成貴高鐵高坡隧道軟巖大變形機理分析及病害整治

張羽軍， 丁浩江,2

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031； 2.中鐵二院地質創新工作室,成都 610031)

成貴高鐵為在建國家重點工程,正線長515 km,西起四川成都,經云南省昭通至貴州貴陽市,全線穿越云貴川三省,設計為雙線高速鐵路,行車速度250 km/h,為西部出海快速大通道[1]，線路地理位置及站點分布如圖1所示。鐵路沿線穿過5套煤系地層,共37座隧道穿過煤層,而煤系地層軟質巖發生圍巖變形風險較高。

新建成貴鐵路高坡隧道位于云南鎮雄至貴州畢節區間[1],為單洞雙線隧道,全長7 939 m。進口里程D3K338+601,出口里程D3K346+540,為煤系地層高瓦斯隧道,全隧穿越約3.5 km煤系地層,最大埋深約445 m,大部分埋深在200～300 m。線路縱坡為25 ‰(6 699 m)、7.5 ‰(1 240 m)的單面下坡。設置“2橫洞+主副斜井+洞身平行導洞+1通風豎井”輔助坑道施工方案。按1號橫洞、2號橫洞、主副斜井及出口四個工區組織施工(圖2)。

圖1 鐵路線路地理位置及交通圖Fig.1 Geographical location and traffic map of railway lines

圖2 高坡隧道施工坑道示意圖Fig.2 Sketch of tunnel construction in Gaopo tunnel

隧道于2014年3月1日開工建設,并于2018年1月4日貫通,施工期間開挖至煤系地層段落時,曾在平行導洞發生隧底嚴重底鼓、初支開裂等變形現象,隨后對平行導洞進行了加強處理[2],貫通后,正洞、平行導洞再次發生隧底底鼓、拱頂混凝土剝落、二襯開裂等劇烈變形地質病害現象[3]。由于成貴高鐵將于2019年12月開通運營,而高坡隧道出現的軟巖大變形病害的處理時間將直接影響全線通車時間,為控制性整治工程。地質病害出現后,研究人員采用“現場調查+變形監測+應力測試+特征分析”的四位一體研究方法,分析了變形的規律及時間,得出了煤系地層深埋軟質巖隧道由于內外動力共同作用發生軟巖大變形的成因機理[4]。過程中經多次組織專家研討、審查方案,最終確定了正洞病害整治以“擇機拆換加固+調整襯砌結構+無砟改有砟”為主的整治措施。歷經半年搶險式的整治過程,于2019年5月初,高坡隧道煤系地層軟巖大變形地質病害整治工程順利完成,目前自動監控量測數據穩定,整治效果良好。

2 隧道工程地質條件

2.1 地形地貌

隧道橫穿云南、貴州省界及赤水河、烏江分水嶺,屬構造剝蝕中山地貌,地形連綿起伏,溝壑縱橫,隧區絕對高程1 500～2 040 m,相對高差100～600 m。地貌受構造及巖性控制,沿斷層破碎帶多形成侵蝕溝槽,軟巖地段,地表多形成小槽溝、緩坡地形。區內地面坡度20°～70°,局部有陡坡、陡崖。隧道進出口處位于溝谷內,植被一般發育,多為灌木及少量旱地。隧道洞身段多為林場、旱地,植被發育。

2.2 地層巖性及構造

隧道洞身穿越地層依次為三疊系下統飛仙關組(T1f)中厚層狀灰巖、白云巖夾砂泥巖、泥質砂巖、泥巖；二疊系上統長興組(P2c)中厚層灰巖、瘤狀灰巖；二疊系上統龍潭組(P2l)灰、黑灰色薄層到中層狀泥質砂巖、泥巖、鋁土質泥巖夾頁巖、煤層；二疊系上統峨眉山玄武巖組(P2β)凝灰巖、火山角礫巖；二疊系下統茅口組(P1m)厚層、巨厚層灰巖,該層巖溶極為發育。斷層帶為斷層角礫巖、糜棱巖。

隧道中部D3K342+060～D3K345+015段(長度2 955 m)穿越P2l煤系地層,為隧址區主要含煤建造地層,總厚度120～180 m,含煤5～31層,巖性主要為砂巖、泥巖、炭質頁巖、鋁土巖夾煤層,以軟質巖類為主。隧道施工中在不同段落共44次穿17層煤,單層厚度最大約1.55 m。

