孫 慕 楠

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展,鐵路隧道工程建設(shè)逐步向偏遠(yuǎn)山區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域發(fā)展,大量的隧道需要穿越軟弱圍巖地層,軟巖大變形隧道已逐漸成為我國(guó)鐵路隧道建設(shè)中一種常見(jiàn)隧道工程類(lèi)型[1]。近平行陡傾薄層狀軟巖隧道是軟巖隧道中的一種特殊類(lèi)型,系指在軟巖地質(zhì)條件下隧道穿越的巖層陡傾、與隧道軸線近乎平行和相對(duì)較薄的厚度[2]。這種類(lèi)型的軟巖隧道由于其具有地質(zhì)構(gòu)造和巖體性質(zhì)的復(fù)雜性,存在巖層薄且破碎、遇水易軟化等問(wèn)題,施工過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生掌子面滑塌、隧道變形量過(guò)大且難以收斂、初支二襯開(kāi)裂、拱架扭曲等各類(lèi)災(zāi)害,進(jìn)而對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提出了巨大挑戰(zhàn)。筆者依托國(guó)內(nèi)某在建鐵路隧道建設(shè)對(duì)近平行陡傾薄層狀軟巖隧道開(kāi)展了圍巖強(qiáng)度特征、收斂變形特征與控制措施研究,所取得的研究成果對(duì)近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形規(guī)律認(rèn)識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理、圍巖控制具有一定的借鑒意義。

2 薄層狀軟巖的特性

2.1 薄層狀軟巖成分分析

技術(shù)人員對(duì)該隧道現(xiàn)場(chǎng)掌子面薄層狀炭質(zhì)板巖進(jìn)行了取樣,開(kāi)展了不同浸泡時(shí)間試驗(yàn),其浸泡時(shí)間分別為1、3、5、7 d。分別對(duì)原狀試樣和浸泡后的試樣進(jìn)行了X-射線衍射全巖分析,用以測(cè)試炭質(zhì)板巖的成分和含量以及浸泡時(shí)間對(duì)炭質(zhì)板巖成分和含量的影響。炭質(zhì)板巖X-射線衍射全巖分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 炭質(zhì)板巖X-射線衍射全巖分析結(jié)果示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明:薄層狀炭質(zhì)板巖主要由黏土礦物和石英組成,伴有少量的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、菱鐵礦、硬石膏、鐵白云石和石鹽等礦物,其中黏土礦物的含量占比達(dá)到50%,其對(duì)炭質(zhì)板巖的宏觀性質(zhì)起到了重要的作用。首先,黏土礦物這種硅酸鹽礦物在微觀層面上的定向排列形成了宏觀層面上的層理;其次,黏土礦物對(duì)礦物顆粒和層面之間的膠結(jié)也起到了很大的作用。

黏土礦物對(duì)水具有很強(qiáng)的親近性,大部分黏土礦物具有吸水膨脹性,這是由于水進(jìn)入到黏土礦物這種層狀硅酸鹽礦物中能夠引起其晶格膨脹,進(jìn)而影響到炭質(zhì)板巖的強(qiáng)度。

2.2 薄層狀軟巖的強(qiáng)度

由于該隧道所處圍巖強(qiáng)度低且較為破碎,導(dǎo)致無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。因此,選擇在開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度測(cè)試。項(xiàng)目部針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)里程的掌子面圍巖開(kāi)展了共40組點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)并將其換算成巖石單軸抗壓強(qiáng)度。炭質(zhì)板巖單軸抗壓強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖2。

圖2 炭質(zhì)板巖單軸抗壓強(qiáng)度曲線圖

三個(gè)掌子面圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度均為垂直巖層方向加載獲得,三個(gè)掌子面圍巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為15.63 MPa、12.77 MPa、18.47 MPa,圍巖強(qiáng)度較低且遇水極易軟化,屬于典型的薄層狀軟弱圍巖。同時(shí),從點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果可以看出:各掌子面圍巖強(qiáng)度存在較大的起伏,說(shuō)明掌子面圍巖強(qiáng)度存在明顯的不均勻性,且在現(xiàn)場(chǎng)掌子面常見(jiàn)巖層褶皺、扭曲等現(xiàn)象,其將導(dǎo)致掌子面發(fā)生局部滑塌。此外,在點(diǎn)荷載試驗(yàn)期間,發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)板巖層間存在鏡面現(xiàn)象,從而嚴(yán)重降低了其層間的粘結(jié)性,易發(fā)生巖層開(kāi)裂現(xiàn)象。由于現(xiàn)場(chǎng)圍巖走向?yàn)榻叫卸竷A條件,導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后邊墻混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 隧道變形的監(jiān)測(cè)

