滇西北多喷发旋回喷出岩类隧道大变形分析评价

2022-04-13杜飞翔赵华祥王洪兵杨情兵

低碳世界 2022年2期

杜飞翔，赵华祥，王洪兵，杨情兵

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

伴随经济的迅速发展，我国对基础设施建设的要求也逐渐提升，特别是隧道方面的建设。隧道建设中又以铁路隧道项目、公路隧道项目的占比增速最快，而施工中隧道发生变形会使隧道施工、运营存在一定的安全隐患；云南滇西北地区地质复杂，特别是多喷发旋回喷出岩地区受喷发周期短、喷发中心位置距离近等因素影响，该类地区隧道工程极易出现大变形，所以做好滇西北多喷发旋回喷出岩类区隧道变形的分析与评价对该地区隧道工程而言是十分重要的。

1 国内外研究的现状

隧道工程中出现围岩大变形灾害的事例屡见不鲜，给工程建设带来重大安全隐患和经济损失。自20世纪初新普伦隧道线首次发生严重的围岩大变形以来，国内外学者针对隧道围岩大变形问题开展了大量研究工作并取得了丰富的研究成果，即便学者从不同角度、采用多种指标对围岩大变形进行了定义、界定及分级，但在大变形发生机理和分级方法方面尚未形成统一认识[1]。众多工程实例表明，围岩大变形常发生在断层破碎带、低级变质岩及煤系地层等低强度软弱围岩中，是高地应力条件下围岩极端变形、破坏的典型体现，其孕育发生受地应力环境、地质构造、围岩性质、水文条件和动力扰动等因素影响。值得注意的是，无论是围岩本身的岩性与结构特征，还是高地应力环境、地质条件、水文条件等围岩大变形发生的关键控制因素，均与隧道周围的构造活动关系密切。此外，围岩大变形具有累进性发展、持续时间长、变形速度快等特征，其本质动力源于造山运动形成的构造应力。可以说构造运动控制的地应力分布、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形的根本条件。

2 滇西北地区喷出岩类地质状况及其对隧道变形的影响

滇西北区玄武岩属于基性海底火山喷发岩，根据玄武岩的岩石成分、结构和沉积岩夹层，划分多个喷发旋回岩性段。开始时的喷发中心在金沙江河谷一带，喷发规模较小，部分地方缺失第一喷发旋回；玄武岩中期是喷发的高峰，喷发物撒布全区；至后期玄武岩第三段以后，喷发中心西移至文笔峰、团山一带，喷发间隙增多，有较多的凝灰岩等夹层。

经过综合地质分析，到Ⅲ旋回晚期，喷发间隙渐趋频繁。到黑泥哨期喷溢活动具有裂隙喷发的特点，可能受丽江—小金河断裂构造的控制，玄武岩的硅化、碳酸盐化或沿前期已固结的玄武岩裂隙侵入。

华坪至丽江高速公路地处云贵高原西缘及西北缘，总体地势为北高南低，文笔山隧道隧址区位于丽江玉龙县黄山镇与拉市镇之间的横断山脉，穿越丽江盆地与拉市海盆地间的高地，入口距丽江市中心10 km，出口距拉市镇约4 km，属横断山脉及横断山脉与滇西北高原接壤地带。该段路线区域位于扬子亚板块之盐源—丽江陆缘拗陷带，处于北东向构造体系的丽江—剑川断裂与丽江—宁蒗断裂之间。调查区的地质构造复杂，褶皱与断裂发育成熟，线路经过的范围主要有宁蒗沉降带、金沙区隆起区、鸣音沉降带及玉龙雪山隆起区。区内主要构造体系有旋扭构造体系、北东向构造体系、经向构造体系、歹字型构造体系。隧道位于北东向构造带之丽江—金棉北东向构造区北西侧，隧道范围内构造不发育。

