成昆鐵路保安營隧道大變形巖爆共生特征及成因分析

鄒遠華 張廣澤 丁文富 鄧 睿

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 工程基本概況

成昆鐵路保安營隧道位于攀枝花市境內，地處金沙江深切峽谷向云貴高原過渡的地形急變形帶，地形起伏大，高差懸殊，為連接既有成昆線和改建成昆鐵路的聯絡線單線隧道，全長 13 326 m，最大埋深約 887 m；隧道進口LXD4K 4+800處設一號斜井，中后部LXD4K 9+500處設二號斜井，出口LXD4K 12+650處設三號斜井。高地應力引起的大變形和巖爆是重要控制節點，是制約隧道順利掘進的主控因素之一。隧道施工過程中，占隧道總長33.7%(4 487 m)的長大緩傾砂頁巖段正洞及一號斜井隧底產生了開裂、隆起變形，變形一般0.2～0.5 m，最大值1.0 m，隧道開挖斷面高6.2 m，最大相對變形量達16.1%。在大變形地段中，部分段落掌子面及拱部圍巖施工中有爆裂、剝離及巖塊彈射等現象，出現了大變形與巖爆共生的特殊施工地質災害。

2 大變形巖爆孕育的特殊工程地質環境

2.1 軟硬相間的緩傾地層巖性特征

保安營隧道主要巖性構造特征是由晉寧期花崗閃長巖巖基構成核部，以康定群混合巖為兩翼之基底背斜。隧道洞身通過次級褶皺之保安營寬緩“碗”狀向斜“碗”底部位，核部地層為三疊系寶鼎組(T3bd)砂頁巖夾煤，兩翼地層為晉寧期花崗閃長巖和康定群混合巖，局部見多期次巖漿侵入。巖性復雜多樣，沉積巖、變質巖及巖漿巖均有出露，地層巖性縱斷面如圖1所示。

圖1 保安營隧道洞身地層巖性縱斷面示意圖

隧道洞身通過地段為三疊系寶鼎組(T3bd)地層超覆于古生界及老基底之接觸帶附近，古地形起伏較大。出現大變形和巖爆地段的巖性為砂巖、頁巖夾炭質頁巖及煤線，其中砂巖為硬質巖，頁巖為軟質巖，具軟硬相間特征。巖性組合形式主要為互層、夾層，具有明顯的由粗至細、由厚至薄、由硬至軟的動蕩沉積韻律特征。具體表現為自下而上由灰白色厚層狀含礫砂巖、砂巖開始(間夾頁巖，硬質砂巖比重占86%～94%)，向上顆粒逐步變細，粉砂巖和頁巖占比增多，層厚為薄-中厚層狀砂巖、頁巖互層，上部以頁巖夾煤薄層煤為主。

2.2 復雜強烈的構造地質環境特征

隧道所處區域地處揚子準臺地西緣康滇地軸中段，在青藏高原強烈隆升和中上地殼物質向東擠出、側向滑移的作用下，區內構造格局受到強烈的改造和變形，地質構造復雜，褶皺及斷裂構造發育。斷裂構造主要為近SN向、NE-NEE向和少量NW向斷裂。隧道位于著名的全新世元謀-綠汁江活動斷裂和攀枝花深大斷裂夾持地帶、強地震帶內，以擠壓構造運動為主，經歷了從晉寧期至中生代三個復雜的演化過程，并伴有種類繁多的多期次巖漿活動，表現出繼承性、多期性和新生性，斷裂多為構造單元的分界線，其分布和活動與大地構造和新構造分區有關[4]。隧址區發育保安營舒緩“碗”狀向斜，巖層傾角緩(真傾角一般3°～8°，局部可達15°)，西翼被保安營正斷層切割。

2.3 高地應力環境特征

場區位于青藏高原東緣地帶，新構造運動特征顯著，區域構造應力場復雜。利用震源機制解反演(隧址區震源機制解反演構造應力場特征如圖2所示)、勘察期間深孔水壓致裂測量、施工期間洞內應力解除原地應力測量資料(隧道洞身地應力測量結果及狀態評價如表1所示)，以及有限元數值模擬技術，綜合分析了保安營隧道區域構造應力場分布特征。

