八外洋隧道穿越花崗巖蝕變帶的大變形機理分析

朱中全

（南平武夷新區繞城高速公路有限責任公司，南平 354200）

1 前言

花崗巖、玄武巖等火成巖因其強度高、完整性好,被視為修筑地下工程的理想場址。世界范圍內很多重大核電站、水電站和地下洞室等均修筑在這類火成巖巖體中。 穿越火成巖中的隧道在斷層破碎帶、 富水帶等不良地質體時偶爾會遭遇坍塌、突水等工程地質問題[1-4]。而發生在花崗巖蝕變帶中的初支結構大變形災害在國內外文獻中卻少有報道。

巖漿侵入早期地層(圍巖)時,兩者間呈現侵入接觸關系,在巖漿冷凝、結晶過程中,由于兩者間的礦物成分、化學成分、溫度、壓力等差異,必然導致接觸帶附近的巖漿和圍巖為適應新的物理-化學條件發生物質成分的侵染和礦物成分的變質, 導致接觸帶附近的巖體顯著區別于圍巖和接觸帶外巖漿冷凝產物。 接觸帶附近特殊的礦物組合和成巖過程所形成的巖石在地質學中被稱為蝕變巖[5]。 基于巖體物理力學觀點,蝕變作用既有硅化、青磐巖化等強化巖體的效果,也有云母化、粘土化等劣化巖體的效果。 但由于難以辨識和地質知識的欠缺,工程實踐中對蝕變導致的粘土化及強度劣化的情況常常被誤判為風化作用所致[6-7]。 但同蝕變相關的工程地質問題卻普遍存在,如著名的馬爾帕塞壩的潰壩事件, 失事原因之一為左壩肩沿片麻巖中的絹云母蝕變頁巖發生滑動[8]；洪都拉斯的埃爾卡洪壩沿著粘土化蝕變帶和蝕變方解石帶發生大規模滲漏事件[9]；英國的馬丁瓷土露天礦坑的高嶺土化蝕變導致的巖體強度劣化和邊坡穩定性問題[10-11]；同時,還有大量工程由于蝕變削弱了巖體物理力學性質, 對工程建設產生很大影響。 如燈火寨隧道的粘土化蝕變[12]；滇藏鐵路部分隧道火成巖的蒙脫石化蝕變[13]等。

盡管大量工程遭遇粘土化蝕變的威脅, 但從工程地質的角度對其形成機理、發育規律的研究依然很少[14-15]。然而,此研究對火成巖巖體特別是淺成、超淺成侵入體的工程特性和地質問題的預測具有重要的理論和實際意義。 對金屬礦產資源的開采更加重要,這是由于很多金屬礦床的形成與巖漿活動及蝕變密切相關, 正是這種巖漿活動使某些礦物產生蒙脫石化、 伊利石化、 高嶺石化蝕變,進而造成巖石變質、強度弱化；從而導致地面和地下工程開發中坍塌、突泥、底鼓、滑坡等一系列問題,給工程建設造成極大困難[16-17]。

本文以京臺高速公路八外洋隧道穿越花崗巖蝕變帶為例,結合其大變形的特征、工程地質調查、現場監測及室內試驗,分析八外洋隧道大變形的特征及形成機理。 其研究思路和方法可為今后類似地質條件下的隧道工程提供參考和借鑒。

2 八外洋隧道

2.1 工程概況

2.1.1 項目概況

八外洋隧道位于建甌縣內,屬京臺高速公路,八外洋隧道是分離式雙洞雙車道高速公路隧道, 左洞ZK29+735～ZK30+437, 長702m； 右洞K29+700～K30+400,長700m；隧址區域的海拔高度為205～228m。

八外洋隧道地處隧址區地貌屬構造剝蝕中低山區,地形起伏較大,覆蓋層較厚。 其中,進口段地形較陡峭,隧道埋設介于53～167m； 出口端地勢平緩, 山坡坡度10°～15°；地表植被茂盛,其中平坦地段被開發為稻田。

