云屯堡隧道围岩大变形特征机理分析与对策措施研究

蒲吉见

(中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518054)

0 前 言

云屯堡隧道是成兰铁路重点控制性工程之一，位于镇江关-松潘区间，全长22.932 km，为目前国内最长的双线单洞铁路隧道，该隧道地处龙门山断裂带、西秦岭断裂带、岷江断裂带构成的“A”形断块中，靠近岷江断裂带。施工过程中，由于多段隧道出现严重大变形，通过开展隧址区域地质再认识，总结形成本隧道具有“四极三高五复杂”的显著特征[1]，即地形切割极为强裂，构造条件极为复杂活跃，岩性条件极为软弱破碎，汶川地震效应极为显著；高地壳应力，高地震裂度，高地质灾害风险；复杂的构造运动历史、复杂的构造形迹、复杂多变的复理岩建造、复杂的地应力环境、复杂的地下水条件。在施工过程中，除去常规的水地质灾害风险外，还出现围岩严重变形、支护破坏、渗水、局部坍方、大面积二次扩挖等次生地质灾害，因此，对隧址区域地质的特殊性开展再认识，对变形机理进行了研究，根据研究成果制定了控制大变形的具体措施，并在试验段开展专项设计。

1 施工过程中出现围岩变形导致工程危害分类

1.1 云屯堡隧道围岩变形破坏分布及特点

自开工至2016年7月，陆续出现多处围岩严重变形，支护及衬砌破坏现象。现场调查发现，围岩变形破坏主要分布在拱顶、拱腰及两侧边墙，局部大变形严重洞段有底板鼓起等变形破坏迹象，变形破坏集中发生在1标3#、4#横洞施工工点。具体位于3#横洞工作区正洞的D5K218+790～D5K218+860段、4#横洞工区救援站D5K222+356～D5K222+550段、4#横洞及其与救援站平导交叉口段、4#横洞HD4K0+175～HD4K0+004段，变形破坏形式表现为掌子面围岩崩解坍塌、初支混凝土剥落掉块、钢拱架变形、底板隆起开裂、二衬开裂等多种变形破坏方式，其工程危害形式如下。

(1)掌子面围岩崩解坍塌

掌子面开挖卸载后，在地应力作用下千枚岩层出现崩解溜坍现象，坍塌现象。

(2)混凝土喷护层剥落掉块钢架变形

由于围岩变形荷载较大，直接作用于钢拱架和喷混凝土层，导致钢拱架产生变形、扭曲，喷射混凝土产生开裂剥落掉块。

(3)衬砌开裂破坏

4#横洞与隧道交差连接段、小里程方向渗漏水段，出现严重大变形，导致衬砌开裂破坏。

(4)底板隆起、开裂

4#横洞左侧平导与横洞交叉口小里程方向进口附近，长约60 m范围，救援站平道底板隆起、开裂、渗水。

1.2 破坏类型及原因分析

对云屯堡隧道的变形破坏迹象分析，其变形破坏类型可归纳为塑性挤出、膨胀内鼓、弯折内鼓以及碎裂松动等几种破坏类型[2]。

(1)塑性挤出型

此类变形破坏在整座隧道中所占比例最大，尤其以4#横洞工区横洞HD4K0+004～HD4K0+040、正洞D5K222+375～D5K222+528、救援站PD1K222+232～PD1K222+659.5最为突出。导致出现围岩严重大变形的原因，除地应力高，岩体破碎外，主要是该段地层围岩千枚岩和炭质千枚岩的含量较高；另一方面是由于隧顶低于大姓沟底，裂隙水丰富且渗水流量大，导致破碎的千枚岩软化，岩体强度降低，围岩在应力的作用下向洞室开挖临空面产生塑性挤出，且持续变形时间较长。其次，由于现场严格按照安全步距管理，导致衬砌施工时，围岩变形并未收敛。

