滇西北多噴發(fā)旋回噴出巖類隧道大變形分析評價

杜飛翔，趙華祥，王洪兵，楊情兵

（云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

伴隨經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國對基礎設施建設的要求也逐漸提升，特別是隧道方面的建設。隧道建設中又以鐵路隧道項目、公路隧道項目的占比增速最快，而施工中隧道發(fā)生變形會使隧道施工、運營存在一定的安全隱患；云南滇西北地區(qū)地質(zhì)復雜，特別是多噴發(fā)旋回噴出巖地區(qū)受噴發(fā)周期短、噴發(fā)中心位置距離近等因素影響，該類地區(qū)隧道工程極易出現(xiàn)大變形，所以做好滇西北多噴發(fā)旋回噴出巖類區(qū)隧道變形的分析與評價對該地區(qū)隧道工程而言是十分重要的。

1 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

隧道工程中出現(xiàn)圍巖大變形災害的事例屢見不鮮，給工程建設帶來重大安全隱患和經(jīng)濟損失。自20世紀初新普倫隧道線首次發(fā)生嚴重的圍巖大變形以來，國內(nèi)外學者針對隧道圍巖大變形問題開展了大量研究工作并取得了豐富的研究成果，即便學者從不同角度、采用多種指標對圍巖大變形進行了定義、界定及分級，但在大變形發(fā)生機理和分級方法方面尚未形成統(tǒng)一認識[1]。眾多工程實例表明，圍巖大變形常發(fā)生在斷層破碎帶、低級變質(zhì)巖及煤系地層等低強度軟弱圍巖中，是高地應力條件下圍巖極端變形、破壞的典型體現(xiàn)，其孕育發(fā)生受地應力環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、水文條件和動力擾動等因素影響。值得注意的是，無論是圍巖本身的巖性與結(jié)構(gòu)特征，還是高地應力環(huán)境、地質(zhì)條件、水文條件等圍巖大變形發(fā)生的關鍵控制因素，均與隧道周圍的構(gòu)造活動關系密切。此外，圍巖大變形具有累進性發(fā)展、持續(xù)時間長、變形速度快等特征，其本質(zhì)動力源于造山運動形成的構(gòu)造應力。可以說構(gòu)造運動控制的地應力分布、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素是驅(qū)動隧道圍巖大變形的根本條件。

2 滇西北地區(qū)噴出巖類地質(zhì)狀況及其對隧道變形的影響

滇西北區(qū)玄武巖屬于基性海底火山噴發(fā)巖，根據(jù)玄武巖的巖石成分、結(jié)構(gòu)和沉積巖夾層，劃分多個噴發(fā)旋回巖性段。開始時的噴發(fā)中心在金沙江河谷一帶，噴發(fā)規(guī)模較小，部分地方缺失第一噴發(fā)旋回；玄武巖中期是噴發(fā)的高峰，噴發(fā)物撒布全區(qū)；至后期玄武巖第三段以后，噴發(fā)中心西移至文筆峰、團山一帶，噴發(fā)間隙增多，有較多的凝灰?guī)r等夾層。

經(jīng)過綜合地質(zhì)分析，到Ⅲ旋回晚期，噴發(fā)間隙漸趨頻繁。到黑泥哨期噴溢活動具有裂隙噴發(fā)的特點，可能受麗江—小金河斷裂構(gòu)造的控制，玄武巖的硅化、碳酸鹽化或沿前期已固結(jié)的玄武巖裂隙侵入。

華坪至麗江高速公路地處云貴高原西緣及西北緣，總體地勢為北高南低，文筆山隧道隧址區(qū)位于麗江玉龍縣黃山鎮(zhèn)與拉市鎮(zhèn)之間的橫斷山脈，穿越麗江盆地與拉市海盆地間的高地，入口距麗江市中心10 km，出口距拉市鎮(zhèn)約4 km，屬橫斷山脈及橫斷山脈與滇西北高原接壤地帶。該段路線區(qū)域位于揚子亞板塊之鹽源—麗江陸緣拗陷帶，處于北東向構(gòu)造體系的麗江—劍川斷裂與麗江—寧蒗斷裂之間。調(diào)查區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復雜，褶皺與斷裂發(fā)育成熟，線路經(jīng)過的范圍主要有寧蒗沉降帶、金沙區(qū)隆起區(qū)、鳴音沉降帶及玉龍雪山隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造體系有旋扭構(gòu)造體系、北東向構(gòu)造體系、經(jīng)向構(gòu)造體系、歹字型構(gòu)造體系。隧道位于北東向構(gòu)造帶之麗江—金棉北東向構(gòu)造區(qū)北西側(cè)，隧道范圍內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育。