筆者選擇了4段具有代表性的隧道變形段進(jìn)行變形規(guī)律的研究,各變形段的支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道各變形段支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)表

(1)DK1+020～0+915變形段。變形監(jiān)測(cè)斷面為DK1+005,其收斂變形曲線見(jiàn)圖3,此時(shí)二襯已施作,變形已穩(wěn)定。其中SL01～SL02累計(jì)變形量為193.1 mm,SL03～SL04累計(jì)變形量為382.1 mm,SL05～SL06累計(jì)變形量為207.6 mm;

圖3 DK1+005累計(jì)收斂變形曲線圖

SL03～SL04的收斂累計(jì)是SL01～SL02收斂累計(jì)的2倍,是SL05～SL06收斂累計(jì)的1.8倍。拱頂沉降累計(jì)變形值為 49.4 mm。

從監(jiān)控量測(cè)儀器的埋設(shè)到下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)隔5 d,累計(jì)變形為246.4 mm,平均變形速率為49.3 mm/d(單日最大變形速率為82.5 mm/d);至仰拱初支閉環(huán)時(shí)隔2 d,變形量為41.4 mm(累計(jì)變形量為287.5 mm),期間平均速率為13.7 mm/d(單日最大變形速率為28 mm/d);至仰拱澆筑時(shí)隔14 d,變形量為58.9 mm(累計(jì)變形量為370.1 mm),期間平均速率為6.9 mm/d(單日最大變形速率為15.3 mm/d)。

(2)DK0+915～895變形段。變形監(jiān)測(cè)斷面DK0+915的累計(jì)收斂變形曲線見(jiàn)圖4,仰拱已澆筑,二襯未施作,變形尚未穩(wěn)定。其中SL01～SL02累計(jì)變形量為156.3 mm,SL03～SL04累計(jì)變形量為396.6 mm,SL05～SL06累計(jì)變形量為310.7 mm。SL03～SL04的收斂累計(jì)是SL01～SL02收斂累計(jì)的2.5倍,是SL05～SL06收斂累計(jì)的1.3倍。拱頂沉降累計(jì)變形值為141.6 mm。

圖4 DK0+915累計(jì)收斂變形曲線圖

從監(jiān)控量測(cè)儀器的埋設(shè)到下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)隔5 d,累計(jì)變形量為144.7 mm,平均變形速率為28.9 mm/d(單日最大變形速率為45 mm/d);至仰拱初支閉環(huán)施工時(shí)隔7 d,變形量為209.1 mm(累計(jì)變形量為353.8 mm),期間平均速率為29.9 mm/d(單日最大變形速率為35.7 mm/d);至仰拱澆筑時(shí)隔20 d,變形量為42.9 mm(累計(jì)變形量為396.7 mm),期間平均速率為2.1 mm/d(單日最大變形速率為31.2 mm/d)。

(3)DK0+895～875變形段。變形監(jiān)測(cè)斷面DK0+875的累計(jì)收斂變形曲線見(jiàn)圖5,仰拱未澆筑,變形尚未穩(wěn)定。其中SL01～SL02累計(jì)變形量為257.3 mm,SL03～SL04累計(jì)變形量為511.4 mm,SL05～SL06累計(jì)變形量為203.4 mm。SL03～SL04的收斂累計(jì)是SL01～SL02收斂累計(jì)的2倍,是SL05～SL06收斂累計(jì)的2.5倍。拱頂沉降累計(jì)變形值為76 mm。

圖5 DK0+875累計(jì)收斂變形曲線圖

從監(jiān)控量測(cè)儀器的埋設(shè)到下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)隔8 d,累計(jì)變形量為321.7 mm,平均變形速率為40.2 mm/d(單日最大變形速率為70 mm/d);至仰拱初支閉環(huán)施工時(shí)隔7 d,變形量為169.2 mm(累計(jì)變形量為490.9 mm),期間平均速率為24.8 mm/d(單日最大變形速率為51.3 mm/d);

至2023 年4月18日時(shí)隔2 d,變形量為20.5 mm(累計(jì)變形量為511.4 mm),期間平均速率為10.3 mm/d(單日最大變形速率為9.5 mm/d)。

