復(fù)雜山區(qū)深埋隧道軟巖大變形機(jī)理研究
——以楊家坪隧道為例*

周 航 陳仕闊 劉 彤 李涵睿 岳平超

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756，中國(guó))

0 引 言

在我國(guó)西部山區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)中，長(zhǎng)大深埋軟巖隧道的工程地質(zhì)病害問(wèn)題日益顯現(xiàn)。由于其區(qū)域構(gòu)造作用異常強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，加之軟弱圍巖的特殊力學(xué)性質(zhì)，使得隧道施工過(guò)程中經(jīng)常遇到圍巖大變形地質(zhì)災(zāi)害，通常持續(xù)數(shù)周至數(shù)月或超過(guò)1年，極易導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)遭受系統(tǒng)性破壞，甚至?xí)l(fā)坍塌等，嚴(yán)重影響隧道工程的施工安全和進(jìn)度，進(jìn)而大幅度增加工程造價(jià)(廖雄，2018；胡煒等，2020)。例如，成蘭鐵路楊家坪隧道穿越高地應(yīng)力軟巖地層，千枚巖遇水軟化，圍巖極易坍塌失穩(wěn)，施工過(guò)程中多次出現(xiàn)混凝土開裂、鋼架扭曲彎折等(宋章等，2015，2016)；蘭新鐵路烏鞘嶺隧道軟弱巖層開挖后，圍巖應(yīng)力多次調(diào)整后導(dǎo)致隧址區(qū)的初期支護(hù)和二次襯砌嚴(yán)重開裂，變形量一般在300mm以上，最大變形速率可達(dá)30mm·d-1(劉志春等，2008)；南昆鐵路家竹箐隧道施工開挖過(guò)程中，隧道拱頂?shù)榷鄠€(gè)部位發(fā)生了嚴(yán)重變形，位移沉降量最大為1000mm(Wu et al.，2019)。迄今為止，圍巖大變形一直是困擾隧道工程界的一個(gè)重大難題，系統(tǒng)地研究軟巖大變形機(jī)理對(duì)隧道工程技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義(陳宗基，1982；李天斌等，2019)。

近幾十年，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從地質(zhì)力學(xué)角度對(duì)圍巖大變形的機(jī)理及影響因素等開展了廣泛研究。例如，Anagnostou(1993)研究發(fā)現(xiàn)巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力大小是引起圍巖大變形的主要原因。喻渝(1998)依托南昆鐵路家竹箐隧道擠壓性大變形實(shí)例，重點(diǎn)探討了圍巖塑性區(qū)的剪脹和高應(yīng)力比兩方面因素對(duì)大變形的影響。李春林等(2009)結(jié)合都汶公路龍溪隧道的工程實(shí)踐，認(rèn)為圍巖大變形的發(fā)生主要取決于構(gòu)造應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)。Agan(2016)通過(guò)分析研究土耳其蘇魯奇引水隧道的地質(zhì)條件與圍巖大變形特征，發(fā)現(xiàn)巖體強(qiáng)度、構(gòu)造應(yīng)力和地下水等是影響圍巖大變形發(fā)生的重要因素。郭富利等(2008)以宜萬(wàn)鐵路堡鎮(zhèn)隧道為例，通過(guò)開展大量的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)研究，系統(tǒng)地總結(jié)了軟弱圍巖的變形機(jī)制及破壞模式。李天斌等(2016)根據(jù)某公路鷓鴣山隧道圍巖大變形特征，總結(jié)得到鷓鴣山隧道發(fā)生大變形的3個(gè)力學(xué)作用機(jī)制：軟巖的塑性流動(dòng)，楔形體的剪切滑動(dòng)和薄層軟巖的彎曲鼓出?，F(xiàn)有研究主要通過(guò)宏觀分析研究圍巖大變形的機(jī)理，對(duì)擠出變形機(jī)制的認(rèn)識(shí)基本是統(tǒng)一的。但是，對(duì)引起軟巖隧道圍巖大變形原因的研究并不全面，特別是從多尺度關(guān)聯(lián)性方面來(lái)系統(tǒng)地研究圍巖大變形機(jī)理。

