變形達(dá)到收斂穩(wěn)定歷時(shí)超過(guò)70 d。

3）變形量受地下水的影響嚴(yán)重。有地下水洞段的變形量普遍大于無(wú)地下水洞段的。以D5K222+410和D5K222+450監(jiān)測(cè)斷面為例（圖3），D5K222+410斷面無(wú)地下水出露，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂圍巖最大沉降量為207 mm；D5K222+450有地下水出露，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂圍巖最大沉降量為504 mm，約為前者的2.43倍。

圖3 拱頂累計(jì)沉降量對(duì)比

3 大變形機(jī)制分析

何滿潮等［12］將軟巖的變形力學(xué)機(jī)制分為三大類，即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型。各類中又依據(jù)引起變形的控制性因素分為4或5個(gè)等級(jí)，共13個(gè)亞類。以這三種變形機(jī)制為基礎(chǔ)，對(duì)云屯堡隧道圍巖大變形機(jī)制進(jìn)行分析。

3.1 物化膨脹型機(jī)制分析

為了揭示軟巖大變形的內(nèi)在原因，在千枚巖、炭質(zhì)千枚巖洞段隧道掌子面取多組試樣開(kāi)展薄片鑒定，偏光顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。同時(shí)選取相應(yīng)試樣，采用DX-2700型X射線衍射儀（XRD）測(cè)量千枚巖的礦物成分，并進(jìn)行了膨脹性試驗(yàn)，以判斷隧道圍巖變形與膨脹性的關(guān)系。

圖4 D5K222+577斷面偏光顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)

D5K222+577斷面XRD衍射圖譜見(jiàn)圖5?？芍?，圍巖的主要成分為云母、綠泥石、石英和伊利石，其中伊利石含量達(dá)到了32.50%～34.37%。通過(guò)膨脹性試驗(yàn)，測(cè)得3組試樣的自由膨脹率分別為14.2%、25.8%、16.0%，均小于界限值40%。這表明隧道區(qū)的千枚巖屬于非膨脹性軟巖，伊利石類膨脹性礦物的膨脹作用并不是造成圍巖大變形的主要原因。

圖5 D5K222+577斷面XRD衍射圖譜

3.2 應(yīng)力擴(kuò)容型機(jī)制分析

應(yīng)力大小對(duì)隧道圍巖是否發(fā)生大變形有重要影響。為探究云屯堡隧道所處應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試和地應(yīng)力的反演。

根據(jù)云屯堡隧道地應(yīng)力測(cè)試及地應(yīng)力反演結(jié)果，洞身附近的最大水平主應(yīng)力約為15 MPa。實(shí)測(cè)值與反演值對(duì)比見(jiàn)圖6?？芍瑢?shí)測(cè)值與反演值比較吻合。

圖6 地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與反演值對(duì)比

根據(jù)點(diǎn)荷載儀、壓力機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的飽水狀態(tài)下的巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出千枚巖、板巖的強(qiáng)度各向異性特征明顯。平均應(yīng)力為：千枚巖垂直層面25.06 MPa，平行層面11.42 MPa；板巖垂直層面26.74 MPa，平行層面15.46 MPa。由此計(jì)算出千枚巖和板巖的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比，見(jiàn)表2。根據(jù)GB∕T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)度應(yīng)力比大于7時(shí)為一般應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度應(yīng)力比在4～7之間為高地應(yīng)力，小于4為極高地應(yīng)力。

表2 巖石強(qiáng)度應(yīng)力比

由表2可知，千枚巖和板巖均處于極高應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力擴(kuò)容型機(jī)制是云屯堡隧道圍巖大變形的主要機(jī)制。

3.3 結(jié)構(gòu)變形型機(jī)制分析

云屯堡隧道受岷江活動(dòng)斷裂帶影響較強(qiáng)烈，導(dǎo)致褶皺、揉皺、節(jié)理、裂隙發(fā)育，并且?guī)r層層面多為炭質(zhì)鏡面，巖體間黏結(jié)力較低，不考慮層狀結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)的巖體節(jié)理發(fā)育等密度圖見(jiàn)圖7?？梢钥闯觯瑑?yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙共有5組。