(2)膨胀内鼓型

围岩变形导致喷射混凝土开裂，型钢拱架内鼓破坏现象，主要出现在4#横洞小里程方向D5K222+375～D5K222+400附近，4#横洞HD4K0+004～HD4K0+040段。分析本段围岩出现中等变形的原因，经岩石取样采用X射线衍射图谱研究，各取样点千枚岩含有一定量的伊利石类矿物，此类矿物虽然远不如蒙脱石膨胀性强，但围岩裂隙若出现渗漏水，亦会出现一定的变形，当预留变形量不足时，会导致喷射混凝土开裂，型钢拱架变形。

(3)弯折内鼓型

围岩变形导致混凝土开裂，钢筋扭曲变形、断裂破坏现象，主要出现在DK218+820附近。分析本段围岩出现中等变形的原因，通过选取岩样做声发射推测的构造地应力为14.8 MPa，采用区域地质反演分析，其构造地应力为12.6 MPa，分析围岩岩性为砂岩千枚岩复层，千枚岩只占到12%，由此推测，在洞室开挖形成后，由于围岩卸荷回弹和应力集中使洞壁处的切向压力超过薄层状岩层的抗弯折强度，从而引起围岩的弯折内鼓。

(4)碎裂松动型

围压变形导致具备出现喷射混凝土开裂掉块，主要出现DK218+825～DK218+868段，分析其变形原因，除地应力较高外，隧道洞室穿越地层构造复杂，褶皱发育，揉皱挤压剧烈，导致岩体本身松散，自稳能力有限。当碎裂状岩体开挖后，岩块沿结构面滑移并形成松动圈，导致局部围岩崩解坍塌。

2 工程地质与水文地质再认识

2.1 地层岩性

通过区域地质调查，结合设计钻探，现场物探，岩样测试等技术手段，确定本隧道均为三叠系地层，其中1、2横洞工区为杂谷脑组砂岩、板岩、千枚岩、砂板岩与千枚岩互层；3～7横洞工区为新都桥组和侏倭组千枚岩、砂岩地层，千枚岩与砂岩互层，千枚岩占比变化频繁，岩质软。

2.2 地质构造

隧道位于南北向岷江活动断裂带东侧、东西向摩天岭构造带西侧、东北西南向龙门山断裂带北侧区域。地处岷江活动断裂带被动盘上，基本与之平行，相距0.5～3.5 km，附近发育雪山、虎牙活动断裂。洞身穿越1条断层，17条褶皱，震区加速度0.3 g。

2.3 水文地质

地表水主要为岷江水系，隧道布线于岷江与大姓构之间，大姓沟长约50 km，至3#横洞以后，隧道拱部低于大姓沟底。地下水为基岩裂隙水、构造裂隙水，构造、褶皱核部地下水发育，估计涌水量50 000 m3/d，预测对3#、4#横洞工区，4#横洞工区洞内救援站施工影响较大。

2.4 围岩分级

围岩分级以地质调查、地层岩性、钻探资料、物探成果为依据，同时结合隧道埋深和地形、构造、地下水分布情况调整，最终确定的具体分级情况及段落划分如下。见表1。

表1 现场核定的围岩等级表

2.5 地应力

在初步设计阶段，未测试隧止构造地应力，施工期间在5、6横之间开展一次深孔钻探和地应力试验，测得最大水平主应力15 MPa，最小水平主应力10 MPa，并选取代表性岩块，在室内开展声发射试验测定初始地应力，经综合分析，推测最大构造主应力约为12 MPa，大致呈东西向。

3 围岩变形预测与设计对策

隧道围岩变形等级与地应力、岩体强度、地质构造影响程度、地下水发育特征、围岩分级、岩石膨胀性等有关，在预测其变形等级时还需结合云屯堡隧道具体情况，周边类似工程情况综合考虑。