大量工程實(shí)踐表明，水巖作用是導(dǎo)致軟巖隧道圍巖大變形的重要因素(Jiang et al.，2014；李天斌等，2016)。汪波等(2012)通過(guò)研究杜家山隧道地質(zhì)條件及變形特征，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)巖體的軟化作用是隧道發(fā)生變形破壞的重要誘因之一。Yilmaz(2010)、趙建軍等(2017)研究認(rèn)為水會(huì)對(duì)千枚巖等軟巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的軟化作用，導(dǎo)致巖體的自承載能力減弱甚至喪失。周翠英等(2015)針對(duì)紅層軟巖的變形破壞特征，結(jié)合巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)顯微觀察試驗(yàn)進(jìn)一步研究分析，發(fā)現(xiàn)水對(duì)紅層軟巖的軟化作用主要體現(xiàn)為黏土礦物的內(nèi)摩擦角和黏聚力減小以及黏土礦物與骨架顆粒間的接觸應(yīng)力降低，造成巖石結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度降低(周翠英等，2020)。周陽(yáng)等(2020)針對(duì)四川省阿壩藏族自治州理縣某處崩塌的綠泥石千枚巖，研究了浸泡時(shí)間和片理面對(duì)其力學(xué)性質(zhì)和破壞模式的影響，并分析了千枚巖的軟化機(jī)理。目前研究主要是針對(duì)巖石遇水后力學(xué)性質(zhì)和礦物成分的變化，較少針對(duì)軟巖變形的微觀機(jī)理與滲水隧道的宏觀變形行為之間的關(guān)系開展系統(tǒng)深入研究。

本文以成蘭鐵路楊家坪隧道為工程依托，通過(guò)工程地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量測(cè)、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和微觀分析等手段，系統(tǒng)探索了楊家坪隧道開挖過(guò)程中圍巖大變形的影響因素和成因機(jī)制，以期為類似地質(zhì)條件的隧道線路規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 隧道工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

楊家坪隧道是成蘭鐵路的控制性隧道之一，位于茂縣車站和羊記溝大橋之間，山脈總體呈NE走向，沿線地形起伏較大，地勢(shì)普遍陡峻，部分地段為懸崖峭壁，地面高程處于1275～2237m，總體地勢(shì)南高北低，是典型剝蝕構(gòu)造，中、高山地貌(宋章等，2015)。楊家坪隧道縱斷面圖如圖1所示，隧道全長(zhǎng)12815m，最大埋深745m，位于DK121+860附近。隧址區(qū)進(jìn)口位置DK111+220到DK112+720為雙洞單線分修隧道(1500m)，DK112+720至DK123+845為單洞雙線合修隧道(11125m)，DK123+845至隧址區(qū)出口位置DK124+035為三線車站大跨度隧道(190m)，3段均為單面上坡，且其坡度依次為17.8‰、10.3‰、1‰。

圖1 楊家坪隧道縱斷面圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

楊家坪隧道處于龍門山后山斷裂帶與龍門山主中央斷裂帶之間，屬于板塊邊緣構(gòu)造帶，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地震活動(dòng)較為頻繁，主要發(fā)育楊家坪背斜和楊家坪向斜，隧道前段約10km的線路與千佛山斜向逆沖斷裂基本平行(圖2)。受斷裂帶及褶曲構(gòu)造影響，隧址區(qū)巖層小褶曲和節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。

圖2 楊家坪隧道地質(zhì)平面圖(廖雄，2018)

1.3 地層巖性

隧址區(qū)穿越的地層以志留系中上統(tǒng)茂縣群的綠泥石千枚巖和絹云母千枚巖為主，夾雜有炭質(zhì)千枚巖、石英脈、泥質(zhì)灰?guī)r等，其巖質(zhì)較軟，呈千枚狀構(gòu)造，綠泥石化程度高，層間組合差。隧道1號(hào)橫洞掌子面開挖揭示巖層傾角(N75°E/85°NW)近于直立，呈高陡傾薄層狀(圖3a)。

圖3 隧址區(qū)千枚巖地層與邊墻風(fēng)化對(duì)比

綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)果，楊家坪隧道的巖層傾角一般為65°～85°，局部受層間扭曲影響可低至50°，石英脈發(fā)育，呈線狀、局部呈塊狀分布于層間或斜穿巖層，加之隧址區(qū)初始地應(yīng)力值極高，開挖后巖體節(jié)理化明顯、多呈破碎狀、薄層狀和陡傾狀(圖3b)，同時(shí)暴露于空氣中也加速了巖體迅速風(fēng)化，為圍巖大變形提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.4 地下水

