極高地應(yīng)力區(qū)隧道地質(zhì)特征及圍巖變形機(jī)制研究

郭波前

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

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極高地應(yīng)力區(qū)隧道地質(zhì)特征及圍巖變形機(jī)制研究

郭波前

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

以某在建高速鐵路隧道作為工程實(shí)例，結(jié)合地質(zhì)情況，從初始應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)和地下水分析了影響圍巖的因素。運(yùn)用理論分析和現(xiàn)場監(jiān)控量測反饋結(jié)果等綜合方法，從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)曲線特征、方向性、累計(jì)變化量、變形速率、時(shí)效性、現(xiàn)場圍巖變形情況、隧道施工影響、變形段變形差異性等方面系統(tǒng)分析了極高地應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形特征及機(jī)制，并得出如下主要結(jié)論： 1)極高地應(yīng)力區(qū)圍巖應(yīng)力釋放有一定的過程，不同的圍巖應(yīng)力釋放的速度可能不同，爆破對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，將一定程度加速圍巖應(yīng)力的釋放。2)圍巖地質(zhì)條件不同，變形規(guī)律會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性。3)圍巖的變形機(jī)制，層狀圍巖的變形破壞一般形成幾個(gè)區(qū)域： 破壞區(qū)，崩塌，滑動(dòng)滑移，張裂、彎曲及折斷。4)本隧道圍巖變形特征主要是由極高地應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)綜合決定的，隧道初期支護(hù)變形情況一定程度上是隧道圍巖變形特征的有效反映。

隧道； 極高地應(yīng)力； 圍巖變形； 地質(zhì)特征； 監(jiān)控量測

0 引言

隨著我國“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的提出，各個(gè)經(jīng)濟(jì)體之間的互聯(lián)互通也需要交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做重要支撐，近幾年掀起的“地鐵和高鐵熱”正方興未艾，這都給隧道及地下工程領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。鐵路隧道逐漸向長大、深埋、跨江越洋方向發(fā)展，地質(zhì)條件多變、高地應(yīng)力和軟弱圍巖等因素對隧道及地下工程的影響極為顯著，容易引起大變形、巖爆、失穩(wěn)和突涌水(泥)等事故，這給人員和設(shè)備安全帶來了極大危害[1]。

高地應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形受到工程建設(shè)者的極大關(guān)注，文獻(xiàn)[2-5]對圍巖的變形規(guī)律、力學(xué)特征、變形機(jī)制、變形控制技術(shù)和施工技術(shù)等方面進(jìn)行了研究與探討。在高地應(yīng)力區(qū)修建隧道工程，最大的難題就是隧道的變形控制問題[6]。文獻(xiàn)[7]采用監(jiān)控量測對圍巖壓力、初期支護(hù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的測試結(jié)果進(jìn)行了分析，根據(jù)圍巖變形規(guī)律，對施工參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。文獻(xiàn)[8]結(jié)合實(shí)際工程，對其地質(zhì)環(huán)境和特征進(jìn)行了總結(jié)分析，提出特殊復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境引發(fā)的工程問題需要根據(jù)科研進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]揭示了隧道高地應(yīng)力炭質(zhì)頁巖的變形破壞形式、破壞特征和變形機(jī)制。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多樣性和多變性，對極高應(yīng)力區(qū)圍巖變形的研究無法找到理想的、普遍適用的理論或方法，且以往大多數(shù)研究主要偏重于施工中圍巖變形的控制方面，對變形機(jī)制的研究略少。本文以某在建高速鐵路隧道為工程實(shí)例，結(jié)合地質(zhì)理論分析、現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果反饋等綜合方法，分析了極高地應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形規(guī)律及機(jī)制。

