鄒遠(yuǎn)華 張廣澤 丁文富 鄧 睿

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 工程基本概況

成昆鐵路保安營(yíng)隧道位于攀枝花市境內(nèi)，地處金沙江深切峽谷向云貴高原過渡的地形急變形帶，地形起伏大，高差懸殊，為連接既有成昆線和改建成昆鐵路的聯(lián)絡(luò)線單線隧道，全長(zhǎng) 13 326 m，最大埋深約 887 m；隧道進(jìn)口LXD4K 4+800處設(shè)一號(hào)斜井，中后部LXD4K 9+500處設(shè)二號(hào)斜井，出口LXD4K 12+650處設(shè)三號(hào)斜井。高地應(yīng)力引起的大變形和巖爆是重要控制節(jié)點(diǎn)，是制約隧道順利掘進(jìn)的主控因素之一。隧道施工過程中，占隧道總長(zhǎng)33.7%(4 487 m)的長(zhǎng)大緩傾砂頁巖段正洞及一號(hào)斜井隧底產(chǎn)生了開裂、隆起變形，變形一般0.2～0.5 m，最大值1.0 m，隧道開挖斷面高6.2 m，最大相對(duì)變形量達(dá)16.1%。在大變形地段中，部分段落掌子面及拱部圍巖施工中有爆裂、剝離及巖塊彈射等現(xiàn)象，出現(xiàn)了大變形與巖爆共生的特殊施工地質(zhì)災(zāi)害。

2 大變形巖爆孕育的特殊工程地質(zhì)環(huán)境

2.1 軟硬相間的緩傾地層巖性特征

保安營(yíng)隧道主要巖性構(gòu)造特征是由晉寧期花崗閃長(zhǎng)巖巖基構(gòu)成核部，以康定群混合巖為兩翼之基底背斜。隧道洞身通過次級(jí)褶皺之保安營(yíng)寬緩“碗”狀向斜“碗”底部位，核部地層為三疊系寶鼎組(T3bd)砂頁巖夾煤，兩翼地層為晉寧期花崗閃長(zhǎng)巖和康定群混合巖，局部見多期次巖漿侵入。巖性復(fù)雜多樣，沉積巖、變質(zhì)巖及巖漿巖均有出露，地層巖性縱斷面如圖1所示。

圖1 保安營(yíng)隧道洞身地層巖性縱斷面示意圖

隧道洞身通過地段為三疊系寶鼎組(T3bd)地層超覆于古生界及老基底之接觸帶附近，古地形起伏較大。出現(xiàn)大變形和巖爆地段的巖性為砂巖、頁巖夾炭質(zhì)頁巖及煤線，其中砂巖為硬質(zhì)巖，頁巖為軟質(zhì)巖，具軟硬相間特征。巖性組合形式主要為互層、夾層，具有明顯的由粗至細(xì)、由厚至薄、由硬至軟的動(dòng)蕩沉積韻律特征。具體表現(xiàn)為自下而上由灰白色厚層狀含礫砂巖、砂巖開始(間夾頁巖，硬質(zhì)砂巖比重占86%～94%)，向上顆粒逐步變細(xì)，粉砂巖和頁巖占比增多，層厚為薄-中厚層狀砂巖、頁巖互層，上部以頁巖夾煤薄層煤為主。

2.2 復(fù)雜強(qiáng)烈的構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境特征

隧道所處區(qū)域地處揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地西緣康滇地軸中段，在青藏高原強(qiáng)烈隆升和中上地殼物質(zhì)向東擠出、側(cè)向滑移的作用下，區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局受到強(qiáng)烈的改造和變形，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育。斷裂構(gòu)造主要為近SN向、NE-NEE向和少量NW向斷裂。隧道位于著名的全新世元謀-綠汁江活動(dòng)斷裂和攀枝花深大斷裂夾持地帶、強(qiáng)地震帶內(nèi)，以擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主，經(jīng)歷了從晉寧期至中生代三個(gè)復(fù)雜的演化過程，并伴有種類繁多的多期次巖漿活動(dòng)，表現(xiàn)出繼承性、多期性和新生性，斷裂多為構(gòu)造單元的分界線，其分布和活動(dòng)與大地構(gòu)造和新構(gòu)造分區(qū)有關(guān)[4]。隧址區(qū)發(fā)育保安營(yíng)舒緩“碗”狀向斜，巖層傾角緩(真傾角一般3°～8°，局部可達(dá)15°)，西翼被保安營(yíng)正斷層切割。

