侵入巖脈蝕變帶地層隧道襯砌地震開裂成因與處治措施研究

作者簡介：

肖 偉（1973—），工程師，主要從事道路工程建設工作。

摘要：為探究侵入巖脈蝕變帶地層隧道開裂成因并提出有效的處置措施，文章以瀘石高速公路杵坭隧道左線在地震作用下襯砌開裂破壞為工程背景，通過現(xiàn)場勘察和研究，對巖脈地層的隧道開裂原因進行分析，提出有效的處治措施。由此得出結論：巖脈侵入造成巖脈蝕變帶中巖體完整性、連續(xù)性差，導致隧道極易在地震等動力作用下出現(xiàn)開裂等破壞；該工程中提出的侵入巖脈蝕變帶隧道的開裂處治措施，包括圍巖注漿加固、設置臨時鋼支撐和二襯重建等，可為其他相似工程提供參考；對于地震烈度區(qū)的侵入巖脈蝕變帶地層隧道，因地震力導致隧道側向力增加，在設計中宜考慮采用有仰拱的襯砌類型。

關鍵詞：隧道工程；侵入巖脈蝕變帶；隧道開裂；處治措施

中圖分類號：U455.91文獻標識碼：A 34 114 4

0 引言

瀘石高速公路是連接雅西和雅康兩個主要高速公路的關鍵節(jié)點，其在緩解國道318線和108線的交通壓力、減輕雅西和雅康高速公路的流量壓力以及提供方便的交通轉(zhuǎn)換方面具有重要作用。該項目建成后將完善川西地區(qū)的高速公路網(wǎng)絡，對于促進民族地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展、助推脫貧攻堅等方面具有十分重要的意義［1］。

川西地區(qū)地質(zhì)構造作用活躍，普遍存在侵入巖脈蝕變帶這一地質(zhì)現(xiàn)象［2-3］。瀘石高速公路杵坭隧道在修建過程中，在火成巖侵入巖脈這一地質(zhì)條件下，因地震而誘發(fā)初支的開裂和破壞，極大地影響了施工的正常進行。

在與熾熱巖漿接觸時，圍巖會經(jīng)歷不同程度的變質(zhì)，這是巖漿侵蝕的結果。在侵入巖脈蝕變帶中，已不僅是單純的侵入巖體和圍巖兩種巖性，而是呈現(xiàn)出多種巖性混合的情況，圍巖的力學性質(zhì)極差［4-5］。國內(nèi)的侵入巖蝕變帶地層工程案例中，洛陽至湛江鐵路清水隧道及北崗隧道發(fā)生初支變形、開裂災害［6］，從莞高速公路觀音山隧道發(fā)生塌方災害［7］，拉林鐵路藏噶隧道發(fā)生大變形災害［8］，所述工程的修復主要以增強圍巖自身承載能力和加強支護結構為基本原則。

以上工程實例均為靜力作用下的隧道災害，但對于侵入巖脈蝕變帶地層隧道在動力作用下的災害問題，國內(nèi)的研究還有所欠缺。本文將根據(jù)瀘石高速公路杵坭隧道因地震作用開裂這一實際工程背景，分析開裂產(chǎn)生的原因，并給出隧道在動力作用下開裂的有效處治措施，為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

杵坭隧道位于瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)，起于冷磧鎮(zhèn)杵坭村，止于鄧油房村。設計為單洞雙車道分離式特長隧道，時速為80 km。左線長4 712 m，右線長4 715 m。隧道主洞凈寬為10.25 m，凈高為5 m。隧道主洞建筑限界如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

杵坭隧道長4 715 m，最大埋深為800 m。隧址區(qū)屬構造侵蝕剝蝕高山地貌，主體圍巖主要為花崗巖、閃長巖和輝綠巖脈。隧址區(qū)主要斷裂構造有金坪斷層（F30）、瀘定斷裂（F27-2）（距400 m）以及次級斷層（圖2）。金坪斷層于K20+170附近穿越擬建路線，次級斷層于K20+750附近斜交路線，受斷層影響，洞身段還存在其他次級小斷層或節(jié)理密集帶，并伴有輝綠巖巖脈，局部巖體較破碎-破碎。

其中，隧址區(qū)基巖為元古界早震旦系巖漿巖，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，主要巖性為花崗巖、閃長巖，局部有輝綠巖巖脈侵入。隧址區(qū)處于Ⅷ度強震區(qū)，地震動峰值加速度為0.2 g、0.3 g；地震動反應譜特征周期為0.40 s、0.45 s，屬于高地震烈度區(qū)。