1 工程概況及地質(zhì)特征

1.1 工程概況

該隧道為單洞雙線隧道，起訖里程為DK297+192～DK309+596，全長12 405.99 m，最大埋深約750 m。隧址區(qū)為中低山區(qū)，海拔760～1 640 m。洞身地表起伏較大，地表自然坡度一般30°～50°，局部大于50°；洞身分布有眾多基巖“V”型侵蝕溝谷，多為北西向展布，多為季節(jié)性流水溝谷，堆積有大量塊石，為新近堆積的洪積物。總體而言，工點(diǎn)區(qū)域山高坡陡，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，植被茂密，該隧道被認(rèn)定為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，其中DK303+425～+650段(下文簡稱Ⅰ變形段)、DK303+930～DK304+040段(下文簡稱Ⅱ變形段)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示變形顯著，為本文研究重點(diǎn)段落。

1.2 地層巖性

隧道區(qū)涉及地層主要為第四系全新統(tǒng)坡積膨脹土，洪積、坡積粗角礫土(主要分布在隧道進(jìn)口地表及隧道淺埋地段)；志留系下統(tǒng)頁巖，奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，奧陶系下統(tǒng)砂巖夾礫巖。隧道區(qū)內(nèi)僅在灰?guī)r夾頁巖地段局部有溶孔和溶隙現(xiàn)象，巖溶發(fā)育程度為弱發(fā)育-微弱發(fā)育。

2 隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有地質(zhì)方面的(如初始應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)、巖石的工程性質(zhì)和地下水等)，也有施工方面的(如隧道形狀尺寸、支護(hù)方法和時(shí)間、施工工藝工法等)，但起主導(dǎo)作用的是地質(zhì)因素。

2.1 初始應(yīng)力

人類工程活動(dòng)之前存在于巖體中的應(yīng)力為初始應(yīng)力，初始應(yīng)力主要有自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和流體應(yīng)力等組成[10]。巖體中的工程活動(dòng)必將引起一定范圍內(nèi)巖體中初始應(yīng)力的改變，初始應(yīng)力進(jìn)行重新分布并達(dá)到新的動(dòng)力平衡狀態(tài)，在隧道中，硬質(zhì)巖層中可能發(fā)生巖爆，軟質(zhì)巖層中可能發(fā)生大變形。本文工程實(shí)例中的隧道平均埋深720 m，自重應(yīng)力較大，且大變形段位于背斜構(gòu)造核部附近，存在較大的構(gòu)造應(yīng)力。

從地應(yīng)力測試結(jié)果看，DK302+795測試部位的最大水平主應(yīng)力為10.3 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.2 MPa，鉛直向應(yīng)力為11.3 MPa，說明測試部位巖體應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方位為N84°E，最大主應(yīng)力值為14.2 MPa，傾角較大為57°。DK301+100測試部位實(shí)測最大水平主應(yīng)力為3.3～10.1 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.2～6.3 MPa，鉛直(自重)向應(yīng)力為8.0～8.9 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹68°E～N63°E。測試部位巖體應(yīng)力均以鉛直向應(yīng)力為主。

地應(yīng)力測試部位圍巖為弱風(fēng)化砂巖夾礫巖，屬軟弱巖石，試驗(yàn)所得砂巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=36 MPa，該隧道主洞DK302+795測試部位巖體埋深約為480 m，巖體應(yīng)力場以鉛直應(yīng)力為主，Rc/σmax約為2.5，應(yīng)力量級(jí)為極高應(yīng)力水平；主洞DK301+100測試部位巖體埋深約300 m，巖體應(yīng)力場也以鉛直應(yīng)力為主，Rc/σmax約為3.5，應(yīng)力量級(jí)同樣為極高應(yīng)力水平[11]。總之，相對于該隧道軟弱圍巖的強(qiáng)度而言，實(shí)測地應(yīng)力量值處于極高應(yīng)力水平。

該隧道巖體處于極高地應(yīng)力區(qū)，隧道施工在巖體中引起一系列與開挖卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象，如巖爆、松弛、襯砌開裂掉塊、拱架扭曲變形或剪斷等現(xiàn)象。

2.2 巖體及構(gòu)造特性

Ⅰ變形段圍巖主要為奧陶系下統(tǒng)(O1)中厚層砂巖，青灰色，長石、石英為主，產(chǎn)狀N82°E/58°N，層理發(fā)育，層間結(jié)合力一般，節(jié)理較發(fā)育，呈板狀、塊體狀。掌子面地質(zhì)素描如圖1所示。