圖2 隧址區震源機制解反演構造應力場特征示意圖

表1 隧道洞身地應力測量結果及狀態評價表

由圖3和表1可以得出，隧道址區地應力環境特征如下：①定性的震源機制解反演與定量的水壓致裂法和應力解除原位地應力測量數據基本吻合；②隧址區地應力以水平構造應力為主導，NWW向和NEE-NE向為優勢方向，與隧道洞軸線呈大角度相交，區域整體處于極高地應力環境；③隧道開挖后產生二次應力場的平衡調整，復雜化了洞內應力環境；④地應力大小和方向對隧道開挖后的圍巖穩定不利，具備產生軟巖大變形和硬巖巖爆的內動力地質條件。

3 大變形巖爆共生的地質成因機制分析

3.1 大變形巖爆共生病害特征

大變形病害主要位于緩傾薄-中厚層狀砂巖、頁巖段落，層間結合較差，砂頁巖層面間易剝離，隨著軟質巖比例的增大，大變形加劇趨勢明顯。保安營隧道以Ⅰ級大變形為主，表現為拱部及邊墻收斂、初支噴混凝土剝落、綱架扭曲變形，隧底仰拱充填層開裂、隆起變形。其中隧底隆起最大值達1.0 m，仰拱充填層裂紋最大寬47.8 mm，拱部及邊墻收斂變形值為0.1～0.4 m。

在拱部發生收斂、隧底上鼓大變形地段，掌子面及邊墻部位為緩傾厚-巨厚層砂巖夾頁巖，砂巖層間結合性較好，巖質堅硬性脆，節理裂隙不發育，巖體干燥無水，圍巖完整或較完整，圍巖整體穩定性較好，為Ⅲ級圍巖。在高地應力條件下，發生了巖爆病害，以輕微巖爆為主，特征表現為巖塊爆裂、剝離現象，部分出現巖塊彈射，其中LXD4K 7+990～LXD4K 8+175段連續砂巖層厚大，巖爆病害突出。

隨著社會經濟的不斷發展，作為應用型院校的畢業生，就業機會也在不斷增多。但與此同時，這些就業崗位對畢業生在職業素養方面的要求也會不斷提高，所以這也是高校面臨的一個新的教育問題，大學生職業素養的培養體系能夠為我校乃至吉林省同類院校學生職業素養培養工作提供有價值的操作方案，切實增強大學生職業素養水平。

根據高地應力環境下圍巖變形破壞的地質力學模式[5]，保安營隧道大變形巖爆共生破壞的地質模式主要為：①薄-中厚層硬質砂巖、頁巖開挖變形為隧底隆起、拱頂下沉及類似軟質巖的巖體松動、水平擠出；②厚-巨厚層硬質砂巖開挖變形為掌子面的巖爆。在隧道底及拱頂部位為薄-中厚層巖層、起拱線至拱腰段為厚-巨厚層硬質砂巖時，施工過程中同時兼具軟巖變形和巖爆的變形特點，對隧道施工帶來較大影響，其特征如表2所示。

表2 保安營隧道巖爆及大變形病害特征

3.2 大變形巖爆共生成因分析

大變形及巖爆是高地應力作用、地層巖性、開挖后二次應力場調整、巖體力學特性等因素綜合作用下的產物[6]。保安營隧道大變形巖爆共生過程復雜，主要是由高地應力、巖體力學強度和結構特征、巖層緩傾特征等綜合因素決定的，特殊的巖性及巖體結構特征是其共生的必要條件。

3.2.1 巖體力學強度特性

巖體抵抗外力而不破壞的能力稱為巖體強度。巖體抗壓強度越小，發生大變形的可能性越高，巖體儲存應變能的能力越高，發生巖爆的可能性也越高。保安營隧道主要巖性抗壓強度如表3所示。

表3 保安營隧道主要巖性抗壓強度表

由表3可知，隧址區頁巖屬于較軟巖，砂巖雖屬于硬質巖，但其飽和抗壓強度下限接近與軟質巖的分界值，具備大變形和巖爆發生的基礎條件。

緩傾地層在隧道開挖后易沿層理面的法線方向發生變形，臨空面巖體向隧道內位移，在自重應力下，緩傾地層各層之間處于離層狀態。由于抗拉強度低，易發生彎曲變形，相同地層巖性條件下緩傾巖層更易失穩[7-8]。保安營隧道緩傾薄-中厚層砂巖、頁巖地層只能承受很小的拉應力，隧道開挖后發生了大變形破壞，且隨著軟質巖比例增大，變形量增大趨勢明顯。

