近平行陡傾薄層狀炭質板巖特征及變形規律研究

孫 慕 楠

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

近年來,隨著國內基礎設施建設的大力發展,鐵路隧道工程建設逐步向偏遠山區、地質構造復雜區域發展,大量的隧道需要穿越軟弱圍巖地層,軟巖大變形隧道已逐漸成為我國鐵路隧道建設中一種常見隧道工程類型[1]。近平行陡傾薄層狀軟巖隧道是軟巖隧道中的一種特殊類型,系指在軟巖地質條件下隧道穿越的巖層陡傾、與隧道軸線近乎平行和相對較薄的厚度[2]。這種類型的軟巖隧道由于其具有地質構造和巖體性質的復雜性,存在巖層薄且破碎、遇水易軟化等問題,施工過程中通常會發生掌子面滑塌、隧道變形量過大且難以收斂、初支二襯開裂、拱架扭曲等各類災害,進而對隧道的設計、施工和維護提出了巨大挑戰。筆者依托國內某在建鐵路隧道建設對近平行陡傾薄層狀軟巖隧道開展了圍巖強度特征、收斂變形特征與控制措施研究,所取得的研究成果對近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形規律認識、現場施工組織管理、圍巖控制具有一定的借鑒意義。

2 薄層狀軟巖的特性

2.1 薄層狀軟巖成分分析

技術人員對該隧道現場掌子面薄層狀炭質板巖進行了取樣,開展了不同浸泡時間試驗,其浸泡時間分別為1、3、5、7 d。分別對原狀試樣和浸泡后的試樣進行了X-射線衍射全巖分析,用以測試炭質板巖的成分和含量以及浸泡時間對炭質板巖成分和含量的影響。炭質板巖X-射線衍射全巖分析結果見圖1。

圖1 炭質板巖X-射線衍射全巖分析結果示意圖

試驗結果表明:薄層狀炭質板巖主要由黏土礦物和石英組成,伴有少量的鉀長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦、硬石膏、鐵白云石和石鹽等礦物,其中黏土礦物的含量占比達到50%,其對炭質板巖的宏觀性質起到了重要的作用。首先,黏土礦物這種硅酸鹽礦物在微觀層面上的定向排列形成了宏觀層面上的層理;其次,黏土礦物對礦物顆粒和層面之間的膠結也起到了很大的作用。

黏土礦物對水具有很強的親近性,大部分黏土礦物具有吸水膨脹性,這是由于水進入到黏土礦物這種層狀硅酸鹽礦物中能夠引起其晶格膨脹,進而影響到炭質板巖的強度。

2.2 薄層狀軟巖的強度

由于該隧道所處圍巖強度低且較為破碎,導致無法在現場取樣進行室內試驗。因此,選擇在開挖現場開展巖石點荷載試驗進行現場圍巖強度測試。項目部針對現場三個里程的掌子面圍巖開展了共40組點荷載強度測試試驗并將其換算成巖石單軸抗壓強度。炭質板巖單軸抗壓強度曲線見圖2。

圖2 炭質板巖單軸抗壓強度曲線圖

三個掌子面圍巖的單軸抗壓強度均為垂直巖層方向加載獲得,三個掌子面圍巖的平均單軸抗壓強度分別為15.63 MPa、12.77 MPa、18.47 MPa,圍巖強度較低且遇水極易軟化,屬于典型的薄層狀軟弱圍巖。同時,從點荷載試驗結果可以看出:各掌子面圍巖強度存在較大的起伏,說明掌子面圍巖強度存在明顯的不均勻性,且在現場掌子面常見巖層褶皺、扭曲等現象,其將導致掌子面發生局部滑塌。此外,在點荷載試驗期間,發現炭質板巖層間存在鏡面現象,從而嚴重降低了其層間的粘結性,易發生巖層開裂現象。由于現場圍巖走向為近平行陡傾條件,導致隧道開挖后邊墻混凝土開裂現象嚴重。

3 隧道變形的監測

筆者選擇了4段具有代表性的隧道變形段進行變形規律的研究,各變形段的支護參數見表1。

表1 隧道各變形段支護參數設計表

(1)DK1+020～0+915變形段。變形監測斷面為DK1+005,其收斂變形曲線見圖3,此時二襯已施作,變形已穩定。其中SL01～SL02累計變形量為193.1 mm,SL03～SL04累計變形量為382.1 mm,SL05～SL06累計變形量為207.6 mm;

