大獨山隧道崩塌變形分析

鄒 文 龍

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031)

大獨山隧道崩塌變形分析

鄒 文 龍

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司西南分院，四川 成都 610031)

以大獨山隧道為工程背景，對線路D1K859+902.6里程處左右兩側(cè)拱腰處發(fā)生局部崩塌掉塊的情況進行了現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，從地形環(huán)境、地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、人工開挖、氣候條件等因素著手，分析了大獨山隧道產(chǎn)生壓剪崩塌變形的作用過程，并提出了相應(yīng)的處理建議，以確保隧道的施工質(zhì)量。

隧道，地下水，地層結(jié)構(gòu)，壓剪崩塌

1 項目概況

滬昆客專是國家規(guī)劃的“五縱五橫”綜合運輸大通道和“四縱四橫”鐵路客運專線網(wǎng)的重要組成部分，沿線地形地質(zhì)情況復(fù)雜，技術(shù)難點多，施工安全風(fēng)險高。如大獨山隧道，位于關(guān)嶺—普安區(qū)間，為貴州境內(nèi)控制性工程之一，全長11 882 m。2014年7月，施工滬端正洞掌子面上臺階里程為D1K859+896，線路D1K859+902.6里程處左右兩側(cè)拱腰處發(fā)生局部崩塌掉塊，崩塌體高約3 m～4 m，寬1 m～2.5 m，厚度約1 m～2 m，崩塌情況見圖1。

2 崩塌變形區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地貌

場區(qū)地處黔西高原向黔中丘陵過渡地帶，屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕中低山地貌，總體來看，地勢北西高南東低，地面高程一般為1 000 m～1 400 m，坡麓自然斜坡陡峻，坡角25°～50°，個別地段形成陡崖。此外，區(qū)內(nèi)的其余地段溶蝕洼地、漏斗、落水洞等巖溶地貌亦比較常見。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧道D1K859+800～D1K859+950段穿過永寧鎮(zhèn)斷層。該斷層為區(qū)域斷層，斷層在區(qū)域內(nèi)長度約為32 km。斷層走向N27°～45°W，傾向NE，傾角60°～65°，斷層性質(zhì)為逆斷層，局部具有平移跡象。據(jù)區(qū)域資料顯示，該斷層破碎帶約8 m。與隧道軸線相交于D1K859+918處。對隧道影響較大。

受地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育，根據(jù)調(diào)查觀測點統(tǒng)計，主要發(fā)育2組～3組節(jié)理。J1：節(jié)理走向N10°～56°E/41°～70°N；J2：節(jié)理走向N5°～45°W/23°～56°S，發(fā)育間距0.5 m/條～2.0 m/條；J3：節(jié)理走向SN/80°E，發(fā)育間距2.0 m/條。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地表水

地表水可分為兩個水系：D1K860+050以東，通過地表溝谷和地下暗河排入打邦河，然后匯入北盤江。地表水及地下水向河中排泄，加劇了隧道區(qū)地表溶蝕的發(fā)育。隧道中部(D1K859+500～D1K862+000段)右側(cè)2.0 km～2.5 km處有一水庫——石板橋水庫，水庫與隧道之間由永寧鎮(zhèn)斷層相連接。

2.4.2 地下水

本區(qū)地下水類型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水。1)第四系松散層孔隙水。含水巖層為第四系松散土層，主要為坡殘積粘土、含碎石粉質(zhì)粘土、砂、礫石等。砂、礫石層結(jié)構(gòu)松散，含水性好，因厚度薄，地下水量小，對隧道影響較小。2)碳酸鹽巖裂隙溶洞水。含水巖組為永寧鎮(zhèn)組三、四段(T1yn3+4)灰?guī)r夾鹽溶角礫巖，富水性中等～強，巖溶發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象以地表巖溶槽谷和串珠狀分布的溶蝕洼地、落水洞等垂直溶蝕現(xiàn)象為特征，有利于降雨等進行滲入式或注入式補給。在深部則以網(wǎng)絡(luò)狀巖溶裂隙、巖溶管道以及巨大的溶蝕～侵蝕洞穴為主，對隧道的影響大。3)碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙水。賦存于三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、永寧鎮(zhèn)組二段(T1yn3+4)灰?guī)r、泥灰?guī)r組成的含水巖組中，由于受相對隔水層限制，地下水獲得的補給量受到了一定的限制。該含水巖組地下水接受降雨滲入式補給后，往往沿溶蝕裂隙運移，地下水露頭數(shù)量較少，對隧道影響較大。

