华北二叠系泥岩隧道灾变机理及控制研究

2021-04-22孙光吉邓小龙原鹏博

铁道勘察 2021年2期

孙光吉邓小龙原鹏博

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089； 2.兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000)

隧道是埋置于地层之下的工程建筑物，是人类对地下空间拓展利用的一种形式[1]。近年来，随着我国隧道工程技术的高速发展，穿越高山峻岭的隧道工程也越来越多，所面临的地层环境也更加多样且复杂，穿越以泥岩、砂质泥岩为主的华北二叠系软岩地层的隧道逐渐增多[2-3]。由于软岩具有强度低、变形大、力学机制复杂等独特的工程地质特性，极易引起拱顶垮塌、突泥涌水、围岩大变形等灾害，使得隧道的开挖和支护存在很大困难[4]。目前，针对软岩隧道的灾变机制的相关研究还较为薄弱，在软岩隧道施工中如何选择合理的开挖、支护方案，以及当软岩隧道发生大变形时采取何种合理有效的加固措施，对隧道施工质量保障及施工安全性具有重要意义[5-6]。

诸多学者针对软岩地层中开挖隧道工程的灾变问题进行研究。其中，孙伟亮[7]对顺层偏压软岩地层隧道施工力学行为进行分析，并提出该种工况下的快速施工方法；舒磊等[8]通过现场试验和非线性流固耦合模型，研究富水断层隧道支护体系的受力、变形特性，能量和力学响应；张梅等[9]对兰渝铁路某高地应力软岩隧道进行了围岩强度分级，并建立初期支护破坏准则；黄震等[10]通过地铁隧道结构灾变链式结构以及灾变数学模型的构建，分析地铁隧道结构灾变特征；吕显福等[11]从围岩的岩性、构造、水文、地应力，以及施工工艺等方面对软岩隧道大变形的机理进行分析，解释木寨岭隧道的围岩大变形破坏特征，并就控制大变形提出相应措施；王英帆等[12]讨论不同的施工阶段围岩受力特点及变形规律，并通过数值计算对比分析不同钢架间距下围岩的变形控制效果；王建鹏[13]采用荷载-结构计算模型，研究膨胀性软岩隧道结构受力特征；段永胜等[14]对马垭口隧道加固前后围岩变形实测数据进行回归分析；龚伦等[15]通过室内模型试验，研究不同隧底结构对软岩隧道衬砌内力的影响；方星桦等[16]通过香丽高速洼里别隧道围岩变形监测结果，分析炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系，提出地下水变动是导致围岩变形呈现季节性变化的主要原因；陈秋南等[17]针对施工过程出现的顶部岩层掉块和垮塌等工程问题，提出相应的施工优化方案，并通过数值计算以及现场实际状况对优化后施工方案进行合理性评价。

大规模隧道工程建设为我国积累大量的隧道工程防灾减灾相关科技成果与实践经验，但在隧道工程灾害防控方面仍然存在一些不足，如对各致灾因子的地质分析及内在关联分析不足等[18]。鉴于现有研究的不足及软岩隧道的复杂性，结合华北二叠系泥岩地区隧道开挖引起的围岩扰动、损伤、破坏及灾变这一核心，重点分析软岩隧道发生灾害的关键因子以及其内在关联，围绕工程地质性质及岩体结构特征、开挖损伤、水作用(动力学、化学)等变化，研究围岩的弱化与强度变化之间的规律，并基于具体工程实例，提出软岩隧道施工的灾害防治措施，并对实施效果进行评估，从而为揭示软岩隧道灾变机制以及此类隧道的设计施工提供参考。