2.1.2 地質條件

隧址區域地層巖性較復雜, 進口段出露晚侏羅世的灰色凝灰巖,局部夾凝灰質粉砂巖和凝灰質細砂巖。 凝灰巖呈巨厚狀,凝灰結構,表面疏松、多孔、有粗糙感；凝灰質粉砂巖和細砂巖的厚度不均,介于0.2～3.2m。 出口段出露早白堊世侵入的花崗巖,淺粉色,中粒似斑狀花崗結構,塊狀構造；巖體完整性差,節理裂隙發育,呈全-強風化狀。后期侵入的花崗巖在樁號ZK145+376 處與凝灰巖呈侵入接觸,具體如圖1 所示。 因花崗巖的侵入,凝灰巖受高溫、高壓及熱液交代等影響, 接觸帶附近巖體呈明顯的蝕變特征,主要表現為絹云母化、粘土化。 強烈蝕變作用形成寬度為42m、深度大于80m 的陡傾蝕變帶,其中,蝕變帶中的軟弱蝕變巖的寬度約21m。

隧道洞頂低于當地侵蝕基準面。 出口段地形平緩,地表植被發育,多為稻田,常年有地表積水。地下水主要為風化帶網狀空隙裂隙水、基巖裂隙水。

圖1 八外洋隧道進口段地質縱斷面圖

2.1.3 施工概況

八外洋隧道采用新奧法設計及施工,鉆爆法開挖。 其中,發生大變形的V 級圍巖段采用挖機開挖,施工工法為單側壁導坑法(CD 法)。 開挖步序是左側上臺階先行開挖,并施做初期支護和臨時支護,然后再開挖中臺階,臺階間距保持15m 以上；右導洞的上臺階同左導洞的中臺階保持15～20m 的間距； 右導洞的中臺階同上臺階保持15m以上的間距；左右導洞的下臺階均在施工仰拱是開挖；每循環開挖進尺90cm,并在開挖后立即施做初期支護和臨時支護。 其中豎向的臨時鋼支撐在仰拱施做后,圍巖變形穩定48h 以上再拆除,每次拆除長度12m,為施做防水結構和二襯施工提供工作面。

2.2 大變形

2017 年3 月10 日13:50, 八外洋隧道出口段左洞ZK145+365～ZK145+386 發生變形,在短短3 個小時內,隧道圍巖的變形持續增大, 最終拱頂沉降值達到1235mm,整個上部初支結構侵入二襯限界達到1.05m。 發生變形的隧道段位于開挖掌子面后方35～56m 處。 基于大變形的發生過程和拱頂沉降時間變化曲線(圖2)來看,大變形發生前此段隧道的累計沉降量和沉降速率都很小, 遠未達到40mm 的累計沉降預警標準。 大變形事故突然發生,1 天內的累計變形達1200mm,并且圍巖顯著變形后逐漸趨于穩定,變形量沒有繼續增大。從變形災害的形態(圖3)可以看出,整個變形段上部初支結構基本保持完好,甚至噴射混凝土都沒有脫落, 僅僅上下臺階連接處的鋼拱架被壓屈變形,噴射混凝土局部脫落(圖3)。盡管洞內發生如此大的變形, 地表調查并未發現對應的地表發生塌陷,近發育2 條寬度約3～5cm、長度約30m 的裂縫,裂縫的走向垂直于隧道軸線方向。