(4)DK0+875～855變形段。變形監(jiān)測(cè)斷面DK0+865的累計(jì)收斂變形曲線見(jiàn)圖6,仰拱初支尚未閉環(huán),變形尚未穩(wěn)定。其中SL01～SL02累計(jì)變形量為170.1 mm,SL03～SL04累計(jì)變形量為301.4 mm,SL05～SL06累計(jì)變形量為192.7 mm。SL03～SL04的收斂累計(jì)是SL01～SL02收斂累計(jì)的1.8倍,是SL05～SL06收斂累計(jì)的1.6倍。拱頂沉降累計(jì)變形值為59 mm。

圖6 DK0+865累計(jì)收斂變形曲線圖

從監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)到下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)隔3 d,累計(jì)變形量為83.7 mm,平均變形速率為27.9 mm/d(單日最大變形速率為34.5 mm/d);至2023 年4月18日時(shí)隔6 d,變形量為159.2 mm(累計(jì)變形量為301.4 mm),期間平均速率為26.5 mm/d(單日最大變形速率為57.6 mm/d)。

從各斷面變形圖可以看出:隧道變形以收斂變形為主,變形位置主要發(fā)生在拱腳至拱腰處,拱頂沉降的最大值為141.6 mm,拱頂沉降變形相對(duì)較小。DK1+020～DK0+915段的左側(cè)變形量明顯小于其右側(cè)的變形量;DK0+915～DK0+895段左側(cè)的變形量明顯大于其右側(cè)的變形量;DK0+895～DK0+875段左側(cè)的變形量明顯小于右側(cè)的變形量;DK0+875～DK0+850段左側(cè)的變形量明顯小于其右側(cè)的變形量。其單側(cè)變形量在81.6～364 mm之間,邊墻呈不對(duì)稱(chēng)變形。單側(cè)的最大變形已達(dá)364 mm,超過(guò)預(yù)留變形量,導(dǎo)致部分初支侵限。

此外,從上述變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線可以看出:在鋼架閉環(huán)之前、下臺(tái)階開(kāi)挖后,該區(qū)間段的變形速率較大;仰拱初支施工完成后其變形曲線明顯趨緩,開(kāi)挖至仰拱初支施作完成的累計(jì)變形量占總累計(jì)變形量的70%～90%。更換更高剛度的拱架以及及時(shí)施作系統(tǒng)錨桿、仰拱閉環(huán)對(duì)隧道變形量的控制具有明顯的效果。

4 近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形機(jī)理分析

近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形災(zāi)害發(fā)生的機(jī)制主要是由于地應(yīng)力方向、層理結(jié)構(gòu)和洞軸線處于不利的組合位置關(guān)系[3]。筆者選取的隧道即為典型案例,其開(kāi)挖揭露的圍巖層理走向與隧道軸線呈近平行條件,該條件下圍巖會(huì)發(fā)生由表至深緩慢地沿層理開(kāi)裂、潰屈破壞現(xiàn)象,且其變形發(fā)展具有明顯的時(shí)滯性,即剛開(kāi)挖后圍巖會(huì)發(fā)生一定量的收斂變形,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,圍巖變形量逐漸增大且在達(dá)到預(yù)留變形量后繼續(xù)增大,這正是薄層狀軟巖隧道邊墻由淺至深漸進(jìn)破裂向內(nèi)發(fā)展的外在表現(xiàn)。圍巖開(kāi)挖后,打破了原有原巖應(yīng)力平衡狀態(tài),在隧道周邊巖體中形成了應(yīng)力差大且應(yīng)力水平高的應(yīng)力集中區(qū),致使淺層巖體很快達(dá)到極限承載強(qiáng)度而屈服破裂并向隧道空間內(nèi)擠出,之后應(yīng)力集中區(qū)漸進(jìn)性地向深層調(diào)整轉(zhuǎn)移,繼而引發(fā)深層巖體破裂,從而使圍巖變形顯現(xiàn)緩慢,長(zhǎng)時(shí)間得不到收斂[4];其次是最大主應(yīng)力方向與量級(jí)決定了大變形的位置和程度。這是因?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力的方向決定了隧道周邊應(yīng)力集中區(qū)的位置,該位置的重分布應(yīng)力與片理的夾角大小決定了圍巖的穩(wěn)定性與破壞模式,僅在小夾角(近平行)時(shí)才會(huì)引發(fā)一系列沿層破壞問(wèn)題,且最大主應(yīng)力越大、應(yīng)力集中區(qū)的重分布應(yīng)力水平越高,導(dǎo)致沿片理破壞的程度越嚴(yán)重;最后,含片理結(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)性質(zhì)的各向異性效應(yīng)強(qiáng)弱特征亦對(duì)大變形的發(fā)生具有重要作用,尤其是當(dāng)片理結(jié)構(gòu)中的云母、綠泥石、方解石等片狀礦物含量較多時(shí),導(dǎo)致隧道的圍巖強(qiáng)度存在較大差異,這種強(qiáng)度不均勻性導(dǎo)致隧道圍巖更易沿薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生較大的變形;此外,層狀巖體節(jié)理面和隱形結(jié)構(gòu)面較多,層狀圍巖的褶皺、潰屈,隧道穿越較多的斷層滑移帶,圍巖遇水軟化等問(wèn)題更進(jìn)一步地加劇了層狀圍巖隧道大變形的不收斂性[5],這類(lèi)情況普遍存在于近平行陡傾薄層狀軟巖隧道中,特別是筆者選取的隧道圍巖巖質(zhì)相對(duì)較弱、層厚相對(duì)較薄時(shí)沿片理破壞的程度將大為增加,故發(fā)生大變形的機(jī)率愈高。當(dāng)隧道的斷面尺寸越大、揭露的片理弱面越多,其圍巖發(fā)生大變形的機(jī)率亦越高。