楊家坪隧址區(qū)地下水總體并不發(fā)育，主要是基巖裂隙水和地表水?；鶐r裂隙水主要由大氣降水入滲補(bǔ)給，松散堆積層孔隙水、地表溝谷側(cè)向徑流補(bǔ)給。地表水以土門河為主，多條溪溝等山澗支流經(jīng)湔江流入岷江。隧址區(qū)最大涌水量為8234m3·d-1，大致位于DK116+220～DK118+900之間(劉仁陽(yáng)，2016)。隧道施工過(guò)程中，DK123+380～DK123+670、DK123+840～DK123+920等附近發(fā)生了嚴(yán)重的突涌水事故，大量的巖體物質(zhì)隨涌水流出形成空腔，被迫停止施工，封閉掌子面，對(duì)空腔進(jìn)行回填和注漿加固。受突涌水影響，隧址區(qū)周邊巖體遇水軟化后圍巖應(yīng)力發(fā)生了調(diào)整，導(dǎo)致圍巖變形量逐漸增大，外側(cè)洞室邊墻向內(nèi)側(cè)擠壓產(chǎn)生了中等大變形，嚴(yán)重阻滯施工進(jìn)度，并大幅度增加了工程造價(jià)。

2 隧道大變形現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)情況

2.1 隧道大變形現(xiàn)象

楊家坪隧道施工過(guò)程中發(fā)生大變形的頻率極高，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，僅3號(hào)橫洞的支護(hù)變形率就高達(dá)70.5%(劉仁陽(yáng)，2016)，包括初期支護(hù)變形侵限(鋼架扭曲變形)、噴射混凝土嚴(yán)重開裂、隧道內(nèi)坍塌和邊墻擠壓變形等，如圖4所示。拱頂沉降變形量在112～192mm，兩側(cè)邊墻變形量一般為250～476mm，最大變形量可達(dá)1052mm(羅寧寧，2017)。

圖4 楊家坪隧道掘進(jìn)過(guò)程中的破壞現(xiàn)象

2.2 隧道監(jiān)測(cè)及變形規(guī)律

楊家坪隧道掌子面開挖揭示千枚巖地層具有高陡傾薄層狀特征，石英脈和節(jié)理發(fā)育，施工過(guò)程中圍巖變形開裂十分嚴(yán)重。為了揭示隧址區(qū)圍巖大變形規(guī)律，選取小里程方向DK117+038段作為大變形試驗(yàn)段。試驗(yàn)段采用三臺(tái)階法鉆爆開挖，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用非接觸測(cè)量方法進(jìn)行布置(羅寧寧，2017)，每環(huán)設(shè)置8個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5)，上、中、下臺(tái)階每側(cè)各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(M1～M6)，拱頂下測(cè)和仰拱上測(cè)各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(M7、M8)。試驗(yàn)段洞周收斂曲線如圖5所示，掌子面開挖后，拱頂M7沉降量迅速增加，當(dāng)開挖后35d左右，拱頂沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降變形量約為140mm。當(dāng)上臺(tái)階開挖施工后，兩側(cè)邊墻向內(nèi)收斂變形較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1最大變形量約為211mm(開挖后30d左右)。同理，當(dāng)中、下臺(tái)階開挖施工后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)M2、M3最大變形量約為230mm、178mm。對(duì)比分析可知，左側(cè)邊墻M1、M2、M3收斂變形量分別為拱頂M7沉降量的1.51、1.64、1.27倍，結(jié)合隧址區(qū)地應(yīng)力測(cè)試及初始地應(yīng)力反演分析結(jié)果，水平構(gòu)造應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，隧道開挖后水平壓力明顯大于豎向壓力，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)隧道兩側(cè)邊墻支護(hù)。在試驗(yàn)段仰拱開挖5d后進(jìn)行鎖腳錨桿和注漿加固，監(jiān)測(cè)點(diǎn)M2和拱頂M7處的變形量迅速趨于穩(wěn)定。