1 太岳山隧道地质及灾害概况

太岳山隧道地处中低山丘陵区，地质结构复杂，施工难度大，是山西中南部铁路通道的重难点工程以及控制工程，隧道起讫里程为DK392+930～DK409+124，开挖面宽10～11 m，高9～10 m，开挖体积为93～110 m3，洞身埋深最小约为5 m，最大约300 m，隧道开挖区域的地应力分布以自重应力为主[19]。隧道围岩岩层主要为水平砂岩泥岩互层，根据钻探资料，隧道通过两大主要地层，砂岩占53.7%，泥岩占44.2%，剩下2.1%为第四系覆盖层。太岳山隧道还穿越多个涌水量大、水压高的断层富水段，其中DK399+228～DK400+720段通过地层主要岩性为紫红色泥岩及泥岩夹砂岩，极易出现涌水突泥、局部垮塌等现象[20]。在太岳山隧道的施工过程中，还发现了多处掌子面局部坍塌、内鼓变形甚至侵限等现象[21]。

2 致灾因子及灾变机制

太岳山隧道穿越多条断层和地质构造带，穿越以泥岩、砂质泥岩为主的华北二叠系地层[21]。其中，泥岩富含黏土矿物，在遇水条件下具有一定的膨胀性，由于岩石膨胀性差异，其体积膨胀不均匀，致使岩石内部产生不均匀的应力，并且由于部分胶结物被软化溶解，从而导致岩石颗粒碎裂崩解[22]。构造裂隙也为雨季地表水侵入以及地下水流通提供良好的通道，水的侵袭在一定程度上导致围岩产生内膨胀压力，这也是在雨季时隧道变形量增大的重要原因之一。在多种因素下，太岳山隧道围岩变形破坏具有变形量大、形变速率高、持续时间长、破坏范围广等特征，在岩性差、地下水丰富、高地应力、岩体结构差等控制因素下，围岩塑性变形随着时间增长的逐渐扩大，当变形量超过警戒值，且保持持续增长的趋势，最终其累计变形量将超过预留设计变形量，导致大段落膨胀岩发生大变形，从而演变成隧道拱顶垮塌等严重地质灾害事件。通过太岳山隧道软岩特征分析，软岩变形破坏的灾变控制因子主要为地质因子、岩体结构性质因子、水文地质因子和施工因子，其致灾因子关系如图1所示。

图1 软岩隧道致灾因子关系

由图1可知，施工开挖是软岩隧道变形破坏最直接的诱发因素，属于外部致灾因子[23]。在施工爆破等穿透岩体后，围岩的初始自然平衡应力状态被打破，上覆地层的应力和变形剧烈调整，原有岩体结构被破坏，使得部分构造裂隙存在张开贯通现象。地下水通道的改变产生一定的渗压梯度，在山谷、洼地部位汇集的地表水下渗效应增强，进而通过裂隙和软弱夹层在地层缝网中形成水平和垂直渗流带并与地下水连通，从而使得富含黏土矿物的泥岩地层以及软弱夹层强度弱化，在隧道揭穿区域卸压导致拱顶坍塌、突泥涌水，以及膨胀岩大变形等灾害。

2.1 工程地质性质

隧道地处中低山丘陵区，通过地层的主要岩性为二叠系下统上石盒子组砂岩夹泥岩、上石盒子组砂岩夹泥岩，石千峰组泥岩夹砂岩。其特征为结构疏松，含有泥质和钙质胶结，岩质较软，岩体完整性差，易发生风化剥蚀，遇水后易崩解。这种类型的围岩岩体在正常状态下往往保持原生结构，在高应力状态下，其围岩岩体产生塑性变形，加之受到地下水侵袭，使得岩体发生软化流动，并且岩体中有膨胀性矿物遇水发生膨胀变形，在自然环境作用下，岩体易发生崩滑和塌落现象，对隧道工程的现场爆破施工和前期支护带来较大影响[24]。

2.2 岩体结构

岩体结构是影响隧道围岩发生大变形的一个重要因子，岩体结构及其与隧道采空区围岩结构的空间组合关系往往对隧道岩体变形及其岩体稳定性具有控制性作用[25]。隧道围岩包含有多种岩性与结构特征，隧道开挖使得围岩岩体结构发生变化，进而导致岩石强度、完整性、片理结构等都发生一定程度的削弱，这也是致使隧道发生大变形与坍塌的一个重要因素。

