深埋隧道層狀圍巖力學特性及變形防控研究

李明宇

(廣西交建工程建設集團有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

近二十年來,我國西部地區(qū)鐵路、高速公路以及隧道等運輸類基礎建設量呈指數(shù)級升高,但是鑒于西部地區(qū)存在較為深大的斷裂構陷地帶,在運輸類基礎建設工程中必須要對施工區(qū)域的地質條件進行實地考察與研究,這對施工建設和路線選擇均有較大的影響和局限[1]。當前深埋隧道在施工過程中的主要難點是層狀圍巖變形所導致的韌性變形和剛性破裂災害,由于開鑿隧道過程中需要使用大量的炸藥進行爆破作業(yè),這也勢必會破壞層狀圍巖的原有應力結構的分布特征,致使發(fā)生變形或破裂等危害,輕則導致工期延遲,重則無法保證一線人員的作業(yè)安全。本文基于上述背景,以深埋隧道施工中層狀圍巖力學性質為主要研究對象,提出了硬巖在高應力條件下所可能發(fā)生的變形或破裂現(xiàn)象,以四川某深埋隧道工程為實例,結合施工現(xiàn)場的實際地質情況,著重對層狀巖石中的頁巖進行抗壓強度試驗,在得出其隧道工程變形情況的基礎上,有針對性地規(guī)劃其施工支護基本理念,以期為復雜地質條件下的深埋隧道施工提供理論與經(jīng)驗借鑒。

1 隧道工程概況

1.1 工程概況

該隧道工程位于成渝客專高速鐵路雙線隧道,全長約8.5 km,為單洞雙線型隧道,設計行車時速為250 km/h,最大運營時速為350 km/h,是四川省最長的高鐵雙線隧道[2]。整個隧道橫截面積為152 m2,為了確保在列車高速運行中不受到氣流的顯著影響,該隧道進出口分別設計了5個氣流緩沖井,以便高速氣流從緩沖井中排出。洞內線路坡度為單面上坡,采用主洞以及輔助坑道模式展開施工作業(yè),該隧道工程由于開挖面積大、安全風險高,層狀巖石的變形及破裂是其施工的重點問題。目前該隧道正在按規(guī)定計劃有序進行施工,左右兩洞已經(jīng)分別挖至1 900 m以上,已經(jīng)完成了開挖總長度的80%。

1.2 地質條件

該隧道工程橫貫龍泉山山脈,位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中,以龍泉山褶皺帶為主要構造體系,其間分布了一系列NE向的褶皺、沖壓斷層等剪力壓性褶皺結構面,由于發(fā)育的多個褶皺及斷層,導致施工地點小規(guī)模斷層與節(jié)理群發(fā)育,并多為風化卸荷裂隙。根據(jù)收集鉆孔資料發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地層巖性組成主要為:(1)第四系全新統(tǒng)粉質黏土;(2)白堊系上白堊統(tǒng)構造角礫變質破碎巖;(3)侏羅系泥質夾砂巖。從鉆孔中的樣品來看,巖芯樣較為破碎且質地較軟,極易風化剝落,可以見得其巖層受構造運動影響較強[3]。值得一提的是,在該隧道工程的進出口處,其邊坡主要為泥質,局部有較為顯著的淺表滑落層,對基坑和邊坡的穩(wěn)定性造成一定影響。隧道內層狀巖石的產(chǎn)狀較為平緩,部分巖石節(jié)理分布面較大,并具一定的透水性,這可能導致隧道邊墻受到四周巖體應力而發(fā)生擠壓變形。

1.3 層狀圍巖變形破壞模式

(1)邊坡失穩(wěn)。該隧道工程的進出口處上部仰坡處巖石質地較軟,并且已經(jīng)有部分出現(xiàn)淺表滑落層,易發(fā)生上部巖石大面積滑落或崩塌現(xiàn)象。