圖5 試驗(yàn)段洞周收斂曲線圖

3 楊家坪隧道大變形機(jī)理研究

楊家坪隧道大變形的機(jī)理可歸因于多種影響因素，其中地質(zhì)力學(xué)條件被認(rèn)為是引起隧道圍巖大變形災(zāi)害的根本原因。本文通過(guò)工程地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和微觀分析等手段，系統(tǒng)研究了楊家坪隧道圍巖大變形的主要影響因素和孕育機(jī)理。

3.1 千枚巖水理性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)

千枚巖的水理性質(zhì)與其礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過(guò)X射線衍射(XRD)對(duì)千枚巖試件進(jìn)行礦物成分檢測(cè)分析，其礦物組成及含量如圖6所示：綠泥石含量為40%～45%；伊利石含量為45%～56%；石英含量為4%～10%。楊家坪隧道千枚巖雖然不含具有強(qiáng)膨脹性的蒙脫石礦物，但存在大量的伊利石礦物。為了進(jìn)一步確定其膨脹性對(duì)楊家坪隧道圍巖大變形的影響，還對(duì)千枚巖進(jìn)行了膨脹性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示綠泥石千枚巖、絹云母千枚巖的平均自由膨脹率分別為8.5%、8.1%，低于何滿潮等(1999)提出的膨脹性軟巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的弱膨脹性軟巖界限(自由膨脹率<10%)，表明隧址區(qū)的千枚巖不屬于膨脹巖，即千枚巖中黏土礦物的膨脹作用不是造成大變形的主要原因。

圖6 試樣礦物組成及含量

由于綠泥石和伊利石等黏土礦物親水性較強(qiáng)，飽水狀態(tài)下千枚巖顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)逐漸溶解和破壞，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)趨于松散且裂隙增多(黃宏偉等，2007；周陽(yáng)等，2020)。同時(shí)，水分子被吸附在礦物顆粒的表面，形成水分子極化層，持續(xù)吸水將導(dǎo)致礦物顆粒體積膨脹(Zhu et al.，1996)。由于體積膨脹是不均勻的，不同的膨脹力出現(xiàn)在伊利石和綠泥石等礦物顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻變形和裂縫，進(jìn)一步增大了水與礦物顆粒之間的接觸面積，加速了膠結(jié)物質(zhì)的溶解。因此，千枚巖遇水后大致經(jīng)歷了黏土礦物吸水、孔隙充填、非均勻變形和膠結(jié)物質(zhì)溶解等4個(gè)階段，這些微結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了千枚巖力學(xué)特性的損傷劣化(周陽(yáng)等，2020)。此外，楊家坪隧道在開挖過(guò)程中，由于圍巖應(yīng)力重分布和千枚巖特殊力學(xué)性質(zhì)的影響，導(dǎo)致巖體裂縫的數(shù)量不斷增加，且孔徑逐漸增大。地下水沿著巖石裂縫不斷滲透到巖體中，水與千枚巖的接觸面積逐漸增大，進(jìn)一步加速了千枚巖和水的相互作用。上述過(guò)程循環(huán)往復(fù)，最終導(dǎo)致楊家坪隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生大變形甚至坍塌。

3.2 不同浸泡時(shí)間的巖石力學(xué)特性

楊家坪隧道千枚巖地層的變形破壞實(shí)際上是受應(yīng)力、水等多種影響因素綜合作用的結(jié)果。為了研究千枚巖遇水后的強(qiáng)度和變形規(guī)律，在楊家坪隧道掌子面或臺(tái)階處選取代表性巖塊進(jìn)行采樣。根據(jù)工程巖體實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266—2013)，采用鉆、切、磨的工序，加工成高徑比2︰1的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，其誤差不超過(guò)±0.3mm，端面平行度小于±0.02mm。同時(shí)，根據(jù)千枚巖試件的密度和縱波波速嚴(yán)格選樣，剔除離散性較大的巖石試件。實(shí)驗(yàn)主要研究千枚巖試件在不同浸泡時(shí)間下的縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，將千枚巖試件隨機(jī)分為6組，每組3個(gè)巖石試件，設(shè)置的浸泡時(shí)間分別為：0d、2d、7d、14d、21d、28d。通過(guò)RSM-SY6 聲波儀測(cè)量巖石試件浸泡前后的縱波波速。隨后在RMT-150C型電液伺服控制剛性壓力機(jī)上對(duì)千枚巖試件開展單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)，采用荷載控制方式，以0.5MPa·s-1的速度加載直至試件破壞，各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，計(jì)算得到不同浸泡時(shí)間下的巖石單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同浸泡時(shí)間下的千枚巖力學(xué)參數(shù)

