關(guān)喜彬

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176)

1 引言

天平鐵路是甘肅省“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，經(jīng)過甘肅省內(nèi)東部天水和平?jīng)鰞墒芯硟?nèi)[1]。隧道圍巖為大埋深高地應(yīng)力下硬脆性圍巖，此類巖體的變形破壞特征及機(jī)理性的研究至關(guān)重要，關(guān)乎工程設(shè)計(jì)合理性和施工方法的科學(xué)性。

國內(nèi)眾多學(xué)者也深入研究了大埋深高地應(yīng)力下圍巖的穩(wěn)定特性。陳志敏[2]通過數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場測量等方法對(duì)木寨嶺隧道、關(guān)角隧道等工程的軟巖隧道圍巖壓變化進(jìn)行了研究，并分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的相互影響機(jī)理。李建興等[3]結(jié)合特定的地質(zhì)條件，利用能量理論對(duì)隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以此研究了高地應(yīng)力下開挖隧道對(duì)圍巖的影響，以及圍巖破壞后的發(fā)展特點(diǎn)。孫會(huì)想[4]基于數(shù)值模擬、孔內(nèi)攝像技術(shù)對(duì)大埋深、高地應(yīng)力地下圍巖結(jié)構(gòu)面－應(yīng)力型破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。梁寧等[5]提出了反映高地應(yīng)力下硬巖脆性破壞特點(diǎn)的RDM本構(gòu)模型，并優(yōu)化了開挖深埋隧洞時(shí)加固圍巖的設(shè)計(jì)方案及措施。結(jié)合相應(yīng)的成果，針對(duì)隧道擠壓大變形和巖爆事故頻發(fā)的工程現(xiàn)狀，對(duì)不同埋深條件下地應(yīng)力分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，劃定了圍巖損傷范圍[6]、提出了巖爆烈度預(yù)測方法[7－8]，提出了諸如光面爆破，采用脹殼式錨桿加固等隧道圍巖加固技術(shù)[9－11]。

本文以關(guān)山特長隧道DIK73＋700～DIK77＋560段為例，采用現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔電視測試觀測，從宏觀尺度上獲得高地應(yīng)力下隧道硬質(zhì)圍巖開挖漸進(jìn)變形破壞的典型特征。結(jié)合其圍巖變形破壞的特點(diǎn)，擬定了一種單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)中壓力方向和大小處于改變狀態(tài)，配合理論分析提出了關(guān)山隧道硬脆性圍巖的變形破壞機(jī)理。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 工程特征及區(qū)域地質(zhì)條件

關(guān)山特長隧道地處甘肅省平?jīng)鍪泻吞焖邢嘟粎^(qū)域的關(guān)山中山山區(qū)，在天平鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目中占有十分重要的地位。隧道起于DIK67＋850，終于DIK83＋450，15 600 m為其總長，為全線第二長隧。隧道DIK73＋700～DIK77＋560段通過地層主要以華力西期閃長巖為主。

隧道地理位置處于關(guān)山褶皺帶，屬于六盤山褶皺帶的次級(jí)構(gòu)造單元。莊浪－固關(guān)斷層(F4)和通渭－清水?dāng)鄬?F3)之間的部位就是關(guān)山褶皺帶，涵蓋了張家川縣境內(nèi)線路，屬于地槽構(gòu)造隆起帶，并有大量華力西期閃長巖巖體侵入關(guān)山嶺脊區(qū)域，如圖1所示。

圖1 關(guān)山隧道地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

22～24 MPa左右為隧洞周圍的水平主應(yīng)力最大值，14～15 MPa左右為其水平主應(yīng)力最小值，垂直主應(yīng)力為10～13 MPa。巖石原地抗拉強(qiáng)度多為3～4 MPa。參考國家部門頒布的測量報(bào)告[12]可知天平鐵路關(guān)山隧道圍巖總體處于高～極高地應(yīng)力狀態(tài)。

2.2 隧道圍巖特征

隧道穿越位置有大量華力西期侵入巖，呈現(xiàn)產(chǎn)出為巨大的巖基，伴之有小巖體產(chǎn)出。巖體構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，主要為閃長巖。這種巖類(δ4)顏色表現(xiàn)為青灰色，構(gòu)造為塊狀，結(jié)構(gòu)主要為細(xì)粒－中粗粒，巖體發(fā)育呈節(jié)理狀。此種巖石的礦物組成較簡單，具體包含為黑云母、石英、斜長石、鋯石、磁鐵礦等。3～5 m為強(qiáng)風(fēng)化層厚度，屬于Ⅵ級(jí)軟石，弱風(fēng)化基巖屬于Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，兩者的σ0分別為600 kPa和1 200 kPa。