圖1 掌子面地質(zhì)素描圖

Ⅱ變形段圍巖以奧陶系下統(tǒng)(O1)砂巖為主，灰色、青灰色，薄層狀構(gòu)造，厚度4～8 cm，鈣質(zhì)膠結(jié)，層間結(jié)合力差。巖層產(chǎn)狀近水平，產(chǎn)狀N54°W/14°S，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部裂隙微張，部分節(jié)理面粗糙波紋狀，巖體受巖層與節(jié)理互相切割影響，巖體呈塊狀，對掌子面巖體穩(wěn)定性有影響。層間小褶曲發(fā)育，局部受構(gòu)造影響，巖體呈碎塊狀或片狀。該段掌子面地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 掌子面地質(zhì)情況

隧道區(qū)主要為褶皺構(gòu)造，該褶皺為傾伏背斜，成NEE～SWW向，向W傾伏，傾伏角7°～10°(由E向W變大)。隧道與背斜軸部在DK303+760附近相交，夾角約15°，褶皺核部出露地層為奧陶系下統(tǒng)砂巖夾礫巖。Ⅰ變形段位于背斜核部附近，由于背斜地層翼部向核部擠壓，產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力，而巖層層理發(fā)育，所以容易在隧道圍巖拱腰部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，褶皺軸線與洞軸線方向關(guān)系見圖3。Ⅱ變形段巖層主要為近水平巖層，薄層且層間結(jié)合力差，埋深大，地層形成類梁板構(gòu)造，所以拱頂易產(chǎn)生較大變形，會(huì)產(chǎn)生掉塊、崩塌等現(xiàn)象。

圖3 褶皺與隧道軸線關(guān)系圖

2.3 地下水

變形段地下水類型主要為基巖裂隙水，受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件差異的影響，地下水的富水性很不均衡。局部段落存在裂隙、孔隙地下水，水量不大，對隧道圍巖穩(wěn)定影響很小。該隧道施工中地下水總體不豐富，Ⅰ變形段無地下水；Ⅱ變形段中DK303+930～+995段存在地下水，主要為裂隙孔隙水，掌子面濕潤，隧道拱部及拱腰大面積滴水、滲水，局部為線狀流水，所以地下水向洞身產(chǎn)生一定的滲透壓力，會(huì)對圍巖產(chǎn)生推擠作用，另一方面，水對圍巖的浸泡軟化、溶蝕和水化等作用。由于地下水的這些作用，圍巖孔隙度增加，抗壓強(qiáng)度降低，圍巖自穩(wěn)能力變差。但該段為硬質(zhì)巖且總體地下水水量不大，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)推測地下水并非該隧道大變形的主要影響因素。

3 隧道圍巖變形機(jī)制分析

該隧道大變形段落主要分為2段，Ⅰ變形段和Ⅱ變形段。結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場洞內(nèi)觀測，每個(gè)段落選取有代表性的2組監(jiān)控量測斷面進(jìn)行分析，揭示變形的特征和機(jī)制。其中Ⅰ變形段選取DK303+465、DK303+485斷面，Ⅱ變形段選取DK304+020、DK304+030斷面，每個(gè)斷面均布設(shè)1個(gè)拱頂下沉測點(diǎn)，按施工臺(tái)階布設(shè)3條凈空收斂測線。監(jiān)控量測測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 隧道監(jiān)控量測測點(diǎn)布置圖

3.1 變形規(guī)律

隧道變形規(guī)律主要從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)曲線特征、方向性、累計(jì)變化量、變形速率、時(shí)效性；現(xiàn)場圍巖變形情況；隧道施工影響；變形段變形差異性等方面進(jìn)行分析。

