软弱水平岩层对长大隧道工程的影响分析

范静昊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 隧道区工程地质特征

1.1 隧道概况

隧道地处陕北黄土高原梁峁区,沟壑纵横,地形起伏,冲沟发育。

该隧道为太中银铁路的重点控制性工程,设计为单洞双线大跨隧道,全长约11 km,隧道最大埋深约为282 m。

1.2 岩性和构造

隧道所在范围内表覆第四系全新统冲洪积层细圆砾土,上更新统风积新黄土,中更新统风积老黄土,第三系上新统(N2)粉质黏土,下伏侏罗系中统(J2)砂岩夹泥岩含煤线或薄煤层。隧道洞身基岩以侏罗系中统(J2)砂岩为主,夹薄层—中厚层状泥岩,产状平缓,基本为水平层理。泥岩、砂岩互层分布,频繁交替出现,层厚不一,薄层—厚层不等。

该隧道在区域的大地构造部位属鄂尔多斯台向斜东翼之陕北台凹,属单斜构造,岩层产状平缓,产状286～295°∠3°～4°。

1.3 水文地质

隧址区沟壑下切剧烈,山高谷深,受地形地貌及地层岩性的控制,水文地质条件较为简单。隧道地下水以第四系孔隙潜水和基岩裂隙水为主,孔隙水主要赋存于第四系新老黄土及第三系粉质黏土中；基岩裂隙水主要集中赋存于侏罗系中统砂岩中,与泥岩的接触部位是其集中分布地带。

2 勘察设计情况

根据勘察结果,隧道洞身主要在侏罗系中统(J2)砂岩夹泥岩地层中,该套岩石的平均抗压强度都大于20 MPa,部分样品的抗压强度甚至大于30 MPa,并且岩体完整,综合判定洞身围岩基本分级以Ⅲ级围岩为主。

本隧道按无砟轨道设计,内轨顶面至道床底面的高度为57 cm。衬砌采用曲墙式衬砌,形式为复合式混凝土衬砌。隧道设计以Ⅲ级围岩为主,其支护参数为：拱墙均设置钢筋网片,网片规格25 cm×25 cm；拱墙喷射C25混凝土(厚12 cm),系统锚杆设置长度2.5 m,间距1.2 m×1.2 m；二次衬砌采用C25混凝土,厚度35 cm。

3 隧道施工揭示情况

隧道施工时,根据开挖揭示的实际地层和地下水情况,该隧道围岩以Ⅲ级、Ⅳ级围岩为主,主要为侏罗系中统(J2)水平成层状砂岩夹泥岩(局部含煤线或薄煤层),弱风化,薄层—中厚层状,节理较发育—发育,岩体较破碎,拱部有少量地下水渗流,泥岩遇水软化,自稳性差,开挖后拱顶易剥落、掉块、坍塌。

在Ⅲ级、Ⅳ级围岩地段采用台阶法施工,一般情况下隧道拱部岩层在爆破后的0.5～2 h内出现剥落、掉块现象,并多次出现大范围的剥落、掉块,严重危及隧道施工安全(见图1)。

图1 拱顶剥落掉块将开挖平台损坏

4 软弱水平岩层对隧道工程的影响分析

4.1 风化特征

泥质砂岩、泥岩层易风化,造成围岩自稳能力较差,易剥落、掉块。隧道开挖爆破后,新暴露出的泥质砂岩、泥岩在1～3 h后,则会因应力释放等原因而逐渐出现风化现象,岩体逐渐分解、剥落、掉块,该现象在拱部尤为突出,出现在拱部90°～120°范围。

4.2 地下水影响

泥岩、泥质砂岩、砂岩遇水后,岩体强度逐渐减弱,导致其力学性质逐渐变弱。

现场制取岩样,在干燥状态下进行剪切和抗拉试验,测试的试验结果如表1所示。

表1 抗剪和抗拉强度试验结果

在干燥状态条件下测试围岩平均抗压强度分别为26.7 MPa、24.4 MPa和22.3 MPa,围岩的抗拉强度远小于其抗压强度,约为抗压强度的1/20左右,处于拱部的薄层状岩层容易大偏心受压,引起叠合梁受拉区断裂、脱落、掉块。

对现场采集的围岩样品进行不同吸水率的单轴抗压试验。试验结果显示,随着吸水率的增加,抗压强度显著降低。现场采集的岩样在含水率为8.3%时,其抗压强度为12.2 MPa,当吸水率达到8.9%时,其抗压强度降低为7.9 MPa,强度降低了35%。这说明地下水对泥岩、泥质砂岩的软化作用较大,致使其强度减弱,逐渐变成软弱岩石。

4.3 薄层互层岩石层间结合力差

泥质砂岩与泥岩以互层状同时出现,薄层为主,泥质胶结,层间结合力差,且由于开挖跨度较大,拱顶松弛压力较大,致使拱部围岩容易层间剥离、折断,甚至整体失稳(见图2)。

图2 拱部薄层岩层掉块情况

4.4 隧道结构与地层不利组合

在沉积岩中,由于特殊的成岩机理,层理为主要的结构面。对层状岩体而言,水平层理最不利于隧道开挖围岩的稳定。

隧道开挖前,围岩处于三向受力平衡的应力状态,由于隧道埋深的影响,地层存在较高的应力,结构面一般紧密闭合。隧道开挖后,随着应力的重新分布,隧道周围的岩体将向隧道临空面变形移动,由于水平岩层特殊的层理构造,在垂直的松动压力和水平侧压力的作用下,岩层出现鼓胀、层间剥离、破裂、折断、脱落及掉块。

4.5 大跨影响

该隧道本身设计为双线单洞,跨度较大(14.0 m),致使薄层水平岩层在拱顶的梁式效应受到减弱,在节理的影响下容易断裂、掉块,使隧道拱部开挖轮廓多呈矩形状。

6 结论

隧道变形多发生在塑性较强的泥质或含泥质的岩层中,其岩性较软,抗风化能力弱,暴露后极易风化,使强度降低,或地下水使泥质岩软化,有膨胀性,强度降低,易挤出、滑移。开挖后使岩层向临空面弯曲、折断,以至崩塌,或边墙倾倒,坍塌变形等。对隧道工程而言,水平岩层是一种特殊的地质构造,特别是抗风化能力较差的侏罗系砂泥岩地层，勘察、设计和施工中应高度重视。

地下水对成岩程度较差砂泥岩的力学性质影响很大,软化了岩石的性质。在地下水的作用下,岩石强度逐渐减弱,对隧道的安全带来隐患。

[1]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[2]TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S]

[3]铁道第一勘察设计院. 铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999