3.2.2 緩傾巖體剛度特性

巖體剛度是指引起巖體單位位移所需的力。巖體結構面黏聚力及結構面間距特征對巖體剛度有較大影響。軟硬相間的層狀巖層在層間低黏聚力作用下，緩傾斜結構面的巖體易沿結構面發生剪切滑移及向垂直結構面的臨空面發生彎曲變形，從而引起開挖巖體剛度降低。反之，層間黏聚力增大時，巖體的強度也隨之增大[9]。層間小間距(薄-中厚層)結構面抵抗變形能力弱，間距增大時，在荷載作用下主要以巖體內部的張拉或剪切破壞為主，與結構面相關的破壞較少，整體剛度增大。

保安營隧道緩傾薄-中厚層狀頁巖或砂巖夾頁巖黏聚力弱，單層厚5～40 cm，剛度較低。在開挖后巖體剛度進一步降低，沿結構面發生張拉及剪切破壞，從而發生變形破壞；厚層-巨厚層狀砂巖黏聚力提高，黏聚力影響減弱，單層厚一般大于50 cm，巖體剛度增高，破壞時應變能釋放較高，從而發生巖爆。巖體剛度特征與隧道開挖后頁巖變形最大，砂巖、頁巖互層變形次之，厚層砂巖主要發生巖爆的情況符合。

3.2.3 圍巖應力條件的復雜性

保安營隧道軟硬相間巖層的層厚差異及緩傾構造使隧道開挖后圍巖應力分布更為復雜。應力在緩傾巖層中的傳播表現為垂直層面的傳播深度大于平行層面方向[10]，層狀巖層在垂直于層面方向上傳遞壓應力，但一般不能傳遞拉應力，僅當層面結合良好時才能傳遞較低的拉應力。隧道開挖后部分應力釋放，周圍應力進行調整和重新分布，隧底及拱頂形成應力集中區，壓力和應變最大，引起巖石向硐室中心徑向變形病害。層理平行臨空面情況的砂巖發生應變巖爆時應力水平最低，即這種情況下產生應變巖爆的應力水平要求不高，容易產生破壞，但破壞的劇烈程度比較微弱。

因此，在高地應力狀態下，受巖體強度、層間巖體剛度等因素影響，隧道開挖卸荷后，層厚5～50 cm砂巖發生了較微弱的巖爆現象(巖體開裂)，但受其層厚影響又不足以發生剝離崩落、彈射的典型巖爆現象，而是在復雜受力情況影響下發生彎曲、張裂，表現出軟質巖具有的大變形特點，導致隧底隆起、邊墻開裂、仰拱開裂上拱及拱部剝落等；層厚大于50 cm的砂巖則具有較典型的巖爆特點。因此，保安營隧道緩傾地層在施工中整體體現出大變形、巖爆共生的特征，如圖3所示。

圖3 緩傾砂巖夾頁巖地層大變形巖爆共生示意圖

4 結論

(1)保安營隧道區域地應力以水平構造應力為主，方向與隧道洞軸線呈大角度相交，處于極高地應力環境；地應力大小和方向對隧道開挖后的圍巖穩定不利，是產生大變形和巖爆的內動力地質條件。

(2)保安營隧道的緩傾、軟硬相間巖層具備產生大變形和巖爆共生的基礎地質條件，破壞模式及特征主要為：薄-中厚層硬質砂巖、頁巖開挖變形為隧底隆起、拱頂下沉及類似軟質巖的巖體松動、水平擠出，隨著軟質巖比例增大，大變形加劇趨勢明顯；厚-巨厚層硬質砂巖夾頁巖開挖變形為巖爆。

(3)巖體剛度是隧道發生大變形及巖爆的重要影響因素，層間薄層狀剛度低的巖體以大變形破壞為主，厚層狀剛度高砂巖以巖爆病害為主；不同層厚組合模式的硬質砂巖和軟質頁巖在高地應力條件下兼具大變形及巖爆共生的條件。

(4)保安營隧道大變形巖爆共生地質災害是在復雜地質環境下高地應力場、特殊的巖性組合、不同的強度及剛度特征等因素共同作用下產生的。通過分析共生的特征及影響因素，評判隧道施工的風險性，對優化隧道結構設計，確定合理有效的防治和控制措施，規避施工和后期運營風險具有重要意義。