隧道區(qū)海拔高程介于2530～2820 m，相對高差約290 m，屬構(gòu)造低中山剝蝕地貌區(qū)，隧道洞身地段地形起伏較大，地表植被發(fā)育較好，喬木、灌木茂密，基巖出露一般。隧道入口位于玉龍縣魯拿吉村以西約1.4 km中低山區(qū)，植被較好，無路可達，交通極為不便；出口位于老城以東約900 m，植被一般，有土質(zhì)便道可達附近，但距洞口較遠，交通條件差。

隧道區(qū)新構(gòu)造運動強烈，主要表現(xiàn)為地殼抬升及地震活動，斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育。因此，隧道所處區(qū)域穩(wěn)定性較差，需加強抗震設計。隧道區(qū)域下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β）玄武巖夾凝灰?guī)r，地表出露巖石節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，全強風化。路線附近測得巖石節(jié)理產(chǎn)狀有340°∠35°、280°∠85°、270°∠81°、150°∠71°、145°∠85°、170°∠40°、170°∠65°、255°∠170°、175°∠62°等。

文筆山隧道玄武巖屬于玄武巖組上段，主要為致密狀、杏仁狀玄武巖，少量斜斑玄武巖和安山巖，夾較多的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)頁巖，具清楚的旋回性。

隧道區(qū)的地層巖性主要為玄武巖、斜斑玄武巖、橄斑玄武巖及薄層凝灰?guī)r，間淺侵入硅化玄武巖、硅化砂巖及泥巖等。由于該區(qū)域多個噴發(fā)旋回的特性，夾層的凝灰?guī)r分布不均，空間上分布也無規(guī)律性，加上淺侵入巖體侵入的無規(guī)律性，造成隧道巖體時好時壞，軟硬不均，是隧道出現(xiàn)變形的主要原因。

隧道受附近麗江—小金河斷裂的影響，隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，層間構(gòu)造作用明顯，巖體破碎，隧道開挖后，隧道拱頂和邊墻可能出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體，塊體位移可引起隧道開裂變形。受構(gòu)造運動作用影響，是隧道出現(xiàn)變形的一大原因。

根據(jù)隧道鉆孔地應力測試成果，區(qū)內(nèi)的最大水平主應力為2.85 MPa～8.78 MPa，最大主應力方向為NE10°，與隧道軸線方向近垂直，可能局部地段存在偏壓情況，對隧道邊墻穩(wěn)定性不利，是導致隧道出現(xiàn)變形的又一原因。文筆山隧道進口、出口掌子面地質(zhì)條件分別如圖1、圖2所示。

圖1 隧道進口掌子面地質(zhì)條件

圖2 隧道出口掌子面地質(zhì)條件

3 分析玄武巖和凝灰?guī)r特性

玄武巖特性：玄武巖就是一類基性出巖，其化學成分與輝巖有很大的相似之處，SiO2含量在45%～52%，其中K2O+Na2O的含量比侵入巖更高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO的含量比侵入巖低[2]。其所含的成分由基性長石與輝石構(gòu)成，次要的礦物質(zhì)包含橄欖石、角閃石和黑云母等。巖石都是暗色，通常情況下是黑色，有的時候使灰綠色和暗紫色。其結(jié)構(gòu)為斑狀，氣孔結(jié)構(gòu)與杏仁結(jié)構(gòu)十分普遍。玄武巖體積的密度是2.8～3.3 g/cm3，致密者壓強較大，能夠達到300 MPa，有的時候會變高，導致玻璃質(zhì)和氣孔強度有一定程度上的降低。

凝灰?guī)r的特性：凝灰?guī)r屬于火山噴出地表，顆粒十分細，掉落地表的火山灰堆積形成巖的產(chǎn)物，一般以中酸為主體。顏色主要為白色，凝灰構(gòu)造，形狀構(gòu)造[3]。晶屑含量要小于10%，晶屑所含的礦物是石英、長石和少量的暗色礦物。玻屑含量是3%～10%，玻璃質(zhì)。凝灰質(zhì)膠結(jié)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石很堅硬，厚層狀，通常分布于火山口地區(qū)。熔結(jié)凝灰?guī)r：晶屑特點是深灰色，巖石堅硬。

4 對隧道變形提出針對性地解決措施

隧道發(fā)生變形以后，需要采取以下措施：①要實施臨時支頂，同時在下方打泄水孔泄水，避免出現(xiàn)塌方，鉆孔以后進行注漿凝結(jié)。②實施永久支頂提高抗力。③解決大面積侵入的問題。④對沒有發(fā)現(xiàn)的裂縫兩邊將錨桿鎖起，按照場地中的具體狀況鑿出梯形槽，運用噴混凝土的方法噴瓶[4]。