隧址區位于云貴高原北部揚子準地臺滇東臺褶帶,地質構造復雜,斷裂、褶曲均比較發育,以東西向構造為主,線路多大角度穿越構造線[5]。隧道在區域上位于三眼井向斜北部翹起端,次一級斷裂、褶曲相當發育。隧道洞身穿越高坡1#背斜、高坡2#背斜、高坡向斜、上揚塘斷層、茶木樹斷層、監羊篝斷層及2處大型構造節理密集帶。其中變形段位于高坡1號背斜核部附近,主要為二疊系龍潭組煤系地層,施工揭示巖層產狀平緩,此段最大埋深445 m。

2.3 水文地質

地下水類型主要為基巖裂隙水,孔隙水及巖溶水發育較少。因受構造影響程度不同導致裂隙發育程度不同,富水條件差異較大。隧道區地下水總的運動方向大體上由北東向南西徑流向深部徑流儲積外(即線路左側向右側徑流),另一部分以泉的形式泄出地表,形成地表、地下水相互補給的關系。

變形段落屬于泥巖、泥質砂巖夾煤層軟質巖,地下水微弱,施工中未見明顯地下水。

估算隧道平常涌水量為13 479 m3/d、最大涌水量為22 775 m3/d。

2.4 主要工程地質問題

隧道主要工程地質問題為煤層瓦斯、膨脹巖及軟巖大變形。針對隧道主要工程地質問題,進行了詳細地質勘察、分析研究,施工圖設計針對性采取了工程措施。

3 圍巖變形病害特征

3.1 變形特征

高坡隧道于2014年3月1日開工,2015年3月25日出口工區施工進入煤系地層,至2016年5月,平行導洞PDK344+485～+800段有315 m斷續發生素混凝土底板底鼓現象,出現多段縱向裂縫,局部初支有開裂,鋼架扭曲折斷；2016年7月17日,發現PDK342+130～PDK342+350段底板出現開裂上拱；2016年10月26日,PDK342+390～PDK342+780段底板出現開裂上拱,其中PD3K342+390～PD3K342+620段底板隆起較明顯(其中:6#橫通道附近PD3K342+425～PD3K342+480段最大變形約15 cm),PD3K342+620～PD3K342+780段底板部分開裂[4]。現場變形情況如圖3所示。

圖3 平行導洞底板縱向開裂、底鼓Fig.3 Bottom upheaval of the base plate of parallel guide tunnel

與此同時,正洞D3K344+596～D3K344+550段施工仰拱時,發現拱部初支線路中線位置出現縱向開裂,并有少量掉塊現象,格柵鋼架局部扭曲變形,拱頂沉降最大16.7 mm。現場變形情況如圖4所示。

圖4 正洞拱部初期支護出現縱向開裂、鋼架扭曲折斷Fig.4 Distortion and fracture of tunnel steel frame of initial support

為確保煤系地層結構安全,解決緩傾巖層拱頂下沉、隧底上鼓問題,現場進行了整治試驗段,對平行導洞增設仰拱,設置全環鋼架,封閉成環；對正洞加深仰拱,增設隧底錨桿,按施工圖要求布設監測斷面,采集監測數據。

2018年1月24日全隧貫通,貫通前煤系地層段均按照優化后措施進行了加強,各項監測數據均在安全范圍內,現場平行導洞局部地段有底鼓現象,但未有持續發展[6]。

2018年3月7日,現場對高坡隧道春節后復工排查時發現正洞D3K342+750～D3K343+200段及對應平行導洞范圍出現仰拱開裂、底鼓和初支、二襯變形情況,平行導洞仰拱最大上鼓達到80.34 cm(與春節停工前觀測數據比較上鼓77.12 cm),靠正洞側變形內鼓。正洞襯砌邊墻開裂、拱頂混凝土剝落掉塊、鋼筋彎曲,仰拱填充面縱向裂縫最寬50 mm,仰拱填充面上鼓5.9～39.54 mm,且還在持續發展。該段位于高坡隧道1號背斜核部附近,地層為煤系地層,初步判定為擠壓性軟巖大變形。

