廣元至平武高速公路白楊坪隧道圍巖大變形分析與研究

陳華　陳清泉　李劍偉　張艷

【摘 要】隧道圍巖大變形預(yù)測(cè)是一個(gè)較難研究課題，相關(guān)理論尚在進(jìn)一步研究和探討中。產(chǎn)生圍巖大變形的影響因素眾多，其中高地應(yīng)力是圍巖產(chǎn)生大變形的重要影響因素之一。文章對(duì)白楊坪隧道深孔進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試成果對(duì)測(cè)區(qū)地應(yīng)力特征進(jìn)行了分析。隧道內(nèi)最大主應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W81°～ NW72°。隧道在埋深大于210 m時(shí)會(huì)發(fā)生Ⅰ級(jí)圍巖大變形。

【關(guān)鍵詞】隧道工程; 千枚巖; 地應(yīng)力; 大變形

【中圖分類(lèi)號(hào)】U451+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隧道圍巖大變形是一種常見(jiàn)的、危害大、處治難度及費(fèi)用高的施工地質(zhì)災(zāi)害。引起圍巖大變形的因素較多，其中隧道所處地應(yīng)力大小是最重要影響因素。在以往的工程經(jīng)驗(yàn)中，我們通常將軟質(zhì)巖隧道在埋深大于400 m的洞段判定為可能發(fā)生圍巖大變形段，需進(jìn)行地應(yīng)力相關(guān)測(cè)試。但近年來(lái)已建成的的國(guó)道317線(xiàn)鷓鴣山公路隧和馬爾康繞城隧道、汶馬高速鷓鴣山隧道和卓克基隧道等工程在隧道埋深200 m左右便出現(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形災(zāi)害，給工程建設(shè)造成極大的困難。因此，對(duì)于埋深不大的軟巖隧道亦需要開(kāi)展圍巖大變形的相關(guān)研究。

1 工程概況

在建廣元至平武高速公路白楊坪隧道進(jìn)口位于廣元市青川縣清溪鎮(zhèn)徐壩村竹林壩組，出口位于綿陽(yáng)市平武縣高村鄉(xiāng)老房子組。為一越嶺特長(zhǎng)分離式雙線(xiàn)隧道，全長(zhǎng)3 501 m，屬特長(zhǎng)隧道;單洞寬10.25 m，洞高5 m，洞頂最大埋深約415 m。路線(xiàn)經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi)出露地層為昆侖秦嶺區(qū)馬爾康分區(qū)金川小區(qū)。所涉地層主要為茂縣群黃坪組（Sh），巖性以絹云千枚巖、砂質(zhì)絹云千枚巖為主，試驗(yàn)測(cè)得飽和抗壓強(qiáng)度平均值約6.5 MPa，屬于軟巖。

工程區(qū)處于龍門(mén)山北東向構(gòu)造與摩天嶺北東東向構(gòu)造帶之間，主要位于龍門(mén)山中央斷裂與龍門(mén)山后山斷裂所圍限的地塊。構(gòu)造單元上屬于松潘—甘孜造山帶中的丹巴—汶川弧形逆沖—滑脫疊置帶和摩天嶺逆沖—推覆帶。隧道位于白羊倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜北西翼位置，唐家山斷層位于隧道北側(cè)200～400 m，呈北東方向展布，走向與隧道走向近于平行，青川—平武斷裂距離隧道北側(cè)約2.2 km，呈北東方向展布，隧道均位于斷層下盤(pán)。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，隧址區(qū)分布較多小規(guī)模的韌性剪切破碎帶，寬度幾米至十幾米不等，由片理密集帶并含石英布丁體為特征，石英布丁3～20 cm不等，具定向排列特征，破碎帶巖體完整性極差，片理部分呈鱗片狀構(gòu)造，錘擊聲較啞，微反彈，部分片理揉曲變形較強(qiáng)烈（圖1）。韌性剪切破碎帶占正常圍巖段落比例約20 %，且分布具不確定性。

石英布丁、韌性剪切帶內(nèi)折曲構(gòu)造

2 近場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力特征

2.1 地應(yīng)力測(cè)試

本次地應(yīng)力測(cè)試采用水壓致裂法，選取白楊坪隧道白ZK02鉆孔，鉆孔深度為300.00 m，鉆孔靜水位為0.00 m。現(xiàn)場(chǎng)巖芯見(jiàn)圖2，總體上巖芯較完整，巖性以絹云千枚巖為主。

本次測(cè)試在白ZK02鉆孔80.00～ 268.00 m范圍內(nèi)選擇了5個(gè)測(cè)段（80.00 m 、130.50 m、178.00 m、192.00 m、268.00 m）進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試工作，每個(gè)測(cè)段均進(jìn)行了4次重復(fù)測(cè)量，獲得的5段有效測(cè)量曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

對(duì)上述獲得5段有效壓裂曲線(xiàn)進(jìn)行分析和篩選，選取2個(gè)測(cè)段進(jìn)行印模試驗(yàn)以確定最大水平主應(yīng)力方位，其深度為：178.00 m和192.00 m，印模測(cè)試采用雙印模法，印取兩段結(jié)果。地面施加的壓力超過(guò)巖石破裂壓力，并水壓時(shí)間約30 min。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)段深度指地面至壓裂段中心點(diǎn)的深度，試驗(yàn)中壓裂段長(zhǎng)度選取了0.76 m。垂向應(yīng)力簡(jiǎn)化為地面至壓裂段中心點(diǎn)上覆巖層的重量，用常規(guī)公式Sv=ρgh計(jì)算獲得，平均密度（ρ）取2.64 g/cm3。

