張 波

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

蘭渝鐵路沿線軟巖分布較廣，主要為二疊系、三疊系板巖及志留系千枚巖。軟巖在世界上分布非常廣泛，泥巖與頁(yè)巖占地球表面所有巖石的50%左右［1］。軟巖變形是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅受滲透壓力、水動(dòng)力的影響［2-3］，而且微觀結(jié)構(gòu)也是造成軟巖變形的一個(gè)內(nèi)在原因，軟巖的軟化基本是在水—巖之間復(fù)雜的化學(xué)和力學(xué)耦合作用下發(fā)生的［4］。最早有關(guān)軟巖的研究主要是針對(duì)煤炭巷道軟巖支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行的，逐漸形成了一系列有影響的理論和技術(shù)，如新奧法理論、松動(dòng)圈理論、聯(lián)合支護(hù)理論等，這些理論與技術(shù)解決了大量軟巖支護(hù)問(wèn)題。但對(duì)板巖、頁(yè)巖等軟巖的微觀結(jié)構(gòu)、變形機(jī)理、巖體分級(jí)及圍巖支護(hù)措施等研究起步較晚，隨著地下工程建設(shè)中圍巖變形較大且不易治理問(wèn)題的不斷出現(xiàn)才逐漸被認(rèn)識(shí)到并開(kāi)展相應(yīng)研究［5-7］。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長(zhǎng)19 025 m，隧道洞身最大埋深約600 m，最小埋深約40 m，洞身段板巖及炭質(zhì)板巖段合計(jì)長(zhǎng)度8 850 m，占隧道全長(zhǎng)46.52%，隧道穿越斷層破碎帶總計(jì)11條，合計(jì)長(zhǎng)度4 500 m，占隧道全長(zhǎng)23.65%。木寨嶺隧道受復(fù)雜地質(zhì)條件的作用，洞身變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響施工。因此，針對(duì)蘭渝線軟巖工程特性及變形機(jī)理進(jìn)行研究具有重要意義。

1 工程概況

木寨嶺隧道(DK173+350—DK192+370)地處西秦嶺中山區(qū)，地面高程為2 390～3 214 m，自然坡度＞50°，溝谷深切成“V”字形。隧道進(jìn)口位于彰縣大草灘鄉(xiāng)，出口位于岷縣梅川鎮(zhèn)，為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道，左線全長(zhǎng)19 020 m，右線全長(zhǎng)19 080 m，線間距22.5～50.0 m，是蘭渝線僅次于西秦嶺隧道的第二長(zhǎng)隧道，共設(shè)8座斜井輔助施工。

木寨嶺隧道所處的秦嶺造山帶經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及長(zhǎng)期的發(fā)展演化，內(nèi)部組成與構(gòu)造變形十分復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)斷層及褶皺發(fā)育，應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力為主，且淺層水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力。木寨嶺隧道全部處于大草灘復(fù)背斜的南翼，主要經(jīng)過(guò)美武—新寺區(qū)域斷裂帶F2，走向N43°～70°W，斷層面以北傾為主，傾角30°～74°，發(fā)育有斷層角礫、壓碎巖，斷裂帶中有石英巖脈充填。該段發(fā)育的次級(jí)斷層有f10～f16，這些斷裂大多數(shù)被第四系殘、坡積地層覆蓋。隧道洞身主要經(jīng)過(guò)二疊系下統(tǒng)軟質(zhì)巖地層，巖性主要為板巖、炭質(zhì)板巖(圖1)。

圖1 木寨嶺隧道區(qū)域地質(zhì)

隧道實(shí)際開(kāi)挖地層以二疊系下統(tǒng)板巖為主，局部為炭質(zhì)板巖，同勘察結(jié)果基本相符。巖體節(jié)理較發(fā)育，圍巖較破碎，局部受構(gòu)造活動(dòng)影響較嚴(yán)重，可見(jiàn)揉皺現(xiàn)象以及層間擠壓破碎帶，含泥化夾層，產(chǎn)狀陡傾或近于直立，以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主。

2 隧道圍巖變形特征

木寨嶺隧道板巖段最初開(kāi)挖的斜井首先遇到了變形問(wèn)題。斜井施工過(guò)程中板巖段先后出現(xiàn)不同程度的大變形，多數(shù)圍巖變形以水平收斂為主，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)的變形速率39～682 mm/d，最大變形量達(dá)1 320 mm，具有變形快、變形速率大的特點(diǎn)。變形處噴射混凝土開(kāi)裂，初期支護(hù)表面出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，支護(hù)內(nèi)鼓，拱架開(kāi)裂、扭曲，嚴(yán)重影響施工，造成隧道斜井拆換拱達(dá)1 011 m。隧道施工初期按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)支護(hù)，圍巖總體變形較小，初支穩(wěn)定。但隨著掘進(jìn)的逐步深入，開(kāi)挖揭示的薄層炭質(zhì)板巖夾層逐漸增多，且含泥化夾層，圍巖自穩(wěn)能力逐漸降低，初支變形情況逐漸嚴(yán)重，邊墻出現(xiàn)細(xì)小裂縫，局部邊墻外鼓，收斂變形由最初的24 mm增大到186 mm，平均變形隨著隧道的掘進(jìn)逐步增加。

