云屯堡隧道圍巖變形特性與預(yù)防控制措施研究

陳 燕

(四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 成都 100024)

公路隧道、水工隧道及其他地下工程的圍巖變形常會(huì)導(dǎo)致各種地質(zhì)災(zāi)害[1]。隧道圍巖大變形在國(guó)內(nèi)外隧道建設(shè)過(guò)程中已屢見(jiàn)不鮮，國(guó)外的阿爾貝格公路隧道、陶恩公路隧道、辛普倫隧道等在修建的過(guò)程中均出現(xiàn)過(guò)圍巖大變形，嚴(yán)重影響了隧道施工的安全。國(guó)內(nèi)南昆鐵路的家竹箐隧道，拱頂最大沉降240 cm，邊墻內(nèi)移80 cm，底鼓80～100 cm；鷓鴣山公路隧道修建過(guò)程中最大沉降已達(dá)300 mm；十漫高速公路火車嶺隧道最大水平收斂值達(dá)到120 cm，拱頂沉降值達(dá)到160 cm[2]。大量工程實(shí)踐表明，隧道圍巖出現(xiàn)大變形問(wèn)題，不僅治理費(fèi)用高，影響工程進(jìn)度，而且對(duì)隧道的安全施工造成極大威脅[3-6]。

云屯堡隧道是成蘭鐵路重點(diǎn)控制性工程之一，全長(zhǎng)22.932 km，該隧道地處龍門(mén)山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的A形斷塊中，其區(qū)位示意見(jiàn)圖1。

圖1 云屯堡隧道區(qū)位

該區(qū)域地質(zhì)具有“四極三高五復(fù)雜”的顯著特征，即地形切割極為強(qiáng)裂，構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍，巖性條件極為軟弱破碎，汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力，高地震裂度，高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史、復(fù)雜的構(gòu)造形跡、復(fù)雜多變的復(fù)理巖建造、復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境、復(fù)雜的地下水條件。因此該隧道施工過(guò)程中極有可能出現(xiàn)圍巖嚴(yán)重變形，進(jìn)而出現(xiàn)坍方、大面積二次擴(kuò)挖等次生地質(zhì)災(zāi)害[7-8]，有必要對(duì)該隧道的變形機(jī)理及預(yù)防對(duì)策進(jìn)行研究，確保隧道施工階段安全生產(chǎn)。

1 云屯堡隧道工程地質(zhì)概況

云屯堡隧道位地處岷江活動(dòng)斷裂帶被動(dòng)盤(pán)上，基本與之平行，相距0.5～3.5 km，附近發(fā)育雪山、虎牙活動(dòng)斷裂。洞身穿越1條斷層，17條褶皺，震區(qū)加速度0.3g。

采用地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、物探、巖樣測(cè)試等手段確定巖性本隧均為三疊系地層，其中1、2橫工區(qū)為雜谷腦組砂巖、板巖、千枚巖；3～7橫為新都橋組和侏倭組千枚巖、砂巖地層，千枚巖與砂巖互層，千枚巖占比變化頻繁，巖質(zhì)軟。隧道地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖2。

該區(qū)域地表水主要為岷江水系，隧道布線于岷江與大姓溝之間，至3號(hào)橫洞以后，隧道拱部低于大姓溝底，隧道區(qū)域地表水系見(jiàn)圖3。地下水為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水，構(gòu)造、褶皺核部地下水發(fā)育，預(yù)估涌水量50 000 m3/d。

圖3 隧道區(qū)域地表水系分布圖

隧道圍巖分級(jí)以地質(zhì)測(cè)繪、地層巖性、鉆探資料、物探成果為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合隧道埋深和地形、構(gòu)造、地下水分布情況確定，隧道區(qū)間具體圍巖分級(jí)情況及段落劃分見(jiàn)表1。

表1 圍巖分級(jí)

在隧道初步設(shè)計(jì)階段，未測(cè)試隧道構(gòu)造地應(yīng)力，施工期間在5、6號(hào)橫洞之間進(jìn)行了1次深孔鉆探和地應(yīng)力試驗(yàn)，測(cè)得最大水平主應(yīng)力15 MPa，最小水平主應(yīng)力10 MPa，估算垂向主應(yīng)力約為12 MPa。

