云屯堡隧道圍巖大變形特征機理分析與對策措施研究

蒲吉見

(中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054)

0 前 言

云屯堡隧道是成蘭鐵路重點控制性工程之一，位于鎮(zhèn)江關(guān)-松潘區(qū)間，全長22.932 km，為目前國內(nèi)最長的雙線單洞鐵路隧道，該隧道地處龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的“A”形斷塊中，靠近岷江斷裂帶。施工過程中，由于多段隧道出現(xiàn)嚴(yán)重大變形，通過開展隧址區(qū)域地質(zhì)再認識，總結(jié)形成本隧道具有“四極三高五復(fù)雜”的顯著特征[1]，即地形切割極為強裂，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；復(fù)雜的構(gòu)造運動歷史、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。在施工過程中，除去常規(guī)的水地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險外，還出現(xiàn)圍巖嚴(yán)重變形、支護破壞、滲水、局部坍方、大面積二次擴挖等次生地質(zhì)災(zāi)害，因此，對隧址區(qū)域地質(zhì)的特殊性開展再認識，對變形機理進行了研究，根據(jù)研究成果制定了控制大變形的具體措施，并在試驗段開展專項設(shè)計。

1 施工過程中出現(xiàn)圍巖變形導(dǎo)致工程危害分類

1.1 云屯堡隧道圍巖變形破壞分布及特點

自開工至2016年7月，陸續(xù)出現(xiàn)多處圍巖嚴(yán)重變形，支護及襯砌破壞現(xiàn)象。現(xiàn)場調(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#、4#橫洞施工工點。具體位于3#橫洞工作區(qū)正洞的D5K218+790～D5K218+860段、4#橫洞工區(qū)救援站D5K222+356～D5K222+550段、4#橫洞及其與救援站平導(dǎo)交叉口段、4#橫洞HD4K0+175～HD4K0+004段，變形破壞形式表現(xiàn)為掌子面圍巖崩解坍塌、初支混凝土剝落掉塊、鋼拱架變形、底板隆起開裂、二襯開裂等多種變形破壞方式，其工程危害形式如下。

(1)掌子面圍巖崩解坍塌

掌子面開挖卸載后，在地應(yīng)力作用下千枚巖層出現(xiàn)崩解溜坍現(xiàn)象，坍塌現(xiàn)象。

(2)混凝土噴護層剝落掉塊鋼架變形

由于圍巖變形荷載較大，直接作用于鋼拱架和噴混凝土層，導(dǎo)致鋼拱架產(chǎn)生變形、扭曲，噴射混凝土產(chǎn)生開裂剝落掉塊。

(3)襯砌開裂破壞

4#橫洞與隧道交差連接段、小里程方向滲漏水段，出現(xiàn)嚴(yán)重大變形，導(dǎo)致襯砌開裂破壞。

(4)底板隆起、開裂

4#橫洞左側(cè)平導(dǎo)與橫洞交叉口小里程方向進口附近，長約60 m范圍，救援站平道底板隆起、開裂、滲水。

1.2 破壞類型及原因分析

對云屯堡隧道的變形破壞跡象分析，其變形破壞類型可歸納為塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓以及碎裂松動等幾種破壞類型[2]。

(1)塑性擠出型

此類變形破壞在整座隧道中所占比例最大，尤其以4#橫洞工區(qū)橫洞HD4K0+004～HD4K0+040、正洞D5K222+375～D5K222+528、救援站PD1K222+232～PD1K222+659.5最為突出。導(dǎo)致出現(xiàn)圍巖嚴(yán)重大變形的原因，除地應(yīng)力高，巖體破碎外，主要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，巖體強度降低，圍巖在應(yīng)力的作用下向洞室開挖臨空面產(chǎn)生塑性擠出，且持續(xù)變形時間較長。其次，由于現(xiàn)場嚴(yán)格按照安全步距管理，導(dǎo)致襯砌施工時，圍巖變形并未收斂。

