成贵高铁高坡隧道软岩大变形机理分析及病害整治

2020-02-24张羽军丁浩江

科学技术与工程 2020年1期

张羽军，丁浩江,2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031； 2.中铁二院地质创新工作室,成都 610031)

成贵高铁为在建国家重点工程,正线长515 km,西起四川成都,经云南省昭通至贵州贵阳市,全线穿越云贵川三省,设计为双线高速铁路,行车速度250 km/h,为西部出海快速大通道[1]，线路地理位置及站点分布如图1所示。铁路沿线穿过5套煤系地层,共37座隧道穿过煤层,而煤系地层软质岩发生围岩变形风险较高。

新建成贵铁路高坡隧道位于云南镇雄至贵州毕节区间[1],为单洞双线隧道,全长7 939 m。进口里程D3K338+601,出口里程D3K346+540,为煤系地层高瓦斯隧道,全隧穿越约3.5 km煤系地层,最大埋深约445 m,大部分埋深在200～300 m。线路纵坡为25 ‰(6 699 m)、7.5 ‰(1 240 m)的单面下坡。设置“2横洞+主副斜井+洞身平行导洞+1通风竖井”辅助坑道施工方案。按1号横洞、2号横洞、主副斜井及出口四个工区组织施工(图2)。

图1 铁路线路地理位置及交通图Fig.1 Geographical location and traffic map of railway lines

图2 高坡隧道施工坑道示意图Fig.2 Sketch of tunnel construction in Gaopo tunnel

隧道于2014年3月1日开工建设,并于2018年1月4日贯通,施工期间开挖至煤系地层段落时,曾在平行导洞发生隧底严重底鼓、初支开裂等变形现象,随后对平行导洞进行了加强处理[2],贯通后,正洞、平行导洞再次发生隧底底鼓、拱顶混凝土剥落、二衬开裂等剧烈变形地质病害现象[3]。由于成贵高铁将于2019年12月开通运营,而高坡隧道出现的软岩大变形病害的处理时间将直接影响全线通车时间,为控制性整治工程。地质病害出现后,研究人员采用“现场调查+变形监测+应力测试+特征分析”的四位一体研究方法,分析了变形的规律及时间,得出了煤系地层深埋软质岩隧道由于内外动力共同作用发生软岩大变形的成因机理[4]。过程中经多次组织专家研讨、审查方案,最终确定了正洞病害整治以“择机拆换加固+调整衬砌结构+无砟改有砟”为主的整治措施。历经半年抢险式的整治过程,于2019年5月初,高坡隧道煤系地层软岩大变形地质病害整治工程顺利完成,目前自动监控量测数据稳定,整治效果良好。

2 隧道工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道横穿云南、贵州省界及赤水河、乌江分水岭,属构造剥蚀中山地貌,地形连绵起伏,沟壑纵横,隧区绝对高程1 500～2 040 m,相对高差100～600 m。地貌受构造及岩性控制,沿断层破碎带多形成侵蚀沟槽,软岩地段,地表多形成小槽沟、缓坡地形。区内地面坡度20°～70°,局部有陡坡、陡崖。隧道进出口处位于沟谷内,植被一般发育,多为灌木及少量旱地。隧道洞身段多为林场、旱地,植被发育。

2.2 地层岩性及构造

隧道洞身穿越地层依次为三叠系下统飞仙关组(T1f)中厚层状灰岩、白云岩夹砂泥岩、泥质砂岩、泥岩；二叠系上统长兴组(P2c)中厚层灰岩、瘤状灰岩；二叠系上统龙潭组(P2l)灰、黑灰色薄层到中层状泥质砂岩、泥岩、铝土质泥岩夹页岩、煤层；二叠系上统峨眉山玄武岩组(P2β)凝灰岩、火山角砾岩；二叠系下统茅口组(P1m)厚层、巨厚层灰岩,该层岩溶极为发育。断层带为断层角砾岩、糜棱岩。

隧道中部D3K342+060～D3K345+015段(长度2 955 m)穿越P2l煤系地层,为隧址区主要含煤建造地层,总厚度120～180 m,含煤5～31层,岩性主要为砂岩、泥岩、炭质页岩、铝土岩夹煤层,以软质岩类为主。隧道施工中在不同段落共44次穿17层煤,单层厚度最大约1.55 m。