圖3 DK1+005累計收斂變形曲線圖

SL03～SL04的收斂累計是SL01～SL02收斂累計的2倍,是SL05～SL06收斂累計的1.8倍。拱頂沉降累計變形值為 49.4 mm。

從監控量測儀器的埋設到下臺階開挖時隔5 d,累計變形為246.4 mm,平均變形速率為49.3 mm/d(單日最大變形速率為82.5 mm/d);至仰拱初支閉環時隔2 d,變形量為41.4 mm(累計變形量為287.5 mm),期間平均速率為13.7 mm/d(單日最大變形速率為28 mm/d);至仰拱澆筑時隔14 d,變形量為58.9 mm(累計變形量為370.1 mm),期間平均速率為6.9 mm/d(單日最大變形速率為15.3 mm/d)。

(2)DK0+915～895變形段。變形監測斷面DK0+915的累計收斂變形曲線見圖4,仰拱已澆筑,二襯未施作,變形尚未穩定。其中SL01～SL02累計變形量為156.3 mm,SL03～SL04累計變形量為396.6 mm,SL05～SL06累計變形量為310.7 mm。SL03～SL04的收斂累計是SL01～SL02收斂累計的2.5倍,是SL05～SL06收斂累計的1.3倍。拱頂沉降累計變形值為141.6 mm。

圖4 DK0+915累計收斂變形曲線圖

從監控量測儀器的埋設到下臺階開挖時隔5 d,累計變形量為144.7 mm,平均變形速率為28.9 mm/d(單日最大變形速率為45 mm/d);至仰拱初支閉環施工時隔7 d,變形量為209.1 mm(累計變形量為353.8 mm),期間平均速率為29.9 mm/d(單日最大變形速率為35.7 mm/d);至仰拱澆筑時隔20 d,變形量為42.9 mm(累計變形量為396.7 mm),期間平均速率為2.1 mm/d(單日最大變形速率為31.2 mm/d)。

(3)DK0+895～875變形段。變形監測斷面DK0+875的累計收斂變形曲線見圖5,仰拱未澆筑,變形尚未穩定。其中SL01～SL02累計變形量為257.3 mm,SL03～SL04累計變形量為511.4 mm,SL05～SL06累計變形量為203.4 mm。SL03～SL04的收斂累計是SL01～SL02收斂累計的2倍,是SL05～SL06收斂累計的2.5倍。拱頂沉降累計變形值為76 mm。

圖5 DK0+875累計收斂變形曲線圖

從監控量測儀器的埋設到下臺階開挖時隔8 d,累計變形量為321.7 mm,平均變形速率為40.2 mm/d(單日最大變形速率為70 mm/d);至仰拱初支閉環施工時隔7 d,變形量為169.2 mm(累計變形量為490.9 mm),期間平均速率為24.8 mm/d(單日最大變形速率為51.3 mm/d);

至2023 年4月18日時隔2 d,變形量為20.5 mm(累計變形量為511.4 mm),期間平均速率為10.3 mm/d(單日最大變形速率為9.5 mm/d)。

(4)DK0+875～855變形段。變形監測斷面DK0+865的累計收斂變形曲線見圖6,仰拱初支尚未閉環,變形尚未穩定。其中SL01～SL02累計變形量為170.1 mm,SL03～SL04累計變形量為301.4 mm,SL05～SL06累計變形量為192.7 mm。SL03～SL04的收斂累計是SL01～SL02收斂累計的1.8倍,是SL05～SL06收斂累計的1.6倍。拱頂沉降累計變形值為59 mm。

圖6 DK0+865累計收斂變形曲線圖

從監測儀器的埋設到下臺階開挖時隔3 d,累計變形量為83.7 mm,平均變形速率為27.9 mm/d(單日最大變形速率為34.5 mm/d);至2023 年4月18日時隔6 d,變形量為159.2 mm(累計變形量為301.4 mm),期間平均速率為26.5 mm/d(單日最大變形速率為57.6 mm/d)。

從各斷面變形圖可以看出:隧道變形以收斂變形為主,變形位置主要發生在拱腳至拱腰處,拱頂沉降的最大值為141.6 mm,拱頂沉降變形相對較小。DK1+020～DK0+915段的左側變形量明顯小于其右側的變形量;DK0+915～DK0+895段左側的變形量明顯大于其右側的變形量;DK0+895～DK0+875段左側的變形量明顯小于右側的變形量;DK0+875～DK0+850段左側的變形量明顯小于其右側的變形量。其單側變形量在81.6～364 mm之間,邊墻呈不對稱變形。單側的最大變形已達364 mm,超過預留變形量,導致部分初支侵限。