2 隧道圍巖變形段落預(yù)測(cè)及加固設(shè)計(jì)

2.1 隧道圍巖變形段落預(yù)測(cè)

隧道圍巖在預(yù)測(cè)其變形等級(jí)時(shí)需結(jié)合云屯堡隧道具體情況、周邊類似工程情況綜合考慮。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范以及相關(guān)參考文獻(xiàn)，隧道圍巖大變形等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。圍巖強(qiáng)度通常采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度推測(cè)，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，云屯堡隧道圍巖強(qiáng)度換算系數(shù)見(jiàn)表3。

表2 隧道圍巖大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖體強(qiáng)度影響程度表

按照云屯堡隧道圍巖強(qiáng)度推測(cè)值，以及施工階段實(shí)測(cè)地應(yīng)力比值大小，將本隧道軟巖大變形分為輕微、中等及嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)。隧道正洞預(yù)測(cè)發(fā)生變形洞段段長(zhǎng)2 040 m(中等變形洞段計(jì)8段共1 640 m，輕微變形洞段計(jì)4段共400 m)，占全隧的18%；預(yù)測(cè)可能發(fā)生大變形洞段計(jì)26段長(zhǎng)7 012 m，占全隧63%。正洞可能變形及大變形段全長(zhǎng)9 052 m，占管段隧道總長(zhǎng)的81%。隧道正洞變形預(yù)測(cè)段落見(jiàn)表4。

表4 隧道正洞軟巖變形預(yù)測(cè)段落

2.2 隧道圍巖變形與襯砌設(shè)計(jì)方案

考慮隧道后期施工階段圍巖穩(wěn)定和安全，隧道圍巖變形洞段需要在原施工圖基礎(chǔ)上進(jìn)行專項(xiàng)加固設(shè)計(jì)。隧道圍巖加固一般變形洞段按雙線無(wú)砟道床一般復(fù)合式襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮0.3g震區(qū)，IV級(jí)圍巖采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。大變形圍巖段襯砌的施工工法、支護(hù)，以及針對(duì)大變形監(jiān)控量測(cè)均采用預(yù)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，按照先試驗(yàn)后推廣的原則進(jìn)行施工。施工圖確定大變形段暫按對(duì)應(yīng)段落的V級(jí)圍巖加強(qiáng)復(fù)合式襯砌(斷層處按V級(jí)抗震襯砌)設(shè)計(jì)及計(jì)列工程數(shù)量，預(yù)留變形量10～32 cm，明確在施工中按動(dòng)態(tài)管理辦法根據(jù)實(shí)際發(fā)生量調(diào)整。對(duì)可能發(fā)生大變形的洞段按相應(yīng)圍巖等級(jí)一般襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如發(fā)生大變形，根據(jù)變形等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)處理[9-10]。

針對(duì)隧道圍巖不同的變形情況，分別采取不同的設(shè)計(jì)方案，其中無(wú)變形洞段2 070 m，按III、IV、V級(jí)圍巖分類，根據(jù)圍巖的不同級(jí)別，采用與之對(duì)應(yīng)的復(fù)合襯砌及相應(yīng)的支護(hù)形式。可能發(fā)生大變形洞段段7 012 m，按III、IV、V級(jí)圍巖分類，襯砌類型與支護(hù)方式與無(wú)變形段相同。輕微變形洞段400 m，對(duì)應(yīng)大變形洞段I型，其中IV級(jí)圍巖段采用復(fù)合襯砌，V級(jí)圍巖采用復(fù)合加強(qiáng)襯砌，支護(hù)形式與之相對(duì)應(yīng)。中等變形洞段1 640 m，對(duì)應(yīng)大變形II型，均為V級(jí)圍巖，采用V級(jí)復(fù)合加強(qiáng)襯砌。

隧道圍巖變形與襯砌設(shè)計(jì)采用的III級(jí)、IV級(jí)、V級(jí)復(fù)合襯砌、支護(hù)措施與大變形I、II、III型襯砌與支護(hù)措施參數(shù)比較見(jiàn)表5。

