廣元至平武高速公路白楊坪隧道圍巖大變形分析與研究

陳華　陳清泉　李劍偉　張艷

【摘 要】隧道圍巖大變形預測是一個較難研究課題，相關理論尚在進一步研究和探討中。產生圍巖大變形的影響因素眾多，其中高地應力是圍巖產生大變形的重要影響因素之一。文章對白楊坪隧道深孔進行水壓致裂法地應力測試，根據測試成果對測區地應力特征進行了分析。隧道內最大主應力以水平構造應力作用為主導，最大水平主應力方向為NW81°～ NW72°。隧道在埋深大于210 m時會發生Ⅰ級圍巖大變形。

【關鍵詞】隧道工程; 千枚巖; 地應力; 大變形

【中圖分類號】U451+.2【文獻標志碼】A

隧道圍巖大變形是一種常見的、危害大、處治難度及費用高的施工地質災害。引起圍巖大變形的因素較多，其中隧道所處地應力大小是最重要影響因素。在以往的工程經驗中，我們通常將軟質巖隧道在埋深大于400 m的洞段判定為可能發生圍巖大變形段，需進行地應力相關測試。但近年來已建成的的國道317線鷓鴣山公路隧和馬爾康繞城隧道、汶馬高速鷓鴣山隧道和卓克基隧道等工程在隧道埋深200 m左右便出現了不同形式和程度的圍巖大變形災害，給工程建設造成極大的困難。因此，對于埋深不大的軟巖隧道亦需要開展圍巖大變形的相關研究。

1 工程概況

在建廣元至平武高速公路白楊坪隧道進口位于廣元市青川縣清溪鎮徐壩村竹林壩組，出口位于綿陽市平武縣高村鄉老房子組。為一越嶺特長分離式雙線隧道，全長3 501 m，屬特長隧道;單洞寬10.25 m，洞高5 m，洞頂最大埋深約415 m。路線經過區域內出露地層為昆侖秦嶺區馬爾康分區金川小區。所涉地層主要為茂縣群黃坪組（Sh），巖性以絹云千枚巖、砂質絹云千枚巖為主，試驗測得飽和抗壓強度平均值約6.5 MPa，屬于軟巖。

工程區處于龍門山北東向構造與摩天嶺北東東向構造帶之間，主要位于龍門山中央斷裂與龍門山后山斷裂所圍限的地塊。構造單元上屬于松潘—甘孜造山帶中的丹巴—汶川弧形逆沖—滑脫疊置帶和摩天嶺逆沖—推覆帶。隧道位于白羊倒轉復向斜北西翼位置，唐家山斷層位于隧道北側200～400 m，呈北東方向展布，走向與隧道走向近于平行，青川—平武斷裂距離隧道北側約2.2 km，呈北東方向展布，隧道均位于斷層下盤。

根據地質調查，隧址區分布較多小規模的韌性剪切破碎帶，寬度幾米至十幾米不等，由片理密集帶并含石英布丁體為特征，石英布丁3～20 cm不等，具定向排列特征，破碎帶巖體完整性極差，片理部分呈鱗片狀構造，錘擊聲較啞，微反彈，部分片理揉曲變形較強烈（圖1）。韌性剪切破碎帶占正常圍巖段落比例約20 %，且分布具不確定性。

石英布丁、韌性剪切帶內折曲構造

2 近場區地應力特征

2.1 地應力測試

本次地應力測試采用水壓致裂法，選取白楊坪隧道白ZK02鉆孔，鉆孔深度為300.00 m，鉆孔靜水位為0.00 m。現場巖芯見圖2，總體上巖芯較完整，巖性以絹云千枚巖為主。

本次測試在白ZK02鉆孔80.00～ 268.00 m范圍內選擇了5個測段（80.00 m 、130.50 m、178.00 m、192.00 m、268.00 m）進行水壓致裂法地應力測試工作，每個測段均進行了4次重復測量，獲得的5段有效測量曲線見圖3。

對上述獲得5段有效壓裂曲線進行分析和篩選，選取2個測段進行印模試驗以確定最大水平主應力方位，其深度為：178.00 m和192.00 m，印模測試采用雙印模法，印取兩段結果。地面施加的壓力超過巖石破裂壓力，并水壓時間約30 min。

