云母片巖隧道圍巖大變形分析研究

胡永占

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室 陜西西安 710043)

1 引言

隨著鐵路建設的快速發展，隧道工程的比重不斷加大，云母片巖隧道圍巖大變形已嚴重影響了隧道施工安全和進度，因此對云母片巖圍大變形的分析研究成為隧道建設中的重要課題[1]，有著重大的現實意義和指導價值。

寶蘭高鐵楊家莊隧道全長8 096 m，洞身圍巖以云母片巖為主，巖質軟穩定性差、施工初期變形大，安全風險極高，出現了圍巖大變形問題。本文通過對云母片巖結構特性、礦物成分、抗壓強度和水理特性等工程特性的介紹，對隧道圍巖大變形特征及變形因素進行分析研究。

2 楊家莊隧道地質概況

2.1 地形地貌

楊家莊隧道位于天水市秦安縣境內，穿越葫蘆河峽谷區左岸黃土長梁。區內地形起伏較大，黃土在流水侵蝕作用下主溝多切割至基巖，河谷兩岸黃土沿土石界面形成的滑坡發育。

2.2 地層巖性

隧道洞口及地表為第四系上-中更新統風積黃土所覆蓋，洞身地層為新近系泥巖、震旦系云母片巖及斷層破碎帶等。云母片巖呈灰黑色、片理發育、具薄片狀結合差等特性，圍巖大變形段落均集中在云母片巖地段。

2.3 地質構造及地震

隧道區域地質構造為六盤山帚狀構造與隴西黃土高原過渡段，為震旦紀變質巖組成第三紀天禮盆地北緣，區內構造運動活躍，壓扭性黃家大溝斷層與隧道洞身大角度相交。隧道位于北西向展布的天水-蘭州地震帶中部，該地震帶具有地震活動頻率高，強度大的特點，見圖1。

圖1 楊家莊隧道地質構造及地震分布

2.4 水文地質

隧道區內黃土梁間沖溝發育，黃土主溝下切至基巖，溝谷內沿土石界面有下降泉匯集成流水；基巖裂隙水較發育但分布不均勻，地下水沿基巖風化層及節理裂隙向深部滲流。

3 云母片巖的工程特性

隧道洞身主要地層為云母片巖，根據地質調查結合試驗成果對云母片巖的結構構造、礦物成分、抗壓強度和水理特性分析評價其工程性質。

3.1 結構構造

根據隧道掌子面地質素描，云母片巖的變質片理普遍發育，呈薄層片狀結構，受地質構造影響巖體破碎、黏聚力差、擠壓揉皺嚴重，在部分片理面和構造節理面可見灰褐色泥化夾層[2]72，巖體沿泥質發生塑性蠕變并產生擠壓搓動光滑面，易引起巖體變形、失穩。

3.2 礦物成分

在隧道洞身里程DK796+613～DK797+633掌子面采集3組巖樣，采用粉晶X射線衍射分析方法對巖樣進行礦物分析和黏土礦物定性與定量分析。

表1 巖樣衍射分析礦物成分匯總

由表1礦物成分匯總表分析圍巖的主要礦物為云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，長石和綠泥石少量，局部檢測有少量親水礦物蒙脫石。云母及蒙脫石遇水易軟化，云母片巖吸水率高易軟化產生可塑蠕變現象，因此云母片巖的礦物成分直接影響圍巖的大變形。

3.3 抗壓強度

鱗片狀云母片巖及軟弱夾層對圍巖強度影響較大，取樣試驗云母片巖的天然單軸抗壓強度為2～8 MPa，飽和單軸抗壓強度僅0.5～3 MPa，圍巖強度低屬極軟巖；黏聚力0.08～0.12 MPa，內摩擦角15°～22°，變質片理面有泥化夾層易剪切失穩，使其抗剪斷強度低，圍巖自穩性差，易誘發大變形。

3.4 水理特性

地下水對不同強度和結構的礦物影響各有差異:云母及蒙脫石等礦物遇水易軟化；石英及長石等硬質礦物影響較小。通過試驗片巖中含有黑云母和蒙脫石等黏土礦物，黏土礦物在地下水作用下沿結構面易發生軟化崩解[2]70，干濕抗壓強度的比值計算云母片巖的軟化系數為0.51～0.59，遇水后云母片巖的抗壓強度降低，因此云母片巖遇水軟化是隧道圍巖大變形不可忽視的因素。