太岳山地势起伏较大，沟谷深切，根据物探及地质测绘结果，隧道区范围内共发育有28条断层，其中有25条断层穿越了太岳山隧道[26]。隧道开挖区地层岩性及岩体结构较为复杂，围岩等级主要为Ⅲ～Ⅴ级，断层破碎带和泥化软弱结构面最为常见，其中泥岩风化之后的产物形成了泥化软弱夹层，同时还有黏土矿物组成的薄弱夹层，在层间错动等构造作用下，使得夹层内部发生剪切从而产生了剪切裂隙，构造作用不仅破坏软弱夹层自身的完整性，剪切裂隙也为地下水的流动提供通道，从而加重夹层的泥化程度。

岩体中存在的软弱结构面使岩体具备类似于块裂介质的力学特性，当岩体结构受到扰动，其受力状态发生重分布时，以软弱结构面为衔接的相互堆叠的块体将沿裂隙空间发生滑移或者压缩变形，最终导致压缩和滑移破坏。在隧道施工过程中，往往会发生各种不可预见的地质现象，从而影响其地质构造的变动，当施工地段穿越构造断裂带、风化破碎带、软弱堆积层时，若岩体强度不足以支撑地层压力，隧道地层就极有可能因岩体的加速变形而导致围岩大变形和地层坍塌[25]。

2.3 地下水

根据施工记录，太岳山隧道开挖区内的地下水类型主要为基岩裂隙水。掌子面区域围岩岩体干燥，地下水不发育，初期支护后，开挖面附近3～5 m范围内岩壁渗水不明显，仅局部区域有湿斑出现，但在距掌子面十几米处的后方区域，初期支护就发现大面积湿斑，再往洞口方向一段距离发现有线状滴水现象，其地下水发育呈现一个渐变过程，发育情况如图2所示。

太岳山隧道尚未开挖时，围岩岩体在初始应力状态下其节理裂隙处于闭合状态，岩体干燥并且地下水尚不发育；在隧道开挖过程中，爆破等扰动作用使得掌子面区域节理裂隙微张，地下水随着裂隙渗入；在初期支护阶段，局部开始出现湿斑；伴随着地下水侵入，围岩开始软化、膨胀甚至崩解，围岩弱化进而加大了节理裂隙的扩张，此时湿斑开始扩大；随着围岩劣化以及节理裂隙的逐渐扩张和相互贯通，致使地表水与地下水连通，水的流通侵蚀又进一步软化围岩，从而围岩塑性圈的范围逐步扩大，最终表现为线状滴水现象。

图2 太岳山隧道地下水发育渐变过程

2.3 工程因素

在隧道施工过程中，由于工程的复杂性，需要多工种、多施工队协调进行，但各施工队伍的技术水平存在差异，可能在工程建设中的某些环节存在操作不规范的情况。比如防排水措施不足，开挖进尺不当，使得岩体劣化加速；岩体与支护之间存在空洞，钢拱架未架设在坚实基础之上，导致支护效果未能充分发挥等，这些问题对诱发隧道围岩垮塌的作用不可忽视。

此外，施工爆破等强烈作用力会对围岩产生扰动破坏，强烈振动诱发并加速软弱围岩形变，使得围岩失稳和坍塌机率大大提升。在施工爆破和掘进的重复扰动作用下，围岩中原生裂缝及次生裂隙发生不可逆拓展延伸，致使原有岩体内部力学稳定性发生破坏，尤其当施工方法选择不当或者未能及时支护时，工程重复扰动则会诱导塌方等现象发生。

3 太岳山泥岩隧道灾害处治

3.1 现场施工情况及处治措施

在现场部分区域的施工过程中，发现掌子面局部坍塌、内鼓变形以及侵限等现象，严重影响施工安全和施工进度。据现场调查结果，XJ0+810掌子面围岩主要为紫红色泥岩(如图3)，节理裂隙较发育，在水的侵蚀下，泥岩发生软化，岩体表面覆盖泥化物，层理不清晰，有青灰色泥状物填充于张开节理内，掌子面开挖时表面干燥，开挖过程中逐渐潮湿，围岩稳定性较差。DK399+535、DK399+650掌子面(如图4)围岩也以紫红色泥岩为主，开挖时拱顶潮湿，后来有渗滴水现象，围岩受水软化，表面层理不明，围岩稳定性差。DK401+990掌子面开挖揭示，上台阶岩性为泥岩夹砂岩，受向斜构造作用，该处围岩受挤压明显，岩体破碎，产状杂乱，可见竖向节理发育，并同时发育有一组倾向洞轴线方向节理，拱顶部发育多股涌水，泥岩受水侵蚀软化，开挖后围岩无法自稳，围岩工程地质性质差。