圖2 拱頂沉降時間變化曲線

圖3 大變形破壞照片

2.3 變形特征

基于隧道大變形的形態及發展演化過程和地質條件分析, 八外洋隧道的大變形不同于受掌子面時間及空間效應控制的一般隧道變形,呈現如下特點：

2.3.1 大變形段隧道淺埋

大變形事故發生在隧道洞口段, 此段拱頂至地表的埋深僅為21m(圖1)。 基于太沙基和普氏理論計算隧道支護結構承受的上覆土壓力較小。 從變形力學角度分析,在如此小的埋深及荷載下, 隧道所采用的開挖方法及支護措施完全能夠提供足夠的支護抗力抵抗隧道的變形,不至于引起如此突然的大變形。 因此,觸發隧道突然發生如此大變形導致力學平衡被打破的其它因素有待進一步探討。

2.3.2 大變形的形態特殊

由圖2 可知,2017 年3 月10 日13:50 分前,隧道拱頂最大變形量為21.8mm,其累計變形量和變形速率均小于預警值,處于正常允許范圍內。但突然發生的大變形,而且短時間內整個上部支護結構向隧道凈空內收縮、變形,長度21m 的支護結構侵入二襯限界高達1.05m, 但變形并沒有一直發展,沒有引發坍塌,甚至上部初支結構的噴射混凝土都沒有脫落； 而且開挖的掌子面距離大變形段達到35m, 大于2 倍洞徑的顯著影響區域, 掌子面開挖的時間效應和空間效應導致的變形已經微弱。 因此,八外洋隧道大變形的形態特征在與以往的隧道比較中也是罕見的[17-18]。

2.3.3 大變形段圍巖的構成復雜

大變形段圍巖為土石混合體, 其巖土構成主要為殘積土,土中的巖石碎塊約占總體積的40%,以碎裂狀、棱塊狀鑲嵌于粘土中,其粒徑介于5～25cm；而粘土成分呈砂土狀、泥狀,灰白色,松散、質軟并富水,手搓具有明顯的滑膩感,具體如圖4 所示。隧道開挖后,粘土中夾雜的巖石碎塊易崩解脫落；松散的土易軟化成泥。粘土中夾雜的巖石碎塊表面呈泥狀、砂土狀；內部相對較完整,呈礫石狀；但受粘土礦物影響、顆粒間膠結較差,強度較低,手捏即碎。

圖4 松散的巖土體

3 接觸帶附近巖體的特征

3.1 巖相及礦物特征

根據開挖揭示和地表補充勘探, 得出八外洋隧道大變形段的推測地質縱斷面圖,如圖1 所示,沿著進洞方向依次發育花崗巖、絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土、蒙脫石化粘土和凝灰巖。 其中,絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土、蒙脫石化粘土均為接觸帶附近巖體蝕變的產物。而圍巖的大變形正好發生在高嶺土化粘土和蒙脫石化粘土發育地段。

巖相分析表明, 絹云母化花崗巖巖體呈半固結半松散狀,花崗結構較清晰,結構面很發育,巖體普遍強烈蝕變、完整性差、強度低。 隨著絹云母化蝕變程度加深,巖體由淺粉色逐漸過渡到灰白色。 絹云母由造巖礦物的鉀長石、斜長石和黑云母蝕變而來。絹云母化花崗巖的主要礦物成分如表1 所示,受礦物蝕變作用的影響,絹云母鈉長石化花崗巖的孔隙、裂隙更加發育,造巖礦物的顆粒粒徑普遍減小3～5mm,較未蝕變的花崗巖更加破碎、松散,強度更低。

通過對高嶺土化粘土的巖相分析發現, 碎屑物質主要為鉀長石(6%)和石英(10%)殘體,顯微鏡下兩者多被粘土礦物蝕變呈港灣狀；斜長石(4%)大部分蝕變為白凈的粘土, 但長石假象仍可辨識。 高嶺土化粘土中粒徑小于0.5cm 的泥、砂等碎屑物約占總體積的70%。 此碎屑物十分松散、軟弱,具有軟塑性、膨脹性和崩解性；隧道開挖后,遇水很快軟化、膨脹、崩解成泥。 此碎屑物由石英、粘土(55%)、絹云母(13%)、巖石碎屑等組成。 其中,石英顆粒多呈細粒、松散砂糖狀(原巖中石英粒度為0.5～4.0mm,泥化物中為0.2～0.5mm),含量約10%(原巖中為14% )。