2.3 高地應(yīng)力環(huán)境特征

場(chǎng)區(qū)位于青藏高原東緣地帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征顯著，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜。利用震源機(jī)制解反演(隧址區(qū)震源機(jī)制解反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征如圖2所示)、勘察期間深孔水壓致裂測(cè)量、施工期間洞內(nèi)應(yīng)力解除原地應(yīng)力測(cè)量資料(隧道洞身地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及狀態(tài)評(píng)價(jià)如表1所示)，以及有限元數(shù)值模擬技術(shù)，綜合分析了保安營(yíng)隧道區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

圖2 隧址區(qū)震源機(jī)制解反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征示意圖

表1 隧道洞身地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及狀態(tài)評(píng)價(jià)表

由圖3和表1可以得出，隧道址區(qū)地應(yīng)力環(huán)境特征如下：①定性的震源機(jī)制解反演與定量的水壓致裂法和應(yīng)力解除原位地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合；②隧址區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，NWW向和NEE-NE向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方向，與隧道洞軸線呈大角度相交，區(qū)域整體處于極高地應(yīng)力環(huán)境；③隧道開挖后產(chǎn)生二次應(yīng)力場(chǎng)的平衡調(diào)整，復(fù)雜化了洞內(nèi)應(yīng)力環(huán)境；④地應(yīng)力大小和方向?qū)λ淼篱_挖后的圍巖穩(wěn)定不利，具備產(chǎn)生軟巖大變形和硬巖巖爆的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)條件。

3 大變形巖爆共生的地質(zhì)成因機(jī)制分析

3.1 大變形巖爆共生病害特征

大變形病害主要位于緩傾薄-中厚層狀砂巖、頁巖段落，層間結(jié)合較差，砂頁巖層面間易剝離，隨著軟質(zhì)巖比例的增大，大變形加劇趨勢(shì)明顯。保安營(yíng)隧道以Ⅰ級(jí)大變形為主，表現(xiàn)為拱部及邊墻收斂、初支噴混凝土剝落、綱架扭曲變形，隧底仰拱充填層開裂、隆起變形。其中隧底隆起最大值達(dá)1.0 m，仰拱充填層裂紋最大寬47.8 mm，拱部及邊墻收斂變形值為0.1～0.4 m。

在拱部發(fā)生收斂、隧底上鼓大變形地段，掌子面及邊墻部位為緩傾厚-巨厚層砂巖夾頁巖，砂巖層間結(jié)合性較好，巖質(zhì)堅(jiān)硬性脆，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體干燥無水，圍巖完整或較完整，圍巖整體穩(wěn)定性較好，為Ⅲ級(jí)圍巖。在高地應(yīng)力條件下，發(fā)生了巖爆病害，以輕微巖爆為主，特征表現(xiàn)為巖塊爆裂、剝離現(xiàn)象，部分出現(xiàn)巖塊彈射，其中LXD4K 7+990～LXD4K 8+175段連續(xù)砂巖層厚大，巖爆病害突出。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，作為應(yīng)用型院校的畢業(yè)生，就業(yè)機(jī)會(huì)也在不斷增多。但與此同時(shí)，這些就業(yè)崗位對(duì)畢業(yè)生在職業(yè)素養(yǎng)方面的要求也會(huì)不斷提高，所以這也是高校面臨的一個(gè)新的教育問題，大學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)體系能夠?yàn)槲倚Ｄ酥良质⊥愒盒W(xué)生職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)工作提供有價(jià)值的操作方案，切實(shí)增強(qiáng)大學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)水平。