5 變形控制措施建議

根據(jù)對(duì)薄層狀炭質(zhì)板巖特性和近平行陡傾軟巖隧道變形規(guī)律進(jìn)行的分析,筆者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道變形控制應(yīng)采取的措施給出了以下幾條建議:

(1)型鋼的選擇:建議對(duì)變形大的段落選用HW175型鋼,加強(qiáng)型鋼的剛度及抗扭性,并通過(guò)增加鋼纖維混凝土的措施將拱架間距由60 cm調(diào)整為80 cm以便于混凝土噴漿密實(shí)。

(2)非對(duì)稱(chēng)變形控制措施:針對(duì)非對(duì)稱(chēng)變形段落,及時(shí)采用施加系統(tǒng)錨桿的措施對(duì)圍巖穩(wěn)定具有較好的效果;同時(shí),為減少支護(hù)措施的超額投入,可對(duì)收斂變形大的一側(cè)施加較長(zhǎng)的錨桿。

(3)加強(qiáng)拱架剛度:建議在拱架連接板與鋼架間增設(shè)焊接加勁鋼板,其不但可以加強(qiáng)拱架剛度,而且能夠保證鋼架接頭處的牢固性;同時(shí),可以利用鋼板上增設(shè)的開(kāi)孔進(jìn)行鎖腳錨管施打。

6 結(jié) 語(yǔ)

近平行陡傾薄層狀炭質(zhì)板巖隧道作為軟巖隧道中典型的存在,這類(lèi)隧道的巖層普遍存在較為嚴(yán)重的地層擠壓、揉皺等現(xiàn)象,導(dǎo)致原本強(qiáng)度不高的隧道圍巖極易發(fā)生大變形災(zāi)害。筆者通過(guò)文中進(jìn)行的研究得出了以下結(jié)論:

(1)薄層狀炭質(zhì)板巖自身強(qiáng)度較低,其成分中存在近一半的黏土礦物,遇水極易軟化,同時(shí)其層理間存在鏡面現(xiàn)象,導(dǎo)致其極易發(fā)生巖層開(kāi)裂現(xiàn)象。

(2)通過(guò)對(duì)隧道典型變形段變形規(guī)律進(jìn)行分析得知:近平行陡傾薄層狀軟巖隧道極易在隧道拱腰至拱腳邊墻處發(fā)生大變形災(zāi)害,且其變形隨巖層走向的改變存在明顯的不對(duì)稱(chēng)性。

(3)近平行陡傾薄層狀軟巖隧道大變形災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制主要是由于地應(yīng)力方向、層理結(jié)構(gòu)和洞軸線處于不利的組合位置所導(dǎo)致,隧道開(kāi)挖后圍巖盡早閉環(huán),及時(shí)施作系統(tǒng)錨桿以增加拱架剛度等。