2018年4月22日,平行導洞除拆除段,上鼓最大38.3 mm,正洞仰拱填充面上鼓45.88 mm。

3.2 變形病害特點

分析隧道正洞、平行導洞病害段變形現象,發現具有如下特點。

(1)變形段發生在隧道中部P2l龍潭煤系軟質巖地層段,且靠近隧道中部高坡1號背斜核部,埋深相對較大(350～445 m)。

(2)洞內變形主要為拱頂沉降和仰拱底鼓,沿緩傾巖層法向方向變形,裂縫基本為縱張裂紋,同時兩側向內收斂,表現為典型高地應力作用下軟巖變形特征。

(3)2018年1月24日隧道貫通之前,正洞、平行導洞底鼓變形經過整治處理后,逐漸趨于穩定,隧道貫通1個多月后發現隧道變形再次啟動,表現為隧底底鼓變形加大、拱頂下沉,變形持續發展,未出現穩定趨勢,如圖5所示的斷面量測曲線。

圖5 時間-累計沉降曲線Fig.5 Time-cumulative settlement curve

(4)變形地段較長,范圍較大。正洞約400 m、平行導洞約700 m段落以及7#橫通道內均出現不同程度的底鼓、開裂、混凝土掉塊、鋼筋扭曲等軟巖大變形病害。病害分布情況如圖6所示。

(5)群洞效應影響明顯。平行導洞、正洞間距21 m,平行導洞靠近橫通道附近鋼架扭曲變形,仰拱底鼓嚴重；7#橫通道附近平行導洞最大上鼓達到80.34 cm,靠正洞側變形內鼓最大約1.8 m；正洞靠近橫通道附近上鼓5.9～39.54 mm,二襯拱部掉塊,綜合洞室開裂,與正洞二襯交接處二襯鋼筋變形。

上述變形顯示:群洞效應十分明顯,平行導洞作為先行洞室,正洞隨后開挖,開挖后二次應力釋放與集中對先行洞再次影響,因此平行導洞變形明顯較正洞嚴重。

4 軟巖大變形機理分析

隧道大變形特征表現為地應力作用下軟巖變形特點,其產生的主要機理分析如下。

4.1 變形段巖石強度應力比分析

該隧道在勘察設計階段,在深孔DZ-高坡-05#孔(鉆孔位置為DK342+220右13 m,孔深472.25 m)內深度278.0～450.0 m深度范圍內共成功進行6段水壓致裂地應力測量[7]。結果如表1所示。

圖6 平行導洞、正洞變形病害平面示意圖Fig.6 Plane sketch of deformation and damage of the parallel guide tunne and tunnel hole

/MPa

注：Pb為巖石原地破裂壓力；Pr為破裂面重張壓力；Ps為破裂面瞬時閉合壓力；PH為靜水柱壓力；P0為孔隙壓力；T為巖石抗拉強度；Sh為水平最小主應力；SH為水平最大主應力；Sv為垂直主應力；垂直主應力Sv的計算取上覆巖石的容重為2.70 g/cm3。

變形段埋深在350～445 m,對應的最大主應力(SH)14.37～12.56 MPa,最小水平主應力(Sh)為9.31～8.40,垂直應力(Sv)10.20～11.87 MPa,最大主應力方向為NW50°～54°,隧道洞軸線方向為NW51°,最大主應力與洞軸線近于平行,有利于圍巖穩定性。

對于主應力方向平行于洞軸線的洞室,如圖7所示。洞室開挖,二次應力釋放與集中,洞室B、B′；A、A′切向應力根據彈性力學理論公式推導,可以按式(1)計算:

圖7 隧道洞室受力橫斷面示意圖Fig.7 Diagram of stress and strain cross the section of tunnel chamber

(1)

式(1)中:σ橫為最小水平主應力。

按照此隧道埋深最大處地應力數值計算,垂直應力大于最小水平主應力值,最大壓應力應位于A、A′點邊墻,為29.28 MPa,說明邊墻處承受的壓應力最大；最大拉應力應在B、B′點,隧底、拱頂承受的拉應力最大,由式(1)計算,最大拉應力應為12.7 MPa。

變形段落開挖揭示情況:圍巖主要巖性為泥巖、泥質粉砂巖、頁巖、鋁土巖夾煤層,屬于軟質巖類,根據勘察期間大量巖石單軸極限抗壓強度數據統計:弱風化砂巖單軸飽和抗壓強度為39 MPa,頁巖、鋁土巖天然單軸抗壓強度為6～8 MPa,砂質泥巖約8～16 MPa,其中軟質頁巖、鋁土巖占較大比例。

