深埋隧道层状围岩力学特性及变形防控研究

李明宇

(广西交建工程建设集团有限公司,广西 南宁 530006)

0 引言

近二十年来,我国西部地区铁路、高速公路以及隧道等运输类基础建设量呈指数级升高,但是鉴于西部地区存在较为深大的断裂构陷地带,在运输类基础建设工程中必须要对施工区域的地质条件进行实地考察与研究,这对施工建设和路线选择均有较大的影响和局限[1]。当前深埋隧道在施工过程中的主要难点是层状围岩变形所导致的韧性变形和刚性破裂灾害,由于开凿隧道过程中需要使用大量的炸药进行爆破作业,这也势必会破坏层状围岩的原有应力结构的分布特征,致使发生变形或破裂等危害,轻则导致工期延迟,重则无法保证一线人员的作业安全。本文基于上述背景,以深埋隧道施工中层状围岩力学性质为主要研究对象,提出了硬岩在高应力条件下所可能发生的变形或破裂现象,以四川某深埋隧道工程为实例,结合施工现场的实际地质情况,着重对层状岩石中的页岩进行抗压强度试验,在得出其隧道工程变形情况的基础上,有针对性地规划其施工支护基本理念,以期为复杂地质条件下的深埋隧道施工提供理论与经验借鉴。

1 隧道工程概况

1.1 工程概况

该隧道工程位于成渝客专高速铁路双线隧道,全长约8.5 km,为单洞双线型隧道,设计行车时速为250 km/h,最大运营时速为350 km/h,是四川省最长的高铁双线隧道[2]。整个隧道横截面积为152 m2,为了确保在列车高速运行中不受到气流的显著影响,该隧道进出口分别设计了5个气流缓冲井,以便高速气流从缓冲井中排出。洞内线路坡度为单面上坡,采用主洞以及辅助坑道模式展开施工作业,该隧道工程由于开挖面积大、安全风险高,层状岩石的变形及破裂是其施工的重点问题。目前该隧道正在按规定计划有序进行施工,左右两洞已经分别挖至1 900 m以上,已经完成了开挖总长度的80%。

1.2 地质条件

该隧道工程横贯龙泉山山脉,位于新华夏系第三沉降带四川盆地西缘的川西褶皱带中,以龙泉山褶皱带为主要构造体系,其间分布了一系列NE向的褶皱、冲压断层等剪力压性褶皱结构面,由于发育的多个褶皱及断层,导致施工地点小规模断层与节理群发育,并多为风化卸荷裂隙。根据收集钻孔资料发现该地区地层岩性组成主要为:(1)第四系全新统粉质黏土;(2)白垩系上白垩统构造角砾变质破碎岩;(3)侏罗系泥质夹砂岩。从钻孔中的样品来看,岩芯样较为破碎且质地较软,极易风化剥落,可以见得其岩层受构造运动影响较强[3]。值得一提的是,在该隧道工程的进出口处,其边坡主要为泥质,局部有较为显著的浅表滑落层,对基坑和边坡的稳定性造成一定影响。隧道内层状岩石的产状较为平缓,部分岩石节理分布面较大,并具一定的透水性,这可能导致隧道边墙受到四周岩体应力而发生挤压变形。

1.3 层状围岩变形破坏模式

(1)边坡失稳。该隧道工程的进出口处上部仰坡处岩石质地较软,并且已经有部分出现浅表滑落层,易发生上部岩石大面积滑落或崩塌现象。

(2)经过对隧道整体的水文地质调查,发现该隧道中部发育有一段富水断层,岩石受到一定的破裂及损害,极易造成渗水甚至突泥事件发生。

(3)受到区域地质构造活动的影响,隧道内部岩层产状整体虽较为平缓,但局部地带岩层产状扭曲变化强烈,在隧道部分地区形成了多级次的褶曲断裂群系,甚至发生岩层倒转等现象,有隧道塌方风险。

2 层状岩石力学性质研究

2.1 试样制备流程

本次试验主要对该隧道工程中的页岩试样进行试验定性分析,由于该地区特殊的水文地质特征,因此对干燥与饱水状态下的页岩试样分别进行了单轴与三轴试验,进而确定了区域水质条件对页岩所产生的力学影响[4]。为了进一步分析力学的各向异性对页岩试样的形态影响,还对页岩试样进行了不同倾角与围压状态下的单轴、三轴压缩试验,探讨了页岩在不同围压和层理倾角下的应力变形特征。在现场取样过程中,尽量确保对岩层母岩进行尺寸完整、倾角一致、钻孔角度等要素的科学调整,进而得到各向异性的页岩试样。各向异性试样的加工按照国内有关标准,统一加工成50 mm×100 mm的标准圆柱体试样,以便进行蠕变和单轴、三轴强度试验。

