華北二疊系泥巖隧道災變機理及控制研究

孫光吉 鄧小龍 原鵬博

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089； 2.蘭州大學土木工程與力學學院，蘭州 730000)

隧道是埋置于地層之下的工程建筑物，是人類對地下空間拓展利用的一種形式[1]。近年來，隨著我國隧道工程技術的高速發展，穿越高山峻嶺的隧道工程也越來越多，所面臨的地層環境也更加多樣且復雜，穿越以泥巖、砂質泥巖為主的華北二疊系軟巖地層的隧道逐漸增多[2-3]。由于軟巖具有強度低、變形大、力學機制復雜等獨特的工程地質特性，極易引起拱頂垮塌、突泥涌水、圍巖大變形等災害，使得隧道的開挖和支護存在很大困難[4]。目前，針對軟巖隧道的災變機制的相關研究還較為薄弱，在軟巖隧道施工中如何選擇合理的開挖、支護方案，以及當軟巖隧道發生大變形時采取何種合理有效的加固措施，對隧道施工質量保障及施工安全性具有重要意義[5-6]。

諸多學者針對軟巖地層中開挖隧道工程的災變問題進行研究。其中，孫偉亮[7]對順層偏壓軟巖地層隧道施工力學行為進行分析，并提出該種工況下的快速施工方法；舒磊等[8]通過現場試驗和非線性流固耦合模型，研究富水斷層隧道支護體系的受力、變形特性，能量和力學響應；張梅等[9]對蘭渝鐵路某高地應力軟巖隧道進行了圍巖強度分級，并建立初期支護破壞準則；黃震等[10]通過地鐵隧道結構災變鏈式結構以及災變數學模型的構建，分析地鐵隧道結構災變特征；呂顯福等[11]從圍巖的巖性、構造、水文、地應力，以及施工工藝等方面對軟巖隧道大變形的機理進行分析，解釋木寨嶺隧道的圍巖大變形破壞特征，并就控制大變形提出相應措施；王英帆等[12]討論不同的施工階段圍巖受力特點及變形規律，并通過數值計算對比分析不同鋼架間距下圍巖的變形控制效果；王建鵬[13]采用荷載-結構計算模型，研究膨脹性軟巖隧道結構受力特征；段永勝等[14]對馬埡口隧道加固前后圍巖變形實測數據進行回歸分析；龔倫等[15]通過室內模型試驗，研究不同隧底結構對軟巖隧道襯砌內力的影響；方星樺等[16]通過香麗高速洼里別隧道圍巖變形監測結果，分析炭質板巖隧道圍巖變形與季節性降雨之間的關系，提出地下水變動是導致圍巖變形呈現季節性變化的主要原因；陳秋南等[17]針對施工過程出現的頂部巖層掉塊和垮塌等工程問題，提出相應的施工優化方案，并通過數值計算以及現場實際狀況對優化后施工方案進行合理性評價。

大規模隧道工程建設為我國積累大量的隧道工程防災減災相關科技成果與實踐經驗，但在隧道工程災害防控方面仍然存在一些不足，如對各致災因子的地質分析及內在關聯分析不足等[18]。鑒于現有研究的不足及軟巖隧道的復雜性，結合華北二疊系泥巖地區隧道開挖引起的圍巖擾動、損傷、破壞及災變這一核心，重點分析軟巖隧道發生災害的關鍵因子以及其內在關聯，圍繞工程地質性質及巖體結構特征、開挖損傷、水作用(動力學、化學)等變化，研究圍巖的弱化與強度變化之間的規律，并基于具體工程實例，提出軟巖隧道施工的災害防治措施，并對實施效果進行評估，從而為揭示軟巖隧道災變機制以及此類隧道的設計施工提供參考。

1 太岳山隧道地質及災害概況

太岳山隧道地處中低山丘陵區，地質結構復雜，施工難度大，是山西中南部鐵路通道的重難點工程以及控制工程，隧道起訖里程為DK392+930～DK409+124，開挖面寬10～11 m，高9～10 m，開挖體積為93～110 m3，洞身埋深最小約為5 m，最大約300 m，隧道開挖區域的地應力分布以自重應力為主[19]。隧道圍巖巖層主要為水平砂巖泥巖互層，根據鉆探資料，隧道通過兩大主要地層，砂巖占53.7%，泥巖占44.2%，剩下2.1%為第四系覆蓋層。太岳山隧道還穿越多個涌水量大、水壓高的斷層富水段，其中DK399+228～DK400+720段通過地層主要巖性為紫紅色泥巖及泥巖夾砂巖，極易出現涌水突泥、局部垮塌等現象[20]。在太岳山隧道的施工過程中，還發現了多處掌子面局部坍塌、內鼓變形甚至侵限等現象[21]。