由圖7可知，千枚巖試件的縱波波速隨浸泡時(shí)間的增加呈現(xiàn)出一定幅度的衰減。當(dāng)浸泡0～7d 時(shí)，縱波波速的衰減比較劇烈，主要是千枚巖的裂隙率急劇增大；當(dāng)浸泡7～28d 時(shí)，縱波波速變化較小?？v波波速值在一定程度上可以從宏觀角度反映千枚巖結(jié)構(gòu)的完整性，相比于自然狀態(tài)的千枚巖試件，浸泡后縱波速降低了2.04%～5.85%。

圖7 縱波波速隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律

千枚巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與浸泡時(shí)間均呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，如圖8所示。隨著浸泡時(shí)間的增加，千枚巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，說(shuō)明在一定飽水條件下千枚巖的強(qiáng)度和抵抗變形的能力會(huì)逐漸降低。在最開始的7d中，千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量迅速下降；當(dāng)浸泡時(shí)間持續(xù)21d左右，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)浸泡時(shí)間持續(xù)28d后，巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與天然狀態(tài)相比降低了59.56%和69.68%，說(shuō)明水巖作用在一定程度上導(dǎo)致千枚巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損傷劣化。千枚巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和浸泡時(shí)間之間的擬合關(guān)系如式(1)所示：

圖8 單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律

{σc=15.55+20.11e-0.20t

E=3.19+6.25e-0.18t

(1)

式中：σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；E為巖石彈性模量(GPa)；t為浸泡時(shí)間(d)。

楊家坪隧道掌子面開挖過(guò)程發(fā)生了大量的輕微和中等大變形，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察顯示與水密切相關(guān)。以DK123+829～DK123+845為例，該段含水量豐富，隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，使得巖體中的結(jié)構(gòu)面逐漸張開滑移，地下水沿著巖體的張開裂隙入滲，其軟化作用進(jìn)一步降低了千枚巖強(qiáng)度和抵抗變形的能力，最終導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生中等大變形。楊家坪隧道軟巖段在遇水后表現(xiàn)為邊墻內(nèi)鼓大變形和拱頂下沉導(dǎo)致鋼架扭曲、混凝土開裂及剝落等現(xiàn)象(圖4)，屬于高應(yīng)力強(qiáng)度比引起的塑性流動(dòng)機(jī)制。此外，需要指出的是，為達(dá)到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，巖石試件都是從完整性較好和強(qiáng)度較高的千枚巖地層中采集加工的。然而，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察可知，隧址區(qū)部分巖體實(shí)際上是破碎的，呈陡傾狀、薄層狀、節(jié)理化。楊家坪隧道開挖揭露巖體的力學(xué)參數(shù)，受其損傷劣化的影響，比表1中的結(jié)果會(huì)更顯著。這也是楊家坪隧道在連續(xù)的雨天或者潮濕環(huán)境下產(chǎn)生中等甚至強(qiáng)烈變形的重要原因之一。

3.3 地應(yīng)力測(cè)試及特征分析

為評(píng)價(jià)楊家坪隧道地應(yīng)力特征，在1號(hào)橫洞工區(qū)YD2K112+020處進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試(宋章等，2015)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。在地應(yīng)力測(cè)量深度范圍內(nèi)，區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹32°～61°E，與隧道軸線方向(N70°E)大致呈小角度相交。鉆孔埋深349.8m處的最大水平主應(yīng)力值為23.37MPa，三向主應(yīng)力值的關(guān)系為SH>Sh>Sv，且最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值為1.71～2.48，說(shuō)明鉆孔附近的應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力為主。楊家坪隧道掌子面開挖后，其邊墻部位的圍巖發(fā)生了較為嚴(yán)重的擠壓變形破壞。上述結(jié)果在大變形試驗(yàn)段DK117+038左側(cè)邊墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)M2和拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)M7的位移變形量監(jiān)測(cè)中也得到了驗(yàn)證(圖5)。