2.4.3 地下水的補給、徑流、排泄

區(qū)域內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給。地表水也是地下水的補給來源，特別是在可溶巖與非可溶巖接觸帶尤為明顯。由于巖性條件的差異，地下水的徑流方式差別也很大，在厚層灰?guī)r分布區(qū)，巖溶管道發(fā)育，地下水多集中于地下巖溶管道中徑流并以巖溶大泉及暗河的形式排泄于河谷中或沿與非可溶巖的接觸帶排出地表。

2.5 不良地質(zhì)

事故地段地表巖溶形態(tài)主要為巖溶洼地、落水斗、溶溝、溶槽、石芽、溶洞、溶蝕裂隙。另外，可溶巖與非可溶巖接觸帶也是巖溶強烈發(fā)育的重點地段。D1K860+000段上部存在一大型洼地，位于刷馬沖，該洼地為永寧鎮(zhèn)斷層形成的洼地，匯水面積大，存在豎向發(fā)育的巖溶管道。該洼地對隧道的影響較大。

3 崩塌成因分析

3.1 不利的地形環(huán)境

D1K859+800～D1K860+200里程地表處為一大型巖溶洼地。該巖溶洼地由斷層作用形成，該洼地與周邊山群相對高差較大，且匯水面積大，為地表水下滲提供豐富的水源，如圖2所示，達1.5 km2。永寧鎮(zhèn)斷層穿過該洼地，為地表水下滲進入圍巖提供良好通道，隧道涌水量大，如圖3所示。

3.2 特定的巖層結(jié)構(gòu)

D1K859+902.6里程處，即塌方段基巖裸露，節(jié)理裂隙發(fā)育。加之隧道軸線上部為泥灰?guī)r，灰?guī)r夾鹽溶角礫巖，均為可溶巖，地表水沿裸露基巖直接入滲，由于地表與地下水位線間水力梯度大且豎直下滲水力路徑短，所以，上部巖體豎向溶蝕管道發(fā)育，豎向或近豎向節(jié)理發(fā)育。隧道下部為泥巖，透水性較差，入滲地下水與隧道出口排泄口水力路徑長，水力梯度小，地下水沿灰?guī)r與泥巖巖層分界面、灰?guī)r巖體層面或近水平向徑流，加劇隧道圍巖(即屬于上部灰?guī)r與下部泥巖之間的灰?guī)r體)近水平向節(jié)理裂隙發(fā)育[1](見圖4)，可知，地下水徑流主要加劇了隧道圍巖橫向或近水平向節(jié)理裂隙發(fā)育，進而減小圍巖抗彎折能力。就該工點而言，地下水徑流主要作用于隧道圍巖的層面，即減弱圍巖體層面強度參數(shù)。

3.3 特殊的地質(zhì)構(gòu)造

D1K859+800～D1K860+950里程段位于永寧鎮(zhèn)斷層影響帶，相交于隧道軸線里程D1K859+918處，與隧道軸線相交成47°。永寧斷層為區(qū)域性逆斷層，巖層受擠壓錯動破碎，近平行于斷層面節(jié)理發(fā)育，即N27°～45°W/N60°～65°E。隧道圍巖產(chǎn)狀：N15°W/42°S。根據(jù)調(diào)查觀測點統(tǒng)計，主要發(fā)育2組～3組節(jié)理。J1：節(jié)理走向N10°～56°E/41°～70°N；J2：節(jié)理走向N5°～45°W/23°～56°S，發(fā)育間距0.5 m/條～2.0 m/條；J3：節(jié)理走向SN/80°E，發(fā)育間距2.0 m/條。由圖5所示的赤平投影可知：5組結(jié)構(gòu)面相互組合，把圍巖體切割成10個楔形體，巖體破碎[2]。

受區(qū)域性構(gòu)造影響，小斷層及褶曲較發(fā)育，小斷層破碎帶寬度一般1 m～2 m，次生節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，有利于地下水下滲。此為巖體崩塌的根本原因。

3.4 人類工程活動的影響

隧道開挖破壞原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成圍巖應(yīng)力重分配，同時爆破施工也在一定程度上會影響圍巖體完整性。所謂圍巖應(yīng)力，是指在地下洞室開挖后，巖體原有的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，洞室開挖導(dǎo)致其周邊的圍巖卸載，而為達到新的平衡，圍巖的應(yīng)力在大小和方向上都發(fā)生了變化，周邊圍巖應(yīng)力進行重新分布，這個重新分布后的應(yīng)力就是圍巖應(yīng)力。巖體應(yīng)力主要受巖石各向異性的影響，大多數(shù)層狀巖體在層面方向的剛度比垂直于層面方向的剛度大，并且隨深度的增加而增加，巖體受荷載作用后產(chǎn)生變形使得應(yīng)力按巖體的剛度大小分配[3]。因此，平行或近平行于巖體層面方向應(yīng)力將大于垂直或近垂直于層面方向的應(yīng)力。實測表明，堅硬層狀巖體在節(jié)理不十分發(fā)育的情況下，測出的近平行于層面應(yīng)力常常大于近垂直層面應(yīng)力。

