李明宇

(廣西交建工程建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

近二十年來,我國(guó)西部地區(qū)鐵路、高速公路以及隧道等運(yùn)輸類基礎(chǔ)建設(shè)量呈指數(shù)級(jí)升高,但是鑒于西部地區(qū)存在較為深大的斷裂構(gòu)陷地帶,在運(yùn)輸類基礎(chǔ)建設(shè)工程中必須要對(duì)施工區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)地考察與研究,這對(duì)施工建設(shè)和路線選擇均有較大的影響和局限[1]。當(dāng)前深埋隧道在施工過程中的主要難點(diǎn)是層狀圍巖變形所導(dǎo)致的韌性變形和剛性破裂災(zāi)害,由于開鑿隧道過程中需要使用大量的炸藥進(jìn)行爆破作業(yè),這也勢(shì)必會(huì)破壞層狀圍巖的原有應(yīng)力結(jié)構(gòu)的分布特征,致使發(fā)生變形或破裂等危害,輕則導(dǎo)致工期延遲,重則無法保證一線人員的作業(yè)安全。本文基于上述背景,以深埋隧道施工中層狀圍巖力學(xué)性質(zhì)為主要研究對(duì)象,提出了硬巖在高應(yīng)力條件下所可能發(fā)生的變形或破裂現(xiàn)象,以四川某深埋隧道工程為實(shí)例,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)情況,著重對(duì)層狀巖石中的頁巖進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),在得出其隧道工程變形情況的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地規(guī)劃其施工支護(hù)基本理念,以期為復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋隧道施工提供理論與經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 隧道工程概況

1.1 工程概況

該隧道工程位于成渝客專高速鐵路雙線隧道,全長(zhǎng)約8.5 km,為單洞雙線型隧道,設(shè)計(jì)行車時(shí)速為250 km/h,最大運(yùn)營(yíng)時(shí)速為350 km/h,是四川省最長(zhǎng)的高鐵雙線隧道[2]。整個(gè)隧道橫截面積為152 m2,為了確保在列車高速運(yùn)行中不受到氣流的顯著影響,該隧道進(jìn)出口分別設(shè)計(jì)了5個(gè)氣流緩沖井,以便高速氣流從緩沖井中排出。洞內(nèi)線路坡度為單面上坡,采用主洞以及輔助坑道模式展開施工作業(yè),該隧道工程由于開挖面積大、安全風(fēng)險(xiǎn)高,層狀巖石的變形及破裂是其施工的重點(diǎn)問題。目前該隧道正在按規(guī)定計(jì)劃有序進(jìn)行施工,左右兩洞已經(jīng)分別挖至1 900 m以上,已經(jīng)完成了開挖總長(zhǎng)度的80%。

1.2 地質(zhì)條件

該隧道工程橫貫龍泉山山脈,位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中,以龍泉山褶皺帶為主要構(gòu)造體系,其間分布了一系列NE向的褶皺、沖壓斷層等剪力壓性褶皺結(jié)構(gòu)面,由于發(fā)育的多個(gè)褶皺及斷層,導(dǎo)致施工地點(diǎn)小規(guī)模斷層與節(jié)理群發(fā)育,并多為風(fēng)化卸荷裂隙。根據(jù)收集鉆孔資料發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地層巖性組成主要為:(1)第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土;(2)白堊系上白堊統(tǒng)構(gòu)造角礫變質(zhì)破碎巖;(3)侏羅系泥質(zhì)夾砂巖。從鉆孔中的樣品來看,巖芯樣較為破碎且質(zhì)地較軟,極易風(fēng)化剝落,可以見得其巖層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較強(qiáng)[3]。值得一提的是,在該隧道工程的進(jìn)出口處,其邊坡主要為泥質(zhì),局部有較為顯著的淺表滑落層,對(duì)基坑和邊坡的穩(wěn)定性造成一定影響。隧道內(nèi)層狀巖石的產(chǎn)狀較為平緩,部分巖石節(jié)理分布面較大,并具一定的透水性,這可能導(dǎo)致隧道邊墻受到四周巖體應(yīng)力而發(fā)生擠壓變形。

1.3 層狀圍巖變形破壞模式

(1)邊坡失穩(wěn)。該隧道工程的進(jìn)出口處上部仰坡處巖石質(zhì)地較軟,并且已經(jīng)有部分出現(xiàn)淺表滑落層,易發(fā)生上部巖石大面積滑落或崩塌現(xiàn)象。

(2)經(jīng)過對(duì)隧道整體的水文地質(zhì)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該隧道中部發(fā)育有一段富水?dāng)鄬?巖石受到一定的破裂及損害,極易造成滲水甚至突泥事件發(fā)生。