以此隧道2＃斜井DK76＋552.3掌子面為例來分析巖體結(jié)構(gòu)，可以把結(jié)構(gòu)面分隔為五個(gè)部分(見圖2)。在結(jié)構(gòu)面里，數(shù)據(jù)比較多的是前三個(gè)部分，剩余兩部分則略少，所以，在分析結(jié)構(gòu)面時(shí)僅僅選擇有統(tǒng)計(jì)價(jià)值的前三部分。此三部分結(jié)構(gòu)面成為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，起到主要控制巖體穩(wěn)定性的作用，優(yōu)勢產(chǎn)狀為它們的產(chǎn)狀。通過作圖可得，第一部分結(jié)構(gòu)面法線的傾角和傾向分別是80°和60°。第二部分結(jié)構(gòu)面法線的傾角和全局加權(quán)傾向分別是34°和251°。第二部分結(jié)構(gòu)面法線的傾角和全局加權(quán)傾向分別是 70°和 210°。

圖2 隧道圍巖結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)窗分組

3 高地應(yīng)力下隧道圍巖變形破壞特征

3.1 圍巖表觀變形破壞

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，關(guān)山隧道多處鋼拱架支護(hù)都發(fā)生了變形破壞，例如2＃斜井正洞里程DK76＋558左右側(cè)墻鋼拱架處明顯的失穩(wěn)變形(見圖3)，表明了開挖后圍巖的變形調(diào)整活動(dòng)劇烈，部分洞段的初襯承擔(dān)的圍壓和實(shí)際變形超過了允許值。

圖3 里程DK76＋558側(cè)墻鋼拱架失穩(wěn)

同時(shí)，關(guān)山隧道多次掌子面前方超前預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖后結(jié)果均出現(xiàn)了波速倒掛現(xiàn)象。如，建設(shè)中期關(guān)山隧道2＃斜井正洞里程DK76＋580掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示，大部分未開挖洞段巖體波速超過5 000 m/s，而開挖后巖塊波速顯著下降至2 300 m/s左右。巖塊波速低于母巖巖體波速，出現(xiàn)了波速倒掛現(xiàn)象。巖體的變形彈模與波速存在關(guān)系，而開挖前后巖體(塊)密度可視為不變，因此波速下降表明巖體在外力下抵御變形的彈性模量的大幅下降。這說明隧道開挖前后，圍巖受應(yīng)力場調(diào)整影響，能量釋放，巖體較之開挖前更容易變形破壞。

3.2 圍巖松動(dòng)圈變形破壞

為了研究隧道開挖后圍巖內(nèi)部巖體具體破壞特點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)研發(fā)了鉆孔電視測試系統(tǒng)，并在現(xiàn)場開展了兩次觀測工作。第一次試驗(yàn)選取了兩個(gè)孔進(jìn)行觀測:1＃鉆孔，位于DIK74＋525左壁，開挖后完成初襯；2＃鉆孔，位于DIK74＋581掌子面上臺(tái)階，混噴護(hù)壁后3 d未開挖。測試結(jié)果顯示:

1＃鉆孔0～3.19 m段觀測到松動(dòng)變形空腔較為集中，其中孔深31～54 cm，裂縫之間相互貫通，呈現(xiàn)為不規(guī)則狀，寬度最大值大于10 mm，腔壁表現(xiàn)為齒狀，且較為粗糙；以里裂縫發(fā)育較密集，延伸距離大于10 mm，4 cm為其間距，張開寬度不超過1 mm，沒有填充，起伏比較粗糙。見圖4。

圖4 1＃鉆孔31～54 cm范圍內(nèi)連貫空腔

2＃鉆孔0～3 m空腔不多，但裂隙發(fā)育，延伸長，超過10 mm，大多數(shù)閉合或者含有斜長石、石英巖脈、黃斑巖脈或暗色礦物蝕變而成的綠泥石填充，且填充膠結(jié)較好。在19～60 cm范圍內(nèi)，存在疑似破碎帶或擠壓變形帶。上述客觀影像皆反映了未開挖巖體受構(gòu)造活動(dòng)和環(huán)境應(yīng)力影響裂隙發(fā)育但閉合，巖體較完整，強(qiáng)度高，前期的勘查鉆孔難以判斷巖體開挖后的質(zhì)量。見圖5。