國(guó)際巖石力學(xué)（ISRM）測(cè)試技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員于2003年發(fā)布的新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出，通過(guò)關(guān)閉壓力可直接確定最小水平主應(yīng)力的大小，同時(shí)可參與最大水平主應(yīng)力的計(jì)算。本次測(cè)量為保證測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，本次測(cè)試采用dp/dt法、dt/dp法和Muskat法，三種方法進(jìn)行，并取三種方法的平均值參與應(yīng)力量值的計(jì)算。

2.2.2 主應(yīng)力值

白ZK02鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量壓裂參數(shù)和主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1給出的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，可以分析地應(yīng)力值隨深度變化情況，圖4是白ZK02鉆孔主應(yīng)力值隨深度變化圖。通過(guò)對(duì)表1和圖4分析，可以發(fā)現(xiàn)：在白ZK02鉆孔中主應(yīng)力值隨地層深度增加而增加，80.00～268.00 m測(cè)試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值在15.03～21.68 MPa之間，最小水平主應(yīng)力值在10.57～14.17 MPa之間。最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力之比范圍為3.05～7.12，表明以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，測(cè)孔附近主應(yīng)力的比值為中等以上水平（一般工程隧道巖體水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力比值在0.5～5.5之間）。

為更加準(zhǔn)確地了解工程區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)，采用線(xiàn)性擬合的方式計(jì)算主應(yīng)力隨深度變化梯度式，式1和式2給出了具體結(jié)果。

SH= 0.030H + 12.683，r2=0.58（1）

Sh=0.016H+9.081，r2=0.67（2）

根據(jù)圖4曲線(xiàn)和Anderson 斷層理論分析鉆孔的構(gòu)造應(yīng)力結(jié)構(gòu)及其表征的斷裂性質(zhì)表明，三個(gè)主應(yīng)力間的關(guān)系為SH>Sh>Sv，表明區(qū)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)有利于逆沖斷層活動(dòng)。

2.2.3 主應(yīng)力方向

本次測(cè)試開(kāi)展了2段印模效果良好，根據(jù)基線(xiàn)方位計(jì)算出最大水平主壓應(yīng)力方向，圖5給出了白ZK02鉆孔印模結(jié)果，結(jié)果表明，主應(yīng)力方向由淺至深分別為：N81WN72W，算術(shù)平均優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹76.5°W，兩次測(cè)量結(jié)果比較接近，也說(shuō)明了印模測(cè)量結(jié)果的可靠性和一致性。結(jié)果揭示，白ZK02鉆孔主應(yīng)力方向?yàn)镹WW方向，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)基本一致。

3 隧道圍巖大變形

目前國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于隧道圍巖大變形的分析和預(yù)測(cè)多采用巖石強(qiáng)度與初始應(yīng)力比值。采用圍巖強(qiáng)度與初始應(yīng)力比值可反映巖體結(jié)構(gòu)特征，符合隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)律。通過(guò)比值大小進(jìn)一步劃分大變形等級(jí)。

擬建隧道圍巖以絹云千枚巖為主，飽和抗壓強(qiáng)度平均值約6.5 MPa，屬軟巖。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析，區(qū)內(nèi)隧道地應(yīng)力屬于極高應(yīng)力區(qū)域，最大主應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W81°～ NW72 °。根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過(guò)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax預(yù)測(cè)圍巖大變形等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

擬建隧道最大埋深415 m，絹云千枚巖飽和抗壓強(qiáng)度6.5 MPa。當(dāng)隧道埋深小于210 m，σmax<13.0，強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax>0.5，正常絹云千枚巖發(fā)生大變形的可能性較小;隧道埋深210～415 m，σmax =8.0～16.35，強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax =0.39～0.5，圍巖大變形等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，白楊坪隧道在埋深大于210 m時(shí)會(huì)發(fā)生Ⅰ級(jí)圍巖大變形。隧道圍巖大變形等級(jí)還與地下水發(fā)育程度、巖體完成程度、巖石礦物親水性特征、隧道開(kāi)挖形式等因素有關(guān)，因此，建議施工過(guò)程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和檢測(cè)，對(duì)于裂隙密集帶及地下水豐富地段應(yīng)加強(qiáng)圍巖大變形預(yù)支護(hù)手段。對(duì)發(fā)生大變形的隧道段落，建議采用柔性設(shè)計(jì)理念，選擇合理的開(kāi)挖方式，預(yù)留變形量，加強(qiáng)超前支護(hù)，適當(dāng)提高襯砌剛度。

參考文獻(xiàn)

[1]李國(guó)良，朱永全.烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（3）：54-59.

[2]姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程圍巖大變形類(lèi)型與機(jī)制研究[[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004：15（4） ，46-51.

[3]楊會(huì)軍，王夢(mèng)恕.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006， 28（3）： 92-96.

[4]張國(guó)柱.大陳隧道圍巖變形預(yù)測(cè)研究田[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[5]鄧成豪，林從謀，王殿會(huì)，等.隧道變形預(yù)測(cè)方法的改進(jìn)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011， （47）：130-133.

[6]張志強(qiáng)，鄭鴻泰.高地應(yīng)力條件下隧道大變形的數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2000， 19（增）：957-960.

[定稿日期]2021-04-15

[作者簡(jiǎn)介]陳華（1986～），男，碩士，工程師，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)方面的研究工作。