(3)受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響,隧道內(nèi)部巖層產(chǎn)狀整體雖較為平緩,但局部地帶巖層產(chǎn)狀扭曲變化強(qiáng)烈,在隧道部分地區(qū)形成了多級(jí)次的褶曲斷裂群系,甚至發(fā)生巖層倒轉(zhuǎn)等現(xiàn)象,有隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)。

2 層狀巖石力學(xué)性質(zhì)研究

2.1 試樣制備流程

本次試驗(yàn)主要對(duì)該隧道工程中的頁巖試樣進(jìn)行試驗(yàn)定性分析,由于該地區(qū)特殊的水文地質(zhì)特征,因此對(duì)干燥與飽水狀態(tài)下的頁巖試樣分別進(jìn)行了單軸與三軸試驗(yàn),進(jìn)而確定了區(qū)域水質(zhì)條件對(duì)頁巖所產(chǎn)生的力學(xué)影響[4]。為了進(jìn)一步分析力學(xué)的各向異性對(duì)頁巖試樣的形態(tài)影響,還對(duì)頁巖試樣進(jìn)行了不同傾角與圍壓狀態(tài)下的單軸、三軸壓縮試驗(yàn),探討了頁巖在不同圍壓和層理傾角下的應(yīng)力變形特征。在現(xiàn)場(chǎng)取樣過程中,盡量確保對(duì)巖層母巖進(jìn)行尺寸完整、傾角一致、鉆孔角度等要素的科學(xué)調(diào)整,進(jìn)而得到各向異性的頁巖試樣。各向異性試樣的加工按照國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一加工成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣,以便進(jìn)行蠕變和單軸、三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 試樣微觀掃描各向異性結(jié)果

通過對(duì)層狀頁巖試樣的微觀掃描,發(fā)現(xiàn)其在不同層理破壞角度下所產(chǎn)生的力學(xué)性質(zhì)有較大差異。通過在平行層理方向、垂直層理方向以及斜交層理方向觀察,發(fā)現(xiàn)頁巖試樣的鏡下微觀特征差異性較為顯著,致使其在巖石力學(xué)的宏觀層面上亦表現(xiàn)出一定差異。在平行層理方向常見段塊狀斷裂口且形態(tài)不規(guī)則,大小不一致,部分?jǐn)鄩K邊緣附著少量的碎屑結(jié)晶物質(zhì),局部可見層面上的微小斷裂孔隙;在垂直層理方向多數(shù)為較顯著的層理結(jié)構(gòu)面,條塊狀端口較為清晰顯著,大小形狀較為均一;在斜交層理方向多為條塊狀斷口與斷塊,其邊緣部分在500倍視鏡下可見微小的碎屑物質(zhì)顆粒附著其上,并分布有零星的界面孔隙。微觀下平行、垂直、斜交方向上頁巖應(yīng)力變化特征見圖1。

圖1 微觀下平行、垂直、斜交方向上頁巖應(yīng)力變化特征示例圖

2.3 頁巖抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方案

層狀頁巖試樣是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)打磨后的50 mm×100 mm圓柱體,設(shè)計(jì)鉆孔軸線與頁巖層理面夾角分別為0°、30°、60°、90°,利用游標(biāo)卡尺以及電子秤對(duì)頁巖試樣的直徑、高度等一般參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)而得到頁巖在自然條件下的正常密度數(shù)值,利用聲波測(cè)試技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取與記錄,根據(jù)這些測(cè)試結(jié)果對(duì)頁巖試樣進(jìn)行科學(xué)篩選,篩選后即可進(jìn)行10 MPa、20 MPa、40 MPa不同圍壓條件下的單軸與三軸檢測(cè)試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)采用控制荷載速率的方式進(jìn)行加載,以10 bar/min的速率施加圍壓至設(shè)定值,并使圍壓始終保持不變。在圍壓穩(wěn)定后,再對(duì)軸壓進(jìn)行加載,加載速率為10 bar/min,直至試件完全破壞。