表5 隧道圍巖變形與襯砌設(shè)計(jì)與預(yù)設(shè)計(jì)參數(shù)

通過(guò)表5中隧道圍巖變形與襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比可知，隧道圍巖大變形段對(duì)變形控制的設(shè)計(jì)方案，無(wú)論是支護(hù)方式，襯砌結(jié)構(gòu)形式都進(jìn)行了加強(qiáng)，加大了預(yù)留變形量，增設(shè)了纖維錨桿和纖維混凝土，拱墻部位增設(shè)了中空錨桿，強(qiáng)化了型鋼支撐，增大了襯砌混凝土厚度。

3 隧道圍巖施工階段變形破壞特征及處治措施

3.1 隧道圍巖大變形主要破壞形式

云屯堡隧道開(kāi)工后陸續(xù)出現(xiàn)多處圍巖嚴(yán)重變形，支護(hù)及襯砌破壞現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，圍巖變形破壞主要分布在拱頂、拱腰及兩側(cè)邊墻，局部大變形嚴(yán)重洞段有底板鼓起等變形破壞跡象，變形破壞集中發(fā)生在1標(biāo)3號(hào)、4號(hào)橫洞施工工點(diǎn)。變形破壞形式表現(xiàn)為掌子面圍巖崩解坍塌(即掌子面開(kāi)挖卸載后在地應(yīng)力作用下千枚巖層出現(xiàn)崩解溜坍，見(jiàn)圖4a))；初支混凝土剝落掉塊指由于圍巖變形荷載較大，作用于鋼拱架和噴混凝土層，導(dǎo)致鋼拱架產(chǎn)生變形(見(jiàn)圖4b))，噴射混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂剝落掉塊、鋼拱架變形、底板隆起開(kāi)裂(見(jiàn)圖4c))、二襯開(kāi)裂(見(jiàn)圖4d))等多種變形破壞方式。

圖4 隧道圍巖大變形破壞形式

3.2 隧道圍巖大變形破壞原因分析

在整座隧道中所占比例最大的變形破壞是塑性擠出型變形，尤其以4號(hào)橫洞工區(qū)橫洞HD4K0+004-+040、正洞D5K222+375-+528、救援站PD1K222+232-+659.5最為突出。除地應(yīng)力高，巖體破碎外，導(dǎo)致出現(xiàn)圍巖嚴(yán)重大變形的主要原因是該段地層圍巖千枚巖和炭質(zhì)千枚巖的含量較高；另一方面是由于隧頂?shù)陀诖笮諟系祝严端S富且滲水流量大，導(dǎo)致破碎的千枚巖軟化，巖體強(qiáng)度降低，圍巖在應(yīng)力的作用下向洞室開(kāi)挖臨空面產(chǎn)生塑性擠出，且持續(xù)變形時(shí)間較長(zhǎng)。其次由于現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照安全步距管理，導(dǎo)致襯砌施工時(shí)，圍巖變形并未收斂。

圍巖變形導(dǎo)致噴射混凝土開(kāi)裂，產(chǎn)生型鋼拱架膨脹內(nèi)鼓破壞變形，主要出現(xiàn)在4號(hào)橫洞小里程方向D5K222+375-400附近，4號(hào)橫洞HD4K0+004-+040段。分析本段圍巖出現(xiàn)中等變形的原因，經(jīng)巖石取樣采用X射線衍射圖譜研究，各取樣點(diǎn)千枚巖含有一定量的伊利石類礦物，此類礦物雖然遠(yuǎn)不如蒙脫石膨脹性強(qiáng)，但圍巖裂隙若出現(xiàn)滲漏水，亦會(huì)出現(xiàn)一定的變形，當(dāng)預(yù)留變形量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土開(kāi)裂，型鋼拱架變形。

