膨胀软岩隧道现场监控量测与变形规律研究

2014-07-25孙光吉王延涛闫常赫

铁道勘察 2014年4期

关键词：软岩拱顶泥岩

孙光吉王延涛闫常赫李波

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.中铁三局桥隧公司，河北邯郸 05600)

膨胀软岩隧道现场监控量测与变形规律研究

孙光吉1王延涛1闫常赫1李波2

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.中铁三局桥隧公司，河北邯郸 05600)

“新奥法”广泛应用于隧道施工领域，监控量测作为“新奥法”的重要工序，能够提供准确的初支变形信息，如隧道拱顶下沉，周边收敛等，从而有效指导隧道动态设计和施工。以太岳山隧道为例，分析膨胀软岩隧道的变形与受力特点，对监控量测数据进行统计分析，总结膨胀软岩隧道围岩变形规律。

膨胀软岩稳定性监控量测变形

新奥法施工技术的推广，使我国山岭铁路隧道施工技术上了一个大台阶。在隧道施工过程中，监控量测被认为是保障施工安全、优化隧道设计、指导施工的主要方法，在隧道施工中具有十分重要的作用，也是新奥法施工的重要内容之一，但监测工作一直都难以得到很好的实施，隧道施工过程中不做、少做监测成为一个普遍存在的问题，即使保质保量地完成了监测，监测数据也难以发挥真正的作用[1]。目前，膨胀软岩隧道的研究虽已取得了一定进展，但是膨胀软岩隧道的支护措施、断面尺寸、二衬时间等仍未达成共识，施工中存在着这样那样的问题[2-7]。以太岳山隧道施工存在的问题为例，结合监控量测结果分析膨胀软岩隧道变形及受力特点，并总结膨胀软岩变形规律，为制定行之有效的施工措施提供依据。

1 工程概况

山西中南部铁路太岳山隧道位于沁水坳陷郭道—安泽复式背斜西翼，紧邻沁水坳陷与临汾—运城新裂陷交界带张庄背斜、浮山大断裂交接处。隧道洞身穿过地层主要岩性以二叠系上统石盒子组和石千峰组的砂岩、砂质泥岩互层为基本特征。受区域地质环境影响，断裂和次级褶皱发育，岩体破碎。隧洞区属于多层含水的水文地质结构，即弱含水的砂岩与相对隔水层的泥岩相互间层，施工涌水量不大[8-9]。

砂岩成分以石英、长石和岩屑等为主，含少量黏土矿物，胶结以钙、铁为主，呈中厚层—厚层状。岩石坚硬，抗风化能力较强，物理力学参数平均值：饱和抗压强度Rw=40～80 MPa，软化系数KR=0.66。由于砂岩中含有少量黏土矿物，其水理性质较差。砂质泥岩，厚层状，为泥砂质结构，成分为黏土矿物(伊利石一蒙脱石混层，高岭石和绿泥石)，含量约50%。碎屑物为石英、长石、云母等，岩石较软弱，抗风化能力弱，且具膨胀性。物理力学参数平均值：饱和抗压强度Rw=31.1 MPa，软化系数KR=0.26，部分代表性试样试验结果见表1。

表1 太岳山隧道泥岩膨胀性试验结果

施工过程中，多次出现工作面局部坍塌、内鼓变形、侵限等现象，严重影响施工，现场根据监控量测数据，及时调整设计及施工方案，确保了工程的安全施工。

2 监测项目及内容

隧道工程施工监控量测主要包括地质条件和支护状态观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉、围岩内部位移、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力[10]等，根据现场实际情况，主要采用地质条件和支护状态现场观察、拱顶下沉、水平位移收敛的方法，对围岩地质条件进行准确判别，对隧道初支变形进行监控。

2.1 地质素描

地质素描[11]是隧道设计和施工过程中不可缺少的地质工作，可以准确、直观、简单的描述围岩地质特征，是控制隧道准确设计和安全施工的防线。太岳山隧道地质条件复杂，围岩特征多变，在施工过程中，加大了地质素描频率，力求第一时间掌握地质变化情况，为动态设计提供依据。

2.2 位移监测

隧道开挖初支完成后，浅埋隧道的地表沉降、深埋隧道的初支变形、偏压隧道的整体偏移是隧道监控量测的重点内容。太岳山隧道埋深相对较大，隧道开挖后的位移集中体现在初支变形，对隧道周边位移的监控量测是评判太岳山隧道变形最简单、有效的的手段。