當(dāng)施工開(kāi)挖至正洞以后，正洞變形與斜井類似，仍以水平收斂為主，但較斜井變形速率小，變形速率28.8～76.0 mm/d，最大變形量952 mm，累計(jì)拆換拱576 m。橫通道施工因巖層走向平行洞軸線，加之局部應(yīng)力集中，發(fā)生較大變形，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，二襯出現(xiàn)開(kāi)裂。

3 隧道圍巖變形原因分析

1)巖體特征

蘭渝鐵路木寨嶺隧道主要通過(guò)二疊系下統(tǒng)地層，屬于低級(jí)區(qū)域變質(zhì)作用的產(chǎn)物。巖性主要為板巖夾炭質(zhì)板巖，以薄層狀構(gòu)造為主，巖質(zhì)較軟，炭質(zhì)板巖多呈微薄層狀，巖質(zhì)極軟，總體軟硬不均，巖性、層厚變化頻繁。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部受構(gòu)造影響呈重揉皺小構(gòu)造，含泥化夾層及層間擠壓破碎帶。板巖礦物成分中綠泥石、伊利石、高嶺石等軟質(zhì)礦物含量達(dá)23% ～35%。其均屬親水性礦物，水理性質(zhì)差，遇水易軟化或產(chǎn)生崩解，力學(xué)性質(zhì)差(表1)。巖性是大變形的主要原因之一。

表1 板巖物理力學(xué)特性

2)構(gòu)造特征

隧道位于秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造體系，后期被祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系改造、復(fù)合、歸并，并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構(gòu)造體系改造，由于多期次構(gòu)造作用復(fù)合疊加，形成了形態(tài)各異極其復(fù)雜的褶曲與斷層構(gòu)造。隧道整體位于美武—新寺區(qū)域斷裂帶F2與合作—岷縣斷裂帶F3之間，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，隧道累計(jì)穿越1個(gè)區(qū)域斷層，10個(gè)次一級(jí)斷層及6個(gè)褶曲構(gòu)造，受構(gòu)造影響巖體完整性較差。

3)應(yīng)力特征

木寨嶺隧道布置兩個(gè)應(yīng)力測(cè)孔并采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力情況。1#孔位于DK179+088左138 m，深330 m，在1#孔295，315 m分別進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)得地應(yīng)力方向 N34°E，最大水平主應(yīng)力 SH分別為24.95，27.16 MPa。2#孔位于 DK188+270 左 8 m，深353 m，在2#孔272～343 m段測(cè)得最大水平主應(yīng)力SH為6.77～10.47 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹29°E～N39°E?，F(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，木寨嶺隧道所在區(qū)域最大水平主應(yīng)力SH、最小水平主應(yīng)力Sh及垂直應(yīng)力 Sv的關(guān)系為 SH＞Sh＞Sv，局部 SH＞Sv＞Sh，該區(qū)具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力，以水平主應(yīng)力作用為主。

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50218—94)，通過(guò)比較巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc與最大水平主應(yīng)力SH的比值可以確定隧道洞身應(yīng)力狀態(tài)。

Rc/SH＜4為極高應(yīng)力

4＜Rc/SH＜7為高應(yīng)力

Rc/SH＞7為低應(yīng)力

試驗(yàn)測(cè)得木寨嶺隧道板巖飽和抗壓強(qiáng)度Rc為10.48 ～12.56 MPa，計(jì)算 Rc/SH為0.39 ～1.86，因此木寨嶺隧道洞身處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。洞身測(cè)試點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)值變化幅度較大，反應(yīng)了該區(qū)域有構(gòu)造或殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象，且空間分布復(fù)雜多變。極高地應(yīng)力是軟巖大變形的主要原因之一。

4 變形控制措施

1)調(diào)整型鋼型號(hào)