根據(jù)高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式[5]，保安營(yíng)隧道大變形巖爆共生破壞的地質(zhì)模式主要為：①薄-中厚層硬質(zhì)砂巖、頁巖開挖變形為隧底隆起、拱頂下沉及類似軟質(zhì)巖的巖體松動(dòng)、水平擠出；②厚-巨厚層硬質(zhì)砂巖開挖變形為掌子面的巖爆。在隧道底及拱頂部位為薄-中厚層巖層、起拱線至拱腰段為厚-巨厚層硬質(zhì)砂巖時(shí)，施工過程中同時(shí)兼具軟巖變形和巖爆的變形特點(diǎn)，對(duì)隧道施工帶來較大影響，其特征如表2所示。

表2 保安營(yíng)隧道巖爆及大變形病害特征

3.2 大變形巖爆共生成因分析

大變形及巖爆是高地應(yīng)力作用、地層巖性、開挖后二次應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整、巖體力學(xué)特性等因素綜合作用下的產(chǎn)物[6]。保安營(yíng)隧道大變形巖爆共生過程復(fù)雜，主要是由高地應(yīng)力、巖體力學(xué)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特征、巖層緩傾特征等綜合因素決定的，特殊的巖性及巖體結(jié)構(gòu)特征是其共生的必要條件。

3.2.1 巖體力學(xué)強(qiáng)度特性

巖體抵抗外力而不破壞的能力稱為巖體強(qiáng)度。巖體抗壓強(qiáng)度越小，發(fā)生大變形的可能性越高，巖體儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力越高，發(fā)生巖爆的可能性也越高。保安營(yíng)隧道主要巖性抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 保安營(yíng)隧道主要巖性抗壓強(qiáng)度表

由表3可知，隧址區(qū)頁巖屬于較軟巖，砂巖雖屬于硬質(zhì)巖，但其飽和抗壓強(qiáng)度下限接近與軟質(zhì)巖的分界值，具備大變形和巖爆發(fā)生的基礎(chǔ)條件。

緩傾地層在隧道開挖后易沿層理面的法線方向發(fā)生變形，臨空面巖體向隧道內(nèi)位移，在自重應(yīng)力下，緩傾地層各層之間處于離層狀態(tài)。由于抗拉強(qiáng)度低，易發(fā)生彎曲變形，相同地層巖性條件下緩傾巖層更易失穩(wěn)[7-8]。保安營(yíng)隧道緩傾薄-中厚層砂巖、頁巖地層只能承受很小的拉應(yīng)力，隧道開挖后發(fā)生了大變形破壞，且隨著軟質(zhì)巖比例增大，變形量增大趨勢(shì)明顯。

3.2.2 緩傾巖體剛度特性

巖體剛度是指引起巖體單位位移所需的力。巖體結(jié)構(gòu)面黏聚力及結(jié)構(gòu)面間距特征對(duì)巖體剛度有較大影響。軟硬相間的層狀巖層在層間低黏聚力作用下，緩傾斜結(jié)構(gòu)面的巖體易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移及向垂直結(jié)構(gòu)面的臨空面發(fā)生彎曲變形，從而引起開挖巖體剛度降低。反之，層間黏聚力增大時(shí)，巖體的強(qiáng)度也隨之增大[9]。層間小間距(薄-中厚層)結(jié)構(gòu)面抵抗變形能力弱，間距增大時(shí)，在荷載作用下主要以巖體內(nèi)部的張拉或剪切破壞為主，與結(jié)構(gòu)面相關(guān)的破壞較少，整體剛度增大。

保安營(yíng)隧道緩傾薄-中厚層狀頁巖或砂巖夾頁巖黏聚力弱，單層厚5～40 cm，剛度較低。在開挖后巖體剛度進(jìn)一步降低，沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生張拉及剪切破壞，從而發(fā)生變形破壞；厚層-巨厚層狀砂巖黏聚力提高，黏聚力影響減弱，單層厚一般大于50 cm，巖體剛度增高，破壞時(shí)應(yīng)變能釋放較高，從而發(fā)生巖爆。巖體剛度特征與隧道開挖后頁巖變形最大，砂巖、頁巖互層變形次之，厚層砂巖主要發(fā)生巖爆的情況符合。

