基于监控测量的石英片岩区变质岩隧道变形影响因素及机理分析

于卫云， 李 伟

(1.新蒲建设集团有限公司, 河南 郑州 450012； 2.河南建筑职业技术学院, 河南 郑州 450000)



基于监控测量的石英片岩区变质岩隧道变形影响因素及机理分析

于卫云1， 李 伟2

(1.新蒲建设集团有限公司, 河南 郑州 450012； 2.河南建筑职业技术学院, 河南 郑州 450000)

为研究石英片岩区隧道变形破坏机理及影响因素，本文以油坊坪隧道作为研究对象，在对隧道围岩物理力学特性及工程地质条件进行调查分析的基础上，结合隧道变形监测方案，总结归纳了石英片岩隧道的变形破坏过程。研究发现： 该变质岩隧道变形破坏多发生在节理裂隙发育，含有地下水，且含有蒙脱石、伊利石、高岭土等膨胀性矿物的围岩之中，且隧道变形破坏具有滞后性、多样性、变形速率快、变形时间长等特点；隧道围岩变形量均超过其对应围岩级别的预留变形量，油坊坪隧道进出口段及拱顶部位沉降变形速率范围为10～35 mm/d。在监测过程中，底板最终沉降最大值为130.5 mm，最小值为15.3 mm，拱顶沉降最大值为131.1 mm，最小值为27.8 mm；隧道变形破坏主要由重力驱动型、应力驱动型和应力-结构驱动型3种。

石英片岩隧道； 变形监测； 高围岩应力

0 引言

变质岩形成过程特殊，各向异形特征较其他岩体更为显著，在复杂的地质环境中受多次构造作用形成的，因此其物理力学性质受多种因素影响[1-3]。变质岩隧道施工过程中经常出现变形破坏，对于工程安全性造成很大威胁，对于其变形监测和变形破坏过程的研究必须得到重视。关于隧道围岩监测，已经有学者进行了研究和探索，江权通过分析上海软土地层中作用在隧道结构上的土压力，研究了圆形硐室围岩压力的分布规律及其数值，并将实测值与经典的土压力计算方法进行了对比[4]；雷军、张金柱等以乌鞘岭隧道为例，对浅埋隧道围岩压力监测方法及监测数据进行了相关研究，并提出了基于实测数据的预测隧道围岩压力的神经网络模型[5]；李勇基于围岩压力、锚杆轴力等的监测，分析隧道支护结构的受力情况，并对支护结构优化提出了一些建议[6]。然而，变质岩地区隧道工程设计、施工仍然以经验为主，缺乏系统研究成果及文献资料。本文以豫西北地区一类石英片岩变质岩隧道工程作为研究对象，首先分析该地区变质岩岩性及物理力学特性，并且对隧道变形破坏过程进行监测和分析，结合现场调查总结了石英片岩区隧道变形特征、变形失稳影响因素和变形破坏机理，期望对于变质岩地区隧道工程的设计及施工方法提供了科学指导。

1 研究区变质岩隧道特征

本文研究对象为油坊坪隧道，隧道左线长1088 m，右线长1123 m，隧道围岩为变质片岩，隧道在施工过程中多次发生大变形，以YK41+400～YK41+500段为主要变形破坏研究区(见图1)。该段于2012年施工时发生大变形，变形发生时，在短时间内隧道水平收敛累计值达214.82 mm，最大收敛速率为35.86 mm/d，拱顶下沉量累计达174.31 mm，下沉速率最高达21.51 mm/d。

(a)拱顶变形 (b)支撑架变形破坏

图1 油坊坪隧道变形破坏区域

Figure 1 Regional tunnel deformation and destruction

1.1 研究区变质岩矿物特性

豫西北地区变质岩区域变质作用强烈，岩石大多形成变晶结构并定向排列成片理状构造，片理状构造导致岩石在不同方向各项异形显著不同，片理方向强度较其他方向明显偏低，变形破坏大多发生在该方向[7, 8]。经现场地质调查及钻孔揭露(见图2)，该地区变质岩岩体丝绢光泽在片理面上随处可见，常分布有变质斑晶。片状构造在片岩中非常发育，原岩已全部变质，含有角闪石、云母、滑石、绿泥石等矿物，构成角闪石片岩、云母片岩、滑石片岩、云母片岩等，片理面光滑，抗拉与抗剪能力较差，浅层易风化，深埋隧道中易大变形，因此变质岩是最“劣”的一种岩类。