2.2 试样微观扫描各向异性结果

通过对层状页岩试样的微观扫描,发现其在不同层理破坏角度下所产生的力学性质有较大差异。通过在平行层理方向、垂直层理方向以及斜交层理方向观察,发现页岩试样的镜下微观特征差异性较为显著,致使其在岩石力学的宏观层面上亦表现出一定差异。在平行层理方向常见段块状断裂口且形态不规则,大小不一致,部分断块边缘附着少量的碎屑结晶物质,局部可见层面上的微小断裂孔隙;在垂直层理方向多数为较显著的层理结构面,条块状端口较为清晰显著,大小形状较为均一;在斜交层理方向多为条块状断口与断块,其边缘部分在500倍视镜下可见微小的碎屑物质颗粒附着其上,并分布有零星的界面孔隙。微观下平行、垂直、斜交方向上页岩应力变化特征见图1。

图1 微观下平行、垂直、斜交方向上页岩应力变化特征示例图

2.3 页岩抗压强度试验

2.3.1 试验方案

层状页岩试样是经过标准打磨后的50 mm×100 mm圆柱体,设计钻孔轴线与页岩层理面夹角分别为0°、30°、60°、90°,利用游标卡尺以及电子秤对页岩试样的直径、高度等一般参数进行测量,进而得到页岩在自然条件下的正常密度数值,利用声波测试技术进行数据的获取与记录,根据这些测试结果对页岩试样进行科学筛选,筛选后即可进行10 MPa、20 MPa、40 MPa不同围压条件下的单轴与三轴检测试验。三轴试验采用控制荷载速率的方式进行加载,以10 bar/min的速率施加围压至设定值,并使围压始终保持不变。在围压稳定后,再对轴压进行加载,加载速率为10 bar/min,直至试件完全破坏。

2.3.2 单轴压缩试验结果分析

通过对页岩试样进行不同层理倾角条件下的围岩应力试验研究,可以得出页岩单轴压缩过程可分为以下步骤:随着试验应力的加大,页岩逐渐进入压实紧密阶段,在此期间,页岩内部的原生裂纹伴随着压应力增大而出现缓慢的闭合现象,此时应力类型为原生页岩裂纹的闭合应力;当压实紧密阶段基本结束后便进入塑性—弹性变形阶段,此时试验中偏压应力的不断加强,会使页岩内部产生新的破裂现象,并进入到破裂大面积形成和扩展阶段。但值得注意的是,当破裂纹到达一定程度时,页岩试样便开始扩容屈服,当继续加大试验应力时,页岩试样即发生贯通破裂,即为页岩试样的最大强度值,所对应的试验应力亦到达峰值。当页岩试样发生损坏后,其内部的压应力发生了快速回落,但并没有降至0,而是逐渐稳定在了某一数值上,此类强度即为页岩试样的残余强度。值得一提的是,页岩试样在受到试验压应力的持续加强下,基本没有展现出很强的延展性,基本发生于突然的脆性断裂破坏。单轴压缩页岩试样数据统计表见表1。

表1 单轴压缩页岩试样数据统计表

本次进行单轴试验所选取的页岩试验层理倾角分别为0°、30°、60°、90°,而其对应的单轴抗压强度分别为28.94 MPa、49.77 MPa、49.87 MPa、147.99 MPa,存在着十分显著的各向异性特征,当页岩试样为90°时,其试验所得到的应变量和抗压强度均处于较高水平,造成此现象的原因主要有:(1)由于本次用于单轴试验的页岩试样数量较少,可能在统计学角度上其离散性所导致的强度差异,因此对于后期三轴试验中应对页岩试样的各向异性进行详细说明;(2)在对页岩试样进行不同层理角度的电镜微扫描过程中,其层理在水平、垂直、斜交倾角下的微观差异较大,这就影响了页岩的力学变化形式。因此,在隧道施工中遇到页岩产状差异较大时,应考虑施工强度对其不同产状的具体受力影响。