圖7 云屯堡隧道節(jié)理裂隙等密度圖（單位：%）

當(dāng)有優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面和層面傾向洞室內(nèi)時(shí)，巖體便沿優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面和層面向洞室內(nèi)發(fā)生滑移，造成大變形。云屯堡隧道內(nèi)巖層多為陡傾，當(dāng)巖層走向與洞軸線小角度相交時(shí)，洞室開(kāi)挖形成較好的臨空面，巖層受力不均導(dǎo)致彎曲，邊墻內(nèi)鼓，發(fā)生彎折破壞。因此，結(jié)構(gòu)變形型機(jī)制也是造成云屯堡隧道圍巖變形破壞的一種重要類型。

3.4 地下水軟化型機(jī)制分析

除了上述三種變形機(jī)制外，地下水的軟化作用是加劇云屯堡隧道發(fā)生嚴(yán)重大變形的主要原因之一。地下水的軟化作用可以促成應(yīng)力擴(kuò)容型大變形（軟化巖石作用），也可以促成結(jié)構(gòu)變形型大變形（軟化結(jié)構(gòu)面作用）。在云屯堡隧道4#橫正洞交叉區(qū)，地下水富集，滲流條件極好，水流量大。因此滲水壓力較大，其作用于層理、裂隙也容易導(dǎo)致圍巖發(fā)生大變形。

3.5 大變形機(jī)制綜合分析

通過(guò)以上分析可知，云屯堡隧道3#—4#橫洞工區(qū)的圍巖同時(shí)受多種變形機(jī)制的作用，甚至在局部黏性土含量高的洞段，還伴隨有物化膨脹型機(jī)制。

綜上，云屯堡隧道圍巖大變形最主要的控制因素除地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力外，地下水也是造成大變形的重要因素。監(jiān)測(cè)資料也表明，地下水豐富地段圍巖變形量比無(wú)水或小水量地段大，在實(shí)際施工中須注意地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

4 大變形控制措施

圍巖大變形前按照Ⅴ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)襯砌類型進(jìn)行支護(hù)。大變形后，從幾個(gè)方面對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1）優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)以水平構(gòu)造地應(yīng)力為主的高地應(yīng)力環(huán)境，采用加深仰拱的措施，形成近圓形斷面以改善結(jié)構(gòu)受力，提升結(jié)構(gòu)抗力，其中開(kāi)挖斷面尺寸約為14 m（高）×15 m（寬）。

2）增加預(yù)留變形量?？傤A(yù)留變形量增加到45 cm，其中第一層30 cm，第二層15 cm。配合雙層支護(hù)，逐步釋放圍巖壓力，并確保足夠的補(bǔ)強(qiáng)空間，避免侵限換拱。

3）強(qiáng)支護(hù)和分層支護(hù)。長(zhǎng)短錨桿組合：拱部90°范圍采用4 m長(zhǎng)組合中空錨桿，拱腰至邊墻采用10 m長(zhǎng)中空錨桿，仰拱采用5 m長(zhǎng)中空錨桿，錨桿間距0.8 m×1.2 m。雙層拱架：雙層HW200型鋼，間距0.6 m。強(qiáng)鎖腳：拱腰、拱腳設(shè)置6 m長(zhǎng)的?42鎖腳錨管。雙層C30噴射混凝土厚度分別為27 cm和23 cm。雙層鋼筋網(wǎng)：?8鋼筋，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm。

4）徑向注漿。對(duì)于明顯滲流水、股狀出水洞段對(duì)其洞周5 m采用鋼花管徑向注漿。

改進(jìn)后的支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 嚴(yán)重大變形段支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

5 圍巖大變形控制效果

云屯堡隧道3#—4#橫洞工區(qū)已施工的嚴(yán)重大變形段落合計(jì)557 m。為探究采用大變形控制技術(shù)后的實(shí)際效果，對(duì)采取控制措施后的典型斷面監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 初期支護(hù)與圍巖接觸壓力

