云母片岩隧道围岩大变形分析研究

2020-07-28胡永占

铁道建筑技术 2020年5期

胡永占

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室陕西西安 710043)

1 引言

随着铁路建设的快速发展，隧道工程的比重不断加大，云母片岩隧道围岩大变形已严重影响了隧道施工安全和进度，因此对云母片岩围大变形的分析研究成为隧道建设中的重要课题[1]，有着重大的现实意义和指导价值。

宝兰高铁杨家庄隧道全长8 096 m，洞身围岩以云母片岩为主，岩质软稳定性差、施工初期变形大，安全风险极高，出现了围岩大变形问题。本文通过对云母片岩结构特性、矿物成分、抗压强度和水理特性等工程特性的介绍，对隧道围岩大变形特征及变形因素进行分析研究。

2 杨家庄隧道地质概况

2.1 地形地貌

杨家庄隧道位于天水市秦安县境内，穿越葫芦河峡谷区左岸黄土长梁。区内地形起伏较大，黄土在流水侵蚀作用下主沟多切割至基岩，河谷两岸黄土沿土石界面形成的滑坡发育。

2.2 地层岩性

隧道洞口及地表为第四系上-中更新统风积黄土所覆盖，洞身地层为新近系泥岩、震旦系云母片岩及断层破碎带等。云母片岩呈灰黑色、片理发育、具薄片状结合差等特性，围岩大变形段落均集中在云母片岩地段。

2.3 地质构造及地震

隧道区域地质构造为六盘山帚状构造与陇西黄土高原过渡段，为震旦纪变质岩组成第三纪天礼盆地北缘，区内构造运动活跃，压扭性黄家大沟断层与隧道洞身大角度相交。隧道位于北西向展布的天水-兰州地震带中部，该地震带具有地震活动频率高，强度大的特点，见图1。

图1 杨家庄隧道地质构造及地震分布

2.4 水文地质

隧道区内黄土梁间冲沟发育，黄土主沟下切至基岩，沟谷内沿土石界面有下降泉汇集成流水；基岩裂隙水较发育但分布不均匀，地下水沿基岩风化层及节理裂隙向深部渗流。

3 云母片岩的工程特性

隧道洞身主要地层为云母片岩，根据地质调查结合试验成果对云母片岩的结构构造、矿物成分、抗压强度和水理特性分析评价其工程性质。

3.1 结构构造

根据隧道掌子面地质素描，云母片岩的变质片理普遍发育，呈薄层片状结构，受地质构造影响岩体破碎、黏聚力差、挤压揉皱严重，在部分片理面和构造节理面可见灰褐色泥化夹层[2]72，岩体沿泥质发生塑性蠕变并产生挤压搓动光滑面，易引起岩体变形、失稳。

3.2 矿物成分

在隧道洞身里程DK796+613～DK797+633掌子面采集3组岩样，采用粉晶X射线衍射分析方法对岩样进行矿物分析和黏土矿物定性与定量分析。

表1 岩样衍射分析矿物成分汇总

由表1矿物成分汇总表分析围岩的主要矿物为云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，长石和绿泥石少量，局部检测有少量亲水矿物蒙脱石。云母及蒙脱石遇水易软化，云母片岩吸水率高易软化产生可塑蠕变现象，因此云母片岩的矿物成分直接影响围岩的大变形。

3.3 抗压强度

鳞片状云母片岩及软弱夹层对围岩强度影响较大，取样试验云母片岩的天然单轴抗压强度为2～8 MPa，饱和单轴抗压强度仅0.5～3 MPa，围岩强度低属极软岩；黏聚力0.08～0.12 MPa，内摩擦角15°～22°，变质片理面有泥化夹层易剪切失稳，使其抗剪断强度低，围岩自稳性差，易诱发大变形。

3.4 水理特性

地下水对不同强度和结构的矿物影响各有差异:云母及蒙脱石等矿物遇水易软化；石英及长石等硬质矿物影响较小。通过试验片岩中含有黑云母和蒙脱石等黏土矿物，黏土矿物在地下水作用下沿结构面易发生软化崩解[2]70，干湿抗压强度的比值计算云母片岩的软化系数为0.51～0.59，遇水后云母片岩的抗压强度降低，因此云母片岩遇水软化是隧道围岩大变形不可忽视的因素。

4 云母片岩隧道围岩大变形特征分析

4.1 围岩变形压力测试

4.1.1 测试断面地质特征

隧道开挖采用三台阶预留核心工法施工[3]，掌子面地质素描围岩为云母片岩:灰黑色，沿片理形成的结构面发育，岩体呈薄层片状松散结构，层厚为0.5～2 cm，伴有滴渗水现象，层间遇水软化且结合差，拱部及左边墙沿结构面易剥落掉块。单斜地层径向破坏形成的围岩松动圈扩散范围存在差异[4]，拱顶及左侧拱腰围岩松动圈可达一倍洞径以上(见图2)，采用TSP302超前地质预报掌子面前方为云母片岩，岩体破碎，弱富水。

图2 DK797+670片岩揉皱破碎沿片理挤压塑性变形

4.1.2 围岩变形量测

在隧道DK797+660～DK797+685段按间隔5 m布设了6个断面进行拱顶沉降、拱脚和墙腰水平收敛量测，变形量测采用精密水准仪、收敛计与全站仪相结合，监控量测结果见表2。

