毛羽山隧道软岩大变形特征及原因分析_廖俊

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毛羽山隧道大变形破坏特征
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工程概况
1 ） 变形量大。 隧道开挖后围岩变形严重， 设计预 ， 留变形量明显不够 多次因变形量过大侵限导致拆换 拱。且隧道边墙两侧多次呈现出变形不对称情况 ， 一 侧变形量偏大导致预留变形量不够出现侵限 ， 致使换 拱， 隧道两侧轮廓破坏严重。 以 DK285 + 141 断面为 例（ 图 1 ） ， 根据监控量测数据分析， 该断面水平收敛变 形量达 700 mm， 拱顶下沉达 500 mm， 左右两侧边墙变 形不对称， 右侧出现侵限， 左侧变形在预留变形量以 内。该断面具有变形速率快和持续时间长的特点 ， 在 给施工造成极大安 长达 70 d 之后变形依然未能稳定， 全隐患。 2 ） 变形速率快。 隧道开挖后应力重分布及卸荷 较猛， 初期变形量大、 变形速率快， 在初期支护尚未闭 合以前已侵限。 3 ） 持续时间长。 大变形段围岩持续变形时间长， 在初期支护完成以后变形并未停止， 而是等速变形发 展， 收敛难以稳定， 局部段落二衬开裂， 反映了围岩的 典型流变特性。 4 ） 变形的重复性。 毛羽山隧道局部地段因大变 形造成侵限， 进行拆换拱。 在拆换拱结束后对断面进
随着国民经济的发展， 隧道工程日益增多， 隧道地 质灾害趋于复杂。在各类地质灾害中， 隧道围岩大变 形是一类容易造成施工困难、 毁坏施工设备、 延误工 ［1-2 ］ 。 兰渝线毛羽 期、 增加工程成本的严重地质灾害 山隧道自开工以来， 由于围岩大变形多次造成拆换拱 、 ［3-5 ］ 。 本文以毛羽 钢架扭曲、 塌方及延误工期等问题 山隧道为例， 系统全面地对复杂地质条件下隧道软岩 大变形的特征及影响因素进行分析， 以期为类似隧道 设计施工提供参考依据。
收稿日期： 2013-01-10 ； 修回日期： 2013-04-25 作者简介： 廖俊（ 1983 — ） ， 男， 湖北钟祥人， 工程师， 硕士。
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道
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August， 2013
图1
DK285 + 141 断面监控量测变形状况
图2
DK285 + 132 断面换拱前后变形随时间变化曲线
2013 年第 8 期
铁 道 建 筑 Ｒailway Engineering
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文章编号： 1003-1995 ( 2013 ) 08-0079-03
毛羽山隧道软岩大变形特征及原因分析
廖 俊
（ 中铁第一勘察设计院集团有限公司 地质路基处地质三所， 陕西 西安 710043 ）
摘要： 兰渝铁路毛羽山隧道穿越三叠系薄层状板岩地 层， 且 位 于 极 高 应 力 区， 隧 道 施 工 中 容 易 发 生 严重 大变形。对毛羽山隧道围岩大变形的实例研究发现， 大变形主要受岩性、 地应力、 地下水、 岩体结构面的 空间组合和施工时间五种因素的影响， 尤其是岩性。该 隧 道 围 岩为板岩， 板岩的 低 力 学 性能、 遇水易软 、 、 。 化 弱膨胀性 流变性及易扰动等特点使之易发生大 变 形 岩性是 大 变 形 发 生 的主要 影响 因 素， 其它因 素很少单独作用导致大变形发生。 关键词： 毛羽山隧道 软岩 大变形 中图分类号： U456. 3 1
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毛羽山隧道大变形原因分析
通过对毛羽山隧道围岩大变形的实例研究 ， 发现
大变形主要受岩性、 地应力、 地下水等多种因素的影 响， 尤其是岩性， 表现出明显的特殊性， 几乎是所有大 其它要素很少单独作用导 变形事件的主要影响因素， 致大变形发生。 1 ） 岩性的影响 毛羽山隧道发生大变形的地段岩性为三叠系板 部分地段夹薄层炭质 板 岩。 根 据 X 衍 射 试 验 结 岩，
