張 波

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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，泥巖與頁巖占地球表面所有巖石的50%左右［1］。軟巖變形是一個復雜的過程，不僅受滲透壓力、水動力的影響［2-3］，而且微觀結構也是造成軟巖變形的一個內在原因，軟巖的軟化基本是在水—巖之間復雜的化學和力學耦合作用下發(fā)生的［4］。最早有關軟巖的研究主要是針對煤炭巷道軟巖支護問題進行的，逐漸形成了一系列有影響的理論和技術，如新奧法理論、松動圈理論、聯合支護理論等，這些理論與技術解決了大量軟巖支護問題。但對板巖、頁巖等軟巖的微觀結構、變形機理、巖體分級及圍巖支護措施等研究起步較晚，隨著地下工程建設中圍巖變形較大且不易治理問題的不斷出現才逐漸被認識到并開展相應研究［5-7］。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19 025 m，隧道洞身最大埋深約600 m，最小埋深約40 m，洞身段板巖及炭質板巖段合計長度8 850 m，占隧道全長46.52%，隧道穿越斷層破碎帶總計11條，合計長度4 500 m，占隧道全長23.65%。木寨嶺隧道受復雜地質條件的作用，洞身變形嚴重，嚴重影響施工。因此，針對蘭渝線軟巖工程特性及變形機理進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隧道，左線全長19 020 m，右線全長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隧道，共設8座斜井輔助施工。

木寨嶺隧道所處的秦嶺造山帶經歷了多期構造運動以及長期的發(fā)展演化，內部組成與構造變形十分復雜，區(qū)域內斷層及褶皺發(fā)育，應力場以構造應力為主，且淺層水平應力遠大于垂直應力。木寨嶺隧道全部處于大草灘復背斜的南翼，主要經過美武—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)育的次級斷層有f10～f16，這些斷裂大多數被第四系殘、坡積地層覆蓋。隧道洞身主要經過二疊系下統(tǒng)軟質巖地層，巖性主要為板巖、炭質板巖(圖1)。

圖1 木寨嶺隧道區(qū)域地質

隧道實際開挖地層以二疊系下統(tǒng)板巖為主，局部為炭質板巖，同勘察結果基本相符。巖體節(jié)理較發(fā)育，圍巖較破碎，局部受構造活動影響較嚴重，可見揉皺現象以及層間擠壓破碎帶，含泥化夾層，產狀陡傾或近于直立，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主。

2 隧道圍巖變形特征

木寨嶺隧道板巖段最初開挖的斜井首先遇到了變形問題。斜井施工過程中板巖段先后出現不同程度的大變形，多數圍巖變形以水平收斂為主，現場測的變形速率39～682 mm/d，最大變形量達1 320 mm，具有變形快、變形速率大的特點。變形處噴射混凝土開裂，初期支護表面出現環(huán)、縱向裂縫，支護內鼓，拱架開裂、扭曲，嚴重影響施工，造成隧道斜井拆換拱達1 011 m。隧道施工初期按照設計支護參數支護，圍巖總體變形較小，初支穩(wěn)定。但隨著掘進的逐步深入，開挖揭示的薄層炭質板巖夾層逐漸增多，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重，邊墻出現細小裂縫，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逐步增加。

當施工開挖至正洞以后，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，加之局部應力集中，發(fā)生較大變形，持續(xù)時間長，二襯出現開裂。

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二疊系下統(tǒng)地層，屬于低級區(qū)域變質作用的產物。巖性主要為板巖夾炭質板巖，以薄層狀構造為主，巖質較軟，炭質板巖多呈微薄層狀，巖質極軟，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，局部受構造影響呈重揉皺小構造，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、高嶺石等軟質礦物含量達23% ～35%。其均屬親水性礦物，水理性質差，遇水易軟化或產生崩解，力學性質差(表1)。巖性是大變形的主要原因之一。

表1 板巖物理力學特性

2)構造特征

隧道位于秦嶺—昆侖緯向構造體系，后期被祁呂賀蘭山字型構造體系改造、復合、歸并，并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構造體系改造，由于多期次構造作用復合疊加，形成了形態(tài)各異極其復雜的褶曲與斷層構造。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)內斷裂構造發(fā)育，隧道累計穿越1個區(qū)域斷層，10個次一級斷層及6個褶曲構造，受構造影響巖體完整性較差。