通過對蒙脫石化粘土的巖相分析發現, 碎屑物由粘土、巖石碎屑組成。 其中,粒徑小于0.5cm 的泥、砂等碎屑物約占總體積的85%。 蒙脫石化粘土的主要礦物成分見表1。 隧道開挖后,蒙脫石化粘土遇水很快軟化、膨脹、崩解成泥。

針對粘土礦物開展X 射線衍射和掃描電鏡分析,結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 土體的微觀照片

圖6 粘土的XRD 圖譜

圖5(a)的掃描電鏡測試結果可見,高嶺石晶體呈假六方片狀,厚度均勻,自形程度較好,晶片較大,顆粒5～10μm,其集合體緊密堆積呈書冊狀, 說明高嶺石具有較高的結晶度。 圖5(b)所示的蒙脫石化粘土的掃描電鏡測試結果顯示顆粒呈粒狀,顆粒大小不均,點接觸,孔隙發育,具架空結構。

圖6(a)的衍射譜圖中,高嶺土呈現最強衍射峰值,石英和伊利石次之,長石類礦物以斜長石為主,未發現鉀長石,其它礦物的衍射均較小；XRD 測試結果表明高嶺土化粘土中高嶺土礦物是占主導的,其次是石英和伊利石。 圖6(b)所示的蒙脫石化粘土的衍射結果可以看出,粘土礦物中蒙脫石的衍射峰最強,綠泥石次之,絹云母的衍射峰強度較弱,未發現石英、長石等造巖礦物。

綜合X 射線分析結果可以看出, 高嶺土化粘土的軟巖礦物主要為高嶺石、伊利石和絹云母；蒙脫石化粘土的礦物主要是蒙脫石、綠泥石。

表1 礦物成分鑒定結果

3.2 物理及水理特征

蝕變作用不僅改變巖石的礦物成分、 化學成分及結構、構造特征,還改變巖石的物理、力學及水理特征。 巖土體的物理及水理特性指標試驗結果見表2。

從花崗巖到蒙脫石化粘土,隨蝕變程度的加深,其含水率、孔隙度和吸水率(天然和飽和)均增大。 尤其是從絹云母化花崗巖到高嶺土化粘土,其變化更顯著。 如花崗巖的孔隙度為6.4%, 而其它蝕變巖的孔隙度依次為8.9%、14.7%、31.6%和32.1%。 其它物性指標的變化情況與孔隙度相似。 巖土體孔隙度的逐漸增大,反應原巖礦物在絹云母化和粘土化蝕變演化過程中,隨著孔隙、裂隙的生成或原有的孔隙、裂隙的擴展、貫通,且蝕變強度的增加,其孔隙、裂隙等的數量逐漸增多。 與上述變化規律相反,巖土體的密度(天然和飽和)逐漸降低。

因此,從工程地質角度分析,隨著蝕變的增強,從花崗巖到蒙脫石化粘土,巖土體的物理性能逐漸劣化。

表2 所示的膨脹特性試驗表明,絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土和蒙脫石化粘土不但呈現很強的膨脹性,而且其側向約束膨脹率逐漸增大, 其值分別為124%、132%和144%。 從蝕變巖的演化和礦物成分角度分析,造成上述膨脹性能差異的主要原因是試樣中粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石)的種類及含量不同。 試樣浸水后,粘土礦物的吸水、含水率增加,造成結晶構架因吸水產生膨脹應力,更多的粘土礦物產生更大的膨脹應力,且在初期膨脹劇烈。 因蒙脫石的吸水率較高嶺石的更大,所以初期反應更劇烈。對于絹云母化花崗巖,不但粘土礦物少,而且大量粘土礦物填充在晶格內部或分散在非粘土礦物顆粒之間,所以其與水的反應更慢、膨脹應力更小。