2.3 断面选取与测线布置

选取了不同工况、不同断面尺寸、不同围岩地质条件的4个典型断面(见表2)，进行多角度变形比较，通过监控量测数据，分析工况、断面对隧道变形规律的影响。

表2 施工监控量测断面

隧道正洞设计为双车道大断面，采用两台阶开挖方式施工，故分别在上、下台阶布置BD，AE两条水平测线；隧道斜井设计为单车道小断面，施工采用全断面开挖方式，观测点布置如图1、图2所示。

图1 大断面量测点布置

图2 小断面量测点布置

3 监控量测结果及数据分析

3.1 地质素描情况

XJ0+810工作面开挖揭示围岩以紫红色泥岩为主，受水影响，泥岩软化，表面覆盖泥化物，层理不清晰，节理裂隙较发育，张开节理内填充青灰色泥状物，干燥—潮湿，整体稳定性较差，围岩级别为Ⅳ级。

DK399+535、DK399+650断面工作面开挖揭示围岩以紫红色泥岩为主，拱顶潮湿—渗滴水，泥岩受水软化，表面呈糊状，层理不清晰，围岩稳定性差，围岩级别为Ⅳ级。

DK401+990工作面开挖揭示上台阶为泥岩夹砂岩，受向斜构造影响，岩体受挤压明显，岩体破碎，产状杂乱，竖向节理发育，同时发育有一组倾向洞轴方向节理。拱部多处股状涌水，泥岩受水影响软化，开挖后围岩不能自稳，围岩级别为Ⅴ级。

3.2 断面施工情况

现场施工过程中，根据新奥法原理采用短进尺、勤量测、快通过的原则，XJ0+810断面开挖中初期支护采用格栅钢架支护，沉降和水平收敛在可控范围。DK399+535断面开始没有采用格栅钢架支护，后来变形增大，边墙出现开裂的情况，且右侧边墙向隧道空间内鼓出。后期采用预留核心土、三台阶开挖、增加钢架套拱的方式控制住变形，变形量逐渐趋于稳定。DK399+650断面前的岩样膨胀试验显示，该段泥岩具有弱—中膨胀性，现场采用H20工字钢支护，有效控制隧道变形量。DK401+990断面受构造影响，围岩富水，开挖过程中掉块频繁，采用工字钢支护，变形预留量较大，能够满足沉降及水平收敛要求。

3.3 隧道拱顶下沉

由不同断面的观测数据比较图可以看出：各断面拱顶下沉相差较大，累计下沉量数值上相差甚至达10倍。结合现场开挖情况，可总结得到以下规律：

(1)每个断面在下台阶开挖时，下沉曲线出现拐点，拱顶下沉量有突变，这是因为下台阶(中台阶)开挖时二次爆破造成的，但经过一段时间仍能趋于稳定。

(2)由图3可以看出，同等地质条件和支护方式下，DK399+535断面拱顶沉降远大于XJ0+810断面，说明拱顶沉降与断面尺寸有关。

(3)由图4可以看出，同等地质条件和断面尺寸下，DK399+535断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明拱顶沉降与支护方式有关。

(4)由图5可以看出，同等支护方式和断面尺寸下，DK401+990断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明拱顶沉降与地质条件有关。

图3 不同断面尺寸拱顶沉降的对比

图4 不同支护参数拱顶沉降的对比

图5 不同地质条件拱顶沉降的对比

3.4 上台阶收敛

由不同断面的观测数据比较图可以看出，各断面收敛量相差较大，结合现场开挖情况，可总结得到以下规律：

(1)四个断面的上台阶水平收敛曲线均出现2个拐点，这与实际采用三台阶开挖的施工情况相符。

(2)由图6可以看出，同等地质条件和支护方式下，DK399+535断面水平收敛远大于XJ0+810断面，说明水平收敛与断面尺寸有关。

(3)由图7可以看出，同等地质条件和断面尺寸下，DK399+535断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明上台阶水平收敛与支护方式有关。

(4)由图8可以看出，同等支护方式和断面尺寸下，DK401+990断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明上台阶水平收敛与地质条件有关。