隧址区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带,地质构造复杂,断裂、褶曲均比较发育,以东西向构造为主,线路多大角度穿越构造线[5]。隧道在区域上位于三眼井向斜北部翘起端,次一级断裂、褶曲相当发育。隧道洞身穿越高坡1#背斜、高坡2#背斜、高坡向斜、上扬塘断层、茶木树断层、监羊篝断层及2处大型构造节理密集带。其中变形段位于高坡1号背斜核部附近,主要为二叠系龙潭组煤系地层,施工揭示岩层产状平缓,此段最大埋深445 m。

2.3 水文地质

地下水类型主要为基岩裂隙水,孔隙水及岩溶水发育较少。因受构造影响程度不同导致裂隙发育程度不同,富水条件差异较大。隧道区地下水总的运动方向大体上由北东向南西径流向深部径流储积外(即线路左侧向右侧径流),另一部分以泉的形式泄出地表,形成地表、地下水相互补给的关系。

变形段落属于泥岩、泥质砂岩夹煤层软质岩,地下水微弱,施工中未见明显地下水。

估算隧道平常涌水量为13 479 m3/d、最大涌水量为22 775 m3/d。

2.4 主要工程地质问题

隧道主要工程地质问题为煤层瓦斯、膨胀岩及软岩大变形。针对隧道主要工程地质问题,进行了详细地质勘察、分析研究,施工图设计针对性采取了工程措施。

3 围岩变形病害特征

3.1 变形特征

高坡隧道于2014年3月1日开工,2015年3月25日出口工区施工进入煤系地层,至2016年5月,平行导洞PDK344+485～+800段有315 m断续发生素混凝土底板底鼓现象,出现多段纵向裂缝,局部初支有开裂,钢架扭曲折断；2016年7月17日,发现PDK342+130～PDK342+350段底板出现开裂上拱；2016年10月26日,PDK342+390～PDK342+780段底板出现开裂上拱,其中PD3K342+390～PD3K342+620段底板隆起较明显(其中:6#横通道附近PD3K342+425～PD3K342+480段最大变形约15 cm),PD3K342+620～PD3K342+780段底板部分开裂[4]。现场变形情况如图3所示。

图3 平行导洞底板纵向开裂、底鼓Fig.3 Bottom upheaval of the base plate of parallel guide tunnel

与此同时,正洞D3K344+596～D3K344+550段施工仰拱时,发现拱部初支线路中线位置出现纵向开裂,并有少量掉块现象,格栅钢架局部扭曲变形,拱顶沉降最大16.7 mm。现场变形情况如图4所示。

图4 正洞拱部初期支护出现纵向开裂、钢架扭曲折断Fig.4 Distortion and fracture of tunnel steel frame of initial support

为确保煤系地层结构安全,解决缓倾岩层拱顶下沉、隧底上鼓问题,现场进行了整治试验段,对平行导洞增设仰拱,设置全环钢架,封闭成环；对正洞加深仰拱,增设隧底锚杆,按施工图要求布设监测断面,采集监测数据。

2018年1月24日全隧贯通,贯通前煤系地层段均按照优化后措施进行了加强,各项监测数据均在安全范围内,现场平行导洞局部地段有底鼓现象,但未有持续发展[6]。

2018年3月7日,现场对高坡隧道春节后复工排查时发现正洞D3K342+750～D3K343+200段及对应平行导洞范围出现仰拱开裂、底鼓和初支、二衬变形情况,平行导洞仰拱最大上鼓达到80.34 cm(与春节停工前观测数据比较上鼓77.12 cm),靠正洞侧变形内鼓。正洞衬砌边墙开裂、拱顶混凝土剥落掉块、钢筋弯曲,仰拱填充面纵向裂缝最宽50 mm,仰拱填充面上鼓5.9～39.54 mm,且还在持续发展。该段位于高坡隧道1号背斜核部附近,地层为煤系地层,初步判定为挤压性软岩大变形。