2.3.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)頁巖試樣進(jìn)行不同層理傾角條件下的圍巖應(yīng)力試驗(yàn)研究,可以得出頁巖單軸壓縮過程可分為以下步驟:隨著試驗(yàn)應(yīng)力的加大,頁巖逐漸進(jìn)入壓實(shí)緊密階段,在此期間,頁巖內(nèi)部的原生裂紋伴隨著壓應(yīng)力增大而出現(xiàn)緩慢的閉合現(xiàn)象,此時(shí)應(yīng)力類型為原生頁巖裂紋的閉合應(yīng)力;當(dāng)壓實(shí)緊密階段基本結(jié)束后便進(jìn)入塑性—彈性變形階段,此時(shí)試驗(yàn)中偏壓應(yīng)力的不斷加強(qiáng),會(huì)使頁巖內(nèi)部產(chǎn)生新的破裂現(xiàn)象,并進(jìn)入到破裂大面積形成和擴(kuò)展階段。但值得注意的是,當(dāng)破裂紋到達(dá)一定程度時(shí),頁巖試樣便開始擴(kuò)容屈服,當(dāng)繼續(xù)加大試驗(yàn)應(yīng)力時(shí),頁巖試樣即發(fā)生貫通破裂,即為頁巖試樣的最大強(qiáng)度值,所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)應(yīng)力亦到達(dá)峰值。當(dāng)頁巖試樣發(fā)生損壞后,其內(nèi)部的壓應(yīng)力發(fā)生了快速回落,但并沒有降至0,而是逐漸穩(wěn)定在了某一數(shù)值上,此類強(qiáng)度即為頁巖試樣的殘余強(qiáng)度。值得一提的是,頁巖試樣在受到試驗(yàn)壓應(yīng)力的持續(xù)加強(qiáng)下,基本沒有展現(xiàn)出很強(qiáng)的延展性,基本發(fā)生于突然的脆性斷裂破壞。單軸壓縮頁巖試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 單軸壓縮頁巖試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

本次進(jìn)行單軸試驗(yàn)所選取的頁巖試驗(yàn)層理傾角分別為0°、30°、60°、90°,而其對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度分別為28.94 MPa、49.77 MPa、49.87 MPa、147.99 MPa,存在著十分顯著的各向異性特征,當(dāng)頁巖試樣為90°時(shí),其試驗(yàn)所得到的應(yīng)變量和抗壓強(qiáng)度均處于較高水平,造成此現(xiàn)象的原因主要有:(1)由于本次用于單軸試驗(yàn)的頁巖試樣數(shù)量較少,可能在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度上其離散性所導(dǎo)致的強(qiáng)度差異,因此對(duì)于后期三軸試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)頁巖試樣的各向異性進(jìn)行詳細(xì)說明;(2)在對(duì)頁巖試樣進(jìn)行不同層理角度的電鏡微掃描過程中,其層理在水平、垂直、斜交傾角下的微觀差異較大,這就影響了頁巖的力學(xué)變化形式。因此,在隧道施工中遇到頁巖產(chǎn)狀差異較大時(shí),應(yīng)考慮施工強(qiáng)度對(duì)其不同產(chǎn)狀的具體受力影響。

2.4 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 相同傾角條件下不同圍壓的強(qiáng)度特征

在相同層理傾角且不同圍巖應(yīng)力條件下,頁巖試樣先會(huì)進(jìn)入緊密壓實(shí)階段,環(huán)向應(yīng)變力部分出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象和趨勢(shì),而隨著試驗(yàn)壓應(yīng)力的持續(xù)增加,頁巖試樣內(nèi)部的原生裂紋將逐漸被壓實(shí),而后即進(jìn)入較為穩(wěn)定的塑性—彈性形變中,其頁巖試樣內(nèi)部的新生破裂紋開始出現(xiàn),當(dāng)經(jīng)歷彈性變形之后就會(huì)出現(xiàn)不可逆的塑性變形,其抗壓強(qiáng)度逐漸上升到最大數(shù)值,應(yīng)力強(qiáng)度亦達(dá)到峰值。從本次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),隧道內(nèi)的硬質(zhì)頁巖與傳統(tǒng)軟巖在巖石力學(xué)特性的變化上具有較大差異,頁巖的塑性偏低,這就使其在到達(dá)一定的應(yīng)力程度上時(shí)發(fā)生突然的破碎斷裂現(xiàn)象,而且偏應(yīng)力會(huì)維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值上,即頁巖試樣的殘留強(qiáng)度,其數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 相同傾角條件下不同圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)表