(2)經(jīng)過對隧道整體的水文地質調查,發(fā)現(xiàn)該隧道中部發(fā)育有一段富水斷層,巖石受到一定的破裂及損害,極易造成滲水甚至突泥事件發(fā)生。

(3)受到區(qū)域地質構造活動的影響,隧道內部巖層產(chǎn)狀整體雖較為平緩,但局部地帶巖層產(chǎn)狀扭曲變化強烈,在隧道部分地區(qū)形成了多級次的褶曲斷裂群系,甚至發(fā)生巖層倒轉等現(xiàn)象,有隧道塌方風險。

2 層狀巖石力學性質研究

2.1 試樣制備流程

本次試驗主要對該隧道工程中的頁巖試樣進行試驗定性分析,由于該地區(qū)特殊的水文地質特征,因此對干燥與飽水狀態(tài)下的頁巖試樣分別進行了單軸與三軸試驗,進而確定了區(qū)域水質條件對頁巖所產(chǎn)生的力學影響[4]。為了進一步分析力學的各向異性對頁巖試樣的形態(tài)影響,還對頁巖試樣進行了不同傾角與圍壓狀態(tài)下的單軸、三軸壓縮試驗,探討了頁巖在不同圍壓和層理傾角下的應力變形特征。在現(xiàn)場取樣過程中,盡量確保對巖層母巖進行尺寸完整、傾角一致、鉆孔角度等要素的科學調整,進而得到各向異性的頁巖試樣。各向異性試樣的加工按照國內有關標準,統(tǒng)一加工成50 mm×100 mm的標準圓柱體試樣,以便進行蠕變和單軸、三軸強度試驗。

2.2 試樣微觀掃描各向異性結果

通過對層狀頁巖試樣的微觀掃描,發(fā)現(xiàn)其在不同層理破壞角度下所產(chǎn)生的力學性質有較大差異。通過在平行層理方向、垂直層理方向以及斜交層理方向觀察,發(fā)現(xiàn)頁巖試樣的鏡下微觀特征差異性較為顯著,致使其在巖石力學的宏觀層面上亦表現(xiàn)出一定差異。在平行層理方向常見段塊狀斷裂口且形態(tài)不規(guī)則,大小不一致,部分斷塊邊緣附著少量的碎屑結晶物質,局部可見層面上的微小斷裂孔隙;在垂直層理方向多數(shù)為較顯著的層理結構面,條塊狀端口較為清晰顯著,大小形狀較為均一;在斜交層理方向多為條塊狀斷口與斷塊,其邊緣部分在500倍視鏡下可見微小的碎屑物質顆粒附著其上,并分布有零星的界面孔隙。微觀下平行、垂直、斜交方向上頁巖應力變化特征見圖1。

圖1 微觀下平行、垂直、斜交方向上頁巖應力變化特征示例圖

2.3 頁巖抗壓強度試驗

2.3.1 試驗方案

層狀頁巖試樣是經(jīng)過標準打磨后的50 mm×100 mm圓柱體,設計鉆孔軸線與頁巖層理面夾角分別為0°、30°、60°、90°,利用游標卡尺以及電子秤對頁巖試樣的直徑、高度等一般參數(shù)進行測量,進而得到頁巖在自然條件下的正常密度數(shù)值,利用聲波測試技術進行數(shù)據(jù)的獲取與記錄,根據(jù)這些測試結果對頁巖試樣進行科學篩選,篩選后即可進行10 MPa、20 MPa、40 MPa不同圍壓條件下的單軸與三軸檢測試驗。三軸試驗采用控制荷載速率的方式進行加載,以10 bar/min的速率施加圍壓至設定值,并使圍壓始終保持不變。在圍壓穩(wěn)定后,再對軸壓進行加載,加載速率為10 bar/min,直至試件完全破壞。

