軟弱水平巖層對長大隧道工程的影響分析

范靜昊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 隧道區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 隧道概況

隧道地處陜北黃土高原梁峁區(qū),溝壑縱橫,地形起伏,沖溝發(fā)育。

該隧道為太中銀鐵路的重點控制性工程,設計為單洞雙線大跨隧道,全長約11 km,隧道最大埋深約為282 m。

1.2 巖性和構造

隧道所在范圍內(nèi)表覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層細圓礫土,上更新統(tǒng)風積新黃土,中更新統(tǒng)風積老黃土,第三系上新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)黏土,下伏侏羅系中統(tǒng)(J2)砂巖夾泥巖含煤線或薄煤層。隧道洞身基巖以侏羅系中統(tǒng)(J2)砂巖為主,夾薄層—中厚層狀泥巖,產(chǎn)狀平緩,基本為水平層理。泥巖、砂巖互層分布,頻繁交替出現(xiàn),層厚不一,薄層—厚層不等。

該隧道在區(qū)域的大地構造部位屬鄂爾多斯臺向斜東翼之陜北臺凹,屬單斜構造,巖層產(chǎn)狀平緩,產(chǎn)狀286～295°∠3°～4°。

1.3 水文地質(zhì)

隧址區(qū)溝壑下切劇烈,山高谷深,受地形地貌及地層巖性的控制,水文地質(zhì)條件較為簡單。隧道地下水以第四系孔隙潛水和基巖裂隙水為主,孔隙水主要賦存于第四系新老黃土及第三系粉質(zhì)黏土中；基巖裂隙水主要集中賦存于侏羅系中統(tǒng)砂巖中,與泥巖的接觸部位是其集中分布地帶。

2 勘察設計情況

根據(jù)勘察結(jié)果,隧道洞身主要在侏羅系中統(tǒng)(J2)砂巖夾泥巖地層中,該套巖石的平均抗壓強度都大于20 MPa,部分樣品的抗壓強度甚至大于30 MPa,并且?guī)r體完整,綜合判定洞身圍巖基本分級以Ⅲ級圍巖為主。

本隧道按無砟軌道設計,內(nèi)軌頂面至道床底面的高度為57 cm。襯砌采用曲墻式襯砌,形式為復合式混凝土襯砌。隧道設計以Ⅲ級圍巖為主,其支護參數(shù)為：拱墻均設置鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)片規(guī)格25 cm×25 cm；拱墻噴射C25混凝土(厚12 cm),系統(tǒng)錨桿設置長度2.5 m,間距1.2 m×1.2 m；二次襯砌采用C25混凝土,厚度35 cm。

3 隧道施工揭示情況

隧道施工時,根據(jù)開挖揭示的實際地層和地下水情況,該隧道圍巖以Ⅲ級、Ⅳ級圍巖為主,主要為侏羅系中統(tǒng)(J2)水平成層狀砂巖夾泥巖(局部含煤線或薄煤層),弱風化,薄層—中厚層狀,節(jié)理較發(fā)育—發(fā)育,巖體較破碎,拱部有少量地下水滲流,泥巖遇水軟化,自穩(wěn)性差,開挖后拱頂易剝落、掉塊、坍塌。

在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖地段采用臺階法施工,一般情況下隧道拱部巖層在爆破后的0.5～2 h內(nèi)出現(xiàn)剝落、掉塊現(xiàn)象,并多次出現(xiàn)大范圍的剝落、掉塊,嚴重危及隧道施工安全(見圖1)。

圖1 拱頂剝落掉塊將開挖平臺損壞

4 軟弱水平巖層對隧道工程的影響分析

4.1 風化特征

泥質(zhì)砂巖、泥巖層易風化,造成圍巖自穩(wěn)能力較差,易剝落、掉塊。隧道開挖爆破后,新暴露出的泥質(zhì)砂巖、泥巖在1～3 h后,則會因應力釋放等原因而逐漸出現(xiàn)風化現(xiàn)象,巖體逐漸分解、剝落、掉塊,該現(xiàn)象在拱部尤為突出,出現(xiàn)在拱部90°～120°范圍。