3.1.1 時(shí)態(tài)曲線特征

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為連續(xù)不間斷測量，Ⅰ變形段最長量測61 d，最短量測37 d，Ⅱ變形段最長量測34 d，最短量測31 d，量測曲線整體為平滑曲線，局部數(shù)據(jù)具有離散性，局部數(shù)據(jù)受停工影響曲線表現(xiàn)為臺(tái)階狀。Ⅰ變形段DK303+465量測斷面量測61 d，從變化曲線(見圖5)可以看出圍巖開挖后收斂測點(diǎn)變形明顯，開挖后20 d圍巖變形基本趨緩，變形量占總變形量的近90%；拱頂沉降曲線比較平緩，說明拱頂測點(diǎn)變形相對比較均勻。DK303+485量測斷面除去停工因素影響，其時(shí)態(tài)曲線特征與斷面DK303+465時(shí)態(tài)曲線變形特征基本一致。Ⅱ變形段局部變形數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定的離散性，有時(shí)還表現(xiàn)出拱頂抬升和凈空外張，變化量基本在±5 mm以內(nèi)，但總體趨勢仍表現(xiàn)為拱頂下沉和凈空內(nèi)斂，這說明該段圍巖變形呈現(xiàn)出一定的不均勻性和離散性。

3.1.2 方向性

由于隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不同隧道巖性和巖體構(gòu)造的差異性，隧道圍巖變形在不同方向上有所差異，例如： 某些隧道表現(xiàn)為拱頂上升，凈空內(nèi)斂；某些隧道變現(xiàn)為拱頂下沉，凈空外張；還有某些隧道的變形特征為拱頂下沉和底鼓明顯，凈空變化不明顯。然而，該隧道2個(gè)變形段總體均表現(xiàn)為拱頂測點(diǎn)下沉、凈空收斂測點(diǎn)內(nèi)斂，說明隧道開挖后圍巖向開挖形成的臨空面方向整體變形，這與大多數(shù)隧道圍巖的變形方向性特征一致。另一方面，隧道臺(tái)階開挖和仰拱開挖時(shí)對圍巖變形有一定的影響，同一斷面中下臺(tái)階開挖晚于上臺(tái)階，圍巖變形釋放一般在開挖初期，臺(tái)階開挖時(shí)中下臺(tái)階的累計(jì)變形量明顯小于上臺(tái)階開挖時(shí)的變形量，仰拱開挖時(shí)初期支護(hù)還未封閉成環(huán)，此時(shí)收斂變形相對明顯。拱頂下沉變形量總體小于凈空收斂變形量，這表現(xiàn)出圍巖變形的局部方向性。

3.1.3 累計(jì)變化量

Ⅰ變形段監(jiān)控量測共布設(shè)36個(gè)斷面，其中拱頂沉降測點(diǎn)36個(gè)，凈空收斂測線108組，拱頂最大累計(jì)沉降量為176.1 mm，凈空收斂最大累計(jì)收斂量為-162.0 mm。變形量超過-100 mm的數(shù)據(jù)為14條，變形測點(diǎn)主要是拱頂測點(diǎn)和第1組收斂，占總數(shù)據(jù)量的9.7%；變形量在-100～40 mm的數(shù)據(jù)為40條，變形測點(diǎn)也主要是拱頂測點(diǎn)和第1組收斂占總數(shù)據(jù)量的27.7%，其余數(shù)據(jù)占62.6%。該段典型的監(jiān)控量測測點(diǎn)變形曲線見圖5和圖6。由斷面DK303+465監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反映出隧道該段總體凈空收斂內(nèi)斂值大于拱頂下沉值，由圖6可以看出上臺(tái)階收斂測線內(nèi)斂值明顯較大，且上臺(tái)階內(nèi)斂值大于其他臺(tái)階內(nèi)斂值，這與現(xiàn)場觀測到的初期支護(hù)變形現(xiàn)象一致，說明變形表現(xiàn)出局部性和不對稱性。