2.2 地應力測試結果分析

2.2.1 關鍵數據處理方法

測段深度指地面至壓裂段中心點的深度，試驗中壓裂段長度選取了0.76 m。垂向應力簡化為地面至壓裂段中心點上覆巖層的重量，用常規公式Sv=ρgh計算獲得，平均密度（ρ）取2.64 g/cm3。

國際巖石力學（ISRM）測試技術專業委員于2003年發布的新的技術標準提出，通過關閉壓力可直接確定最小水平主應力的大小，同時可參與最大水平主應力的計算。本次測量為保證測試結果的可靠性和準確性，本次測試采用dp/dt法、dt/dp法和Muskat法，三種方法進行，并取三種方法的平均值參與應力量值的計算。

2.2.2 主應力值

白ZK02鉆孔水壓致裂地應力測量壓裂參數和主應力值計算結果見表1。

通過表1給出的應力測量結果，可以分析地應力值隨深度變化情況，圖4是白ZK02鉆孔主應力值隨深度變化圖。通過對表1和圖4分析，可以發現：在白ZK02鉆孔中主應力值隨地層深度增加而增加，80.00～268.00 m測試深度范圍內，最大水平主應力值在15.03～21.68 MPa之間，最小水平主應力值在10.57～14.17 MPa之間。最大水平主應力與垂向應力之比范圍為3.05～7.12，表明以水平應力為主導，測孔附近主應力的比值為中等以上水平（一般工程隧道巖體水平主應力與垂向應力比值在0.5～5.5之間）。

為更加準確地了解工程區的現今地應力狀態，采用線性擬合的方式計算主應力隨深度變化梯度式，式1和式2給出了具體結果。

SH= 0.030H + 12.683，r2=0.58（1）

Sh=0.016H+9.081，r2=0.67（2）

根據圖4曲線和Anderson 斷層理論分析鉆孔的構造應力結構及其表征的斷裂性質表明，三個主應力間的關系為SH>Sh>Sv，表明區內應力狀態有利于逆沖斷層活動。

2.2.3 主應力方向

本次測試開展了2段印模效果良好，根據基線方位計算出最大水平主壓應力方向，圖5給出了白ZK02鉆孔印模結果，結果表明，主應力方向由淺至深分別為：N81WN72W，算術平均優勢方向為N76.5°W，兩次測量結果比較接近，也說明了印模測量結果的可靠性和一致性。結果揭示，白ZK02鉆孔主應力方向為NWW方向，與區域應力場基本一致。

3 隧道圍巖大變形

目前國標及行業標準對于隧道圍巖大變形的分析和預測多采用巖石強度與初始應力比值。采用圍巖強度與初始應力比值可反映巖體結構特征，符合隧道結構力學規律。通過比值大小進一步劃分大變形等級。

擬建隧道圍巖以絹云千枚巖為主，飽和抗壓強度平均值約6.5 MPa，屬軟巖。根據地應力測試結果分析，區內隧道地應力屬于極高應力區域，最大主應力以水平構造應力為主導。最大水平主應力方向為NW81°～ NW72 °。根據TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》，通過圍巖強度應力比Rc/σmax預測圍巖大變形等級，分級標準見表2。

擬建隧道最大埋深415 m，絹云千枚巖飽和抗壓強度6.5 MPa。當隧道埋深小于210 m，σmax<13.0，強度應力比Rc/σmax>0.5，正常絹云千枚巖發生大變形的可能性較小;隧道埋深210～415 m，σmax =8.0～16.35，強度應力比Rc/σmax =0.39～0.5，圍巖大變形等級為Ⅰ級。

4 結論與建議

綜上所述，白楊坪隧道在埋深大于210 m時會發生Ⅰ級圍巖大變形。隧道圍巖大變形等級還與地下水發育程度、巖體完成程度、巖石礦物親水性特征、隧道開挖形式等因素有關，因此，建議施工過程中加強超前地質預報和檢測，對于裂隙密集帶及地下水豐富地段應加強圍巖大變形預支護手段。對發生大變形的隧道段落，建議采用柔性設計理念，選擇合理的開挖方式，預留變形量，加強超前支護，適當提高襯砌剛度。

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[定稿日期]2021-04-15

[作者簡介]陳華（1986～），男，碩士，工程師，主要從事巖土體穩定性及工程環境效應方面的研究工作。