(2)膨脹內(nèi)鼓型

圍巖變形導(dǎo)致噴射混凝土開裂，型鋼拱架內(nèi)鼓破壞現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在4#橫洞小里程方向D5K222+375～D5K222+400附近，4#橫洞HD4K0+004～HD4K0+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，各取樣點千枚巖含有一定量的伊利石類礦物，此類礦物雖然遠不如蒙脫石膨脹性強，但圍巖裂隙若出現(xiàn)滲漏水，亦會出現(xiàn)一定的變形，當(dāng)預(yù)留變形量不足時，會導(dǎo)致噴射混凝土開裂，型鋼拱架變形。

(3)彎折內(nèi)鼓型

圍巖變形導(dǎo)致混凝土開裂，鋼筋扭曲變形、斷裂破壞現(xiàn)象，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，通過選取巖樣做聲發(fā)射推測的構(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，在洞室開挖形成后，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薄層狀巖層的抗彎折強度，從而引起圍巖的彎折內(nèi)鼓。

(4)碎裂松動型

圍壓變形導(dǎo)致具備出現(xiàn)噴射混凝土開裂掉塊，主要出現(xiàn)DK218+825～DK218+868段，分析其變形原因，除地應(yīng)力較高外，隧道洞室穿越地層構(gòu)造復(fù)雜，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)碎裂狀巖體開挖后，巖塊沿結(jié)構(gòu)面滑移并形成松動圈，導(dǎo)致局部圍巖崩解坍塌。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)再認識

2.1 地層巖性

通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合設(shè)計鉆探，現(xiàn)場物探，巖樣測試等技術(shù)手段，確定本隧道均為三疊系地層，其中1、2橫洞工區(qū)為雜谷腦組砂巖、板巖、千枚巖、砂板巖與千枚巖互層；3～7橫洞工區(qū)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。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于南北向岷江活動斷裂帶東側(cè)、東西向摩天嶺構(gòu)造帶西側(cè)、東北西南向龍門山斷裂帶北側(cè)區(qū)域。地處岷江活動斷裂帶被動盤上，基本與之平行，相距0.5～3.5 km，附近發(fā)育雪山、虎牙活動斷裂。洞身穿越1條斷層，17條褶皺，震區(qū)加速度0.3 g。

2.3 水文地質(zhì)

地表水主要為岷江水系，隧道布線于岷江與大姓構(gòu)之間，大姓溝長約50 km，至3#橫洞以后，隧道拱部低于大姓溝底。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，估計涌水量50 000 m3/d，預(yù)測對3#、4#橫洞工區(qū)，4#橫洞工區(qū)洞內(nèi)救援站施工影響較大。

2.4 圍巖分級

圍巖分級以地質(zhì)調(diào)查、地層巖性、鉆探資料、物探成果為依據(jù)，同時結(jié)合隧道埋深和地形、構(gòu)造、地下水分布情況調(diào)整，最終確定的具體分級情況及段落劃分如下。見表1。

表1 現(xiàn)場核定的圍巖等級表

2.5 地應(yīng)力

在初步設(shè)計階段，未測試隧止構(gòu)造地應(yīng)力，施工期間在5、6橫之間開展一次深孔鉆探和地應(yīng)力試驗，測得最大水平主應(yīng)力15 MPa，最小水平主應(yīng)力10 MPa，并選取代表性巖塊，在室內(nèi)開展聲發(fā)射試驗測定初始地應(yīng)力，經(jīng)綜合分析，推測最大構(gòu)造主應(yīng)力約為12 MPa，大致呈東西向。

3 圍巖變形預(yù)測與設(shè)計對策

隧道圍巖變形等級與地應(yīng)力、巖體強度、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、地下水發(fā)育特征、圍巖分級、巖石膨脹性等有關(guān)，在預(yù)測其變形等級時還需結(jié)合云屯堡隧道具體情況，周邊類似工程情況綜合考慮。

3.1 軟巖大變形分級

(1)根據(jù)圍巖強度與地應(yīng)力比值大小，將軟巖大變形分為輕微、中等及嚴(yán)重三個等級，查閱相關(guān)文獻，其提供的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2[3]。