3.1 软岩大变形分级

(1)根据围岩强度与地应力比值大小，将软岩大变形分为轻微、中等及严重三个等级，查阅相关文献，其提供的划分标准见表2[3]。

表2 大变形分级标准表

(2)围岩强度采用岩石单轴饱和抗压强度推测，查阅有关文献，其提供的换算系数见表3[4，5]。

表3 地质构造对岩体强度影响程度表

3.2 变形预测

通过对隧道地质、水纹条件的再认识，云屯堡隧道在施工期间出现多段围岩大变形，是由隧道复杂的地质构造、较高的地应力、特殊的地层岩性、地下水综合作用导致。据此预测正洞发生大变形概率较高的洞段段长2 040 m，其中中等变形洞段计8段共1 640 m，轻微变形洞段计4段共400 m，占全隧的18%，可能发生大变形洞段计26段长7 012 m，占全隧63%。正洞可能变形及大变形段全长9 052 m，占管段隧道总长的81%，多位于背、向斜核部、千枚岩占比较大的砂岩、千枚岩互层。而原施工设计图确定的可能发生大变形洞长不足5 000 m，对该隧道的地质特性认识不足。

4 设计原则与设计措施

4.1 设计原则

基于施工工程中出现的大变形工程危害类型，在对隧道地质特殊性再认识的基础上，制定设计原则如下。

(1)无变成长隧段

按双线无砟道床一般复合式衬砌设计，考虑0.3 g震区，IV级围岩采用钢筋混凝土结构。

(2)大变形段设计

①重新确定大变形洞段，隧道衬砌、支护、大变形的监测不再采用施工图施工，均采用预设计方案，并根据实际揭示的地质情况进行动态调整，按照先试验后推广的原则进行施工。

②原施工图确定的大变形段暂按新确定的大变形洞段施工措施予以调整。

③对可能发生大变形的段落，按相应围岩等级一般衬砌结构进行设计，如发生大变形，根据变形等级进行相应处理。

4.2 具体对策措施

(1)变形控制对策

通过对隧道支护、衬砌的破坏调查、分析，在对隧道特殊地质、构造环境再认识的基础上，通过多次专家论证后，提出的围岩变形段隧道施工对策措施如下。

①进一步开展隧区围岩地质详勘和再分析，增加区域地质构造应力测试点。

②根据详勘地质分析资料，组织召开专家论证会，重新核对围岩变形等级。

③根据变形等级对支护形式与参数，洞型及钢筋混凝土结构进行专门设计。

④根据现场开挖揭示的地层岩性及地质构造情况，确定不同变形等级先导试验段，验证设计方案与施工工艺适应性，各变形等级的试验段长不少于30 m。

⑤开展施工期间围岩变形与支护和衬砌的内力监测，分析监测数据，指导施工和优化支护设计。

(2)具体设计措施

与原施工图设计相比较，试验段专门设计增加了预留变形量，在边墙及拱部设置中空锚杆，严重大变形在拱部设树脂锚杆，加大了全环型钢拱架型号，减小间距，衬砌主筋变更加粗至Φ22，严重大变形段仰拱加深，衬砌加厚至55 cm。

①轻微变形设计措施

轻微变形段隧道支护、衬砌的具体设计参数见表4。

表4 轻微变形试验段支护、衬砌参数表

②中等变形设计措施

中等变变形段隧道支护、衬砌的具体设计参数见表5。

表5 中等变形试验段支护、衬砌参数表

③严重变形设计措施

严重变形段隧道支护、衬砌的具体设计参数见表6。

表6 严重变形试验段支护、衬砌参数表

5 实施效果

自2016年8月按大变形专项设计方案开展先导试验段以来，除4#横洞小里程方向出现较大涌水，工作面出现坍方外，只有严重变形段的变形预留量进行了调整，试验段专项设计基本可行，未出现支护破坏侵空，衬砌结构开裂现象，检测数据显示，结构处于安全状态，试验段成果在全隧道推广施工。

6 结束语

通过本项目的实践与研究，软岩大变形隧道的建设关键是控制围岩变形，在高地应力环境，软弱围岩的变形是长期的，其变形控制研究自项目立项至运营维护，全过程均有必要开展研究、试验、检测、分析与安全评估。从本项目施工阶段取得的研究成果分析，控制变形的关键技术是采用锚固主动防护，加上强度、刚度足够的双层支护，优化洞形，增加衬砌厚度，在目前的管理体制下，是行之有效的。