图3 典型泥岩照片

图4 典型掌子面围岩照片

针对现场隧道施工过程中所产生的诸多问题，根据新奥法原理，采取短进尺、勤量测、快通过的原则。针对XJ0+810断面的工程地质条件，在初期支护时采用格栅钢架，最终沉降和水平收敛均在可控范围。DK399+535断面在前期阶段没有采用格栅钢架支护，后来发现变形增大，边墙出现开裂，并且右侧边墙向隧道空间方向鼓出，后期支护方案采用预留核心土、三台阶开挖，并增加钢架套拱控制变形，最终变形量逐渐趋于稳定。DK399+650断面采集岩样进行膨胀试验，实验结果表明，该段泥岩具有弱-中等膨胀性，采用H20工字钢支护，可有效控制隧道变形量。DK401+990断面围岩富水，受构造作用影响，开挖过程中有频繁掉块现象，采用工字钢支护，并且预留了较大的变形量，可满足沉降及水平收敛要求。

3.2 现场监测布置

太岳山隧道正洞采取两台阶开挖施工方式，分别在上、下台阶处布置BD、AE两条水平测线以及拱顶下沉测点C，如图5所示；斜井开挖采用小断面开挖方式，布设AC水平收敛测线以及拱顶下沉测点B，如图6所示。

图5 大断面量测点布置

图6 小断面量测点布置

针对隧道围岩变形的问题，分别选用不同埋深、不同断面尺寸的8个典型断面，进行多角度变形比较，量测断面布置如表1。

表1 拟定监控量测断面

3.3 支护措施实施效果评价

对现场施工过程中多断面布设的监测仪器所得到的监测数据进行分析，图7为拱顶沉降位移-累计天数曲线。

图7 拱顶沉降-累计天数曲线

由图7可知，不同断面的拱顶沉降位移相差较大，相同时间内不同断面累计沉降变形量相差最高甚至达10倍。结合现场开挖及监测情况，可发现如下规律。

(1)DK399+650断面从第11天开始下导开挖，第16天开始仰拱开挖，现场采用工字钢支护，拱顶变形速率和累计变形量都最小，有效控制了拱顶下沉。

(2)XJ0+120、XJ0+810为斜井，断面尺寸约为正洞的1/2，采用初支格栅钢架支护，沉降量不及正洞的1/2。两断面的断面尺寸、沉降趋势基本一致，XJ0+810断面较XJ0+120沉降量更小，可能与埋深不同有关。

(3)DK399+485、DK399+535、DK400+000、DK402+520为大尺寸断面，拱顶累计最终沉降变形量基本一致，在90±5 mm范围内。现场初支均采用格栅钢架支护，预留沉降量较小时，有侵限隐患。

(4)DK401+990现场采用工字钢支护，但因围岩稳定性差，拱顶沉降量仍很大，最终沉降变形达120 mm，应与拱顶的股状涌水密切相关。因此，围岩级别较低时，应适当提高预留沉降量，并减少不必要的工程扰动，加强初期支护措施。在沉降位移曲线上可以看出，该断面两次出现沉降拐点，是由于该Ⅴ级围岩采取三台阶开挖所造成的。

(5)在下台阶开挖时，每个断面沉降位移曲线皆出现拐点，拱顶下沉量存在突变现象，造成这种现象的原因是下台阶开挖时二次爆破扰动。从监测结果可以看出，经过一段时间沉降变形仍能趋于稳定。通过比较各断面的沉降曲线，可以初步判定，拱顶沉降位移量与断面尺寸、初支护形式、围岩工程地质情况有关。