2.3.2 單軸壓縮試驗結果分析

通過對頁巖試樣進行不同層理傾角條件下的圍巖應力試驗研究,可以得出頁巖單軸壓縮過程可分為以下步驟:隨著試驗應力的加大,頁巖逐漸進入壓實緊密階段,在此期間,頁巖內部的原生裂紋伴隨著壓應力增大而出現(xiàn)緩慢的閉合現(xiàn)象,此時應力類型為原生頁巖裂紋的閉合應力;當壓實緊密階段基本結束后便進入塑性—彈性變形階段,此時試驗中偏壓應力的不斷加強,會使頁巖內部產(chǎn)生新的破裂現(xiàn)象,并進入到破裂大面積形成和擴展階段。但值得注意的是,當破裂紋到達一定程度時,頁巖試樣便開始擴容屈服,當繼續(xù)加大試驗應力時,頁巖試樣即發(fā)生貫通破裂,即為頁巖試樣的最大強度值,所對應的試驗應力亦到達峰值。當頁巖試樣發(fā)生損壞后,其內部的壓應力發(fā)生了快速回落,但并沒有降至0,而是逐漸穩(wěn)定在了某一數(shù)值上,此類強度即為頁巖試樣的殘余強度。值得一提的是,頁巖試樣在受到試驗壓應力的持續(xù)加強下,基本沒有展現(xiàn)出很強的延展性,基本發(fā)生于突然的脆性斷裂破壞。單軸壓縮頁巖試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計表見表1。

表1 單軸壓縮頁巖試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

本次進行單軸試驗所選取的頁巖試驗層理傾角分別為0°、30°、60°、90°,而其對應的單軸抗壓強度分別為28.94 MPa、49.77 MPa、49.87 MPa、147.99 MPa,存在著十分顯著的各向異性特征,當頁巖試樣為90°時,其試驗所得到的應變量和抗壓強度均處于較高水平,造成此現(xiàn)象的原因主要有:(1)由于本次用于單軸試驗的頁巖試樣數(shù)量較少,可能在統(tǒng)計學角度上其離散性所導致的強度差異,因此對于后期三軸試驗中應對頁巖試樣的各向異性進行詳細說明;(2)在對頁巖試樣進行不同層理角度的電鏡微掃描過程中,其層理在水平、垂直、斜交傾角下的微觀差異較大,這就影響了頁巖的力學變化形式。因此,在隧道施工中遇到頁巖產(chǎn)狀差異較大時,應考慮施工強度對其不同產(chǎn)狀的具體受力影響。

2.4 三軸壓縮試驗結果分析

2.4.1 相同傾角條件下不同圍壓的強度特征

在相同層理傾角且不同圍巖應力條件下,頁巖試樣先會進入緊密壓實階段,環(huán)向應變力部分出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象和趨勢,而隨著試驗壓應力的持續(xù)增加,頁巖試樣內部的原生裂紋將逐漸被壓實,而后即進入較為穩(wěn)定的塑性—彈性形變中,其頁巖試樣內部的新生破裂紋開始出現(xiàn),當經(jīng)歷彈性變形之后就會出現(xiàn)不可逆的塑性變形,其抗壓強度逐漸上升到最大數(shù)值,應力強度亦達到峰值。從本次試驗可以發(fā)現(xiàn),隧道內的硬質頁巖與傳統(tǒng)軟巖在巖石力學特性的變化上具有較大差異,頁巖的塑性偏低,這就使其在到達一定的應力程度上時發(fā)生突然的破碎斷裂現(xiàn)象,而且偏應力會維持在一個較為穩(wěn)定的數(shù)值上,即頁巖試樣的殘留強度,其數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 相同傾角條件下不同圍壓試驗數(shù)據(jù)簡表