3.2.3 圍巖應(yīng)力條件的復(fù)雜性

保安營(yíng)隧道軟硬相間巖層的層厚差異及緩傾構(gòu)造使隧道開挖后圍巖應(yīng)力分布更為復(fù)雜。應(yīng)力在緩傾巖層中的傳播表現(xiàn)為垂直層面的傳播深度大于平行層面方向[10]，層狀巖層在垂直于層面方向上傳遞壓應(yīng)力，但一般不能傳遞拉應(yīng)力，僅當(dāng)層面結(jié)合良好時(shí)才能傳遞較低的拉應(yīng)力。隧道開挖后部分應(yīng)力釋放，周圍應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整和重新分布，隧底及拱頂形成應(yīng)力集中區(qū)，壓力和應(yīng)變最大，引起巖石向硐室中心徑向變形病害。層理平行臨空面情況的砂巖發(fā)生應(yīng)變巖爆時(shí)應(yīng)力水平最低，即這種情況下產(chǎn)生應(yīng)變巖爆的應(yīng)力水平要求不高，容易產(chǎn)生破壞，但破壞的劇烈程度比較微弱。

因此，在高地應(yīng)力狀態(tài)下，受巖體強(qiáng)度、層間巖體剛度等因素影響，隧道開挖卸荷后，層厚5～50 cm砂巖發(fā)生了較微弱的巖爆現(xiàn)象(巖體開裂)，但受其層厚影響又不足以發(fā)生剝離崩落、彈射的典型巖爆現(xiàn)象，而是在復(fù)雜受力情況影響下發(fā)生彎曲、張裂，表現(xiàn)出軟質(zhì)巖具有的大變形特點(diǎn)，導(dǎo)致隧底隆起、邊墻開裂、仰拱開裂上拱及拱部剝落等；層厚大于50 cm的砂巖則具有較典型的巖爆特點(diǎn)。因此，保安營(yíng)隧道緩傾地層在施工中整體體現(xiàn)出大變形、巖爆共生的特征，如圖3所示。

圖3 緩傾砂巖夾頁巖地層大變形巖爆共生示意圖

4 結(jié)論

(1)保安營(yíng)隧道區(qū)域地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，方向與隧道洞軸線呈大角度相交，處于極高地應(yīng)力環(huán)境；地應(yīng)力大小和方向?qū)λ淼篱_挖后的圍巖穩(wěn)定不利，是產(chǎn)生大變形和巖爆的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)條件。

(2)保安營(yíng)隧道的緩傾、軟硬相間巖層具備產(chǎn)生大變形和巖爆共生的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，破壞模式及特征主要為：薄-中厚層硬質(zhì)砂巖、頁巖開挖變形為隧底隆起、拱頂下沉及類似軟質(zhì)巖的巖體松動(dòng)、水平擠出，隨著軟質(zhì)巖比例增大，大變形加劇趨勢(shì)明顯；厚-巨厚層硬質(zhì)砂巖夾頁巖開挖變形為巖爆。

(3)巖體剛度是隧道發(fā)生大變形及巖爆的重要影響因素，層間薄層狀剛度低的巖體以大變形破壞為主，厚層狀剛度高砂巖以巖爆病害為主；不同層厚組合模式的硬質(zhì)砂巖和軟質(zhì)頁巖在高地應(yīng)力條件下兼具大變形及巖爆共生的條件。

(4)保安營(yíng)隧道大變形巖爆共生地質(zhì)災(zāi)害是在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高地應(yīng)力場(chǎng)、特殊的巖性組合、不同的強(qiáng)度及剛度特征等因素共同作用下產(chǎn)生的。通過分析共生的特征及影響因素，評(píng)判隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定合理有效的防治和控制措施，規(guī)避施工和后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。