2 致災因子及災變機制

太岳山隧道穿越多條斷層和地質構造帶，穿越以泥巖、砂質泥巖為主的華北二疊系地層[21]。其中，泥巖富含黏土礦物，在遇水條件下具有一定的膨脹性，由于巖石膨脹性差異，其體積膨脹不均勻，致使巖石內部產生不均勻的應力，并且由于部分膠結物被軟化溶解，從而導致巖石顆粒碎裂崩解[22]。構造裂隙也為雨季地表水侵入以及地下水流通提供良好的通道，水的侵襲在一定程度上導致圍巖產生內膨脹壓力，這也是在雨季時隧道變形量增大的重要原因之一。在多種因素下，太岳山隧道圍巖變形破壞具有變形量大、形變速率高、持續時間長、破壞范圍廣等特征，在巖性差、地下水豐富、高地應力、巖體結構差等控制因素下，圍巖塑性變形隨著時間增長的逐漸擴大，當變形量超過警戒值，且保持持續增長的趨勢，最終其累計變形量將超過預留設計變形量，導致大段落膨脹巖發生大變形，從而演變成隧道拱頂垮塌等嚴重地質災害事件。通過太岳山隧道軟巖特征分析，軟巖變形破壞的災變控制因子主要為地質因子、巖體結構性質因子、水文地質因子和施工因子，其致災因子關系如圖1所示。

圖1 軟巖隧道致災因子關系

由圖1可知，施工開挖是軟巖隧道變形破壞最直接的誘發因素，屬于外部致災因子[23]。在施工爆破等穿透巖體后，圍巖的初始自然平衡應力狀態被打破，上覆地層的應力和變形劇烈調整，原有巖體結構被破壞，使得部分構造裂隙存在張開貫通現象。地下水通道的改變產生一定的滲壓梯度，在山谷、洼地部位匯集的地表水下滲效應增強，進而通過裂隙和軟弱夾層在地層縫網中形成水平和垂直滲流帶并與地下水連通，從而使得富含黏土礦物的泥巖地層以及軟弱夾層強度弱化，在隧道揭穿區域卸壓導致拱頂坍塌、突泥涌水，以及膨脹巖大變形等災害。

2.1 工程地質性質

隧道地處中低山丘陵區，通過地層的主要巖性為二疊系下統上石盒子組砂巖夾泥巖、上石盒子組砂巖夾泥巖，石千峰組泥巖夾砂巖。其特征為結構疏松，含有泥質和鈣質膠結，巖質較軟，巖體完整性差，易發生風化剝蝕，遇水后易崩解。這種類型的圍巖巖體在正常狀態下往往保持原生結構，在高應力狀態下，其圍巖巖體產生塑性變形，加之受到地下水侵襲，使得巖體發生軟化流動，并且巖體中有膨脹性礦物遇水發生膨脹變形，在自然環境作用下，巖體易發生崩滑和塌落現象，對隧道工程的現場爆破施工和前期支護帶來較大影響[24]。

2.2 巖體結構

巖體結構是影響隧道圍巖發生大變形的一個重要因子，巖體結構及其與隧道采空區圍巖結構的空間組合關系往往對隧道巖體變形及其巖體穩定性具有控制性作用[25]。隧道圍巖包含有多種巖性與結構特征，隧道開挖使得圍巖巖體結構發生變化，進而導致巖石強度、完整性、片理結構等都發生一定程度的削弱，這也是致使隧道發生大變形與坍塌的一個重要因素。

太岳山地勢起伏較大，溝谷深切，根據物探及地質測繪結果，隧道區范圍內共發育有28條斷層，其中有25條斷層穿越了太岳山隧道[26]。隧道開挖區地層巖性及巖體結構較為復雜，圍巖等級主要為Ⅲ～Ⅴ級，斷層破碎帶和泥化軟弱結構面最為常見，其中泥巖風化之后的產物形成了泥化軟弱夾層，同時還有黏土礦物組成的薄弱夾層，在層間錯動等構造作用下，使得夾層內部發生剪切從而產生了剪切裂隙，構造作用不僅破壞軟弱夾層自身的完整性，剪切裂隙也為地下水的流動提供通道，從而加重夾層的泥化程度。