4.1 臨時支撐

針對隧道變形的位置應該運用鋼和木支撐臨時的酯頂，有斜撐、豎撐以及橫撐。在臨時支撐的效果下，針對變形位置的下部要展開打孔泄水，之后在背后實施雙液和單液注漿固結(jié)。

4.2 永久支撐

針對侵限小而且面積大的位置應該展開鑿除以后由一邊的臨時支頂，一邊在原本支撐下套好鋼支撐提高抗力。

4.3 隧道變形支護措施

在隧道變形大、侵線多、難以鑿除的位置，應用更換原本支護的拱和邊墻的策略解決，更換過程中由一端或者間隔的多個鋼支撐進行拆換，所有拆換中能夠更換成I20型的鋼支撐，部分位置要保持原本支撐，之后噴混凝土到設計的斷面就可以。

（1）提高支護拱架的質(zhì)量。在拱架加工中，應該放出大樣，讓彎制的弧形滿足設計的需要，連接位置法蘭盤平面方向在法線位置上方，讓安裝以后的法蘭盤緊密貼合，連接螺栓以后擰緊。

（2）解決變形的步驟。①首先運用鋼或者木支撐展開臨時支頂。②打泄水孔。③鉆孔向背后壓鑄雙液漿或者單液漿。④在一端鑿除侵根位置或者更換原本支的鋼支撐，噴混凝土到原本設計斷面。⑤針對沒有發(fā)展良好的裂縫，在縫的兩端將錨桿打好，按照場地具體狀況鑿倒梯形槽，運用噴混凝土的方法噴平。⑥在一端一直掛好防水板，在原本支撐外套加鋼支撐進一步增強。⑦檢驗防水板同時修補。⑧扎筋，澆筑混凝土進行襯砌。

4.4 向前持續(xù)施工要注重的問題

確保施工持續(xù)進行需要重視以下5方面：①施工前按施工設計圖中對工程開挖安全距離的要求，拉開相應的安全距離后才能開工。②為了避免大變形持續(xù)發(fā)生，坑道開挖運用光面爆破，達到穿淺孔、密布眼、少裝藥、放小炮。③確保初始施工是確保不變形的前提。拱架支撐策略蘭盤安裝應該僅僅貼在螺栓上擰緊，噴混凝土厚度要達到統(tǒng)一，不應存在空鼓脫落的情況。④由于迅速形成支護及長久襯砌閉合結(jié)構(gòu)對安全有利，中壁法開挖中應結(jié)合臺階的分布情況，確保一炮一噴，并使用封閉開挖面以確保圍巖更加穩(wěn)定。⑤臺階開挖的時候拱腳應該墊實更為穩(wěn)定，即便無法放置在松土中，也不會出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，因此應該根據(jù)要求施加鎖腳錨桿。朝下接拱架的時候1到2榀不要太長，避免拱架腳懸空過多導致降低變形和坍塌。

5 施工流程要點

①臨時支撐應該牢固同時用木楔打緊。②將泄水孔實施以后，對出水大的孔要埋管處理引到排水溝。③壓漿的時候要看臨支護的變化，看到具體問題同時處理。④在開始更換的時候支鋼支撐中應該在一段或者間隔的一端積極處理。⑤在加套鋼支撐增強中，要注重和原本支護的緊密貼合。⑥實施原支撐外套拱架以后，要做到認真檢查防水板的破壞情況，對損壞的防水板無關大小，都要進行修補，保證修補的質(zhì)量。⑦因為加套鋼支撐讓襯砌內(nèi)部的鋼筋不能夠長時間存放，內(nèi)部鋼筋要根據(jù)加套拱架距離斷開，同時實施在加套拱架上。⑧變形階段的襯砌應該在開始支撐變形到穩(wěn)定以后制作成環(huán)。當前襯砌實施時間方面出現(xiàn)錯誤，覺得變形時期盡力實施襯砌就更為安全。⑨變形部分不斷向前挖掘的策略和步驟。隧道向前掘進的時候要運用小導管超前視乎同時注漿，同時將開始的支護鋼支撐變成I20型鋼，縱向上的距離要縮小至0.5～0.85 m，開挖要運用分部開挖方法，選擇臺階開挖方法做好臨時仰拱。若是臺階位置用開挖法完成以后拱腰之上的變形依然較大，能夠運用中壁法進行開挖。

6 結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外隧道變形研究的現(xiàn)狀，針對滇西北地區(qū)噴出巖類地質(zhì)狀況以及對隧道變形的影響，闡述了玄武巖和凝灰?guī)r的性質(zhì)。滇西北地區(qū)多噴發(fā)旋回噴出巖類軟硬不均，分布無規(guī)律的特性，受滇西北地區(qū)構(gòu)造影響，地應力大小分布不均的特性。針對上述特性，對隧道變形采取的有效支護和支撐的措施可以有效解決隧道變形問題。