Ⅱ變形段的地質(zhì)條件與Ⅰ變形段不同，表現(xiàn)出的變形特征也與Ⅰ變形段有一些差異。該段監(jiān)控量測共布設(shè)20個(gè)斷面，其中拱頂沉降測點(diǎn)20個(gè)，凈空收斂測線54組，拱頂最大累計(jì)沉降量為53.2 mm，凈空收斂最大累計(jì)收斂量為-59.7 mm。變形量超過-30 mm的數(shù)據(jù)為24條，變形測點(diǎn)主要是拱頂測點(diǎn)和第1組收斂，占總數(shù)據(jù)量的32.4%，其余數(shù)據(jù)占67.6%。此段監(jiān)控量測測點(diǎn)變形曲線見圖7和圖8。Ⅱ變形段主要為薄層狀近水平巖層，層間結(jié)合力差，有地下水存在，導(dǎo)致總體拱頂下沉變形量大于凈空收斂變形量，這與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相符，但是該段總體最大變形量小于Ⅰ變形段最大變形量。現(xiàn)場初期支護(hù)變形現(xiàn)象也主要出現(xiàn)在隧道拱頂部位，變形表現(xiàn)出一定的對稱性。

3.1.4 變形速率

Ⅰ變形段總體收斂測線變形更明顯，Ⅱ變形段主要為拱頂下沉，典型測點(diǎn)不同時(shí)間段的變形速率見表1。

圖5 Ⅰ變形段監(jiān)控量測斷面拱頂沉降變形曲線

Fig. 5 Deformation curves of tunnel crown top at deformation sectionⅠ

圖6 Ⅰ變形段監(jiān)控量測斷面凈空收斂變形曲線

圖7 Ⅱ變形段監(jiān)控量測斷面拱頂沉降變形曲線

Fig. 7 Deformation curves of tunnel crown top at deformation section Ⅱ

圖8 Ⅱ變形段監(jiān)控量測斷面凈空收斂變形曲線

Fig. 8 Clearance convergence curves at deformation section Ⅱ

由表1可以看出Ⅰ變形段變形速率表現(xiàn)出不均勻性，前期變形速率較大，后期逐漸趨于穩(wěn)定，整體不均勻，最大日變形發(fā)生在前5 d內(nèi)。Ⅱ變形段整體變形速率較均勻，但最大日變形也發(fā)生在前5 d內(nèi)。說明開挖支護(hù)后5 d是變形的主要階段。

3.1.5 時(shí)效性

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示初期支護(hù)施作完成后3～5 d變形數(shù)據(jù)開始明顯增大，25 d左右變形數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，Ⅰ變形段變形持續(xù)時(shí)間較Ⅱ變形段變形持續(xù)時(shí)間長。斷面DK303+485變形曲線顯示隧道暫時(shí)停工時(shí)，變形速率變慢，恢復(fù)施工后變形加劇，在變形曲線上表現(xiàn)為一個(gè)“臺(tái)階”，這是由隧道施工爆破震動(dòng)所引起的，爆破震動(dòng)加速了圍巖應(yīng)力的釋放。所以該隧道施工要短進(jìn)尺弱爆破，初期支護(hù)及時(shí)封閉，適當(dāng)增加初期支護(hù)強(qiáng)度和初期支護(hù)預(yù)留變形量。

表1 測點(diǎn)變形速率

3.1.6 現(xiàn)場初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況

現(xiàn)場洞內(nèi)觀測，Ⅰ變形段表現(xiàn)出隧道拱腰上部初期支護(hù)混凝土剝落、掉塊、開裂，某些鋼拱架扭曲變形，甚至被剪斷，呈“Z”字形，但只出現(xiàn)在隧道一側(cè)，沿隧道軸線方向呈線狀展布。現(xiàn)場圍巖局部出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，圍巖開挖一段時(shí)間后變的松散易掉塊，這是由圍巖卸荷回彈所致，這與該隧道處于高地應(yīng)力狀態(tài)吻合。Ⅱ變形段主要為拱頂局部初期支護(hù)混凝土剝落掉塊，鋼拱架無明顯扭曲現(xiàn)象。