隧道区海拔高程介于2530～2820 m，相对高差约290 m，属构造低中山剥蚀地貌区，隧道洞身地段地形起伏较大，地表植被发育较好，乔木、灌木茂密，基岩出露一般。隧道入口位于玉龙县鲁拿吉村以西约1.4 km中低山区，植被较好，无路可达，交通极为不便；出口位于老城以东约900 m，植被一般，有土质便道可达附近，但距洞口较远，交通条件差。

隧道区新构造运动强烈，主要表现为地壳抬升及地震活动，断裂、褶皱构造发育。因此，隧道所处区域稳定性较差，需加强抗震设计。隧道区域下伏基岩为二叠系上统玄武岩组（P2β）玄武岩夹凝灰岩，地表出露岩石节理发育，岩体破碎，全强风化。路线附近测得岩石节理产状有340°∠35°、280°∠85°、270°∠81°、150°∠71°、145°∠85°、170°∠40°、170°∠65°、255°∠170°、175°∠62°等。

文笔山隧道玄武岩属于玄武岩组上段，主要为致密状、杏仁状玄武岩，少量斜斑玄武岩和安山岩，夹较多的凝灰岩、凝灰质页岩，具清楚的旋回性。

隧道区的地层岩性主要为玄武岩、斜斑玄武岩、橄斑玄武岩及薄层凝灰岩，间浅侵入硅化玄武岩、硅化砂岩及泥岩等。由于该区域多个喷发旋回的特性，夹层的凝灰岩分布不均，空间上分布也无规律性，加上浅侵入岩体侵入的无规律性，造成隧道岩体时好时坏，软硬不均，是隧道出现变形的主要原因。

隧道受附近丽江—小金河断裂的影响，隧道区内构造破碎带较发育，层间构造作用明显，岩体破碎，隧道开挖后，隧道拱顶和边墙可能出现不稳定块体，块体位移可引起隧道开裂变形。受构造运动作用影响，是隧道出现变形的一大原因。

根据隧道钻孔地应力测试成果，区内的最大水平主应力为2.85 MPa～8.78 MPa，最大主应力方向为NE10°，与隧道轴线方向近垂直，可能局部地段存在偏压情况，对隧道边墙稳定性不利，是导致隧道出现变形的又一原因。文笔山隧道进口、出口掌子面地质条件分别如图1、图2所示。

图1 隧道进口掌子面地质条件

图2 隧道出口掌子面地质条件

3 分析玄武岩和凝灰岩特性

玄武岩特性：玄武岩就是一类基性出岩，其化学成分与辉岩有很大的相似之处，SiO2含量在45%～52%，其中K2O+Na2O的含量比侵入岩更高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO的含量比侵入岩低[2]。其所含的成分由基性长石与辉石构成，次要的矿物质包含橄榄石、角闪石和黑云母等。岩石都是暗色，通常情况下是黑色，有的时候使灰绿色和暗紫色。其结构为斑状，气孔结构与杏仁结构十分普遍。玄武岩体积的密度是2.8～3.3 g/cm3，致密者压强较大，能够达到300 MPa，有的时候会变高，导致玻璃质和气孔强度有一定程度上的降低。

凝灰岩的特性：凝灰岩属于火山喷出地表，颗粒十分细，掉落地表的火山灰堆积形成岩的产物，一般以中酸为主体。颜色主要为白色，凝灰构造，形状构造[3]。晶屑含量要小于10%，晶屑所含的矿物是石英、长石和少量的暗色矿物。玻屑含量是3%～10%，玻璃质。凝灰质胶结，块状结构，岩石很坚硬，厚层状，通常分布于火山口地区。熔结凝灰岩：晶屑特点是深灰色，岩石坚硬。

4 对隧道变形提出针对性地解决措施

隧道发生变形以后，需要采取以下措施：①要实施临时支顶，同时在下方打泄水孔泄水，避免出现塌方，钻孔以后进行注浆凝结。②实施永久支顶提高抗力。③解决大面积侵入的问题。④对没有发现的裂缝两边将锚杆锁起，按照场地中的具体状况凿出梯形槽，运用喷混凝土的方法喷瓶[4]。