具體而言，即隨著自由表面(隧道周邊)的接近，徑向應(yīng)力逐漸減小，至洞壁處減為零；而切向應(yīng)力則逐漸增大，至洞壁處達到最大值。同時，隧道開挖造成卸荷回彈，圍巖體變形。因為隧道采用臺階法開挖，事故點只開挖上臺階部分，已開挖隧道斷面近乎矩形斷面，轉(zhuǎn)角處即拱腰處應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，特別是切向壓應(yīng)力。隧道開挖造成S80°E向臨空面，巖層產(chǎn)狀N15°W/42°S，巖層在拱腰處與臨空面斜交，具有臨空變形條件。又因為在地下水徑流作用下，巖體層面強度最低，即為最不利結(jié)構(gòu)面，所以在切向壓應(yīng)力作用下，左右兩側(cè)拱腰處圍巖沿巖層層面發(fā)生壓剪崩塌破壞，而破壞體周界為巖體節(jié)理切割成的楔形體，如圖6所示。同時，在對稱平面內(nèi)，隧道左右兩側(cè)切向壓應(yīng)力正對稱，受巖層產(chǎn)狀影響，隧道兩側(cè)破壞體位置不同，左側(cè)破壞體位置偏下，如圖1所示。此為圍巖崩塌的直接原因。

3.5 近期暴雨是誘發(fā)因素

水是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素，其作用表現(xiàn)為增大巖體的容重，增大下滑力；軟化結(jié)構(gòu)面降低巖體強度參數(shù)；產(chǎn)生靜水壓力與動水壓力等方面。近來，正值雨季，據(jù)關(guān)嶺布依族苗族自治縣氣象局關(guān)于永寧鎮(zhèn)降水量資料，2014年6月20日，2014年6月29日兩日降雨量大，分別達132.8 mm，98.4 mm，大部分降雨匯聚溶蝕洼地，地表水隨斷層破碎帶、巖體節(jié)理裂隙下滲至隧道圍巖，加大拱腰處應(yīng)力集中程度(特別是切向壓力)，降低巖體抗剪參數(shù)，增大下滑力，促使拱腰處發(fā)生壓剪崩塌破壞。此為隧道巖體崩塌誘因。

4 結(jié)論及建議

1)結(jié)論。a.巖溶作用、斷層作用與其地層結(jié)構(gòu)面組合切割作用，構(gòu)成圍巖體壓剪崩塌破壞的基本條件。b.隧道圍巖受開挖擾動，拱腰處切向壓應(yīng)力集中，加之降水影響，產(chǎn)生壓剪崩塌破壞。

2)建議。a.隧道開挖后應(yīng)及時支護，嚴(yán)格控制掌子面與鋼拱架支護距離，同時注意周邊巖體變形情況，有異常情況應(yīng)及時撤離人員設(shè)備，通知相關(guān)人員查看現(xiàn)場后確定處置方案。b.爆破施工對圍巖擾動影響大，會破壞巖體完整性。建議復(fù)查炮眼位置，嚴(yán)格控制炸藥量，采取合適的爆破方式。c.D1K859+800～D1K859+950段處于永寧鎮(zhèn)斷層影響帶，巖體破碎。建議加強施工過程中隧道超前地質(zhì)預(yù)報；增加地表監(jiān)測點，增加地表、洞內(nèi)監(jiān)測頻率。d.加強隧道開挖過程中排水工作。

[1] 張倬元，王士天.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，2009.

[2] 盧 達.基于赤平投影法的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].鐵道建筑，2010(11)：5.

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AnalysisonDadushantunnelcollapsedeformation

ZOUWen-long

(SouthwestBranch,ChinaRailwayNorthwestResearchInstituteLimitedCompany,Chengdu610031,China)

Taking the Dadushan tunnel as the engineering background, this paper made site investigation to local collapse off block situation of line D1K859+902.6 mileage section left and right sides haunches, according to the research results at home and abroad, from the terrain environment, geological structure, geological structure, artificial excavation, climatic conditions and other factors, analyzed the process of Dadushan tunnel generating of compression shear collapse deformation, put forward corresponding processing suggestions, ensure the tunnel construction quality.

tunnel, groundwater, geological structure, compression shear collapse

1009-6825(2014)33-0177-03

2014-09-15

鄒文龍(1987- )，男，碩士，助理工程師

U458.3

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