3.1.7 隧道施工影響

該隧道Ⅰ變形段、Ⅱ變形段均按新奧法三臺(tái)階法施工，掌子面上臺(tái)階高度約3.5 m，開挖寬度約14 m，隧道總體高度約7.5 m，均為鉆爆法開挖，基本為每天施工一個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺3～4 m。施工因素中爆破震動(dòng)和臺(tái)階的開挖是圍巖變形的主要影響因素。每循環(huán)中臺(tái)階的開挖至每臺(tái)階初期支護(hù)完成前，圍巖失去支撐，初期支護(hù)強(qiáng)度未完全發(fā)揮，圍巖將會(huì)產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)變形量超過預(yù)留變形量時(shí)，初期支護(hù)將發(fā)揮主要作用，而圍巖應(yīng)力釋放有一定的過程，此時(shí)爆破震動(dòng)加速圍巖松弛，加劇了應(yīng)力釋放的速度，使初期支護(hù)產(chǎn)生變形，變形達(dá)到一定程度，會(huì)產(chǎn)生初期支護(hù)混凝土開裂掉塊等現(xiàn)象，局部應(yīng)力集中處變形會(huì)更嚴(yán)重，初期支護(hù)強(qiáng)度不足以支撐圍巖壓力就會(huì)產(chǎn)生拱架變形扭曲等，直至圍巖應(yīng)力釋放完成，變形趨于穩(wěn)定。從斷面DK303+485拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)看，隧道Ⅰ變形段掌子面停工后變形趨緩，重新開工后變形加劇，說明爆破震動(dòng)為該段影響變形的主要施工因素，而監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示爆破震動(dòng)對Ⅱ變形段影響較小。

3.1.8 變形段變形差異性

由于Ⅰ、Ⅱ變形段所處的地質(zhì)條件不同，巖性和巖體結(jié)構(gòu)存在差異，圍巖變形表現(xiàn)出不同的變形規(guī)律。Ⅰ變形段最大累計(jì)變形量是Ⅱ變形段的近4倍，前20 d已產(chǎn)生近90%的變形，Ⅰ變形段前期變形速率較大，后期趨于穩(wěn)定，整體變形不均勻，Ⅱ變形段整體變形速率比較均勻，Ⅰ變形段總體變形速率比Ⅱ變形段大，但最大日變形均出現(xiàn)在開挖后3～5 d。臺(tái)階開挖和爆破對Ⅰ變形段影響較明顯，對Ⅱ變形段影響較小。兩變形段圍巖變形均表現(xiàn)出局部性，但是Ⅰ變形段圍巖變形范圍主要為上臺(tái)階拱腰部位向凈空內(nèi)斂，Ⅱ變形段主要表現(xiàn)為拱頂下沉變形，且具有一定的離散性。隧道圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)是綜合考慮各種因素的結(jié)果，本文Ⅰ、Ⅱ變形段中Ⅳ級(jí)圍巖的變形值普遍大于Ⅴ級(jí)圍巖，這也是變形差異性的一種表現(xiàn)。

3.2 變形機(jī)制

隧道開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，失去了支撐而向洞內(nèi)松脹變形，此時(shí)巖體開挖界限周圍會(huì)形成一定范圍的彈性圈和塑性圈，受巖體卸荷影響，塑性圈巖體比較松動(dòng)；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落，形成坍塌、滑動(dòng)或巖爆。此外，軟巖大變形具有變形快、變形量大且破壞嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間長的基本特征[12]。

巖體結(jié)構(gòu)影響著圍巖變形破壞的特點(diǎn)，層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素控制。

