隧道工程圍巖地質問題研究

(西北大學地質學系 陜西 西安 710069)

我國是個多山的國家，地形呈現西高東低的格局，山地和高原約占60%，隨著社會的發展，陸路交通高速化成為必然的需求，全國高速公路建設如火如荼，伴隨著南水北調西線工程的開展，以西北地區為主，將大量修建深埋長隧洞?！岸唷⑸?、長、群”成為現今隧道建設的總特點。

一、圍巖大變形的定義及特征

隧洞圍巖大變形是圍巖巖體在地應力、地下水活動與工程擾動等條件下圍巖巖體的一類變形破壞現象，它的實質是由于圍巖開挖引起了地應力的重分布超過巖體的屈服強度而使巖體發生塑性變形，圍巖自承能力喪失或者部分喪失，變形沒有得到有效的約束，使得圍巖發生塑性變形破壞，進而使圍巖支護遭受到不同程度的破壞。一般具有以下特征：

(1)主要發生于低級變質巖等低強度圍巖中,具體巖石類型包括各類片巖、板巖、千枚巖、頁巖、斷層破碎帶、泥巖、砂頁巖及泥灰巖等。

(2)變形速度快、變形量大,一般可達每分鐘數十厘米甚至數米。

(3)危害性大,嚴重影響正常掘進,甚至導致卡機事故的發生[4-6]。

(4)初期支護以前,圍巖一般能夠或經過局部塌方后能夠成拱、自穩，變形一般發生于初期支護或永久襯砌完成以后,有的甚至發生于隧道投入運營若干年后,因而明顯區別于淺埋隧道的塌方和冒頂。

(5)發生大變形地段的隧道埋深一般在500m以上。

二、圍巖大變形的分類

隧道軟巖大變形應該是1906年竣工的長19.8km的辛普倫1線隧道，辛普倫隧道的地質情況極其復雜,施工中遇到了前所未有的高地溫、高溫大涌水和圍巖大變形。辛普倫隧道之后,奧地利陶恩公路隧道、奧地利阿爾貝格公路隧道和日本艾那山公路隧道也相繼發生軟巖大變形。國外水工隧洞建設中,也曾出現過嚴重的軟巖大變形問題,其中以印度北部喜馬拉雅地區的水工隧洞大變形最為著名。喜馬拉雅地區的主體地層為淺變質巖,如千枚巖、頁巖以及各類片巖等,它們的單軸抗壓強度一般為一,屬于比較典型的軟巖或低強度巖石,加之構造運動強烈,圍巖破碎程度高,大變形是該地區水工隧洞建設中所面臨的重要問題之一[1-3]。

家竹籌隧道位于南昆鐵路威舍-紅果段的北端，隧道全長4.99km，隧道橫穿家竹警煤田,南段為峨眉山玄武巖,北段為永寧鎮組灰巖夾砂巖,中部為飛仙關組砂泥巖及龍潭煤系最人埋深。盡管家竹等隧道的長度不是很大,但卻發生了嚴重的軟巖大變形,給隧道施工帶來了相當人的困難[1-3]。

隨著隧道二程的大量修建,其所帶來的大變形問題引起人們越來越多關注，根據國內外隧道施工的實踐,施工過程中發生大變形工程現象主要有以下幾類：

(1)膨脹性軟巖的大變形。膨脹性軟巖是指含有粘土高膨脹性礦物、在較低應力水平條件下即發生顯著變形的工程巖體。產生塑性變形的機理是片架狀粘土礦物發生滑移和膨脹,根據其膨脹性大小可以分為強膨脹性軟巖、中膨脹性軟巖和弱膨脹性軟巖。

(2)高地應力條件下的軟巖的大變形。圍巖初始應力或稱為地應力是在自然狀態下存在子圍巖內部的應力,是客觀存在的物理量。坑道開挖后的應力分布,與其有直接的關系。它的量值受到許多因素的影響,如埋深、地質構造運動、地形地貌等。

所謂的高地應力,它是一個相對的概念,是根據圍巖強度比提出來的。圍巖強度比是巖石的單軸抗壓強度與最大地應力的比值,即Rb/emax。也就是說,當這一比值達到某一水平時,才能稱為高地應力或極高地應力。

不同的國家，對于高地應力的劃分有不同的標準：

極高應力極高應力極高應力法國隧協<22-4>4我國工程巖體分級標準<44-7>7日本新奧法指南<24-6>6日日本仲野分級級<22-4>4

在高地應力的條件下,不同的圍巖中開挖以后會出現不同的破壞現象,如果在堅硬巖體中則會發生巖爆,而如果在軟巖中則會發生大變形。

(3)節理化軟巖大變形。節理化軟巖是指含泥質成分少,而節理發育的巖體。一般這種巖體本身巖塊的的強度頗高,呈硬巖力學特性,但由于節理的存在,使得整個工程巖體在工程力荷載的作用下發生顯著的變形,呈軟巖的力學特征。根據結構面組數和結構面間距兩個指標,將其細分為級,即較破碎軟巖、破碎軟巖和極破碎軟巖。

(4)斷層破碎帶松弛大變形。在巖體中,斷層破碎帶是一個很薄弱的地帶,它不能作為一個整體共同承擔工程力荷載,因此當原來的三維受壓狀態一解除,就會出現塑性大變形。其破碎情形與節理化軟巖有些近似。

(5)復合型軟巖大變形。有時候大變形的發生并不是某一種原因導致的,而是由以上兩種或多種原因共同作用而產生的。

三、結語

圍巖大變形通過國內外案例可以將形成原因歸結為膨脹性、高地應力、節理原因、斷層原因以及復合型五種類型，圍巖大變形對于隧道工程的影響是重大的，而且一般發育在深埋隧道中，圍巖類型多為低級變質巖，易造成卡機造成施工延期，因此在隧道建設過程中對于圍巖變形的類別及圍巖類型的鑒定有利于安全施工。