4.2 地下水影響

泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖遇水后,巖體強度逐漸減弱,導致其力學性質(zhì)逐漸變?nèi)酢?/p>

現(xiàn)場制取巖樣,在干燥狀態(tài)下進行剪切和抗拉試驗,測試的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 抗剪和抗拉強度試驗結(jié)果

在干燥狀態(tài)條件下測試圍巖平均抗壓強度分別為26.7 MPa、24.4 MPa和22.3 MPa,圍巖的抗拉強度遠小于其抗壓強度,約為抗壓強度的1/20左右,處于拱部的薄層狀巖層容易大偏心受壓,引起疊合梁受拉區(qū)斷裂、脫落、掉塊。

對現(xiàn)場采集的圍巖樣品進行不同吸水率的單軸抗壓試驗。試驗結(jié)果顯示,隨著吸水率的增加,抗壓強度顯著降低。現(xiàn)場采集的巖樣在含水率為8.3%時,其抗壓強度為12.2 MPa,當吸水率達到8.9%時,其抗壓強度降低為7.9 MPa,強度降低了35%。這說明地下水對泥巖、泥質(zhì)砂巖的軟化作用較大,致使其強度減弱,逐漸變成軟弱巖石。

4.3 薄層互層巖石層間結(jié)合力差

泥質(zhì)砂巖與泥巖以互層狀同時出現(xiàn),薄層為主,泥質(zhì)膠結(jié),層間結(jié)合力差,且由于開挖跨度較大,拱頂松弛壓力較大,致使拱部圍巖容易層間剝離、折斷,甚至整體失穩(wěn)(見圖2)。

圖2 拱部薄層巖層掉塊情況

4.4 隧道結(jié)構與地層不利組合

在沉積巖中,由于特殊的成巖機理,層理為主要的結(jié)構面。對層狀巖體而言,水平層理最不利于隧道開挖圍巖的穩(wěn)定。

隧道開挖前,圍巖處于三向受力平衡的應力狀態(tài),由于隧道埋深的影響,地層存在較高的應力,結(jié)構面一般緊密閉合。隧道開挖后,隨著應力的重新分布,隧道周圍的巖體將向隧道臨空面變形移動,由于水平巖層特殊的層理構造,在垂直的松動壓力和水平側(cè)壓力的作用下,巖層出現(xiàn)鼓脹、層間剝離、破裂、折斷、脫落及掉塊。

4.5 大跨影響

該隧道本身設計為雙線單洞,跨度較大(14.0 m),致使薄層水平巖層在拱頂?shù)牧菏叫艿綔p弱,在節(jié)理的影響下容易斷裂、掉塊,使隧道拱部開挖輪廓多呈矩形狀。

6 結(jié)論

隧道變形多發(fā)生在塑性較強的泥質(zhì)或含泥質(zhì)的巖層中,其巖性較軟,抗風化能力弱,暴露后極易風化,使強度降低,或地下水使泥質(zhì)巖軟化,有膨脹性,強度降低,易擠出、滑移。開挖后使巖層向臨空面彎曲、折斷,以至崩塌,或邊墻傾倒,坍塌變形等。對隧道工程而言,水平巖層是一種特殊的地質(zhì)構造,特別是抗風化能力較差的侏羅系砂泥巖地層，勘察、設計和施工中應高度重視。

地下水對成巖程度較差砂泥巖的力學性質(zhì)影響很大,軟化了巖石的性質(zhì)。在地下水的作用下,巖石強度逐漸減弱,對隧道的安全帶來隱患。

[1]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[2]TB10003—2005 鐵路隧道設計規(guī)范[S]

[3]鐵道第一勘察設計院. 鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999