2.4.2 相同圍巖條件下不同傾角的強度特征

為了使數(shù)據(jù)更加具備有效性,本次分別在圍壓為10 MPa、20 MPa兩種情況下進行了頁巖試樣強度比對。在同一圍壓且傾角相同的情況下,當頁巖的層理傾角為90°時顯示出最強的抗壓強度,與單軸抗壓強度試驗所得出的結論一致。從試驗中也可以發(fā)現(xiàn)當頁巖的層理傾角發(fā)生變化時,其抗壓強度亦展現(xiàn)出不同。因此在隧建設施工過程中,一定要考慮硬巖地層的產(chǎn)狀、應力、走向等矢量要素,以避免由于層狀頁巖的各向異性而帶來的施工安全隱患。綜上所述,相同圍巖應力下的不同傾角的頁巖三軸抗壓強度有著顯著不同,而且由于硬質頁巖本身延展性較差,導致其脆性破裂現(xiàn)象十分普遍,因此在頁巖試樣的三軸抗壓試驗中,頁巖多表現(xiàn)為突然破碎,這也使其硬質頁巖的強度離散性較高,但是三軸抗壓強度會隨著層理傾角的變化總體呈現(xiàn)U型變化趨勢,數(shù)據(jù)匯總見表3及下頁圖2。

表3 相同圍壓條件下不同傾角試驗數(shù)據(jù)匯總表

圖2 相同圍壓條件下頁巖三軸抗壓強度隨層理傾角變化曲線圖

3 層狀頁巖巖層變形評估與防控措施

3.1 變形評估

通過硬質頁巖的力學變形特征、抗壓力學試驗分析以及工程地質條件分析[5],可以得到該深埋隧道工程高應力下層狀圍巖變形或破裂的機制類型如下:

(1)結構變形機制分析。該深埋隧道工程穿過龍泉山斷裂帶,斷裂帶節(jié)理和斷層十分發(fā)育,局部見顯著的斷裂破碎構造角礫帶,具備一定的地下水滲透條件。隧道受到地質構造影響較大,推測在區(qū)域結構變形應力下硬質頁巖發(fā)生變形或破碎現(xiàn)象,并且局部有頁巖和板巖相互交錯的變質砂巖層,其間質地較薄,極易引起層狀圍巖的大面積破裂。

(2)遇水軟化機制分析。通過水文地質勘查,隧道施工附近地下水活動較為活躍,存在一定的隧道透水風險。而且通過對頁巖試樣進行飽水和干燥條件下的單軸、三軸壓縮試驗,可以基本確定在飽水條件下硬質頁巖的巖石力學強度顯著下降,因而可以判定其層狀巖石可能遇水并受高應力情況下發(fā)生變形,見下頁表4。

表4 高應力下頁巖變形機制分類簡表

3.2 變形防控方案

(1)隧道出口處超前加固。該隧道口巖體較為破碎,并且已經(jīng)部分出現(xiàn)淺表滑落層,圍巖自穩(wěn)性較差,滲水亦較為嚴重。因此為保證頂臨空面不出現(xiàn)滑坡溜塌,因此建議在開挖線設置超前水平旋噴鋼管樁,管樁之間需要保證10 m左右的縱向間距,并形成殼體結構,以防止拱頂溜塌[6]。

(2)隧道洞內長錨桿支護。依據(jù)實地現(xiàn)場監(jiān)測記錄,需要隧道平導結構面開挖坑道,以降低層狀圍巖變形,并進行洞身的長錨桿超前噴錨支護。

(3)隧道出口處仰拱加深與基底加固。由于該隧道出口處水文地質條件較為復雜,具有一定的滲水風險,而洞口處又多為硬質頁巖,遇水軟化后很難符合原有的荷載設計要求,為確保施工安全與質量,建議采取基底鋼管樁加固,并將仰拱曲率加大,進而確保其隧道出洞口的基礎穩(wěn)定性。

4 結語

本文對我國西部某深埋隧道的層狀圍巖變形及防控措施進行了深入剖析,著重對隧址中的層狀硬質頁巖進行了不同層理傾角方向電鏡下的微觀特征研究以及單軸、三軸抗壓強度等試驗,得出層狀頁巖的各向異性十分顯著,并且在高應力下遇水后的應力敏感度較高。同時,基于檢測試驗數(shù)據(jù),依托實際施工情況,針對性地提出了變形防控方案,以期為復雜地質條件下的深埋隧道施工提供一定的理論價值與實際借鑒。