4 云母片巖隧道圍巖大變形特征分析

4.1 圍巖變形壓力測試

4.1.1 測試斷面地質特征

隧道開挖采用三臺階預留核心工法施工[3]，掌子面地質素描圍巖為云母片巖:灰黑色，沿片理形成的結構面發育，巖體呈薄層片狀松散結構，層厚為0.5～2 cm，伴有滴滲水現象，層間遇水軟化且結合差，拱部及左邊墻沿結構面易剝落掉塊。單斜地層徑向破壞形成的圍巖松動圈擴散范圍存在差異[4]，拱頂及左側拱腰圍巖松動圈可達一倍洞徑以上(見圖2)，采用TSP302超前地質預報掌子面前方為云母片巖，巖體破碎，弱富水。

圖2 DK797+670片巖揉皺破碎沿片理擠壓塑性變形

4.1.2 圍巖變形量測

在隧道DK797+660～DK797+685段按間隔5 m布設了6個斷面進行拱頂沉降、拱腳和墻腰水平收斂量測，變形量測采用精密水準儀、收斂計與全站儀相結合，監控量測結果見表2。

表2 拱頂下沉及拱腳、墻腰水平收斂量測結果 mm

(1)拱部沉降變形量測

每個量測斷面拱頂沉降量大，拱頂沉降平均200.5 mm，最大達246.3 mm。根據圖3各斷面拱頂沉降與時間曲線可看出:每個量測斷面拱頂沉降量在監測初期都呈逐漸增大的趨勢[5]，基本在兩周后逐漸趨于平緩，之后拱頂下沉量維持在相對穩定的范圍，說明初期支護措施起到控制沉降效果。

圖3 量測斷面拱頂沉降-時間曲線

(2)拱腳水平收斂量測

拱腳水平收斂值大于拱頂初期沉降值，墻腰水平收斂值相對較小。根據圖4各斷面拱腳水平收斂與時間曲線可看出:在量測初期拱腳水平收斂逐漸增加，基本在10～15 d后收斂變形逐漸趨于平緩，拱腳收斂的平均值為230 mm，說明初支措施有效控制了圍巖的水平收斂[6]。

圖4 量測斷面拱腳水平收斂量-時間曲線

4.1.3 圍巖壓力測試

在隧道DK797+670段拱頂、拱腳、邊墻、墻腳、仰拱分別埋設測點，采用頻率接收儀分別對初支圍巖壓力及其與二襯接觸壓力進行測試。

(1)初期支護圍巖壓力測試

埋設于圍巖與初支之間的壓力盒量測的接觸壓力分布見圖5，量測的圍巖壓力分布不均勻，除仰拱圍巖壓力外最大壓力發生左拱腳為0.936 MPa，隧道左側拱腰明顯大于右側，這與圍巖結構面產狀方向一致，說明圍巖沿變質片理面易產生變形[7]。

(2)初支與二襯接觸壓力測試

埋設于初支與二襯之間的壓力盒量測接觸壓力分布見圖6。接觸壓力在量測初期有一定波動，在埋設一個月后，接觸壓力趨于穩定，量測接觸壓力平均值為0.086 MPa。二襯壓力分布相對均勻，這說明初支措施有效控制了圍巖的變形。

圖5 DK797+670圍巖壓力分布(單位：MPa)

圖6 DK797+670初支與二襯接觸壓力分布(單位：MPa)

4.2 圍巖大變形特征

4.2.1 圍巖變形及初支結構破壞形式

楊家莊隧道云母片巖層薄質軟并有泥化夾層，單斜構造偏壓顯著，巖體破碎并有滴滲水現象。施工中圍巖變形難以控制且累計變形量大，圍巖變形監控量測預警段落多，出現初支開裂掉塊并造成侵限；初噴砼出現不同程度環向和縱向裂縫，伴有初支開裂、噴砼掉塊、鋼拱架扭曲變形或拱頂沉降、拱腰及邊墻外鼓等現象(見圖7)。

圖7 初噴砼出現環向和縱向裂縫

4.2.2 大變形特征

依據施工圍巖監控量測結合現場地質編錄綜合分析[8]，隧道圍巖大變形有如下特征:

(1)隧道結構偏壓變形。隧道圍巖為單斜地層，拱頂下沉及單側拱腰及側壁滑移擠出明顯呈結構性偏壓，導致初支受力及位移不均，出現圍巖不同位置變形程度存在差異，初支破壞形式也不同。

(2)沉降及收斂變形量大。圍巖變形主要表現為拱頂沉降及左側拱腳向洞內擠出為主；監控量測數據統計DK797+660～DK797+675段拱腳水平收斂累計最大值達376 mm，拱頂沉降累計最大值246 mm。