表2 拱顶下沉及拱脚、墙腰水平收敛量测结果 mm

(1)拱部沉降变形量测

每个量测断面拱顶沉降量大，拱顶沉降平均200.5 mm，最大达246.3 mm。根据图3各断面拱顶沉降与时间曲线可看出:每个量测断面拱顶沉降量在监测初期都呈逐渐增大的趋势[5]，基本在两周后逐渐趋于平缓，之后拱顶下沉量维持在相对稳定的范围，说明初期支护措施起到控制沉降效果。

图3 量测断面拱顶沉降-时间曲线

(2)拱脚水平收敛量测

拱脚水平收敛值大于拱顶初期沉降值，墙腰水平收敛值相对较小。根据图4各断面拱脚水平收敛与时间曲线可看出:在量测初期拱脚水平收敛逐渐增加，基本在10～15 d后收敛变形逐渐趋于平缓，拱脚收敛的平均值为230 mm，说明初支措施有效控制了围岩的水平收敛[6]。

图4 量测断面拱脚水平收敛量-时间曲线

4.1.3 围岩压力测试

在隧道DK797+670段拱顶、拱脚、边墙、墙脚、仰拱分别埋设测点，采用频率接收仪分别对初支围岩压力及其与二衬接触压力进行测试。

(1)初期支护围岩压力测试

埋设于围岩与初支之间的压力盒量测的接触压力分布见图5，量测的围岩压力分布不均匀，除仰拱围岩压力外最大压力发生左拱脚为0.936 MPa，隧道左侧拱腰明显大于右侧，这与围岩结构面产状方向一致，说明围岩沿变质片理面易产生变形[7]。

(2)初支与二衬接触压力测试

埋设于初支与二衬之间的压力盒量测接触压力分布见图6。接触压力在量测初期有一定波动，在埋设一个月后，接触压力趋于稳定，量测接触压力平均值为0.086 MPa。二衬压力分布相对均匀，这说明初支措施有效控制了围岩的变形。

图5 DK797+670围岩压力分布(单位：MPa)

图6 DK797+670初支与二衬接触压力分布(单位：MPa)

4.2 围岩大变形特征

4.2.1 围岩变形及初支结构破坏形式

杨家庄隧道云母片岩层薄质软并有泥化夹层，单斜构造偏压显著，岩体破碎并有滴渗水现象。施工中围岩变形难以控制且累计变形量大，围岩变形监控量测预警段落多，出现初支开裂掉块并造成侵限；初喷砼出现不同程度环向和纵向裂缝，伴有初支开裂、喷砼掉块、钢拱架扭曲变形或拱顶沉降、拱腰及边墙外鼓等现象(见图7)。

图7 初喷砼出现环向和纵向裂缝

4.2.2 大变形特征

依据施工围岩监控量测结合现场地质编录综合分析[8]，隧道围岩大变形有如下特征:

(1)隧道结构偏压变形。隧道围岩为单斜地层，拱顶下沉及单侧拱腰及侧壁滑移挤出明显呈结构性偏压，导致初支受力及位移不均，出现围岩不同位置变形程度存在差异，初支破坏形式也不同。

(2)沉降及收敛变形量大。围岩变形主要表现为拱顶沉降及左侧拱脚向洞内挤出为主；监控量测数据统计DK797+660～DK797+675段拱脚水平收敛累计最大值达376 mm，拱顶沉降累计最大值246 mm。

(3)变形速率较快。掌子面开挖一周内监测呈逐渐增大的趋势，变形速率可达80～120 mm/d，若仰拱不封闭，二衬不及时跟进，持续变形易产生侵限甚至可能塌方。

(4)变形持续时间较长。围岩沿变质片理面有塑性蠕变性，隧道开挖后围压应力重分布时间持续长，拱顶沉降和水平收敛达到相对稳定需要一段时间，变形持续约两周后才逐步趋于稳定。

(5)洞身纵向变形分布不均。洞身不同段落变形量各异，根据隧道收敛变形实测数据和侵限破坏情况统计分析，岩体结构面产状与洞身主轴夹角越小、地下水发育地段收敛变形量相对较大。云母及蒙脱石等软质矿物含量高的段落收敛变形量大，严重段初支钢架出现扭曲变形。

5 云母片岩隧道围岩大变形主要因素分析

5.1 地形地貌引起的偏压

杨家庄隧道地形呈向左侧葫芦河峡谷区倾斜的黄土梁峁区，黄土在流水侵蚀作用下切割强烈、地形起伏较大，相对高差约50～220 m，向河谷单向倾斜，自然坡度20°～50°，为单斜偏压地形，埋深浅的段落产生偏压导致围岩变形较大。

5.2 地层岩性特征的影响

隧道洞身岩性主要为云母片岩，经矿物分析，云母片岩主要矿物为云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，还有少量亲水矿物蒙脱石。云母及蒙脱石遇水易软化，云母片岩吸水率高易软化产生可塑蠕变现象，是引起隧道围岩变形的内在因素。

5.3 岩体结构的影响

隧址位于震旦纪变质岩组成的第三纪天礼盆地北缘，晚第三纪以来区内构造运动活跃，岩体受到强烈的揉皱挤压，岩体极破碎呈薄片状角砾结构，片理及节理裂隙发育，易沿片理面挤压剪出发生破坏，形成围岩岩体发生剪切破坏的软弱结构面[9]。隧道洞身主轴走向N10°W，云母片岩产状N78°E/65°S，岩层产状与隧道洞身及河谷走向呈单斜顺层偏压。受自重压力及偏压影响，隧道开挖左侧拱顶及拱腰沿片理面向洞内挤压发生塑性蠕变，围岩表现出明显大变形特征。