果， 毛羽山隧道板岩含大量亲水性矿物 ， 由于亲水性矿 物晶胞与晶胞之间结合不够紧密， 可以吸收无定量的 造成结构格架活动性大， 亲水性强。 通过吸 水分子， 水， 使体积大大膨胀， 甚至使相邻晶胞失去链接力， 在 地下水的影响下极易发生变形。地下水不发育地段在 施工开挖后， 由于地应力的重分布， 造成一定的卸荷回 密闭结构面微张， 为地下水缓慢渗移提供了通道。 弹， 这也是隧道在开挖并完成初期支护后变形一直持续发 展的一个重要原因。 根据毛羽山隧道围岩剪切试验， 板岩内摩擦角 c 为 15. 1ʎ ， 黏聚力 为 0. 04 MPa。在现场施工过程中， 进行了超前小导管注浆， 使 c， 值增加， 提高了围岩的 自稳能力， 减小围岩的塑性范围， 延缓了岩体塑性状态 出现的时间。 毛羽山隧道围岩受构造作用影响， 岩体较破碎。 但因毛羽山隧道受多次、 多期构造作用的影响围岩被 挤压密实， 岩体纵波波速仍达 3 970 4 060 m / s， 加固 浆液不易渗入， 浆液扩散半径小， 只在注浆孔附近形成 固结， 周围岩体并未得到有效固结。 在隧道围岩开挖 由于围岩抗剪能力差， 加之结构面发育， 就会 暴露后， 松散膨胀， 发生塑性变形， 诱发大变形的发生。 毛羽山隧道泥质板岩及钙质板岩交错， 力学性质
毛羽山隧道全长 8 503 m， 为双线隧道。隧道位于 西秦岭高中山区， 山高沟深， 山坡、 谷坡较陡， 植被覆盖 较差， 隧道最大埋深为 700 m。 隧道洞身通过的地层 主要为三叠系板岩、 板岩夹灰岩， 局部夹炭质板岩。隧 道受构造作用影响， 褶皱断裂发育， 地质构造十分复 杂， 节理裂隙、 褶皱发育， 岩体较破碎， 且处于极高地应 工程地质条件较差。 力区， 根据前期勘测及开挖揭示验证， 毛羽山隧道板岩 为薄层 状， 矿 物 成 分 为 石 英 （ 44% 74% ） 、 伊利石 17% ） 、 绿 泥 石 （ 0 20% ） 、 高 岭 石 （ 4% 12% ） 、 方解石 （ 5% 23% ） 、 铁白云石 （ 5% 14% ） 、 （ 1% 7% ） 、 （ 0 1% ） 、 菱铁矿 赤铁矿 斜长石 （ 2% 8% ） 、 钾长石（ 0 2% ） 等。局部变质程度较深岩石中 绢云母含量高达 30% 。板岩含膨胀性及黏土性矿物，
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变形原因 文献标识码： A DOI: 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2013． 08． 25 泥质板岩单轴饱和抗压强度 5. 63 17. 7 MPa、 钙质板 岩单轴饱和抗压强度 22. 7 36. 3 MPa。 板岩结构松 散、 结构面发育、 层间结合力差， 具有典型的软岩特征。 毛羽山隧道位于极高应力区， 隧道未开挖之前处 于极高地应力和高围压环境。隧道围岩具有典型的软 岩特征， 因此在隧道开挖后极易发生大变形 。
一段时间后才开始显现， 主要是因为板岩的流变性质 及时间的增长加剧了围岩的弱化过程， 使围岩变形增 加、 塑性或松动区扩大。同时随着时间的增长， 地下水 的缓慢作用亦造成板岩软化及抗剪强度降低 。 根据兰渝线等其他隧道变形控制的经验， 在隧道 掘进过程中， 围岩的变形自掌子面前方 1. 5 2. 0 倍洞 径处即己开始。当隧道快速掘进时， 循环时间较短， 隧 道开挖后立即施工临时支护结构， 这样隧道围岩时间 效应影响较小， 在软岩隧道变形的初始阶段就提供了 支护力， 防止了围岩形成较大的塑性区和松动区 ， 增强 了围岩的自稳能力。 当隧道慢速掘进时， 围岩时间效 ， ， 应明显 围岩变形充分 变形的塑性体在无支护作用 下， 进入破裂阶段， 形成松动体， 对支护结构形成较大 的荷载压力。而毛羽山隧道自开工以来， 进度一直较 慢， 尤其在毛羽山隧道所处的工程地质环境下 ， 高地应 力条件下的板岩具有明显的蠕变性质， 隧道掘进速度 的快慢， 往往直接影响围岩的稳定性。掘进速度太慢， 掌子面前方的岩体在掘进前即进入了松弛破坏阶段 ， 围岩甚至随挖随塌。 同时， 由于掌子面后方围岩开挖 进度的影响， 往往多次出现初期支护侵限， 在处理后方 大变形的过程中， 前方围岩由于长时间的暴露风化及 其他多种因素的影响， 围岩的自稳能力极差， 造成一种 恶性循环。因此施工及时间因素也是毛羽山隧道大变 形的重要因素之一。
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俊： 毛羽山隧道软岩大变形特征及原因分析
