隧道工程圍巖地質(zhì)問題研究

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 陜西 西安 710069)

我國是個多山的國家，地形呈現(xiàn)西高東低的格局，山地和高原約占60%，隨著社會的發(fā)展，陸路交通高速化成為必然的需求，全國高速公路建設(shè)如火如荼，伴隨著南水北調(diào)西線工程的開展，以西北地區(qū)為主，將大量修建深埋長隧洞。“多、深、長、群”成為現(xiàn)今隧道建設(shè)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(yīng)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(xiàn)象，它的實質(zhì)是由于圍巖開挖引起了地應(yīng)力的重分布超過巖體的屈服強度而使巖體發(fā)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(fā)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(fā)生于低級變質(zhì)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?guī)r等。

(2)變形速度快、變形量大,一般可達每分鐘數(shù)十厘米甚至數(shù)米。

(3)危害性大,嚴重影響正常掘進,甚至導(dǎo)致卡機事故的發(fā)生[4-6]。

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

(5)發(fā)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(yīng)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(zhì)情況極其復(fù)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(fā)生軟巖大變形。國外水工隧洞建設(shè)中,也曾出現(xiàn)過嚴重的軟巖大變形問題,其中以印度北部喜馬拉雅地區(qū)的水工隧洞大變形最為著名。喜馬拉雅地區(qū)的主體地層為淺變質(zhì)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(gòu)造運動強烈,圍巖破碎程度高,大變形是該地區(qū)水工隧洞建設(shè)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(zhèn)組灰?guī)r夾砂巖,中部為飛仙關(guān)組砂泥巖及龍?zhí)睹合底钊寺裆睢１M管家竹等隧道的長度不是很大,但卻發(fā)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(guān)注，根據(jù)國內(nèi)外隧道施工的實踐,施工過程中發(fā)生大變形工程現(xiàn)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(yīng)力水平條件下即發(fā)生顯著變形的工程巖體。產(chǎn)生塑性變形的機理是片架狀粘土礦物發(fā)生滑移和膨脹,根據(jù)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(yīng)力條件下的軟巖的大變形。圍巖初始應(yīng)力或稱為地應(yīng)力是在自然狀態(tài)下存在子圍巖內(nèi)部的應(yīng)力,是客觀存在的物理量。坑道開挖后的應(yīng)力分布,與其有直接的關(guān)系。它的量值受到許多因素的影響,如埋深、地質(zhì)構(gòu)造運動、地形地貌等。

所謂的高地應(yīng)力,它是一個相對的概念,是根據(jù)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(yīng)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(yīng)力或極高地應(yīng)力。

不同的國家，對于高地應(yīng)力的劃分有不同的標準：

極高應(yīng)力極高應(yīng)力極高應(yīng)力法國隧協(xié)<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(yīng)力的條件下,不同的圍巖中開挖以后會出現(xiàn)不同的破壞現(xiàn)象,如果在堅硬巖體中則會發(fā)生巖爆,而如果在軟巖中則會發(fā)生大變形。

(3)節(jié)理化軟巖大變形。節(jié)理化軟巖是指含泥質(zhì)成分少,而節(jié)理發(fā)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(xué)特性,但由于節(jié)理的存在,使得整個工程巖體在工程力荷載的作用下發(fā)生顯著的變形,呈軟巖的力學(xué)特征。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組數(shù)和結(jié)構(gòu)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(tài)一解除,就會出現(xiàn)塑性大變形。其破碎情形與節(jié)理化軟巖有些近似。

(5)復(fù)合型軟巖大變形。有時候大變形的發(fā)生并不是某一種原因?qū)е碌?而是由以上兩種或多種原因共同作用而產(chǎn)生的。

三、結(jié)語

圍巖大變形通過國內(nèi)外案例可以將形成原因歸結(jié)為膨脹性、高地應(yīng)力、節(jié)理原因、斷層原因以及復(fù)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(fā)育在深埋隧道中，圍巖類型多為低級變質(zhì)巖，易造成卡機造成施工延期，因此在隧道建設(shè)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。