表2 楊家坪隧道垂直鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)楊家坪隧道縱斷面圖(圖1)和地質(zhì)平面圖(圖2)，根據(jù)周航等(2020)采用的方法建立了楊家坪隧道地質(zhì)力學(xué)模型并進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析，圖9為楊家坪隧道軸線方向最大水平主應(yīng)力云圖。

圖9 楊家坪隧道軸線方向最大水平主應(yīng)力云圖

在千佛山逆沖斷層破裂帶附近，各向主應(yīng)力量值均明顯降低，可見(jiàn)隧址區(qū)地應(yīng)力分布特征受構(gòu)造作用和地形影響較大。由于隧址區(qū)地表巖層風(fēng)化及河谷下切的改造作用，斜坡淺表層處的應(yīng)力值較低，存在部分應(yīng)力釋放，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而在斜坡深部，應(yīng)力值隨埋深的增大而逐漸增大。根據(jù)YD2K112+020處鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和三維地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果對(duì)比可知(圖10)，地應(yīng)力模擬值與實(shí)測(cè)值結(jié)果基本吻合，最大水平主應(yīng)力SH、最小水平主應(yīng)力Sh和垂直主應(yīng)力Sv的鉆孔實(shí)測(cè)值和模擬值均隨埋深的增大而逐漸增大，且三向主應(yīng)力值的關(guān)系大致為SH>Sh>Sv，三者平均相對(duì)誤差分別為6.63%、10.21%和6.59%。

圖10 楊家坪隧道實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)圖11隧道軸線方向的主應(yīng)力值變化規(guī)律可知，隧道沿線最大水平主應(yīng)力SH為8.9～32.6MPa，最小水平主應(yīng)力Sh為5.3～19.1MPa，垂直主應(yīng)力Sv為6.3～21.6MPa。從量值變化和三向主應(yīng)力關(guān)系可知，隧址區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)類型主要為SH>Sh>Sv，局部出現(xiàn)SH>Sv>Sh，最大水平主應(yīng)力SH普遍處于較高水平。結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和隧址區(qū)的地質(zhì)資料可知，千枚巖試件的飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般為6.65～27.07MPa，鉆孔附近最大水平主應(yīng)力為23.37MPa。根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10003—2016)中的初始地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估基準(zhǔn)，鉆孔處的σc/σmax=0.28～1.16<4。考慮到該鉆孔的最大埋深(350.6m)雖然不大，但由于構(gòu)造應(yīng)力值較高、巖石強(qiáng)度低，該鉆孔附近被認(rèn)為處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)分析楊家坪隧道軸線方向的最大水平主應(yīng)力值和巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度可知，隧道軸線92.08%的區(qū)域都處于高到極高地應(yīng)力狀態(tài)，為圍巖大變形提供了外部環(huán)境條件。

圖11 楊家坪隧道軸線方向主應(yīng)力值

楊家坪隧道隧址區(qū)穿越千佛山逆沖斷層破裂帶、石板溝斷層等，加上該鐵路線路設(shè)計(jì)和修建方式的差異，導(dǎo)致隧道走向不一致。如圖12所示，楊家坪隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向之間的夾角為26°～65°，尤其DK117+500～DK119+00里程段夾角較大，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定。建議綜合實(shí)測(cè)結(jié)果和隧址區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果，強(qiáng)化對(duì)該區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，以最大程度地降低地應(yīng)力場(chǎng)(地應(yīng)力大小和方向)對(duì)隧道工程的不利影響。

圖12 隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向夾角

3.4 隧址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征

巖體的變形破壞與應(yīng)力值、巖石強(qiáng)度及巖體結(jié)構(gòu)等有著密切的關(guān)系(Rahimi et al.，2015；高永濤等，2020)。楊家坪隧道進(jìn)口至4號(hào)橫洞之間的巖層產(chǎn)狀與線路夾角基本上均小于20°，多為順層結(jié)構(gòu)，掌子面開挖揭示巖層傾角近于直立，呈薄層狀和陡傾狀(圖3a)，洞室邊墻在高地應(yīng)力和重力作用下易使巖層發(fā)生彎曲或傾倒變形(圖13a)，該段發(fā)生大量輕微和中等大變形，說(shuō)明楊家坪隧道圍巖變形破壞明顯受巖層產(chǎn)狀影響。而當(dāng)洞室圍巖為水平層狀巖體，拱頂和仰拱處容易產(chǎn)生彎曲變形破壞，如圖13b所示。