3)應力特征

木寨嶺隧道布置兩個應力測孔并采用水壓致裂法測試地應力情況。1#孔位于DK179+088左138 m，深330 m，在1#孔295，315 m分別進行了地應力測試，測得地應力方向 N34°E，最大水平主應力 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段測得最大水平主應力SH為6.77～10.47 MPa，最大水平主應力方向為N29°E～N39°E?，F場地應力測試結果顯示，木寨嶺隧道所在區(qū)域最大水平主應力SH、最小水平主應力Sh及垂直應力 Sv的關系為 SH＞Sh＞Sv，局部 SH＞Sv＞Sh，該區(qū)具有較為明顯的水平構造應力，以水平主應力作用為主。

根據《工程巖體分級標準》(GB/50218—94)，通過比較巖石飽和抗壓強度Rc與最大水平主應力SH的比值可以確定隧道洞身應力狀態(tài)。

Rc/SH＜4為極高應力

4＜Rc/SH＜7為高應力

Rc/SH＞7為低應力

試驗測得木寨嶺隧道板巖飽和抗壓強度Rc為10.48 ～12.56 MPa，計算 Rc/SH為0.39 ～1.86，因此木寨嶺隧道洞身處于極高地應力狀態(tài)。洞身測試點地應力數值變化幅度較大，反應了該區(qū)域有構造或殘余應力集中現象，且空間分布復雜多變。極高地應力是軟巖大變形的主要原因之一。

4 變形控制措施

1)調整型鋼型號

現場施工中一般首先選擇調整型鋼型號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。變形破壞主要體現在拱架扭曲嚴重，混凝土剝落開裂，拱頂混凝土掉塊。監(jiān)測結果顯示XD3+50處變形達到494.29 mm，變形嚴重段占整段長度84%。在XD4+69—XD3+45段調整使用I20型鋼加強支護。雖然采用了措施，由于圍巖以壓碎巖為主，巖質極軟，加之水發(fā)育，總體變形控制效果不好，大部分地段增設套拱后變形才得以穩(wěn)定。同時，考慮到I20b鋼架扭曲現象嚴重，因此，經現場研究確定自XD3+45后采用抗扭能力更強的H150型鋼。

經調整支護參數，斜井的收斂變形量得到了有效減小。因此，進入正洞施工階段，對變形段均加強支護。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驗對初支首先采用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，最后調整為采用H175型鋼支護，間距0.8～1.0 m，噴射33 cm厚C30早強混凝土，設φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網。2011年監(jiān)測結果顯示，隧道變形仍以水平收斂為主，除局部地段因受結構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(圖2)。變形發(fā)展相對較為平緩，基本杜絕了突變，總體變形可控。

圖2 木寨嶺隧道右線DyK187+895累計變形歷時曲線

2)增設套拱

施工過程中，對現場局部段落采用增設套拱方式控制變形。XD7+91—XD7+89段于2009年7月6日開挖，初支采用I20型鋼支護，但效果不佳，初支完成后變形量仍不斷增大，因此增設套拱，于7月13日在原支護基礎上又增設3榀I18型鋼支護。增設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，達到了300 mm(圖3);同時，由于隧道開挖時沒有考慮超挖以預留變形量，加之兩層初支的布設增大了初支厚度，導致無法按設計布設二襯。因此，采用套拱的支護方式時應預先考慮超挖，如果沒有考慮超挖，應采用調整型鋼型號的支護措施。

圖3 大戰(zhàn)溝斜井XD7+90累計變形歷時曲線

3)超前導洞和超前大鉆孔

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

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

5 結束語

1)蘭渝鐵路木寨嶺隧道主要通過二疊系下統(tǒng)板巖、炭質板巖地層。該巖層屬于低級區(qū)域變質作用的產物，含綠泥石、伊利石、高嶺石等軟質黏土礦物23%～35%，具有巖質軟、遇水軟化、力學性質差等特點。

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

3)木寨嶺隧道實測最大水平主應力 SH值為6.77～27.16 MPa，計算 Rc/SH為0.39～1.86，處于極高地應力狀態(tài)。

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

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