2018年4月22日,平行导洞除拆除段,上鼓最大38.3 mm,正洞仰拱填充面上鼓45.88 mm。

3.2 变形病害特点

分析隧道正洞、平行导洞病害段变形现象,发现具有如下特点。

(1)变形段发生在隧道中部P2l龙潭煤系软质岩地层段,且靠近隧道中部高坡1号背斜核部,埋深相对较大(350～445 m)。

(2)洞内变形主要为拱顶沉降和仰拱底鼓,沿缓倾岩层法向方向变形,裂缝基本为纵张裂纹,同时两侧向内收敛,表现为典型高地应力作用下软岩变形特征。

(3)2018年1月24日隧道贯通之前,正洞、平行导洞底鼓变形经过整治处理后,逐渐趋于稳定,隧道贯通1个多月后发现隧道变形再次启动,表现为隧底底鼓变形加大、拱顶下沉,变形持续发展,未出现稳定趋势,如图5所示的断面量测曲线。

图5 时间-累计沉降曲线Fig.5 Time-cumulative settlement curve

(4)变形地段较长,范围较大。正洞约400 m、平行导洞约700 m段落以及7#横通道内均出现不同程度的底鼓、开裂、混凝土掉块、钢筋扭曲等软岩大变形病害。病害分布情况如图6所示。

(5)群洞效应影响明显。平行导洞、正洞间距21 m,平行导洞靠近横通道附近钢架扭曲变形,仰拱底鼓严重；7#横通道附近平行导洞最大上鼓达到80.34 cm,靠正洞侧变形内鼓最大约1.8 m；正洞靠近横通道附近上鼓5.9～39.54 mm,二衬拱部掉块,综合洞室开裂,与正洞二衬交接处二衬钢筋变形。

上述变形显示:群洞效应十分明显,平行导洞作为先行洞室,正洞随后开挖,开挖后二次应力释放与集中对先行洞再次影响,因此平行导洞变形明显较正洞严重。

4 软岩大变形机理分析

隧道大变形特征表现为地应力作用下软岩变形特点,其产生的主要机理分析如下。

4.1 变形段岩石强度应力比分析

该隧道在勘察设计阶段,在深孔DZ-高坡-05#孔(钻孔位置为DK342+220右13 m,孔深472.25 m)内深度278.0～450.0 m深度范围内共成功进行6段水压致裂地应力测量[7]。结果如表1所示。

图6 平行导洞、正洞变形病害平面示意图Fig.6 Plane sketch of deformation and damage of the parallel guide tunne and tunnel hole

/MPa

注：Pb为岩石原地破裂压力；Pr为破裂面重张压力；Ps为破裂面瞬时闭合压力；PH为静水柱压力；P0为孔隙压力；T为岩石抗拉强度；Sh为水平最小主应力；SH为水平最大主应力；Sv为垂直主应力；垂直主应力Sv的计算取上覆岩石的容重为2.70 g/cm3。

变形段埋深在350～445 m,对应的最大主应力(SH)14.37～12.56 MPa,最小水平主应力(Sh)为9.31～8.40,垂直应力(Sv)10.20～11.87 MPa,最大主应力方向为NW50°～54°,隧道洞轴线方向为NW51°,最大主应力与洞轴线近于平行,有利于围岩稳定性。

对于主应力方向平行于洞轴线的洞室,如图7所示。洞室开挖,二次应力释放与集中,洞室B、B′；A、A′切向应力根据弹性力学理论公式推导,可以按式(1)计算:

图7 隧道洞室受力横断面示意图Fig.7 Diagram of stress and strain cross the section of tunnel chamber

(1)

式(1)中:σ横为最小水平主应力。

按照此隧道埋深最大处地应力数值计算,垂直应力大于最小水平主应力值,最大压应力应位于A、A′点边墙,为29.28 MPa,说明边墙处承受的压应力最大；最大拉应力应在B、B′点,隧底、拱顶承受的拉应力最大,由式(1)计算,最大拉应力应为12.7 MPa。

变形段落开挖揭示情况:围岩主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩、页岩、铝土岩夹煤层,属于软质岩类,根据勘察期间大量岩石单轴极限抗压强度数据统计:弱风化砂岩单轴饱和抗压强度为39 MPa,页岩、铝土岩天然单轴抗压强度为6～8 MPa,砂质泥岩约8～16 MPa,其中软质页岩、铝土岩占较大比例。

隧底泥岩、页岩平均单轴天然抗压强度取10 MPa,垂直洞轴线最大应力应为测试的最小主应力,取值8.4 MPa,此时洞室岩石强度应力比Rc/σmax约为1.19, 岩石强度应力比Rc/σmax均小于4；如果按照垂直应力计算,取值11.87 MPa,洞室岩石强度应力比Rc/σmax应为0.71,远小于4；按照GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[8],软质岩开挖后在垂直应力、水平最小主应力作用下,如果洞室支护强度不足情况下,洞壁围岩发生显著位移、隧道存在底鼓隆起变形特征。