圖5 2＃鉆孔閉合裂隙及填充

圖4和圖5對(duì)比可見，閃長巖在開挖卸荷條件下應(yīng)力場調(diào)整，卸除了圍壓后，結(jié)構(gòu)面的變形和新破裂面的產(chǎn)生導(dǎo)致了巖塊的擴(kuò)容變形。其中，平行或小角度斜交側(cè)墻的結(jié)構(gòu)面更容易擴(kuò)展張開和錯(cuò)動(dòng)，甚至形成了連貫空腔，引發(fā)了圍巖向臨空面的強(qiáng)烈變形，松脫了卸荷帶。隧道中以水平應(yīng)力為主且垂直側(cè)墻的壓力約為19 MPa，側(cè)墻可能的變形破壞模式是垂向壓力和水平應(yīng)力聯(lián)合作用下的潰屈?？梢?，同一深度內(nèi)，受開挖擾動(dòng)影響時(shí)間較短的2＃孔裂隙多數(shù)為閉合的，而1?？讋t張開裂隙居多。這表明，結(jié)構(gòu)面在開挖應(yīng)力場調(diào)整過程中在不斷張開，及時(shí)強(qiáng)支護(hù)的重要性可見一斑。

3.3 圍巖破壞過程特征

除了觀察開挖洞段不同部位圍巖的變形破壞，為了更直觀比較分析開挖前后圍巖內(nèi)部變化，進(jìn)一步對(duì)2＃斜井正洞里程DK76＋543掌子面兩側(cè)同一部位的圍巖在開挖影響一定時(shí)段后的變形破壞進(jìn)行了追蹤觀測。該里程掌子面兩側(cè)鉆孔裂縫發(fā)育變化曲線見圖6。

圖6 裂縫發(fā)育變化曲線

由圖6可見，隨著掌子面向前推進(jìn)，圍壓結(jié)構(gòu)完整性逐漸削弱，巖體強(qiáng)度下降，加劇了裂縫的發(fā)展，裂縫之間逐漸貫通，增加了卸荷變形速度。經(jīng)歷開挖后6 h，在隧洞周邊開挖面3 m圍巖范圍里，裂隙在左側(cè)孔腔里的增加率達(dá)到200%，在右側(cè)孔腔里的增加率為左側(cè)兩倍，達(dá)到400%，尤其是在右側(cè)孔進(jìn)尺110～130 cm的區(qū)域里，裂隙增大率甚至大于600%。此現(xiàn)象充分說明深埋高應(yīng)力隧洞開挖面周圍圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度劣化嚴(yán)重，新老裂隙，缺陷和結(jié)構(gòu)面迅速發(fā)育交匯。

同時(shí)結(jié)合累計(jì)裂隙總數(shù)曲線斜率變化，發(fā)現(xiàn)右側(cè)鉆孔開挖面附近圍巖在1.3～1.5 m進(jìn)尺區(qū)域里，曲線斜率比較陡，裂隙數(shù)量有著較快的增長，嚴(yán)重影響了圍巖的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，加劇了其劣化程度，隨后圍巖中新增裂隙減少，新增裂縫增長率降低明顯，預(yù)示著遠(yuǎn)離開挖面后圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性逐漸恢復(fù)和加強(qiáng)。但在圍巖質(zhì)量比較差的左側(cè)鉆孔中，圍巖強(qiáng)度和完整性恢復(fù)不明顯，在鉆孔范圍內(nèi)新增裂隙增長率無放緩和降低趨勢，松動(dòng)圈范圍較右側(cè)更大。因此，圍巖新增裂隙增長率在開挖面各處是不一樣的，圍巖的整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性是不對(duì)稱的、各向異性的。

4 高地應(yīng)力圍巖變形破壞機(jī)理

為探明高地應(yīng)力圍巖變形破壞機(jī)理，開展了4組室內(nèi)變壓力大小和方向單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，研究方案及破壞情況如表1所示。試驗(yàn)破壞照片如圖7所示。