2.4.2 相同圍巖條件下不同傾角的強(qiáng)度特征

為了使數(shù)據(jù)更加具備有效性,本次分別在圍壓為10 MPa、20 MPa兩種情況下進(jìn)行了頁巖試樣強(qiáng)度比對(duì)。在同一圍壓且傾角相同的情況下,當(dāng)頁巖的層理傾角為90°時(shí)顯示出最強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度,與單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得出的結(jié)論一致。從試驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)頁巖的層理傾角發(fā)生變化時(shí),其抗壓強(qiáng)度亦展現(xiàn)出不同。因此在隧建設(shè)施工過程中,一定要考慮硬巖地層的產(chǎn)狀、應(yīng)力、走向等矢量要素,以避免由于層狀頁巖的各向異性而帶來的施工安全隱患。綜上所述,相同圍巖應(yīng)力下的不同傾角的頁巖三軸抗壓強(qiáng)度有著顯著不同,而且由于硬質(zhì)頁巖本身延展性較差,導(dǎo)致其脆性破裂現(xiàn)象十分普遍,因此在頁巖試樣的三軸抗壓試驗(yàn)中,頁巖多表現(xiàn)為突然破碎,這也使其硬質(zhì)頁巖的強(qiáng)度離散性較高,但是三軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著層理傾角的變化總體呈現(xiàn)U型變化趨勢(shì),數(shù)據(jù)匯總見表3及下頁圖2。

表3 相同圍壓條件下不同傾角試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

圖2 相同圍壓條件下頁巖三軸抗壓強(qiáng)度隨層理傾角變化曲線圖

3 層狀頁巖巖層變形評(píng)估與防控措施

3.1 變形評(píng)估

通過硬質(zhì)頁巖的力學(xué)變形特征、抗壓力學(xué)試驗(yàn)分析以及工程地質(zhì)條件分析[5],可以得到該深埋隧道工程高應(yīng)力下層狀圍巖變形或破裂的機(jī)制類型如下:

(1)結(jié)構(gòu)變形機(jī)制分析。該深埋隧道工程穿過龍泉山斷裂帶,斷裂帶節(jié)理和斷層十分發(fā)育,局部見顯著的斷裂破碎構(gòu)造角礫帶,具備一定的地下水滲透條件。隧道受到地質(zhì)構(gòu)造影響較大,推測(cè)在區(qū)域結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力下硬質(zhì)頁巖發(fā)生變形或破碎現(xiàn)象,并且局部有頁巖和板巖相互交錯(cuò)的變質(zhì)砂巖層,其間質(zhì)地較薄,極易引起層狀圍巖的大面積破裂。

(2)遇水軟化機(jī)制分析。通過水文地質(zhì)勘查,隧道施工附近地下水活動(dòng)較為活躍,存在一定的隧道透水風(fēng)險(xiǎn)。而且通過對(duì)頁巖試樣進(jìn)行飽水和干燥條件下的單軸、三軸壓縮試驗(yàn),可以基本確定在飽水條件下硬質(zhì)頁巖的巖石力學(xué)強(qiáng)度顯著下降,因而可以判定其層狀巖石可能遇水并受高應(yīng)力情況下發(fā)生變形,見下頁表4。

表4 高應(yīng)力下頁巖變形機(jī)制分類簡(jiǎn)表

3.2 變形防控方案

(1)隧道出口處超前加固。該隧道口巖體較為破碎,并且已經(jīng)部分出現(xiàn)淺表滑落層,圍巖自穩(wěn)性較差,滲水亦較為嚴(yán)重。因此為保證頂臨空面不出現(xiàn)滑坡溜塌,因此建議在開挖線設(shè)置超前水平旋噴鋼管樁,管樁之間需要保證10 m左右的縱向間距,并形成殼體結(jié)構(gòu),以防止拱頂溜塌[6]。

(2)隧道洞內(nèi)長(zhǎng)錨桿支護(hù)。依據(jù)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄,需要隧道平導(dǎo)結(jié)構(gòu)面開挖坑道,以降低層狀圍巖變形,并進(jìn)行洞身的長(zhǎng)錨桿超前噴錨支護(hù)。

(3)隧道出口處仰拱加深與基底加固。由于該隧道出口處水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,具有一定的滲水風(fēng)險(xiǎn),而洞口處又多為硬質(zhì)頁巖,遇水軟化后很難符合原有的荷載設(shè)計(jì)要求,為確保施工安全與質(zhì)量,建議采取基底鋼管樁加固,并將仰拱曲率加大,進(jìn)而確保其隧道出洞口的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文對(duì)我國(guó)西部某深埋隧道的層狀圍巖變形及防控措施進(jìn)行了深入剖析,著重對(duì)隧址中的層狀硬質(zhì)頁巖進(jìn)行了不同層理傾角方向電鏡下的微觀特征研究以及單軸、三軸抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn),得出層狀頁巖的各向異性十分顯著,并且在高應(yīng)力下遇水后的應(yīng)力敏感度較高。同時(shí),基于檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),依托實(shí)際施工情況,針對(duì)性地提出了變形防控方案,以期為復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋隧道施工提供一定的理論價(jià)值與實(shí)際借鑒。