4.1 临时支撑

针对隧道变形的位置应该运用钢和木支撑临时的酯顶，有斜撑、竖撑以及横撑。在临时支撑的效果下，针对变形位置的下部要展开打孔泄水，之后在背后实施双液和单液注浆固结。

4.2 永久支撑

针对侵限小而且面积大的位置应该展开凿除以后由一边的临时支顶，一边在原本支撑下套好钢支撑提高抗力。

4.3 隧道变形支护措施

在隧道变形大、侵线多、难以凿除的位置，应用更换原本支护的拱和边墙的策略解决，更换过程中由一端或者间隔的多个钢支撑进行拆换，所有拆换中能够更换成I20型的钢支撑，部分位置要保持原本支撑，之后喷混凝土到设计的断面就可以。

（1）提高支护拱架的质量。在拱架加工中，应该放出大样，让弯制的弧形满足设计的需要，连接位置法兰盘平面方向在法线位置上方，让安装以后的法兰盘紧密贴合，连接螺栓以后拧紧。

（2）解决变形的步骤。①首先运用钢或者木支撑展开临时支顶。②打泄水孔。③钻孔向背后压铸双液浆或者单液浆。④在一端凿除侵根位置或者更换原本支的钢支撑，喷混凝土到原本设计断面。⑤针对没有发展良好的裂缝，在缝的两端将锚杆打好，按照场地具体状况凿倒梯形槽，运用喷混凝土的方法喷平。⑥在一端一直挂好防水板，在原本支撑外套加钢支撑进一步增强。⑦检验防水板同时修补。⑧扎筋，浇筑混凝土进行衬砌。

4.4 向前持续施工要注重的问题

确保施工持续进行需要重视以下5方面：①施工前按施工设计图中对工程开挖安全距离的要求，拉开相应的安全距离后才能开工。②为了避免大变形持续发生，坑道开挖运用光面爆破，达到穿浅孔、密布眼、少装药、放小炮。③确保初始施工是确保不变形的前提。拱架支撑策略兰盘安装应该仅仅贴在螺栓上拧紧，喷混凝土厚度要达到统一，不应存在空鼓脱落的情况。④由于迅速形成支护及长久衬砌闭合结构对安全有利，中壁法开挖中应结合台阶的分布情况，确保一炮一喷，并使用封闭开挖面以确保围岩更加稳定。⑤台阶开挖的时候拱脚应该垫实更为稳定，即便无法放置在松土中，也不会出现悬空现象，因此应该根据要求施加锁脚锚杆。朝下接拱架的时候1到2榀不要太长，避免拱架脚悬空过多导致降低变形和坍塌。

5 施工流程要点

①临时支撑应该牢固同时用木楔打紧。②将泄水孔实施以后，对出水大的孔要埋管处理引到排水沟。③压浆的时候要看临支护的变化，看到具体问题同时处理。④在开始更换的时候支钢支撑中应该在一段或者间隔的一端积极处理。⑤在加套钢支撑增强中，要注重和原本支护的紧密贴合。⑥实施原支撑外套拱架以后，要做到认真检查防水板的破坏情况，对损坏的防水板无关大小，都要进行修补，保证修补的质量。⑦因为加套钢支撑让衬砌内部的钢筋不能够长时间存放，内部钢筋要根据加套拱架距离断开，同时实施在加套拱架上。⑧变形阶段的衬砌应该在开始支撑变形到稳定以后制作成环。当前衬砌实施时间方面出现错误，觉得变形时期尽力实施衬砌就更为安全。⑨变形部分不断向前挖掘的策略和步骤。隧道向前掘进的时候要运用小导管超前视乎同时注浆，同时将开始的支护钢支撑变成I20型钢，纵向上的距离要缩小至0.5～0.85 m，开挖要运用分部开挖方法，选择台阶开挖方法做好临时仰拱。若是台阶位置用开挖法完成以后拱腰之上的变形依然较大，能够运用中壁法进行开挖。