图2 钻孔揭露岩芯及描述

岩石的物理力学性质除与组成成分有关外，还取决于岩石的结构和构造。即矿物颗粒的形状、大小、联接方式所决定的结构特征及各种不同结构矿物几何体的分布和排列方式[9, 10]。为了测定油坊坪隧道围岩矿物结构和构成，本文在隧道不同部位采集岩样进行了X衍射矿物成分分析，各岩体矿物成分试验见表1。

表1 油坊坪隧道变质岩矿物成分测定结果Table1 Tunnelmetamorphicrockmineralcompositionde-terminationresults变质岩名称岩性矿物成分及含量绿泥石伊利石石英长石方解石白云石黄铁矿蒙脱石绿泥石云母片岩254022130000绢云母片岩154328140000绢云母石英片岩10315180000钠长石石英片岩62538310000绢云母片岩133929190000裂隙夹层530411400010

从岩矿分析结果可以看出：变质岩矿物主要以绿泥石、石英和伊利石为主。其中，绢云钠长石英片岩：风化程度高时为灰黄、黄褐～灰褐色，弱～微风化时灰绿色到青灰色，鳞片花岗变晶结构，片状构造，主要矿物成分为绢云母、石英、钠长石，含少量绿泥石、赤铁矿，岩石裂隙发育，弱～微风化条件下强度、硬度均较大，锤击声脆。竹山隧道、土公岭隧道、文峰隧道围岩中，绢云母石英片岩的外观特征有2点： ①揉皱现象明显，丝绢光泽鲜艳，手摸具强滑感； ②片状绢云母与微薄层石英呈镶嵌状、片状构造发育。

1.2 研究区变质岩岩体特性

对高速路段隧道的典型变质岩样进行耐崩解试验，试验成果见表2。

通过对对油坊坪石英片岩隧道掌子面岩石的观察，发现裂隙水作用下的岩石强度明显低于干燥岩石，水作用下岩石强度明显降低，锤击声哑，反弹程度降低，手搓有滑腻和泥化感。为进一步研究隧道岩石的软化性，在竹山隧道、土公岭隧道、文峰隧道等取样进行饱水抗压与干抗压试验，结果显示，大部分岩石的软化系数小于0.75，即岩石软化性较强。需要特别指出的是，试件都是取自容易制备的岩石，现场围岩中存在的软弱夹层，采取困难，不易制成规则试件，但其遇水软化更加明显，并伴有泥化现象。围岩遇水软化是油坊坪隧道发生塌方的关键诱发因子。

表2 隧道典型岩样耐崩解试验Table2 Typicaltunnelrockcollapseresistancetest岩样编号岩样名称式样尺寸/cm风化程度崩解前后岩样质量损失/g耐崩解指数/%崩解特征描述YB-1绢云母石英片岩7.2×2×3.1强风化11.226.11岩体较松散,表面有挤压错动擦痕,硬度小,手指划有划痕,式样遇水崩解以块状崩解为主,同时产生少量气泡,崩解时间48h,呈碎块状YB-1钠长石石英片岩10.5×4×2微风化2.812.32土黄色,岩石较致密,略坚硬,呈片理状结构,粗糙波纹状,崩解过程缓慢,微量气泡产生,崩解时间较长,碎块状崩解YB-1绢云母石英片岩8×4×2弱风化3.443.15岩体结构致密,表面存在挤压错动擦痕,硬度较低,遇水崩解过程缓慢,呈块状崩解,无气泡产