圍巖變形導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂會(huì)導(dǎo)致彎折內(nèi)鼓型變形，主要出現(xiàn)在DK218+820附近，分析本段圍巖出現(xiàn)中等變形的原因，通過(guò)選取巖樣做聲發(fā)射推測(cè)的構(gòu)造地應(yīng)力為14.8 MPa，采用區(qū)域地質(zhì)反演分析，其構(gòu)造地應(yīng)力為12.6 MPa，分析圍巖巖性為砂巖千枚巖復(fù)層，千枚巖只占到12%，由此推測(cè)，在洞室開(kāi)挖形成后，由于圍巖卸荷回彈和應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓力超過(guò)薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度，從而引起圍巖的彎折內(nèi)鼓。

圍壓變形導(dǎo)致具備出現(xiàn)噴射混凝土開(kāi)裂掉塊產(chǎn)生碎裂松動(dòng)型變形，主要出現(xiàn)DK218+825-868段，就其變形原因，除地應(yīng)力較高外，隧道洞室穿越地層構(gòu)造負(fù)責(zé)，褶皺發(fā)育，揉皺擠壓劇烈，導(dǎo)致巖體本身松散，自穩(wěn)能力有限。當(dāng)碎裂狀巖體開(kāi)挖后，巖塊沿結(jié)構(gòu)面滑移并形成松動(dòng)圈，導(dǎo)致局部圍巖崩解坍塌。

3.3 隧道圍巖大變形破壞處治措施

通過(guò)對(duì)隧道支護(hù)、襯砌的破壞調(diào)查、分析，針對(duì)變形破壞產(chǎn)生的原因，提出隧道圍巖大變形處治專項(xiàng)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)對(duì)措施如下。

1) 重新開(kāi)展隧區(qū)圍巖地質(zhì)詳勘和再分析，增加區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力測(cè)試。

2) 根據(jù)詳勘地質(zhì)分析資料，重新評(píng)價(jià)劃分圍巖變形等級(jí)。

3) 根據(jù)變形等級(jí)對(duì)支護(hù)形式與參數(shù)，洞型及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造情況，確定不同變形等級(jí)先導(dǎo)試驗(yàn)段，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案與施工工藝適應(yīng)性，各變形等級(jí)的試驗(yàn)段長(zhǎng)不少于30 m。

5) 開(kāi)展施工期間圍巖變形與支護(hù)和襯砌的內(nèi)力監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。

與施工設(shè)計(jì)相比較，專門(mén)設(shè)計(jì)增加了預(yù)留變形量，在邊墻及拱部設(shè)置中空錨桿，嚴(yán)重大變形在拱部設(shè)樹(shù)脂錨桿，加大了全環(huán)型鋼拱架型號(hào)，減小間距，襯砌主筋變更加粗至22 mm，嚴(yán)重大變形段仰拱加深，襯砌加厚至55 cm。輕微變形、中等變形，以及嚴(yán)重變形段的專項(xiàng)設(shè)計(jì)具體應(yīng)對(duì)措施分別見(jiàn)表6、表7和表8。

表6 輕微變形應(yīng)對(duì)措施

表7 中等變形設(shè)計(jì)措施

表8 嚴(yán)重變形設(shè)計(jì)措施

本隧道圍巖變形控制及襯砌按大變形專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)段以來(lái)，除4號(hào)橫洞小里程方向，出現(xiàn)較大涌水，工作面出現(xiàn)坍方外，僅就嚴(yán)重變形段的變形預(yù)留量進(jìn)行了調(diào)整，專項(xiàng)設(shè)計(jì)基本可行，未出現(xiàn)支護(hù)破壞侵空、襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂現(xiàn)象，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 論語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)軟巖大變形隧道的建設(shè)關(guān)鍵是控制圍巖變形。在高地應(yīng)力環(huán)境，軟弱圍巖的變形是長(zhǎng)期的，其變形控制研究自項(xiàng)目立項(xiàng)至運(yùn)營(yíng)維護(hù)，全過(guò)程均有必要開(kāi)展研究、試驗(yàn)、檢測(cè)、分析與安全評(píng)估。從本項(xiàng)目施工階段取得的研究成果分析，控制變形的關(guān)鍵技術(shù)是采用錨固主動(dòng)防護(hù)，加上強(qiáng)度、剛度足夠的雙層支護(hù)，優(yōu)化洞形，增加襯砌厚度，實(shí)踐證明是行之有效的。