表2 巖土體的物理及水理特性

4 大變形機理分析

八外洋隧道發生大變形的區段為花崗巖與凝灰巖的接觸帶。 晚期侵入的花崗巖巖漿同早期形成的凝灰巖呈侵入接觸。 由于兩者間的溫度、壓力和礦物成分的差異,巖漿冷凝、結晶演化過程中,兩者之間的接觸帶附近發生強烈的侵染和蝕變, 在花崗巖側發育帶狀絹云母化花崗巖和高嶺土化粘土；在凝灰巖側發育帶狀蒙脫石化粘土。蝕變不但導致原巖中的長石、 石英等堅硬的造巖礦物大幅減少,生成了大量的高嶺土、蒙脫石、伊利石、絹云母等軟巖礦物；而且導致殘留的造巖礦物顆粒更細小、顆粒之間的聯結更弱,孔隙、裂隙更加發育擴大。

同時,粘土帶中大量發育的蒙脫石、高嶺土等軟巖礦物,不但導致其孔隙度、含水量等物理特性顯著劣化,而且也導致其具有很強的膨脹性。

正是由于粘土帶中親水性較強的蒙脫石、高嶺土、伊利石等膨脹性粘土礦物的存在,當隧道開挖通過后,形成地下臨空通道, 不但導致蝕變帶內原有的物質和力學平衡被瞬間打破, 導致開挖輪廓線附近圍巖發生初始的變形；而且由于地下水的排泄和大氣降水的補給,導致預留圍巖先后經歷浸水-開挖后失水-大氣降水的再次補給。應力的調整和地下水的排泄-補給誘發親水性膨脹粘土的膨脹、崩解。 同時,開挖輪廓線附近預留圍巖的膨脹加劇圍巖的變形,進一步加速地下水的排泄,不但降低圍巖間的內聚力、摩擦力,而且地下水的滲透力也持續增大。開挖輪廓線附近圍巖的變形和膨脹誘使隧道周邊更大范圍的圍巖變形, 進而導致作用在初支結構上的土壓力持續增加。 當作用在初支結構上的土壓力和膨脹力大于支護結構所能承擔的支護抗力時, 圍巖的大變形和支護結構的破壞在很短時間內被誘發,直至膨脹力被釋放,支護結構同圍巖間達到新的力學平衡,變形才逐漸趨于停止。

5 結論

(1)從隧道大變形的發生及演變過程分析,大變形事故發生在隧道洞口的淺埋段,而且變形形態特殊,在整個支護結構完好的情況下突然發生整體沉陷, 并且1 天內的累計沉降量達到1200mm,此后,變形逐漸趨于穩定。

(2)淺埋的八外洋隧道發生的大變形的機理是：大變形發生在花崗巖接觸帶, 由于接觸帶附近特殊的巖漿演化和成巖過程,導致此區域發育大量高嶺土、蒙脫石等親水性的軟巖礦物。 大量親水性的軟巖礦物的存在不但為大變形的發展提供物質條件；而且導致圍巖的物理、水理特征顯著劣化。 同時,由于隧道的開挖擾動、應力重分布和圍巖的初始變形, 導致預留圍巖先后經歷浸水-失水-浸水的過程,此過程不但誘使親水性軟巖礦物的膨脹；還導致更大范圍圍巖的變形和作用在支護結構上的土壓力超過其承載能力。 因此,八外洋隧道大變形機理同大變形發生、演化的過程完全吻合。

(3)晚期侵入的巖漿巖同早期成巖的不同巖性的接觸帶, 由于蝕變作用導致接觸帶附近的形成各種類型的蝕變巖。 因此,今后的設計施工中應重視辨識蝕變作用、蝕變強度,尤其是易于誘發大變形、突泥等地質災害的高嶺土、蒙脫石等親水性軟巖礦物的辨識。