(3)變形速率較快。掌子面開挖一周內監測呈逐漸增大的趨勢，變形速率可達80～120 mm/d，若仰拱不封閉，二襯不及時跟進，持續變形易產生侵限甚至可能塌方。

(4)變形持續時間較長。圍巖沿變質片理面有塑性蠕變性，隧道開挖后圍壓應力重分布時間持續長，拱頂沉降和水平收斂達到相對穩定需要一段時間，變形持續約兩周后才逐步趨于穩定。

(5)洞身縱向變形分布不均。洞身不同段落變形量各異，根據隧道收斂變形實測數據和侵限破壞情況統計分析，巖體結構面產狀與洞身主軸夾角越小、地下水發育地段收斂變形量相對較大。云母及蒙脫石等軟質礦物含量高的段落收斂變形量大，嚴重段初支鋼架出現扭曲變形。

5 云母片巖隧道圍巖大變形主要因素分析

5.1 地形地貌引起的偏壓

楊家莊隧道地形呈向左側葫蘆河峽谷區傾斜的黃土梁峁區，黃土在流水侵蝕作用下切割強烈、地形起伏較大，相對高差約50～220 m，向河谷單向傾斜，自然坡度20°～50°，為單斜偏壓地形，埋深淺的段落產生偏壓導致圍巖變形較大。

5.2 地層巖性特征的影響

隧道洞身巖性主要為云母片巖，經礦物分析，云母片巖主要礦物為云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，還有少量親水礦物蒙脫石。云母及蒙脫石遇水易軟化，云母片巖吸水率高易軟化產生可塑蠕變現象，是引起隧道圍巖變形的內在因素。

5.3 巖體結構的影響

隧址位于震旦紀變質巖組成的第三紀天禮盆地北緣，晚第三紀以來區內構造運動活躍，巖體受到強烈的揉皺擠壓，巖體極破碎呈薄片狀角礫結構，片理及節理裂隙發育，易沿片理面擠壓剪出發生破壞，形成圍巖巖體發生剪切破壞的軟弱結構面[9]。隧道洞身主軸走向N10°W，云母片巖產狀N78°E/65°S，巖層產狀與隧道洞身及河谷走向呈單斜順層偏壓。受自重壓力及偏壓影響，隧道開挖左側拱頂及拱腰沿片理面向洞內擠壓發生塑性蠕變，圍巖表現出明顯大變形特征。

5.4 地下水滲流軟化作用

隧道圍巖收斂變形與地下水活動密切關系，圍巖的破碎有利于地表水下滲和地下水的滲流。收斂變形大的掌子面開挖后多有滴滲水及線狀流水。地下水對云母片巖及泥化夾層有軟化，圍巖遇水強度降低并發生塑性蠕變，加劇了圍巖的變形。

5.5 圍巖壓力分布不均的影響

圍巖壓力測試說明偏壓地形和單斜地層是初支壓力分布不均衡的主要原因[10]，造成初支鋼架和噴射混凝土承受較大應力，出現噴層開裂掉塊。二襯適時施作又限制初支變形，分擔部分圍巖壓力。

5.6 施工開挖擾動引起圍巖變形

隧道監控量測是判斷圍巖穩定性有力手段[11]。根據斷面收斂變形監測數據統計分析，收斂變形可分為急劇變形、緩慢變形和基本穩定三個階段。掌子面開挖卸荷及初期支護過程中軟弱圍巖的變形釋放，造成圍巖對初支不均衡壓力分布。

6 結論

針對楊家莊隧道地質環境特征，結合圍巖變形量測及壓力測試，對隧道圍巖大變形進行分析研究，結論如下:

(1)云母片巖隧道大變形具有收斂變形量大、變形速率較快、變形持續時間長、洞身縱向變形分布不均及破壞形式多樣性的特征。

(2)圍巖變形監測及壓力測試表明，圍巖變形與圍巖壓力具有密切的相關性:初支壓力出現波動半月后逐漸趨于穩定，同時拱頂沉降和水平收斂等圍巖變形也逐步趨于穩定。

(3)復雜區域地質條件是云母片巖隧道圍巖發生大變形的獨特性，導致圍巖變形的因素有地形地貌、巖性特征、巖體結構、地下水及圍巖壓力；巖性及其結構構造的影響在諸因素中占主要地位，其它因素均起到不同作用。

(4)單斜地層和地形產生偏壓、開挖卸荷后圍巖受地下水滲流軟化沿變質片理面及泥質夾層產生塑性蠕變，使圍巖壓力分布不均等因素是導致楊家莊隧道圍巖大變形的根本原因。