表2 大變形分級標(biāo)準(zhǔn)表

(2)圍巖強度采用巖石單軸飽和抗壓強度推測，查閱有關(guān)文獻，其提供的換算系數(shù)見表3[4，5]。

表3 地質(zhì)構(gòu)造對巖體強度影響程度表

3.2 變形預(yù)測

通過對隧道地質(zhì)、水紋條件的再認識，云屯堡隧道在施工期間出現(xiàn)多段圍巖大變形，是由隧道復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、較高的地應(yīng)力、特殊的地層巖性、地下水綜合作用導(dǎo)致。據(jù)此預(yù)測正洞發(fā)生大變形概率較高的洞段段長2 040 m，其中中等變形洞段計8段共1 640 m，輕微變形洞段計4段共400 m，占全隧的18%，可能發(fā)生大變形洞段計26段長7 012 m，占全隧63%。正洞可能變形及大變形段全長9 052 m，占管段隧道總長的81%，多位于背、向斜核部、千枚巖占比較大的砂巖、千枚巖互層。而原施工設(shè)計圖確定的可能發(fā)生大變形洞長不足5 000 m，對該隧道的地質(zhì)特性認識不足。

4 設(shè)計原則與設(shè)計措施

4.1 設(shè)計原則

基于施工工程中出現(xiàn)的大變形工程危害類型，在對隧道地質(zhì)特殊性再認識的基礎(chǔ)上，制定設(shè)計原則如下。

(1)無變成長隧段

按雙線無砟道床一般復(fù)合式襯砌設(shè)計，考慮0.3 g震區(qū)，IV級圍巖采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(2)大變形段設(shè)計

①重新確定大變形洞段，隧道襯砌、支護、大變形的監(jiān)測不再采用施工圖施工，均采用預(yù)設(shè)計方案，并根據(jù)實際揭示的地質(zhì)情況進行動態(tài)調(diào)整，按照先試驗后推廣的原則進行施工。

②原施工圖確定的大變形段暫按新確定的大變形洞段施工措施予以調(diào)整。

③對可能發(fā)生大變形的段落，按相應(yīng)圍巖等級一般襯砌結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如發(fā)生大變形，根據(jù)變形等級進行相應(yīng)處理。

4.2 具體對策措施

(1)變形控制對策

通過對隧道支護、襯砌的破壞調(diào)查、分析，在對隧道特殊地質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境再認識的基礎(chǔ)上，通過多次專家論證后，提出的圍巖變形段隧道施工對策措施如下。

①進一步開展隧區(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)力測試點。

②根據(jù)詳勘地質(zhì)分析資料，組織召開專家論證會，重新核對圍巖變形等級。

③根據(jù)變形等級對支護形式與參數(shù)，洞型及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行專門設(shè)計。

④根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造情況，確定不同變形等級先導(dǎo)試驗段，驗證設(shè)計方案與施工工藝適應(yīng)性，各變形等級的試驗段長不少于30 m。

⑤開展施工期間圍巖變形與支護和襯砌的內(nèi)力監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工和優(yōu)化支護設(shè)計。

(2)具體設(shè)計措施

與原施工圖設(shè)計相比較，試驗段專門設(shè)計增加了預(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)樹脂錨桿，加大了全環(huán)型鋼拱架型號，減小間距，襯砌主筋變更加粗至Φ22，嚴(yán)重大變形段仰拱加深，襯砌加厚至55 cm。

①輕微變形設(shè)計措施

輕微變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 輕微變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

②中等變形設(shè)計措施

中等變變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 中等變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

③嚴(yán)重變形設(shè)計措施

嚴(yán)重變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表6。

表6 嚴(yán)重變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

5 實施效果

自2016年8月按大變形專項設(shè)計方案開展先導(dǎo)試驗段以來，除4#橫洞小里程方向出現(xiàn)較大涌水，工作面出現(xiàn)坍方外，只有嚴(yán)重變形段的變形預(yù)留量進行了調(diào)整，試驗段專項設(shè)計基本可行，未出現(xiàn)支護破壞侵空，襯砌結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，檢測數(shù)據(jù)顯示，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，試驗段成果在全隧道推廣施工。

6 結(jié)束語

通過本項目的實踐與研究，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期的，其變形控制研究自項目立項至運營維護，全過程均有必要開展研究、試驗、檢測、分析與安全評估。從本項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)是采用錨固主動防護，加上強度、剛度足夠的雙層支護，優(yōu)化洞形，增加襯砌厚度，在目前的管理體制下，是行之有效的。