Ⅰ變形段為砂巖，中厚層，巖層傾斜，層面平直光滑，為褶皺的翼部，褶皺所產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力對開挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)有一定的影響，隨著隧道的開挖，開挖部分形成臨空面，靠近臨空面附近圍巖失去支撐，圍巖向隧道臨空方向變形，由于圍巖為軟巖，變形呈現(xiàn)出一定的彈塑性特征，開挖形成的塑性圈變形更為明顯，隨著時(shí)間的延長，變形持續(xù)擴(kuò)大。由于巖層傾斜，圍巖傾向與隧道臨空方向相反的右側(cè)，受到重力和弧形開挖輪廓的影響，向臨空面彎曲下沉，由于巖層層理發(fā)育且層理面平直光滑，層間結(jié)合力差，該側(cè)圍巖松弛到達(dá)一定程度將發(fā)生彎折破壞，形成圖9中的破壞區(qū)，如不進(jìn)行支護(hù)，易形成三角形塌腔。而左側(cè)圍巖巖層傾向與隧道臨空面方向相同，則表現(xiàn)出向臨空面滑移，局部可能出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。隨著圍巖卸荷的持續(xù)及爆破擾動(dòng)，右側(cè)拱腰上部向臨空面內(nèi)鼓，超過圍巖的強(qiáng)度后，巖層將發(fā)生張裂及折斷，拱頂被節(jié)理裂隙切割形成的楔形體或獨(dú)立塊體脫落，造成拱頂區(qū)域崩塌掉塊。由于圍巖應(yīng)力重分布及卸荷有一定的過程，這也能解釋初期支護(hù)施作后3～5 d內(nèi)變形速率較大，反映了圍巖變形的時(shí)效性特征，雖然爆破開挖后及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)，但是巖層的力學(xué)特征沒有太大改變，進(jìn)而通過初期支護(hù)變形間接表現(xiàn)出來，該段現(xiàn)場初期支護(hù)混凝土剝落掉塊及鋼拱架扭曲變形的區(qū)域，正是圖9中編號(hào)為5的區(qū)域，表現(xiàn)出圍巖變形的不對稱性和局部性，反映在監(jiān)控量測數(shù)據(jù)上就是拱頂下沉和凈空內(nèi)斂的不同步性和累計(jì)變形量的差異性，即內(nèi)斂變形量大于拱頂下沉變形量，且第1條收斂測線變形更為明顯，其變形量大于其他收斂測線。

Ⅱ變形段圍巖為近水平巖層，薄層狀，層間鈣質(zhì)膠結(jié)，層間結(jié)合力差，巖層近水平說明受構(gòu)造應(yīng)力很小，圍巖表現(xiàn)出對稱性，可以想象圍巖變形也具有對稱性，隧道開挖后形成臨空面如圖10所示，拱頂巖層兩端受支撐形成類似梁板的結(jié)構(gòu)，根據(jù)梁板的受力特征，中部形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)變最大，隨著圍巖卸荷松弛和重力作用，層狀巖體巖節(jié)理折斷，形成圖10中編號(hào)為3的崩塌區(qū)，拱頂區(qū)域則彎曲折斷崩落，若支護(hù)不及時(shí)，圍巖暴露時(shí)間增加，容易產(chǎn)生拱頂塌腔體，這與傾斜巖層形成的塌腔位置不同，該段出露地下水，一定程度上更易變形。隧道內(nèi)該段初期支護(hù)混凝土主要表現(xiàn)為拱頂局部脫落掉塊，這與水平巖層的受力特征相符。由于圍巖受力狀態(tài)相對單一和對稱，其變形規(guī)律也表現(xiàn)出了一定的均勻性和持續(xù)性，這與Ⅰ變形段的變形規(guī)律完全不同。

(a)

(b)

1—設(shè)計(jì)輪廓線； 2—破壞區(qū)； 3—崩塌； 4—滑動(dòng)滑移； 5—彎曲、張裂及折斷。

圖9 Ⅰ變形段圍巖變形破壞特征示意圖

Fig. 9 Sketch diagrams of deformation destruction characteristics of surrounding rock at deformation section Ⅰ

(a)

(b)

1—設(shè)計(jì)輪廓線； 2—破壞區(qū)； 3—崩塌； 4—滑動(dòng)滑移； 5—彎曲、張裂及折斷。

圖10 Ⅱ變形段圍巖變形破壞特征示意圖

Fig. 10 Sketch diagrams of deformation destruction characteristics of surrounding rock at deformation section Ⅱ

該隧址區(qū)圍巖處于極高應(yīng)力狀態(tài)，這是影響隧道變形的主要影響因素，其中由褶皺所產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力起相當(dāng)作用，同時(shí)隧道埋深大，豎向自重應(yīng)力較大。隧道施工爆破增加了對隧道圍巖的擾動(dòng)，加速了圍巖應(yīng)力的釋放速度。鑒于此種特性，極高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵在于建立地應(yīng)力的合理釋放與有效的約束平衡[13]。隧道圍巖的變形破壞受眾多因素影響，過程復(fù)雜，該隧道的變形特征主要是由極高地應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)特征綜合決定的，不同的地應(yīng)力特征、不同的巖性巖體結(jié)構(gòu)特征，隧道的圍巖變形規(guī)律和機(jī)制也會(huì)有所不同。