此外,隧道开挖后围岩会发生二次应力集中及释放,洞室周边会产生较大的切向压应力及最小的切向拉应力[9],根据以上计算:最大切向应力集中在量两侧边墙,可达29.28 MPa,最大拉应力出现在隧道拱顶、隧底,为12.7 MPa,由此可见无论洞室开挖二次应力调整形成的切向压应力、拉应力值均较原始垂直洞轴线的最小主应力值、垂直地应力大,岩石强度应力比更小,因此,在集中切向压应力、拉应力作用下,如果洞室支护强度不足的情况下,隧底、拱顶、洞室边墙软岩均易产生显著形变。

4.2 岩石膨胀性

开挖揭示变形段穿越二叠系龙潭煤系地层,主要岩性为泥质砂岩、泥岩、炭质页岩、铝土岩夹煤层,属于极软岩,根据正洞及平行导洞段取样32组岩样进行膨胀岩室内试验[10],取样岩性包括泥岩、炭质页岩、砂质泥岩、泥质砂岩、铝土岩。试验成果显示,共16组判定为膨胀岩,主要为弱膨胀,少数为中等膨胀,其中泥岩、炭质页岩、铝土岩为膨胀岩的比例略高,约占54%,铝土岩取样8组,5组为弱至强膨胀,页岩2组,均为中等膨胀,泥岩、泥质砂岩22组,约有9组有膨胀性,砂岩基本无膨胀性,由于变形段主要以泥岩、页岩、铝土岩夹煤层、砂岩为主,膨胀岩占比较高。因此该段在地下水的作用下岩石存在显著的膨胀特性。

图8 正洞、平行导洞与7号横通道平面关系示意图Fig.8 Plan view showing positions of main tunnel, parallel guide tunnel and No.7 cross channel

4.3 地下水作用

施工开挖期间,由于该地层岩性相对隔水,该段地下水整体弱发育,总体为偶见渗滴水现象,仅在D3K343+058～065段曾发生过线状至股状出水,随后衰减。但由于隧道施工开挖后,应力释放,岩体裂隙逐步扩展,形成有利导水通道,因地下水的渗入岩体,进一步软化岩体,特别是隧道底部,降低围岩力学强度,加之该段为膨胀岩石,遇水后发生膨胀,引起隧底隆起[11],特别隧道为单面下坡,贯通后,隧道进口灰岩段地下水整体排向出口,在2018年3月,进洞查看变形段病害时,发现进口地下水大量排向变形地段,因此,地下水入渗隧底引起隧底围岩强度降低、膨胀底鼓也是该段隧底隆起变形较为严重的原因。

4.4 群洞效应

正洞与平行导洞线间距35 m,净距21 m。变形段位于正洞与7号横通道交叉口前后50 m范围,在该段较短段落形成了“H”形洞群结构,多个洞室近距离的先、后施工扰动作用,特别是后行洞开挖会再次引起围岩二次引力调整,从而形成了较大范围的围岩松动圈,平行导洞内变形明显较正洞严重(图8)。

4.5 施工因素

对于该段变形段现场查看后,认为施工中也存在部分质量控制不严问题,如部分锚杆未按设计施作,与岩层大角度相交,未起到加固岩体作用；交叉段无模筑衬砌,同时锚杆未发挥作用,导致塑性区未有效控制,持续发展,特别对于小净距的正洞和平行导洞,支护一旦失效,塑性区叠加,变形加大；隧道贯通后,中心水沟及时施作,造成上游向出口散流漫水,大量地下水渗入隧底造成围岩有软化、膨胀,加剧病害发展；二衬施做时初支变形未稳定,监控量测工作不到位。

5 病害整治措施

目前国内外隧道建设过程中虽发生大变形案例较多,但在深埋煤系地层发生如此长段落隧道围岩大变形病害且具明显缓慢蠕变时效性特征现象的还属首次。研究者结合现场病害发育情况,经长时间深入分析及论证地质病害形成机制,对症下药,最终确定了正洞发生大变形段采用“择机拆换加固+调整衬砌结构+无砟改有砟”、对平导采用“排水加固+局部回填封堵”为主的综合整治措施。