侵入巖脈蝕變帶地層隧道襯砌地震開裂成因與處治措施研究/肖 偉

2 開裂事件與成因分析

2.1 開裂事件發(fā)生過程

擬建杵坭隧道為傍山隧道，左線長4.712 m，右線長4.715 m，于2022-03-24至2022-04-06完成該隧道左線ZK21+240～ZK21+420段的開挖和初期支護，于2022-05-02至2022-05-18完成該段的二襯施工。2022-09-05 12：52（北京時間）在甘孜藏族自治州瀘定縣發(fā)生6.8級地震，震源深度為16 km，震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)（北緯29.59°，東經(jīng)102.08°），距隧址區(qū)域約20 km，地震烈度為8度。該段在地震后排查發(fā)現(xiàn)，二襯出現(xiàn)縱向和環(huán)向開裂現(xiàn)象，裂縫深度表現(xiàn)為涉及二襯段落全破壞，其中ZK21+289～ZK21+340段開裂嚴重，此段調(diào)平層出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，二襯出現(xiàn)縱向貫通裂縫（二襯折斷），二襯基本處于失效狀態(tài)（圖3）。

2.2 成因分析

2.2.1 巖脈侵入接觸蝕變帶圍巖穩(wěn)定性差

采用TGP206對杵坭隧道進口左線ZK21+200～ZK21+350段進行超前地質(zhì)預報。在里程段ZK21+205～ZK21+250和ZK21+255～ZK21+268內(nèi)反射極性圖中縱、橫波負反射振幅幅度明顯，說明該段里程巖體較破碎，縱、橫波繞射偏移成果圖中冷、暖色反射條帶交替出現(xiàn)，推測該段里程巖體完整性、連續(xù)性較差。因此，推斷在此里程段巖體破碎，裂隙發(fā)育，可能發(fā)育有密集節(jié)理裂隙破碎帶，裂隙間為泥、砂質(zhì)充填，該段巖體地下水稍發(fā)育，多為基多巖裂隙水出露，受軟弱巖脈蝕變影響存在偏壓不均勻荷載，圍巖穩(wěn)定性差。

2.2.2 地震水平力對隧道側壓力增加

通常認為，在地震時隧道圍巖的振動加速度較地面要小，并且圍巖具有足夠的剛度，可以保持隧道的形狀不變，所以隧道具有較好的抗震性能。但實際上隧道很容易遭受地震的強烈破壞。地震發(fā)生時，開裂段二襯施作完成，路面尚未澆筑，在地震作用下，隧道側壓力增加，部分段落調(diào)平層隆起（圖4），造成拱腳水平失穩(wěn)，導致二襯縱向開裂。

2.2.3 原有結構巖脈地層適應性不足

左洞作為先行洞，開挖時掌子面圍巖表現(xiàn)較好，襯砌類型由原設計Z3b變更為Z3a；右洞開挖時，掌子面圍巖穩(wěn)定性差，由原設計Z3b變更為Ⅳ級和Ⅴ級。右洞施工時產(chǎn)生的擾動會對左洞已施工完成的結構質(zhì)量較大的影響，且左洞襯砌類型無仰拱設計，使得襯砌侵入巖脈蝕變帶隧道，容易發(fā)生開裂破壞。

3 處治措施

綜合前述分析，隧道所處的地質(zhì)環(huán)境極為復雜，所發(fā)生的病害也是多種多樣，處治的主要思路包括主動型圍巖加固、被動型結構加固以及裂縫修補、隧道長期監(jiān)測，其中主動型圍巖加固的措施有4.5 m長42 mm小導管注漿加固，6 m長89 mm鎖腳；被動型結構加固的措施有二襯拆換重建、模筑套襯、裂縫修補等。

根據(jù)隧道病害的類型及嚴重程度，有針對性地選擇多種措施的有機組合。處治措施及段落由業(yè)主、設計、施工及監(jiān)理四方根據(jù)現(xiàn)場條件動態(tài)確認調(diào)整。

3.1 圍巖注漿加固

根據(jù)襯砌變形開裂等級，采用42 mm注漿小導管，長度為3 m，間距均為120 cm×120 cm（縱向×環(huán)向），均為梅花形布置（下頁圖5）。以堵水為主時采用水泥-水玻璃雙液漿，C∶S=1∶（0.4～0.6）（體積比），水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35°Be′；以加固圍巖為主時采用純水泥。易變形部位（抬動部位）應安設變形監(jiān)測裝置，在灌漿施工全過程中進行實時監(jiān)控、連續(xù)觀測并記錄，變形值不得超過設計規(guī)定。