2 隧道变形监测方案

为分析研究石英片岩区隧道变形破坏过程，本文选取油坊坪隧道内不同洞段设置变形监测点。

2.1 监测点布置

油坊坪隧道监测项目如表所示，本文的监控数据均来源于此，通过对隧道底板沉降、顶拱变形和两侧壁收敛数据进行统计和收集分析。测线和监测点的布置依据现场施工条件、工程地质条件和测量位置实际条件确定，隧道浅埋段主要测量底板沉降，深埋段全断面开挖段利用台阶法和弧形导坑法布设监测测线，测点布置示意图见图3。

图3 油坊坪隧道监测点布置示意图Figure 3 Diagram of monitoring point arrangement

2.2 监测断面间距及监测频率

监测点之间的距离根据隧洞围岩分级来确定，围岩等级为Ⅲ类及以上时，围岩围岩稳定性较好，应适当延长监测距离；当围岩为Ⅳ类和Ⅴ类是，应适当加密。结合油坊坪隧道围岩分段分级成果，将隧道进出口段及浅埋段的底板沉积测量间距按表3布设；隧道内变形收敛测量断面的间距按表4布设。

表3 隧洞进出口段及浅埋段监测间距表Table3 Importandexportmonitoringspacingtableandshallowburiedparagraphs浅埋段与开挖深度监测点间距/mH

表4 顶拱变形收敛监测点间距Table4 Thetoparchspacingofconvergencedeformationmonitoring隧道围岩分类监测点间距/m断面监测点个数Ⅴ184Ⅳ156Ⅲ类及以上87

隧道监测点监测频率依据监测面的密集程度以及围岩变形发展程度综合设定，油坊坪隧道监测点测量频率如表5所示。

表5 监测点频率Table5 Monitoringfrequency隧道变形速率/(mm·d-1)断面间距/m监测频率/(次·d-1) 0～0.2>5B10.2～0.52B～5B0.5～10.5～1 1B～2B3 1～5 1B～2B 1～2>5 0～1B0.5 其中,B为隧道底板宽度,H为隧道埋深,单位m。

2.3 监测仪器与数据分析方法

监测仪器主要采用中科院岩土所生产的SXW2010隧道变形收敛仪，已经用于测量隧道底板和顶拱沉降的LEICA全站仪，其中隧道变形收敛仪监测精度为0.01 mm，全站仪测量精度为0.3 mm/km。隧道变形收敛仪安装过程见图4。

图4 隧道收敛监测仪器安装

数据收集和后期处理主要采用图形演绎法、数学物理模型对比法等，从定性和定量两个方面评价和分析隧道各个部分的变形发展规律。其中，图形演绎法主要是建立隧道围岩的时程-位移曲线和位移 — 距离曲线，如图5所示。

图5 图形演绎法曲线Figure 5 Graphical curve of deductive method

数学物理模型对比法主要利用对数、指数和双曲线函数研究隧道距离、时间和位移之间的时空关系[11, 12]。例如，一元非线性回归分析法，对于归纳隧道围岩变形与时间关系较适宜；一元线性回归分析法对于分析隧道上部埋深与变形位移的关系具有优势；本文依据不同的分析方法对油坊坪隧道的变形特征进行的详细分析和归纳。

一元线性回归函数较为简单，一元非线性回归函数和用于曲线拟合的剩余标准差公式分别为：

(1)

(2)

式中：a与b为回归系数，x与y为隧道变形监控变量，x、y与回归系数符合如下关系式：

(3)

对于不同的监测测量数据，采用不同的回归方程及系数，本文在拟合过程中根据回归方程的拟合效果进行微调，直至剩余标准差降至最低，以此作为隧道围岩变形规律统计的结论和依据。

3 隧道变形特征分析

3.1 隧道变形影响因素分析

变形失稳模式与岩体所处的地质环境(地下水、地应力等)、岩性、岩体结构、施工因素(开挖方式、硐室尺寸等)有关[13-15]。对于不同的工程而言，影响隧道变形失稳的因素不尽相同，且同一工程的不同围岩段的变形失稳模式也会不同。结合油坊坪隧道，分析了地应力、岩性、地下水对变形失稳模式的影响。