隧底泥巖、頁巖平均單軸天然抗壓強度取10 MPa,垂直洞軸線最大應力應為測試的最小主應力,取值8.4 MPa,此時洞室巖石強度應力比Rc/σmax約為1.19, 巖石強度應力比Rc/σmax均小于4；如果按照垂直應力計算,取值11.87 MPa,洞室巖石強度應力比Rc/σmax應為0.71,遠小于4；按照GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[8],軟質巖開挖后在垂直應力、水平最小主應力作用下,如果洞室支護強度不足情況下,洞壁圍巖發生顯著位移、隧道存在底鼓隆起變形特征。

此外,隧道開挖后圍巖會發生二次應力集中及釋放,洞室周邊會產生較大的切向壓應力及最小的切向拉應力[9],根據以上計算:最大切向應力集中在量兩側邊墻,可達29.28 MPa,最大拉應力出現在隧道拱頂、隧底,為12.7 MPa,由此可見無論洞室開挖二次應力調整形成的切向壓應力、拉應力值均較原始垂直洞軸線的最小主應力值、垂直地應力大,巖石強度應力比更小,因此,在集中切向壓應力、拉應力作用下,如果洞室支護強度不足的情況下,隧底、拱頂、洞室邊墻軟巖均易產生顯著形變。

4.2 巖石膨脹性

開挖揭示變形段穿越二疊系龍潭煤系地層,主要巖性為泥質砂巖、泥巖、炭質頁巖、鋁土巖夾煤層,屬于極軟巖,根據正洞及平行導洞段取樣32組巖樣進行膨脹巖室內試驗[10],取樣巖性包括泥巖、炭質頁巖、砂質泥巖、泥質砂巖、鋁土巖。試驗成果顯示,共16組判定為膨脹巖,主要為弱膨脹,少數為中等膨脹,其中泥巖、炭質頁巖、鋁土巖為膨脹巖的比例略高,約占54%,鋁土巖取樣8組,5組為弱至強膨脹,頁巖2組,均為中等膨脹,泥巖、泥質砂巖22組,約有9組有膨脹性,砂巖基本無膨脹性,由于變形段主要以泥巖、頁巖、鋁土巖夾煤層、砂巖為主,膨脹巖占比較高。因此該段在地下水的作用下巖石存在顯著的膨脹特性。

圖8 正洞、平行導洞與7號橫通道平面關系示意圖Fig.8 Plan view showing positions of main tunnel, parallel guide tunnel and No.7 cross channel

4.3 地下水作用

施工開挖期間,由于該地層巖性相對隔水,該段地下水整體弱發育,總體為偶見滲滴水現象,僅在D3K343+058～065段曾發生過線狀至股狀出水,隨后衰減。但由于隧道施工開挖后,應力釋放,巖體裂隙逐步擴展,形成有利導水通道,因地下水的滲入巖體,進一步軟化巖體,特別是隧道底部,降低圍巖力學強度,加之該段為膨脹巖石,遇水后發生膨脹,引起隧底隆起[11],特別隧道為單面下坡,貫通后,隧道進口灰巖段地下水整體排向出口,在2018年3月,進洞查看變形段病害時,發現進口地下水大量排向變形地段,因此,地下水入滲隧底引起隧底圍巖強度降低、膨脹底鼓也是該段隧底隆起變形較為嚴重的原因。

4.4 群洞效應

正洞與平行導洞線間距35 m,凈距21 m。變形段位于正洞與7號橫通道交叉口前后50 m范圍,在該段較短段落形成了“H”形洞群結構,多個洞室近距離的先、后施工擾動作用,特別是后行洞開挖會再次引起圍巖二次引力調整,從而形成了較大范圍的圍巖松動圈,平行導洞內變形明顯較正洞嚴重(圖8)。

4.5 施工因素

對于該段變形段現場查看后,認為施工中也存在部分質量控制不嚴問題,如部分錨桿未按設計施作,與巖層大角度相交,未起到加固巖體作用；交叉段無模筑襯砌,同時錨桿未發揮作用,導致塑性區未有效控制,持續發展,特別對于小凈距的正洞和平行導洞,支護一旦失效,塑性區疊加,變形加大；隧道貫通后,中心水溝及時施作,造成上游向出口散流漫水,大量地下水滲入隧底造成圍巖有軟化、膨脹,加劇病害發展；二襯施做時初支變形未穩定,監控量測工作不到位。