圖7 試塊破壞

表1 單軸試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在四輪重復(fù)進(jìn)行的變力變向加載過程中，巖塊試樣第一輪基本沒有裂紋出現(xiàn)，裂縫在第二輪開始出現(xiàn)，顯著擴(kuò)展發(fā)育是在第三輪，最終貫通是在第四輪，也是在此輪巖塊試樣破壞。在上述裂縫發(fā)展過程里，雖然巖塊樣品裂紋缺陷擴(kuò)展發(fā)育，但從宏觀來看，其沒有明顯的變形，在第四輪突然出現(xiàn)破壞，表現(xiàn)出閃長巖硬脆性變形破壞的特征，這也表示閃長巖強(qiáng)度比較大，質(zhì)地較硬，同時(shí)具有脆性，彈性模量較高，外力作用下變形不明顯，破壞是宏觀裂紋積累擴(kuò)展到一定程度突然失穩(wěn)的。表明閃長巖也和室內(nèi)巖塊試樣試驗(yàn)一樣表現(xiàn)出了自身結(jié)構(gòu)的良好承載性，突發(fā)失穩(wěn)破壞前變形較小，預(yù)兆不明顯的特點(diǎn)。

閃長巖的硬脆性預(yù)示了隧道圍巖自身結(jié)構(gòu)的承載性和巖體結(jié)構(gòu)變形破壞的突發(fā)性。在洞寬約7 m，洞高約9 m的斷面分布開挖中，圍巖穩(wěn)定性問題近似于壓桿穩(wěn)定或梁板潰曲問題(見圖8)。在洞壁臨空面缺乏側(cè)向支撐和結(jié)構(gòu)承載力降低到一定程度后，圍巖逐漸變形開裂最終突然失穩(wěn)破壞。所以，松動(dòng)圈潰曲失穩(wěn)是圍巖的基本變形破壞方式。

圖8 壓根穩(wěn)定(左)及梁板潰曲(右)示意

圍巖自身結(jié)構(gòu)的承載性和巖體結(jié)構(gòu)變形不明顯，破壞突發(fā)的特點(diǎn)也對(duì)支護(hù)措施的長效性產(chǎn)生影響。在一定的支護(hù)強(qiáng)度和措施下，圍巖結(jié)構(gòu)的承載性得到了加強(qiáng)，變形減緩，施加到支護(hù)上的接觸壓力增長緩慢或一成不變。如果支護(hù)強(qiáng)度不夠，措施不到位，經(jīng)過一段時(shí)間，圍巖將在變形不明顯的情況下發(fā)生突發(fā)失穩(wěn)破壞，短時(shí)間內(nèi)對(duì)支護(hù)產(chǎn)生較大的接觸壓力，如果支護(hù)變形破壞嚴(yán)重，將導(dǎo)致拆換拱等設(shè)計(jì)變更，危害隧道安全，嚴(yán)重影響工期和投資。

另外，關(guān)山隧道中的硬脆閃長巖積累了比淺部巖體多得多的彈性變形能和位能，巖體較完整，強(qiáng)度較高。但是靠近臨空面的巖體開挖后發(fā)生了強(qiáng)烈的能量釋放和變形破壞，波速從5 000 m/s明顯下降為2 300 m/s左右，有時(shí)開挖面還會(huì)伴隨著噼里啪啦的響聲，且隨時(shí)間而衰減。通過計(jì)算，各個(gè)方向的彈性模量和巖體質(zhì)量也顯著下降，表征了巖體的能量釋放，微缺陷擴(kuò)展，進(jìn)一步導(dǎo)致了圍巖變形破壞的發(fā)生。

5 結(jié)論

本文以關(guān)山隧道高～極高地應(yīng)力狀態(tài)硬脆性圍巖為例，采用現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔電視測試觀測，從變壓力大小和方向的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究大埋深高地應(yīng)力下硬脆性閃長巖開挖前后圍巖變形破壞特征及機(jī)理。研究結(jié)果表明:

(1)深埋高應(yīng)力隧洞開挖面附近圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈劣化，新老裂隙缺陷和結(jié)構(gòu)面迅速發(fā)育交匯。

(2)開挖面附近圍巖的1 m進(jìn)尺范圍內(nèi)，曲線斜率最陡，裂隙總數(shù)增長最快，對(duì)圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的劣化影響明顯。

(3)閃長巖的硬脆性預(yù)示了隧道圍巖自身結(jié)構(gòu)的承載性和巖體結(jié)構(gòu)變形破壞的突發(fā)性，松動(dòng)圈潰曲失穩(wěn)是圍巖的基本變形破壞模式。

(4)深埋高地應(yīng)力硬脆巖體儲(chǔ)存著更多能量，變形破壞時(shí)能量釋放更強(qiáng)烈。開挖后，巖體的變形破壞程度在顯著各向異性條件下被放大，而且失穩(wěn)破壞具有突發(fā)性，破壞前變形較不明顯。