① 地应力。围岩初始应力对隧道工程围岩稳定性的影响是众所周知的，油坊坪隧道所处变质岩体属于变质软岩范畴，强度较低，性质软，表现出流变特性，在高地应力作用下岩体发生持续大变形破坏。在变质岩隧道支护措施必须根据不同变形特征和变化进行改进。

② 岩体特性。岩性决定岩体的矿物成分，而矿物成分直接决定岩体的风化、水理软化性、膨胀性等物理特征，同时也决定了岩体的结构特征，而这些将直接影响到围岩体的力学强度。变质岩区岩性的影响主要表现为两个方面的特征：岩体强度低；岩体含有膨胀型矿物。

③ 地下水。地下水的存在与作用，与隧道或其它地下洞室的工程建设有着密切的关系。隧道工程施工实践过程中发现地下水对于变质岩的劣化作用主要体现在如下3个方面： 软化、崩解和膨胀作用。

3.2 隧道变形破坏特征

通过对豫西北石英片岩地区隧道围岩物理力学性质和变形过程进行分析和监测，本文总结了变质岩隧道的变形失特性。

① 岩性： 大变形发生段岩体多成薄～中层状，节理裂隙较发育，多为Ⅳ、Ⅴ级围岩，且岩体中多含云母、蒙脱石、伊利石等膨胀性矿物。

② 滞后性： 初期支护刚施做完成后，在短时间内基本隧道支护结构变形不明显，随着时间的推移，隧道变形速率不断增加，累计变形量急剧变大，产生大变形，甚至使初期支护结构扭曲变形至破坏。

③ 变形破坏模式具多样性： 如水平收敛、拱顶下沉、片帮、坍塌、侵入挤压、二衬开裂等。

④ 累计变形大： 隧道围岩变形量均超过其对应围岩级别的预留变形量，如Ⅴ级围岩水平收敛与拱顶下沉累计值大于120 mm。隧道水平收敛在部分围岩段还会体现出非对称变形，严重破坏隧道轮廓。

⑤ 变形速率高：单日变形量少则10 mm/d以上，多则100 mm/d以上，部分隧道的部分围岩段单日变形量甚至可以超过其预留变形量，并且在施做强支护后仍有较大变形，变形速率降低缓慢。

⑥ 变形持续时间长： 由于特殊的工程力学特性，该变质岩隧道变形持续时间长，且随着施工的多次扰动变形速率与变形趋势有明显的变化，如仰拱施工时隧道也会出现变形速率变大的现象。

⑦ 破坏范围大： 发生大变形的围岩段一般强度较小，加之其具有显著塑性变形特点，隧道破坏范围很大，尤其是支护强度不够时，围岩破坏区域可达几倍洞径。因此设计中锚杆长度不能伸至弹性区，这是变质岩隧道中初期锚喷结构失效的根本原因。

3.3 高围岩压力条件下石英片岩隧道变形模式与机制分析

通过对已有研究资料的归纳整理，将隧道变形失稳模式分为3类，即： 岩体结构控制重力驱动型、应力驱动型与应力 — 结构驱动型。

① 重力驱动型。重力型变形失稳模式基本上包括了目前结构控制型隧道的破坏模式，但是不同隧道的破坏表现形式可能由于工程地质条件的复杂性而不同。该类型破坏模式支护方式及参数的选择与块体的规模有关。顶拱“人字型”或“多面体”块体塌落三组或三组以上不同产状的结构面与临空面组合切割形成块体，在爆破及应力调整的影响下，沿顶拱塌落。结构控制的重力驱动型变形失稳常在隧道开挖后的短时间内发生，常发生在隧道还未支护或进行支护时，因此在隧道开挖后，应及时对掌子面附近围岩进行编录，清除可能发生塌方的危岩，防止造成人员伤亡及财产损失。

② 应力驱动型。由于变质岩具有膨胀性，流变性等特点，施做初期支护后，隧道围岩变形受限，围岩膨胀与流变产生的膨胀力与流变力就作用在支护结构上，因此在较低的地应力水平下也可产生较高的围岩压力，使隧道结构变形失稳甚至破坏。应力驱动型变形失稳模式可发生在隧道的任何部位，主要表现为初支混凝土剥落、开裂、钢拱架扭曲变形等。这是隧道变形失稳的主要模式，广泛存在于沿线的隧道中。