分別在拱頂、左右拱肩、左右邊墻及仰拱埋設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，初期支護(hù)及圍巖接觸壓力隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖9?？芍撼跗谥ёo(hù)與圍巖接觸壓力分布特點(diǎn)是拱肩和邊墻接觸壓力大，拱頂和仰拱接觸壓力小，這與地應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，壓力最大值約為1 MPa；在仰拱施工后受力增長(zhǎng)迅速，初期支護(hù)施作50 d后增長(zhǎng)緩慢，100 d后受力趨于穩(wěn)定。

圖9 初期支護(hù)與圍巖接觸壓力時(shí)程曲線

5.2 型鋼受力

型鋼內(nèi)外緣受力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖10，同樣布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)?？芍盒弯撲摷茉谏吓_(tái)階施工后拱部鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)較快，中下臺(tái)階施工時(shí)對(duì)拱部鋼架應(yīng)力影響較小，同時(shí)邊墻處鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)較緩慢；當(dāng)仰拱施工后，鋼架拱部應(yīng)力增長(zhǎng)速率加大，而邊墻處應(yīng)力開(kāi)始快速增長(zhǎng)。鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律與初期支護(hù)和圍巖的接觸壓力增長(zhǎng)規(guī)律基本一致，在仰拱施工完成后，初期支護(hù)受力開(kāi)始快速增長(zhǎng)，受力也趨于均勻，這說(shuō)明初期支護(hù)封閉成環(huán)的重要性。型鋼受力大部分在200 MPa以下，小于鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖10 型鋼受力時(shí)程曲線

5.3 錨桿受力

拱肩及左右邊墻錨桿受力時(shí)程曲線見(jiàn)圖11。左右拱肩各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右邊墻各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)?？芍?，拱肩部位的錨桿軸力全部為壓力，數(shù)值較小，集中在30～40 kN，但軸力增長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)；邊墻錨桿軸力全部為拉力，其軸力增長(zhǎng)可分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和穩(wěn)定階段，錨桿施工后50 d左右軸力增長(zhǎng)基本穩(wěn)定，最大軸力約為120 kN。

圖11 錨桿受力時(shí)程曲線

5.4 變形分析

典型斷面圍巖變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖12。分別在拱頂、左右拱肩及左右邊墻布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)?？芍灰圃谘龉笆┕ず罂焖僭鲩L(zhǎng)，各測(cè)點(diǎn)位移值基本控制在140～160 mm，基本杜絕侵限，嚴(yán)重大變形得到有效控制。

圖12 位移時(shí)程曲線

6 結(jié)論與建議

1）云屯堡隧道大變形破壞形式主要表現(xiàn)為掌子面崩解坍塌、初期支護(hù)開(kāi)裂掉塊、鋼架扭曲、二次襯砌開(kāi)裂等。

2）云屯堡隧道大變形破壞特征為圍巖變形量大，前期變形速率大，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量受地下水的影響嚴(yán)重。

3）云屯堡隧道大變形破壞主要受應(yīng)力擴(kuò)容型機(jī)制、結(jié)構(gòu)變形型機(jī)制及地下水軟化型機(jī)制等的綜合作用。

4）采用圓形結(jié)構(gòu)斷面，增加預(yù)留變形量，采取長(zhǎng)短錨桿結(jié)合、雙層型鋼拱架、長(zhǎng)鎖腳錨管、徑向注漿等措施整治云屯堡隧道，效果明顯，大變形得到有效控制，支護(hù)基本未出現(xiàn)破壞。

5）高地應(yīng)力軟巖隧道無(wú)論設(shè)計(jì)還是施工宜先保守考慮，加大預(yù)留變形量、加強(qiáng)支護(hù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋再逐步優(yōu)化，從而避免侵限、換拱引起安全風(fēng)險(xiǎn)、工期延后和經(jīng)濟(jì)損失。