圖13 圍巖彎曲變形

受千佛山斜沖斷裂帶等構(gòu)造作用影響強(qiáng)烈的里程段，形成大量的擠壓破碎帶、巖體裂隙及節(jié)理面，其相互切割和組合易在洞室圍巖中形成潛在的楔體。實(shí)際上，地應(yīng)力對(duì)楊家坪隧道圍巖大變形的影響主要表現(xiàn)為應(yīng)力差。當(dāng)隧道開挖后，洞室圍巖的應(yīng)力差逐漸增大，徑向應(yīng)力減小而切向應(yīng)力增大，潛在的楔體結(jié)構(gòu)面逐漸張開或滑移。在長(zhǎng)時(shí)間的擠壓作用下，洞室臨空面(邊墻、拱頂及仰拱等)產(chǎn)生破壞，并逐漸向圍巖深處延伸。與花崗巖、閃長(zhǎng)巖等高強(qiáng)度的巖體相比，千枚巖等低強(qiáng)度的巖體更容易擠壓變形和彎曲折斷。因此，高陡傾薄層狀千枚巖地層的工程力學(xué)特性是楊家坪隧道發(fā)生大變形的重要因素。

3.5 線路設(shè)計(jì)、施工工藝及支護(hù)結(jié)構(gòu)

在線路設(shè)計(jì)方面，以楊家坪隧道1號(hào)橫洞工區(qū)YD2K111+700～YD2K112+100為例，其屬于典型小間距隧道。通過(guò)建立二維隧道開挖模型，模型尺寸100m×100m，陡傾結(jié)構(gòu)面傾角90°，間距0.5m。模型底部采用固定約束，兩側(cè)和頂部分別為應(yīng)力邊界。綜合地應(yīng)力測(cè)試和初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果，水平向的應(yīng)力邊界設(shè)為28MPa，豎向應(yīng)力邊界為15MPa。綠泥石千枚巖地層的力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和區(qū)域地質(zhì)資料綜合取值，巖體的力學(xué)參數(shù)分別為：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為16.86MPa、彈性模量為1.83GPa、泊松比為0.25。

隧道掌子面開挖前先進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算，再進(jìn)行隧道開挖模擬，基于莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，研究了隧道施工工序?qū)ζ涞挠绊?，分別進(jìn)行了雙線同時(shí)開挖以及先右線后左線開挖的對(duì)比分析。楊家坪隧道開挖后塑性區(qū)云圖及應(yīng)力變化如圖14所示，對(duì)比分析兩種情況下的最大水平主應(yīng)力變化規(guī)律，當(dāng)左線隧道開挖后，會(huì)使支護(hù)后的右線隧道產(chǎn)生應(yīng)力重分布，出現(xiàn)塑性區(qū)甚至松動(dòng)區(qū)，導(dǎo)致右線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)遭受擠壓變形破壞，不利于隧道施工安全。

圖14 楊家坪隧道開挖最大水平主應(yīng)力云圖及應(yīng)力變化

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，大變形試驗(yàn)段采用三臺(tái)階法鉆爆開挖。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、收斂曲線圖等(圖5)可知，每開挖一級(jí)臺(tái)階，變形量可能就會(huì)增加并突變一次。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，并結(jié)合前人相關(guān)研究成果，主要和以下3個(gè)因素有關(guān)：(1)鋼架的連接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；(2)下部斷面開挖落底長(zhǎng)度過(guò)大；(3)鎖腳錨桿的施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，邊墻最大變形量約為230mm，說(shuō)明初期支護(hù)不足以抵抗圍巖應(yīng)力重分布后的壓力，主要是因?yàn)樗碇穮^(qū)千枚巖具有高陡傾薄層狀典型特征，巖石強(qiáng)度低，拱頂承受的自重應(yīng)力和邊墻兩側(cè)的水平構(gòu)造應(yīng)力均較大。而原支護(hù)參數(shù)為全環(huán)118型鋼架，C30的厚25cm噴射混凝土，6m長(zhǎng)砂漿錨桿不足以支撐拱頂自重應(yīng)力和邊墻兩側(cè)構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致鋼架產(chǎn)生了壓彎、扭曲。上述支護(hù)參數(shù)偏弱，隨后在試驗(yàn)段增加鎖腳錨桿并在邊墻小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，其抵抗變形的效果較好(羅寧寧，2017)。在后續(xù)輕微大變形段落中，將118型鋼架調(diào)整為120b型鋼架較好地滿足了變形量控制要求。