巖體中存在的軟弱結構面使巖體具備類似于塊裂介質的力學特性，當巖體結構受到擾動，其受力狀態發生重分布時，以軟弱結構面為銜接的相互堆疊的塊體將沿裂隙空間發生滑移或者壓縮變形，最終導致壓縮和滑移破壞。在隧道施工過程中，往往會發生各種不可預見的地質現象，從而影響其地質構造的變動，當施工地段穿越構造斷裂帶、風化破碎帶、軟弱堆積層時，若巖體強度不足以支撐地層壓力，隧道地層就極有可能因巖體的加速變形而導致圍巖大變形和地層坍塌[25]。

2.3 地下水

根據施工記錄，太岳山隧道開挖區內的地下水類型主要為基巖裂隙水。掌子面區域圍巖巖體干燥，地下水不發育，初期支護后，開挖面附近3～5 m范圍內巖壁滲水不明顯，僅局部區域有濕斑出現，但在距掌子面十幾米處的后方區域，初期支護就發現大面積濕斑，再往洞口方向一段距離發現有線狀滴水現象，其地下水發育呈現一個漸變過程，發育情況如圖2所示。

太岳山隧道尚未開挖時，圍巖巖體在初始應力狀態下其節理裂隙處于閉合狀態，巖體干燥并且地下水尚不發育；在隧道開挖過程中，爆破等擾動作用使得掌子面區域節理裂隙微張，地下水隨著裂隙滲入；在初期支護階段，局部開始出現濕斑；伴隨著地下水侵入，圍巖開始軟化、膨脹甚至崩解，圍巖弱化進而加大了節理裂隙的擴張，此時濕斑開始擴大；隨著圍巖劣化以及節理裂隙的逐漸擴張和相互貫通，致使地表水與地下水連通，水的流通侵蝕又進一步軟化圍巖，從而圍巖塑性圈的范圍逐步擴大，最終表現為線狀滴水現象。

圖2 太岳山隧道地下水發育漸變過程

2.3 工程因素

在隧道施工過程中，由于工程的復雜性，需要多工種、多施工隊協調進行，但各施工隊伍的技術水平存在差異，可能在工程建設中的某些環節存在操作不規范的情況。比如防排水措施不足，開挖進尺不當，使得巖體劣化加速；巖體與支護之間存在空洞，鋼拱架未架設在堅實基礎之上，導致支護效果未能充分發揮等，這些問題對誘發隧道圍巖垮塌的作用不可忽視。

此外，施工爆破等強烈作用力會對圍巖產生擾動破壞，強烈振動誘發并加速軟弱圍巖形變，使得圍巖失穩和坍塌機率大大提升。在施工爆破和掘進的重復擾動作用下，圍巖中原生裂縫及次生裂隙發生不可逆拓展延伸，致使原有巖體內部力學穩定性發生破壞，尤其當施工方法選擇不當或者未能及時支護時，工程重復擾動則會誘導塌方等現象發生。

3 太岳山泥巖隧道災害處治

3.1 現場施工情況及處治措施

在現場部分區域的施工過程中，發現掌子面局部坍塌、內鼓變形以及侵限等現象，嚴重影響施工安全和施工進度。據現場調查結果，XJ0+810掌子面圍巖主要為紫紅色泥巖(如圖3)，節理裂隙較發育，在水的侵蝕下，泥巖發生軟化，巖體表面覆蓋泥化物，層理不清晰，有青灰色泥狀物填充于張開節理內，掌子面開挖時表面干燥，開挖過程中逐漸潮濕，圍巖穩定性較差。DK399+535、DK399+650掌子面(如圖4)圍巖也以紫紅色泥巖為主，開挖時拱頂潮濕，后來有滲滴水現象，圍巖受水軟化，表面層理不明，圍巖穩定性差。DK401+990掌子面開挖揭示，上臺階巖性為泥巖夾砂巖，受向斜構造作用，該處圍巖受擠壓明顯，巖體破碎，產狀雜亂，可見豎向節理發育，并同時發育有一組傾向洞軸線方向節理，拱頂部發育多股涌水，泥巖受水侵蝕軟化，開挖后圍巖無法自穩，圍巖工程地質性質差。