此外,從上述變形監測數據曲線可以看出:在鋼架閉環之前、下臺階開挖后,該區間段的變形速率較大;仰拱初支施工完成后其變形曲線明顯趨緩,開挖至仰拱初支施作完成的累計變形量占總累計變形量的70%～90%。更換更高剛度的拱架以及及時施作系統錨桿、仰拱閉環對隧道變形量的控制具有明顯的效果。

4 近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形機理分析

近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形災害發生的機制主要是由于地應力方向、層理結構和洞軸線處于不利的組合位置關系[3]。筆者選取的隧道即為典型案例,其開挖揭露的圍巖層理走向與隧道軸線呈近平行條件,該條件下圍巖會發生由表至深緩慢地沿層理開裂、潰屈破壞現象,且其變形發展具有明顯的時滯性,即剛開挖后圍巖會發生一定量的收斂變形,經過一段時間后,圍巖變形量逐漸增大且在達到預留變形量后繼續增大,這正是薄層狀軟巖隧道邊墻由淺至深漸進破裂向內發展的外在表現。圍巖開挖后,打破了原有原巖應力平衡狀態,在隧道周邊巖體中形成了應力差大且應力水平高的應力集中區,致使淺層巖體很快達到極限承載強度而屈服破裂并向隧道空間內擠出,之后應力集中區漸進性地向深層調整轉移,繼而引發深層巖體破裂,從而使圍巖變形顯現緩慢,長時間得不到收斂[4];其次是最大主應力方向與量級決定了大變形的位置和程度。這是因為最大主應力的方向決定了隧道周邊應力集中區的位置,該位置的重分布應力與片理的夾角大小決定了圍巖的穩定性與破壞模式,僅在小夾角(近平行)時才會引發一系列沿層破壞問題,且最大主應力越大、應力集中區的重分布應力水平越高,導致沿片理破壞的程度越嚴重;最后,含片理結構巖體的力學性質的各向異性效應強弱特征亦對大變形的發生具有重要作用,尤其是當片理結構中的云母、綠泥石、方解石等片狀礦物含量較多時,導致隧道的圍巖強度存在較大差異,這種強度不均勻性導致隧道圍巖更易沿薄弱環節發生較大的變形;此外,層狀巖體節理面和隱形結構面較多,層狀圍巖的褶皺、潰屈,隧道穿越較多的斷層滑移帶,圍巖遇水軟化等問題更進一步地加劇了層狀圍巖隧道大變形的不收斂性[5],這類情況普遍存在于近平行陡傾薄層狀軟巖隧道中,特別是筆者選取的隧道圍巖巖質相對較弱、層厚相對較薄時沿片理破壞的程度將大為增加,故發生大變形的機率愈高。當隧道的斷面尺寸越大、揭露的片理弱面越多,其圍巖發生大變形的機率亦越高。

5 變形控制措施建議

根據對薄層狀炭質板巖特性和近平行陡傾軟巖隧道變形規律進行的分析,筆者對現場隧道變形控制應采取的措施給出了以下幾條建議:

(1)型鋼的選擇:建議對變形大的段落選用HW175型鋼,加強型鋼的剛度及抗扭性,并通過增加鋼纖維混凝土的措施將拱架間距由60 cm調整為80 cm以便于混凝土噴漿密實。

(2)非對稱變形控制措施:針對非對稱變形段落,及時采用施加系統錨桿的措施對圍巖穩定具有較好的效果;同時,為減少支護措施的超額投入,可對收斂變形大的一側施加較長的錨桿。

(3)加強拱架剛度:建議在拱架連接板與鋼架間增設焊接加勁鋼板,其不但可以加強拱架剛度,而且能夠保證鋼架接頭處的牢固性;同時,可以利用鋼板上增設的開孔進行鎖腳錨管施打。

6 結 語

近平行陡傾薄層狀炭質板巖隧道作為軟巖隧道中典型的存在,這類隧道的巖層普遍存在較為嚴重的地層擠壓、揉皺等現象,導致原本強度不高的隧道圍巖極易發生大變形災害。筆者通過文中進行的研究得出了以下結論:

(1)薄層狀炭質板巖自身強度較低,其成分中存在近一半的黏土礦物,遇水極易軟化,同時其層理間存在鏡面現象,導致其極易發生巖層開裂現象。

(2)通過對隧道典型變形段變形規律進行分析得知:近平行陡傾薄層狀軟巖隧道極易在隧道拱腰至拱腳邊墻處發生大變形災害,且其變形隨巖層走向的改變存在明顯的不對稱性。

(3)近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形災害的發生機制主要是由于地應力方向、層理結構和洞軸線處于不利的組合位置所導致,隧道開挖后圍巖盡早閉環,及時施作系統錨桿以增加拱架剛度等。