③ 应力 — 结构驱动型。弯曲折断或挤压内鼓层面弯曲折断一般发生在薄层状岩体中，缓倾角岩层一般发生于拱顶，陡倾角岩层一般发生于洞轴线与岩层产状小角度相交的边墙上软弱带挤压内鼓破碎带、相对软弱带由于应力集中超过其屈服强度，沿最大主应力梯度方向往自由面基础，旺旺会造成支护系统的破坏。断层错动断层错动断层走向与边墙小角度相交，开挖后切向应力集中，相当于增加了下滑力，诱发断层活化。结构面张开结构面张开由于卸荷作用，应力松弛或局部产生拉应力，使原有结构面松弛张开，一般发育于与卸荷方向成大角度相交的陡倾角结构面部位。

4 结论

本章主要就高围岩应力条件下以石英片岩地区的变质岩隧道围岩变形特性进行了相关研究，以豫西北地区油坊坪变质岩隧道为研究对象，在现场变形监测和地质调查的基础上，得出了石英片岩隧道的变形特征；进而在归纳该类型变质岩隧道变形失稳模式的基础上，提出了石英片岩隧道在高应力条件下的变形模式，并分析了其变形机制，主要得到了以下结论：

① 石英片岩隧道变形破坏多发生在节理裂隙发育，含有地下水，且含有蒙脱石、伊利石、高岭土等膨胀性矿物的围岩之中，且隧道变形破坏具有滞后性、多样性、变形速率快、变形时间长等特点。

② 隧道变形失稳与围岩应力、岩性、地下水等因素有关，在高围岩应力条件下隧道的破坏模式以应力驱动型为重，岩体结构控制重力驱动型为辅。

③ 石英片岩地区变质岩隧道变形失稳是一个动态的过程，即在支护结构不能支撑初始围岩压力与膨胀压力的条件下，塑性松动区内的岩体将发生变形破坏，应力重分布，然后塑性松动圈以外的岩体将重新形成塑性松动圈，隧道围岩的变形破坏就按上述过程从隧道洞壁逐渐扩展至深部围岩，岩体结构受到破坏，力学性质下降，并加剧了地下水对其的作用，引起围岩应力的再次重分布，最终使隧道发生大变形与破坏。

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Analysis of Metamorphic Rock Tunnel Deformation Influencing Factors and Mechanism by Monitoring Measurement

YU Weiyun1, LI Wei2

(1.Xinpu Construction Grop, Zhengzhou, Henan 450012, China； 2 Henan Technical College of Construction, Zhengzhou, Henan 450000, China)

For the study of metamorphic rock tunnel deformation failure mechanism and influence factors, this paper takes oil mill ping metamorphic rock tunnel as the research object, on the surrounding rock physical and mechanical properties and engineering geological conditions on the basis of investigation and analysis, combined with the tunnel deformation monitoring, sums up the deformation and failure process of the metamorphic rock tunnel.Study found: metamorphic rock tunnel surrounding rock is mainly affected by ground stress, rock mass characteristics and groundwater three factors;Tunnel surrounding rock deformation than its corresponding reserve level of surrounding rock deformation, Oil Mill Flat tunnel section and arch parts import and export settlement rate range for 10～35 mm/d.In the process of monitoring, the maximum floor final settlement is 130.5 mm, minimum value is 15.3 mm, a maximum of 131.1 mm, vault subsidence minimum value is 27.8 mm.;Tunnel deformation damage mainly driven by the gravity driven, stress and stress and structure drive type three kinds.

metamorphic rock tunnel； deformation monitoring； high stress of surrounding rock

2016 — 05 — 23

国家自然科学基金项目(71301124)

于卫云(1972 — )，女，河南西平人，高级工程师，工程硕士，在读博士，研究方向：建筑与土木工程。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)05 — 0057 — 05