現(xiàn)場(chǎng)施工中一般首先選擇調(diào)整型鋼型號(hào)以滿足變形控制要求。隧道施工至XD4+69—XD3+45段，由于水量增大，導(dǎo)致圍巖條件惡化，變形及初支破壞情況加重。變形破壞主要體現(xiàn)在拱架扭曲嚴(yán)重，混凝土剝落開(kāi)裂，拱頂混凝土掉塊。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示XD3+50處變形達(dá)到494.29 mm，變形嚴(yán)重段占整段長(zhǎng)度84%。在XD4+69—XD3+45段調(diào)整使用I20型鋼加強(qiáng)支護(hù)。雖然采用了措施，由于圍巖以壓碎巖為主，巖質(zhì)極軟，加之水發(fā)育，總體變形控制效果不好，大部分地段增設(shè)套拱后變形才得以穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到I20b鋼架扭曲現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)研究確定自XD3+45后采用抗扭能力更強(qiáng)的H150型鋼。

經(jīng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，斜井的收斂變形量得到了有效減小。因此，進(jìn)入正洞施工階段，對(duì)變形段均加強(qiáng)支護(hù)。其中DyK187+895—DyK187+715為支洞和正洞相交段落，借鑒斜井控制變形經(jīng)驗(yàn)對(duì)初支首先采用H150型鋼，但由于該段凈空面大，采用H150型鋼后仍不能有效控制變形，最后調(diào)整為采用H175型鋼支護(hù)，間距0.8～1.0 m，噴射33 cm厚C30早強(qiáng)混凝土，設(shè)φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網(wǎng)。2011年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隧道變形仍以水平收斂為主，除局部地段因受結(jié)構(gòu)及地下水等因素影響變形＞350 mm外，大部分變形量在150 mm以內(nèi)(圖2)。變形發(fā)展相對(duì)較為平緩，基本杜絕了突變，總體變形可控。

圖2 木寨嶺隧道右線DyK187+895累計(jì)變形歷時(shí)曲線

2)增設(shè)套拱

施工過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局部段落采用增設(shè)套拱方式控制變形。XD7+91—XD7+89段于2009年7月6日開(kāi)挖，初支采用I20型鋼支護(hù)，但效果不佳，初支完成后變形量仍不斷增大，因此增設(shè)套拱，于7月13日在原支護(hù)基礎(chǔ)上又增設(shè)3榀I18型鋼支護(hù)。增設(shè)套拱后盡管使變形得到了一定的控制，但整體變形量依然偏大，達(dá)到了300 mm(圖3);同時(shí)，由于隧道開(kāi)挖時(shí)沒(méi)有考慮超挖以預(yù)留變形量，加之兩層初支的布設(shè)增大了初支厚度，導(dǎo)致無(wú)法按設(shè)計(jì)布設(shè)二襯。因此，采用套拱的支護(hù)方式時(shí)應(yīng)預(yù)先考慮超挖，如果沒(méi)有考慮超挖，應(yīng)采用調(diào)整型鋼型號(hào)的支護(hù)措施。

圖3 大戰(zhàn)溝斜井XD7+90累計(jì)變形歷時(shí)曲線

3)超前導(dǎo)洞和超前大鉆孔

大戰(zhàn)溝斜井實(shí)際施工中上半斷面嘗試采用超前導(dǎo)洞和超前大鉆孔兩種措施先期釋放應(yīng)力以減小圍巖變形。XD6+90—XD6+75段超前導(dǎo)洞從2009年9月8日開(kāi)始，到9月11日結(jié)束;XD7+25—XD7+10段超前大鉆孔從2009年7月25日開(kāi)始，到7月30日結(jié)束，超前距離均為15 m。

由于開(kāi)挖面圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，導(dǎo)洞開(kāi)挖后成型較差，超前鉆孔也出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。這兩種措施對(duì)減小圍巖變形有一定作用，但受軟弱圍巖和施工場(chǎng)地條件的限制，可行性較差。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)蘭渝鐵路木寨嶺隧道主要通過(guò)二疊系下統(tǒng)板巖、炭質(zhì)板巖地層。該巖層屬于低級(jí)區(qū)域變質(zhì)作用的產(chǎn)物，含綠泥石、伊利石、高嶺石等軟質(zhì)黏土礦物23%～35%，具有巖質(zhì)軟、遇水軟化、力學(xué)性質(zhì)差等特點(diǎn)。

2)隧道所在區(qū)域由于多期次構(gòu)造作用的復(fù)合疊加，形成了形態(tài)各異極其復(fù)雜的褶曲與斷層構(gòu)造，隧道穿越斷層破碎帶總計(jì)11條，具有構(gòu)造復(fù)雜、巖體較破碎的特點(diǎn)。

3)木寨嶺隧道實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力 SH值為6.77～27.16 MPa，計(jì)算 Rc/SH為0.39～1.86，處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。

4)超前導(dǎo)洞和超前大鉆孔兩種提前釋放應(yīng)力措施對(duì)減小圍巖變形有一定作用，但受軟弱圍巖和施工場(chǎng)地條件的限制，可行性較差。采用調(diào)整型鋼型號(hào)及增設(shè)套拱的方法能起到控制變形的作用。

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