2.4 三轴压缩试验结果分析

2.4.1 相同倾角条件下不同围压的强度特征

在相同层理倾角且不同围岩应力条件下,页岩试样先会进入紧密压实阶段,环向应变力部分出现挤压现象和趋势,而随着试验压应力的持续增加,页岩试样内部的原生裂纹将逐渐被压实,而后即进入较为稳定的塑性—弹性形变中,其页岩试样内部的新生破裂纹开始出现,当经历弹性变形之后就会出现不可逆的塑性变形,其抗压强度逐渐上升到最大数值,应力强度亦达到峰值。从本次试验可以发现,隧道内的硬质页岩与传统软岩在岩石力学特性的变化上具有较大差异,页岩的塑性偏低,这就使其在到达一定的应力程度上时发生突然的破碎断裂现象,而且偏应力会维持在一个较为稳定的数值上,即页岩试样的残留强度,其数据汇总见表2。

表2 相同倾角条件下不同围压试验数据简表

2.4.2 相同围岩条件下不同倾角的强度特征

为了使数据更加具备有效性,本次分别在围压为10 MPa、20 MPa两种情况下进行了页岩试样强度比对。在同一围压且倾角相同的情况下,当页岩的层理倾角为90°时显示出最强的抗压强度,与单轴抗压强度试验所得出的结论一致。从试验中也可以发现当页岩的层理倾角发生变化时,其抗压强度亦展现出不同。因此在隧建设施工过程中,一定要考虑硬岩地层的产状、应力、走向等矢量要素,以避免由于层状页岩的各向异性而带来的施工安全隐患。综上所述,相同围岩应力下的不同倾角的页岩三轴抗压强度有着显著不同,而且由于硬质页岩本身延展性较差,导致其脆性破裂现象十分普遍,因此在页岩试样的三轴抗压试验中,页岩多表现为突然破碎,这也使其硬质页岩的强度离散性较高,但是三轴抗压强度会随着层理倾角的变化总体呈现U型变化趋势,数据汇总见表3及下页图2。

表3 相同围压条件下不同倾角试验数据汇总表

图2 相同围压条件下页岩三轴抗压强度随层理倾角变化曲线图

3 层状页岩岩层变形评估与防控措施

3.1 变形评估

通过硬质页岩的力学变形特征、抗压力学试验分析以及工程地质条件分析[5],可以得到该深埋隧道工程高应力下层状围岩变形或破裂的机制类型如下:

(1)结构变形机制分析。该深埋隧道工程穿过龙泉山断裂带,断裂带节理和断层十分发育,局部见显著的断裂破碎构造角砾带,具备一定的地下水渗透条件。隧道受到地质构造影响较大,推测在区域结构变形应力下硬质页岩发生变形或破碎现象,并且局部有页岩和板岩相互交错的变质砂岩层,其间质地较薄,极易引起层状围岩的大面积破裂。

(2)遇水软化机制分析。通过水文地质勘查,隧道施工附近地下水活动较为活跃,存在一定的隧道透水风险。而且通过对页岩试样进行饱水和干燥条件下的单轴、三轴压缩试验,可以基本确定在饱水条件下硬质页岩的岩石力学强度显著下降,因而可以判定其层状岩石可能遇水并受高应力情况下发生变形,见下页表4。

表4 高应力下页岩变形机制分类简表

3.2 变形防控方案

(1)隧道出口处超前加固。该隧道口岩体较为破碎,并且已经部分出现浅表滑落层,围岩自稳性较差,渗水亦较为严重。因此为保证顶临空面不出现滑坡溜塌,因此建议在开挖线设置超前水平旋喷钢管桩,管桩之间需要保证10 m左右的纵向间距,并形成壳体结构,以防止拱顶溜塌[6]。

(2)隧道洞内长锚杆支护。依据实地现场监测记录,需要隧道平导结构面开挖坑道,以降低层状围岩变形,并进行洞身的长锚杆超前喷锚支护。

(3)隧道出口处仰拱加深与基底加固。由于该隧道出口处水文地质条件较为复杂,具有一定的渗水风险,而洞口处又多为硬质页岩,遇水软化后很难符合原有的荷载设计要求,为确保施工安全与质量,建议采取基底钢管桩加固,并将仰拱曲率加大,进而确保其隧道出洞口的基础稳定性。

4 结语

本文对我国西部某深埋隧道的层状围岩变形及防控措施进行了深入剖析,着重对隧址中的层状硬质页岩进行了不同层理倾角方向电镜下的微观特征研究以及单轴、三轴抗压强度等试验,得出层状页岩的各向异性十分显著,并且在高应力下遇水后的应力敏感度较高。同时,基于检测试验数据,依托实际施工情况,针对性地提出了变形防控方案,以期为复杂地质条件下的深埋隧道施工提供一定的理论价值与实际借鉴。