圖3 典型泥巖照片

圖4 典型掌子面圍巖照片

針對現場隧道施工過程中所產生的諸多問題，根據新奧法原理，采取短進尺、勤量測、快通過的原則。針對XJ0+810斷面的工程地質條件，在初期支護時采用格柵鋼架，最終沉降和水平收斂均在可控范圍。DK399+535斷面在前期階段沒有采用格柵鋼架支護，后來發現變形增大，邊墻出現開裂，并且右側邊墻向隧道空間方向鼓出，后期支護方案采用預留核心土、三臺階開挖，并增加鋼架套拱控制變形，最終變形量逐漸趨于穩定。DK399+650斷面采集巖樣進行膨脹試驗，實驗結果表明，該段泥巖具有弱-中等膨脹性，采用H20工字鋼支護，可有效控制隧道變形量。DK401+990斷面圍巖富水，受構造作用影響，開挖過程中有頻繁掉塊現象，采用工字鋼支護，并且預留了較大的變形量，可滿足沉降及水平收斂要求。

3.2 現場監測布置

太岳山隧道正洞采取兩臺階開挖施工方式，分別在上、下臺階處布置BD、AE兩條水平測線以及拱頂下沉測點C，如圖5所示；斜井開挖采用小斷面開挖方式，布設AC水平收斂測線以及拱頂下沉測點B，如圖6所示。

圖5 大斷面量測點布置

圖6 小斷面量測點布置

針對隧道圍巖變形的問題，分別選用不同埋深、不同斷面尺寸的8個典型斷面，進行多角度變形比較，量測斷面布置如表1。

表1 擬定監控量測斷面

3.3 支護措施實施效果評價

對現場施工過程中多斷面布設的監測儀器所得到的監測數據進行分析，圖7為拱頂沉降位移-累計天數曲線。

圖7 拱頂沉降-累計天數曲線

由圖7可知，不同斷面的拱頂沉降位移相差較大，相同時間內不同斷面累計沉降變形量相差最高甚至達10倍。結合現場開挖及監測情況，可發現如下規律。

(1)DK399+650斷面從第11天開始下導開挖，第16天開始仰拱開挖，現場采用工字鋼支護，拱頂變形速率和累計變形量都最小，有效控制了拱頂下沉。

(2)XJ0+120、XJ0+810為斜井，斷面尺寸約為正洞的1/2，采用初支格柵鋼架支護，沉降量不及正洞的1/2。兩斷面的斷面尺寸、沉降趨勢基本一致，XJ0+810斷面較XJ0+120沉降量更小，可能與埋深不同有關。

(3)DK399+485、DK399+535、DK400+000、DK402+520為大尺寸斷面，拱頂累計最終沉降變形量基本一致，在90±5 mm范圍內。現場初支均采用格柵鋼架支護，預留沉降量較小時，有侵限隱患。

(4)DK401+990現場采用工字鋼支護，但因圍巖穩定性差，拱頂沉降量仍很大，最終沉降變形達120 mm，應與拱頂的股狀涌水密切相關。因此，圍巖級別較低時，應適當提高預留沉降量，并減少不必要的工程擾動，加強初期支護措施。在沉降位移曲線上可以看出，該斷面兩次出現沉降拐點，是由于該Ⅴ級圍巖采取三臺階開挖所造成的。

(5)在下臺階開挖時，每個斷面沉降位移曲線皆出現拐點，拱頂下沉量存在突變現象，造成這種現象的原因是下臺階開挖時二次爆破擾動。從監測結果可以看出，經過一段時間沉降變形仍能趨于穩定。通過比較各斷面的沉降曲線，可以初步判定，拱頂沉降位移量與斷面尺寸、初支護形式、圍巖工程地質情況有關。

4 結論

(1)泥巖隧道中導致軟巖變形破壞的災變因子主要為地質因子、巖體結構性質因子、水文因子和施工因子。施工開挖揭穿軟巖界面導致巖體結構破碎和高地應力調整釋放，軟巖遇水泥化，強度迅速劣化是導致這種協同破壞機制為根本原因。

(2)相較于硬巖隧道，高地應力條件下泥巖隧道巖體結構的破壞導致地下水侵襲劣化圍巖引起崩塌突水對隧道的穩定性影響更大，因而在施工進程中需時刻關注地下水的動態變化。

(3)軟(泥)巖隧道的變形力學機制并非是單一的，而是同時包含有多種變形的復合力學機制。如何控制軟巖隧道大變形，關鍵就在于合理組合運用各種開挖及支護方案，在支護和圍巖的相互作用、共同變形中將復合的力學機制轉化為單一的力學機制。

(4)施工開挖是最重要的外部致災因子，故防治泥巖隧道塌方、大變形災害的根本途徑在于：采取合理的設計、施工及支護方法，盡量避免內部致災因子的劇烈作用造成協同災害效應，最終實現軟巖中水巖動力系統平衡狀態的平穩過渡。