5 病害整治措施

目前國內外隧道建設過程中雖發生大變形案例較多,但在深埋煤系地層發生如此長段落隧道圍巖大變形病害且具明顯緩慢蠕變時效性特征現象的還屬首次。研究者結合現場病害發育情況,經長時間深入分析及論證地質病害形成機制,對癥下藥,最終確定了正洞發生大變形段采用“擇機拆換加固+調整襯砌結構+無砟改有砟”、對平導采用“排水加固+局部回填封堵”為主的綜合整治措施。

5.1 正洞段整治措施

對有大變形病害段落初支及二襯變形段落為D3K342+750～D3K343+200段長450 m,采取如下整治措施。

5.1.1 圍巖注漿加固

正洞變形段拱墻范圍采取φ50 mm開孔注漿,每孔長5 m,間距1.2 m(環)×1.2 m(縱),漿液類型以硫鋁酸鹽水泥為主,普通水泥水玻璃雙液漿為輔,注漿壓力1.0～2.0 MPa。

5.1.2 拆除及擴挖

利用臺車逐榀拆除,拆除過程采用機械開挖,由于拆換,可能切割、焊接鋼架,在切割、焊接等工作地點前后各20 m范圍內,主要瓦斯監測,風流中瓦斯濃度不得大于0.4%,并不得有可燃物,兩端應各設一個供水閥門和滅火器。擴挖同樣需采用機械開挖,并且采用逐榀擴挖。同時對開挖面增加射流風機,預防瓦斯聚集。

5.1.3 支護體系及襯砌結構

初支采用雙層支護體系,襯砌結構采用圓形斷面,全環60 cm鋼筋混凝土。為控制變形,當一支變形達到1/2預留變形或有鋼架扭曲現象時,應及時施做二支。二襯施做時機需待初支變形穩定后予以實施,仰拱填充待全環襯砌施做完成后才能回填[12]。

5.1.4 煤系地層全段落調整為有砟軌道

由于隧煤系地層地質條件、構造作用復雜,圍巖以平緩薄至中層狀軟質巖為主,目前現場D3K342+750～D3K343+200段已出現軟巖大變形病害,考慮隧道開挖后應力重分布及軟巖變形規律的不確定性,為確保運營安全,將隧道過煤系地層全段落共計3 680 m調整為有砟軌道。

5.2 平行導洞段整治措施

由于平行導洞段支護較弱,斷續出現變形病害,本次整治范圍為整個煤系地層段,約3.5 km。主要采取下述措施。

5.2.1 平行導洞洞身加強

為避免平行導洞變形對正洞的影響,對平行導洞位于煤系地層段范圍均采取增設套襯結構進行加強,根據變形現狀分類實施,變形輕微段,增設35 cm厚鋼筋混凝土套襯；變形較大地段,增設2 m厚鋼筋混凝土套襯。

5.2.2 橫通道回填

煤系地層段橫通道采用混凝土進行封堵,靠近正洞5 m段采用C25氣密性混凝土封堵,剩余段落分段(不大于5 m)采用C25混凝土封堵,拱頂埋設注漿管及排氣管,分段進行拱頂回填壓漿,保證封堵效果。

5.2.3 施工期間排水

隧道單面上坡,大里程端地下水向小里程端匯集,變形段為處理段,原則上應盡量避免地下水影響,因此上游段需采取反坡抽水措施,由11號橫通道引排至平行導洞。

6 結論

(1)隧道洞身中部嚴重變形病害是由于埋深大(垂直應力大)、巖質軟弱強度低、膨脹性、地下水作用、群洞效應等多因素綜合導致。

(2)隧區最大主應力方向近于平行隧道中軸線,有利于圍巖穩定性,但是隧道中部埋深大、垂直應力較大,隧道開挖引起的二次應力集中在洞身周邊切向應力較增大。因此,研究巖石強度、應力比十分必要,特別是軟質圍巖具有緩慢蠕變特性,存在滯后效應[13]。

(3)變形段煤系地層軟質巖強度低且具膨脹性,在地下水作用下,具有強度衰減快、膨脹變形的特點,無論平行導洞、正洞圍巖變形均較大。變更設計采用“擇機拆換加固+調整襯砌結構+無砟改有砟”“排水加固+局部回填封堵”等措施具有針對性,整治病害效果良好。

(4)對于深埋長段落煤系地層軟巖隧道來說,開挖后軟弱圍巖易發生緩慢蠕變現象,且具一定滯后的時效特點[14],特別是隧底、拱頂易出現圍巖較大變形,在設計中采用加強型初期支護是抵抗軟巖大變形最為重要的措施。