4 結(jié)論與體會(huì)

1)極高地應(yīng)力區(qū)地應(yīng)力主要表現(xiàn)為自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力或兩者的綜合作用，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)不是處于靜力穩(wěn)定，而是處于一種動(dòng)力平衡狀態(tài)，隧道開挖改變了圍巖的應(yīng)力環(huán)境，動(dòng)力平衡被打破，圍巖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，應(yīng)力釋放有一定的過程，不同的圍巖應(yīng)力釋放的速度可能不同，開挖爆破對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，將一定程度加速圍巖應(yīng)力的釋放。

2)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，地質(zhì)條件不同，變形規(guī)律會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性。這種差異性一般表現(xiàn)在幾個(gè)方面： 變形的局部性或?qū)ΨQ性、變形過程的均勻性或離散性、時(shí)效性和方向性等。

3)本隧道圍巖主要為層狀巖體，不同里程段落，表現(xiàn)為傾斜巖層和水平巖層，隧道開挖后，受圍巖卸荷和應(yīng)力重分布的影響，圍巖應(yīng)力條件發(fā)生變化，圍巖發(fā)生變形或破壞，層狀圍巖的變形破壞一般形成幾個(gè)區(qū)域： 破壞區(qū)，崩塌，滑動(dòng)滑移，張裂、彎曲及折斷。

4)本隧道圍巖變形特征主要是由高地應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)綜合決定的，隧道初期支護(hù)變形情況一定程度上是隧道圍巖變形特征的有效反映。

5)隧道施工過程中，要充分意識(shí)到隧道圍巖地質(zhì)條件的多變性和圍巖變形的規(guī)律性，要及時(shí)關(guān)注圍巖變化，同時(shí)結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，為隧道施工或變更設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)。

6)今后，如能進(jìn)一步結(jié)合圍壓的應(yīng)力變化情況或初期支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變特性，對圍巖變形機(jī)制的研究將會(huì)更加準(zhǔn)確，但這需要大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，筆者將會(huì)在后續(xù)研究中繼續(xù)分析和總結(jié)，為極高地應(yīng)力區(qū)圍巖的變形控制提供科學(xué)、有效的參考。

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Geological Characteristics of Tunnels with Extremely High Geostress and Study of Surrounding Rock Deformation Mechanism

GUO Boqian

(Survey,Design&ResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The influencing factors on surrounding rock of a high-speed railway tunnel under construction are analyzed in terms of initial stress, rock structure and ground water on basis of geological conditions. The characteristics and mechanism of surrounding rocks deformation of tunnel with extremely high geostress are systematically analyzed by comprehensive method of theory analysis and site monitoring feedback in terms of characteristics, directivity, accumulated variation, deformation velocity and timeliness of time-dependent curves of monitoring data, site deformation of surrounding rock, tunnel construction influence and deformation difference between two deformation sections. Some conclusions are drawn as follows: 1) The stress release of surrounding rock with extremely high geostress needs time, the stress release velocities of different surrounding rocks are different, and blasting construction will cause disturbance to surrounding rock and speed up the stress release. 2) The deformation laws of surrounding rocks vary as the geological conditions vary. 3) The deformation destruction of layered surrounding rock will form some zones, i.e., destruction zone, collapse, sliding, tension crack, bending and breaking. 4) The deformation characteristics of tunnel surrounding rocks are mainly determined by extremely high geostress and rock structure; and the deformation of tunnel primary support can effectively reflect the deformation characteristics of tunnel surrounding rocks to a certain extent.

tunnel; extremely high geostress; surrounding rock deformation; geological characteristic; monitoring measurement

2015-12-22;

2016-12-15

郭波前(1988—)，男，河南伊川人，2014年畢業(yè)于河海大學(xué)，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事隧道與地下工程技術(shù)研究與項(xiàng)目管理工作。E-mail: guoboqian139@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.010

U 452.1+2

A

1672-741X(2017)05-0586-07