3.2 套襯加固

對裂縫較嚴重段落采用套襯加固，套襯按25 cm的C50鋼筋混凝土進行加固，作為比選方案。

3.3 二襯拆除重建加固

3.3.1 拆除作業(yè)前期準備工作

根據(jù)隧道病害情況標記二襯拆除長度。為了保證施工安全，在拆除二襯前采用Ⅰ20工字鋼設置背拱鋼架臨時支撐（圖6）。Ⅰ20b工字鋼縱向間距按50 cm設置。

3.3.2 圍巖加固

待臨時支撐施作完畢，設置長3.0 m的42 mm注漿小導管對圍巖進行加固處理。按一環(huán)錨桿一環(huán)注漿小導管交錯梅花形方式布置，間距為1.2 m。

3.3.3 二襯拆除

二襯拆除前，應按小段對工字鋼臨時支撐進行拆除，應遵循“施工哪一段，僅解除該段的臨時支撐”的方式，嚴禁大范圍同時拆除臨時支撐。二襯應按從拱頂?shù)竭厜Α纳系较碌捻樞虿鸪聪裙绊敗⒃俟把⒆詈筮厜Φ捻樞颍▓D7），每次拆除長度應≤6 m。為了減少對初支、圍巖及二襯的擾動，施工過程中慎重采用爆破的方式破除二襯。現(xiàn)場根據(jù)情況，在確保安全及專項施工方案評審后，可采取弱爆破分段拆除方案（圖8）。即采用密集炮孔及不連續(xù)間隔裝藥結構易使爆破區(qū)內(nèi)混凝土碎塊化，形成拱腰薄弱區(qū)和邊墻薄弱區(qū)，處于非爆區(qū)段的拱頂二襯混凝土憑借自重下墜，能夠安全快速地拆除二襯混凝土。

3.3.4 初支拆換

二襯拆除后對初支斷面進行掃描，確保初支未變形，當二襯斷面厚度＜30 cm時，需要拆換初支斜井，確保二襯厚度。

3.3.5 二襯重建

當連續(xù)拆除節(jié)段長度達到模筑二襯混凝土施工條件時，及時跟進二襯混凝土澆筑，使二襯結構體系及時封閉成環(huán)。為了盡可能縮短二襯與拆除工作面之間的距離，必要時應停止對拆除工作面的施工。待拆除后的二襯混凝土得以緊密貼合后，再開始進行拆除作業(yè)。預留預埋按原設計施工。

3.3.6 背后空洞注漿填充

二襯重建需預留回填注漿孔，二襯施工完成后，初支與二襯間通過注漿小導管回填密實，保證施工質(zhì)量。

3.3.7 健康監(jiān)測

二襯重建完成后，應建立運營期監(jiān)測系統(tǒng)，掌握隧道變形、受力狀況。施工工序詳見設計圖紙，工序根據(jù)現(xiàn)場實際情況可適當調(diào)整。

4 結語

本文依托瀘石高速公路杵坭左線隧道巖脈侵入接觸蝕變帶地層開裂案例，對巖脈地層的隧道開裂原因進行總結，并給出有效的處理措施，有以下結論：

（1）巖脈侵入造成的巖脈蝕變帶中的巖體完整性、連續(xù)性差，在巖脈的擠壓破壞作用下巖體破碎、裂隙發(fā)育，裂隙間為泥、砂質(zhì)充填，圍巖穩(wěn)定性差。受軟弱巖脈蝕變影響存在偏壓不均勻荷載，使得隧道極易在地震等動力作用下出現(xiàn)開裂等破壞。

（2）對于侵入巖脈蝕變帶隧道的開裂處治，總體的思路是主動型圍巖加固如圍巖注漿，提高圍巖自承能力，以及被動型圍巖加固如設置臨時鋼支撐和二襯重建，加強隧道抵抗變形的能力。在實際工程中應該根據(jù)災害的類型和程度，靈活選擇一種或多種措施。

（3）對處于地震烈度區(qū)的侵入巖脈蝕變帶地層隧道，因地震造成隧道側壓力增加，容易造成拱腳失穩(wěn)問題，無仰拱設計的二襯類型在侵入巖脈蝕變帶地層適應性不足，在實際工程中應該考慮采用有仰拱的二襯類型。

參考文獻

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