图6 不同断面尺寸上台阶收敛的对比

图7 不同支护参数上台阶收敛的对比

图8 不同地质条件上台阶收敛的对比

3.5 下台阶收敛

各断面下台阶收敛曲线的分布趋势与上台阶的基本相同，结合现场开挖情况，总结规律如下：

①所有断面的下台阶的收敛值小于上台阶的收敛值，这是因为下台阶仰拱开挖以后，与初支封闭成环，对断面的变形量控制起到较大作用，所以收敛值更小一些。

②DK401+990、DK399+535断面下台阶收敛曲线都有一个明显拐点，是下台阶开挖造成的变形突变。

③由图9可以看出，同等地质条件和断面尺寸下，DK399+535断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明下台阶水平收敛与支护方式有关。

④由图10可以看出，同等支护方式和断面尺寸下，DK401+990断面拱顶沉降远大于DK399+650断面，说明下台阶水平收敛与地质条件有关。

图9 不同支护参数下台阶收敛的对比

图10 不同地质条件下台阶收敛的对比

4 围岩变形影响因素分析

依据现场监控量测资料，围岩变形主要由工程地质条件和设计、施工三方面因素决定。工程地质条件对太岳山隧道变形的影响主要表现在：初始地应力(埋深)、地质构造、地层岩性、岩石组成、地下水等方面。断面尺寸和开挖方式也是隧道变形的重要影响因素[11-20]。

(1)初始地应力是影响隧道稳定性的根本因素，主要表现在隧道埋深，但埋深小于200 m时，隧道埋深对隧道变形的影响并不明显。(2)地质构造决定了岩体的完整程度，地质构造复杂地段，岩体破碎，地下水发育，围岩稳定性差。DK401+990断面说明了这一点。(3)地层岩性决定了裂隙大小、发育程度及联通相。太岳山隧道砂岩、泥岩岩质较软，泥岩具弱—中膨胀性，具有遇水膨胀，失水收缩，胶结性差、变形性大、低应力下蠕变等特征，工程地质性质差，这也是初支已采用工字钢支护，仍会有较大变形的原因。(4)隧道开挖改变了原来地下水的渗流通道，地下水沿原有的及爆破形成的裂隙渗流，降低了结构面的粘聚力，冲刷充填物，加剧了围岩的侵蚀和泥化。(5)膨胀软岩的尺寸效应在太岳山隧道的开挖中表现明显：同等工程地质条件下，小尺寸断面的拱顶沉降和水平收敛量都很小，很少出现拱顶和边墙开裂、外鼓的情况。(6)太岳山隧道开挖中局部段落采用全断面开挖，拱顶掉块、边墙开裂频繁，改用两台阶或三台阶后，隧道变形情况明显改善。

5 结论

太岳山隧道地质情况复杂，围岩差，局部地段岩层富水，掉块、初支变形经常发生，现场通过监控量测反馈信息，及时进行动态设计，调整围岩级别及支护参数，保证了施工安全和进度，得到以下结论，希望为类似工程提供依据：(1)二叠系石盒子、石千峰泥岩岩质较软，具有弱—中膨胀性，施工中初期支护宜采用高强度和高刚度的支护方式，否则难以控制变形，因为膨胀泥岩还具有蠕变特性，前期不控制住变形，后期变形会更加明显，以致出现开裂、内鼓甚至侵限。

(2)与全断面都是泥岩的情况相比，泥岩夹砂岩或者砂岩夹泥岩的情况更易出现渗涌水等情况，泥岩吸水膨胀、崩解，强度迅速降低，变形量更大，宜采用工字钢支护。

(3)从监控量测结果及已有工程实例来看，小断面的隧道变形量明显小于大断面，尤其是在膨胀泥岩隧道中这一结论更为重要，在今后同样工程地质条件的地下工程设计时应比选出最优断面，以保证隧道开挖的安全、有序施工。

(4)比较上台阶和下台阶的监控量测结果可以看出：上台阶的水平收敛远大于下台阶的变形量，这是仰拱开挖填充后封闭成环的结果，所以施工时应注意，下台阶开挖和仰拱开挖都需紧盯工作面，缩短与工作面的距离，这样能够迅速形成整体支护系统，提高初支效率。

(5)监控量测是新奥法施工的重要组成，通过地质素描、变形测量，能够及时掌握工作面周围的围岩动态，对围岩变化迅速作出反馈，有利于设计人员及时进行动态设计，指导施工。

(6)隧道施工，安全第一，除了现场的监控量测以外，还应根据围岩的情况，补充超前地质预报预报工作，对中、长距离的围岩情况先予把握，再结合短距离的监控量测、地质素描方能万无一失，确保施工质量和人员财产安全。

[1] 杨建华.软岩隧道稳定性及监测技术研究[D].西安:西安科技大学，2005

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