楊家坪隧道在施工過(guò)程中，DK116+220～DK118+900、DK123+380～DK123+670、DK123+840～DK123+920等里程段發(fā)生了較嚴(yán)重的突涌水事故。以DK123+655為例，先采用砂袋和噴射50cm厚的C25混凝土進(jìn)行封閉掌子面，對(duì)溜坍體進(jìn)行注漿加固，同時(shí)上臺(tái)階設(shè)置排水管；在確保掌子面穩(wěn)定后，開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)補(bǔ)充勘察工作，通過(guò)超前鉆孔、TSP物探、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和紅外線探測(cè)查明前方圍巖情況、水石流的空腔范圍；最后，選擇帷幕注漿堵水。該方法在楊家坪隧道水石流治理取得良好的效果，能夠確保隧道富水里程段的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工安全。

綜上所述，隧址區(qū)初始地應(yīng)力值極高，圍巖所承受的應(yīng)力極大，加之千枚巖高陡傾薄層狀的特殊力學(xué)性質(zhì)和地下水的影響，這些因素導(dǎo)致楊家坪隧道千枚巖地層在開挖后較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生風(fēng)化、軟化，呈陡傾狀、薄層狀、節(jié)理化和破碎狀，圍巖的強(qiáng)度和變形抵抗力大幅下降。同時(shí)，由于隧道線路設(shè)計(jì)、施工工藝及支護(hù)結(jié)構(gòu)不當(dāng)，容易進(jìn)一步加劇洞室擠壓變形。上述因素相互作用和影響，使得千枚巖地層的圍巖穩(wěn)定性很差，極易發(fā)生隧道大變形，嚴(yán)重影響隧道施工安全、質(zhì)量與進(jìn)度。

4 結(jié) 論

(1)水巖作用對(duì)千枚巖的力學(xué)特性有明顯的劣化效應(yīng)，使得巖體強(qiáng)度和變形抵抗力下降。隨著浸泡時(shí)間的增加，巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，呈負(fù)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)浸泡時(shí)間持續(xù)28d后，其單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與天然狀態(tài)相比分別降低了59.56%和69.68%，浸泡過(guò)程中千枚巖試件的縱波波速衰減了2.04%～5.85%。礦物成分檢測(cè)結(jié)果揭示了滲水后隧道巖體強(qiáng)度和變形抵抗力下降的微觀原因。

(2)楊家坪隧道圍巖變形破壞明顯受巖體產(chǎn)出狀態(tài)的制約，巖層傾角(N75°E/85°NW)近于直立，呈高陡傾狀和薄層狀，加之高地應(yīng)力環(huán)境的影響，開挖后巖體暴露于空氣中迅速風(fēng)化，呈節(jié)理化、破碎狀、薄層狀，為圍巖大變形提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(3)地應(yīng)力測(cè)試和初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果表明，楊家坪隧道軸線與最大水平主應(yīng)力SH方向的夾角為26°～65°，地應(yīng)力類型主要為SH>Sh>Sv，最大水平主應(yīng)力SH為8.9～32.6MPa，最小水平主應(yīng)力Sh為5.3～19.1MPa，垂直主應(yīng)力Sv為6.3～21.6MPa。隧道沿線92.08%的區(qū)域都處于高到極高地應(yīng)力狀態(tài)，具備了圍巖大變形的外部環(huán)境條件。

(4)通過(guò)工程地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和微觀分析等相結(jié)合，楊家坪隧道圍巖大變形有3個(gè)主要原因：隧道開挖面臨的高地應(yīng)力環(huán)境和高陡傾薄層狀千枚巖地層的工程力學(xué)特性；水和千枚巖的相互耦合作用；不合理的線路設(shè)計(jì)、施工工藝及支護(hù)結(jié)構(gòu)。