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差距较大， 是导致大变形不对称的主要原因 。因此， 毛 羽山隧道围岩的特殊性是造成大变形的主要因素 。 2 ） 地应力的影响 软岩隧道的失稳是由于隧 根据国内外多年研究， 道开挖引起的应力重分布超过围岩强度而导致围岩过 分变形造成的， 地应力是影响地下洞室围岩稳定的基 本因素之一。毛羽山隧道受多期、 多次构造作用影响， 地应力分布复杂。根据测试结果， 洞身段最大水平主 应力 值 为 21. 28 MPa， 最 小 水 平 主 应 力 值 为 12. 14 MPa， 为极高地应力区， 极易发生围岩的塑性流变。 同 时在隧道开挖后， 应力重分布过程中， 径向应力减小， ， 切向应力增大 在洞壁附近形成应力集中。 围岩发生 变形破坏， 作用在支护结构上的荷载逐渐增大 ， 尤其在 地下水发育地段， 板岩遇水软化， 进一步降低岩体的强 度， 导致支护结构的严重变形及破坏 ， 因此地应力是毛 羽山隧道发生大变形的力学原因 。 3 ） 地下水的影响 地下水的存在和活动也是影响隧道围岩稳定的重 要因素， 毛羽山隧道在地下水发育地段， 变形速率及变 形量很大， 在地下水不发育地段， 围岩的大变形往往滞 后 5 7 d 左右。 这是因为隧道开挖在应力重分布及 卸荷作用下， 密闭结构面微张， 地下水缓慢向开挖临空 面渗流， 引起地下水渗流场的改变。 地下水向松动圈 附近汇流， 同时在洞周产生渗透压力并导致结构面中 的有效压应力减小， 致使应力状态恶化， 抗剪强度减 小。因此地下水的活动不仅大大降低围岩的抗压强度 同时降低了结构面的摩擦系数和黏聚力 ， 和抗剪强度， 加剧了围岩的破坏和变形。毛羽山隧道的大变形与地 下水的活动有密切的关系。 4 ） 结构面空间组合的影响 毛羽山隧道刚开挖时， 岩体强度还能稳定一段时 间。但是开挖扰动后在应力的重分布、 卸荷作用及掌 子面爆破振动的共同作用下， 岩块沿结构面剪切滑动， 同时隐含裂隙扩展直至解体， 从而导致外观上突发式 岩层走向与隧道轴向小 的大变形。尤其当岩体破碎、 角度相交时， 变形破坏更严重； 当岩层走向与隧道轴向 大角度相交时， 变形较前者稍好。 其原因主要为变形 受结构面的影响而呈现各向异性的特征 。根据现场掌 毛 羽 山 隧 道 岩 层 产 状 为 NW31ʎ 60ʎ / 子面的素 描， N60ʎ 89ʎ ， 岩层走向与隧道轴线夹角 7ʎ 36ʎ ， 且板 理及节理发育。不利的结构面组合是发生大变形的因 素之一。 5 ） 施工及时间因素的影响 毛羽山隧道部分地段的围岩失稳和破坏往往经过
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结论
根据对现场变性特征的分析， 毛羽山隧道围岩大 变形主要受岩性、 地应力、 地下水、 岩体结构面的空间 组合及施工时间五种因素影响， 其中起决定性作用的 是隧道处于高地应力区及板岩这一特殊的岩性 。
参 考 文 献
［ 1］ J］ ．煤 罗学东， 陈建平． 火车岭隧道围岩大变形问题及治理［ 2006 （ 4 ） ： 49-53． 田地质与勘探， ［ 2］ 罗学东， 陈建平， 左昌群， 等． 大断裂区域片岩地层巷道围岩 J］ ． 黄金， 2006 （ 2 ） ： 21-23． 大变形类型与机理研究［ ［ 3］ 张文强， 王庆林， 李建伟， 等． 木寨岭隧道大变形控制技术 ［ J］ ． 隧道建设， 2010 （ 4 ） ： 157-16l． ［ 4］ 张文新， 孙韶峰， 刘虹． 木寨岭隧道高地应力软岩大变形施 J］ ． 现代隧道技术， 2011 （ 2 ） ： 78-82． 工技术［ ［ 5］ 唐林， 李天斌， 何勇， 等． 杜家山隧道大变形成因机制研究 ［ J］ ． 铁道建筑， 2012 （ 5 ） ： 44-46．
行监测， 水平收敛及拱顶下沉依然很大， 采取相应加固 最终仍然侵限， 被迫进 措施后变形依然持续加速发展， 行二次拆换拱。 以 DK285 + 132 断面为例 （ 图 2 ） ， 该 断面初期支护完成后历经 2 个月的变形， 初始阶段变 形较快， 随后变形一直缓慢发展， 水平收敛变形量达 550 mm， 拱顶下沉达 350 mm， 最终造成初期支护钢架 在 40 d 时间内水平收 扭曲及混凝土掉块。拆换拱后， 敛变形量依然达 250 mm， 拱顶下沉达 100 mm， 且水平 发展速率约 10 mm / d， 收敛变形量在后期呈加速发展， 安全隐患极大， 在采取相应加固处理措施后最终依然 侵限。