木寨岭隧道板岩变形机理研究

张 波

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

兰渝铁路沿线软岩分布较广，主要为二叠系、三叠系板岩及志留系千枚岩。软岩在世界上分布非常广泛，泥岩与页岩占地球表面所有岩石的50%左右［1］。软岩变形是一个复杂的过程，不仅受渗透压力、水动力的影响［2-3］，而且微观结构也是造成软岩变形的一个内在原因，软岩的软化基本是在水—岩之间复杂的化学和力学耦合作用下发生的［4］。最早有关软岩的研究主要是针对煤炭巷道软岩支护问题进行的，逐渐形成了一系列有影响的理论和技术，如新奥法理论、松动圈理论、联合支护理论等，这些理论与技术解决了大量软岩支护问题。但对板岩、页岩等软岩的微观结构、变形机理、岩体分级及围岩支护措施等研究起步较晚，随着地下工程建设中围岩变形较大且不易治理问题的不断出现才逐渐被认识到并开展相应研究［5-7］。

兰渝铁路木寨岭隧道全长19 025 m，隧道洞身最大埋深约600 m，最小埋深约40 m，洞身段板岩及炭质板岩段合计长度8 850 m，占隧道全长46.52%，隧道穿越断层破碎带总计11条，合计长度4 500 m，占隧道全长23.65%。木寨岭隧道受复杂地质条件的作用，洞身变形严重，严重影响施工。因此，针对兰渝线软岩工程特性及变形机理进行研究具有重要意义。

1 工程概况

木寨岭隧道(DK173+350—DK192+370)地处西秦岭中山区，地面高程为2 390～3 214 m，自然坡度＞50°，沟谷深切成“V”字形。隧道进口位于彰县大草滩乡，出口位于岷县梅川镇，为双洞单线分离式特长隧道，左线全长19 020 m，右线全长19 080 m，线间距22.5～50.0 m，是兰渝线仅次于西秦岭隧道的第二长隧道，共设8座斜井辅助施工。

木寨岭隧道所处的秦岭造山带经历了多期构造运动以及长期的发展演化，内部组成与构造变形十分复杂，区域内断层及褶皱发育，应力场以构造应力为主，且浅层水平应力远大于垂直应力。木寨岭隧道全部处于大草滩复背斜的南翼，主要经过美武—新寺区域断裂带F2，走向N43°～70°W，断层面以北倾为主，倾角30°～74°，发育有断层角砾、压碎岩，断裂带中有石英岩脉充填。该段发育的次级断层有f10～f16，这些断裂大多数被第四系残、坡积地层覆盖。隧道洞身主要经过二叠系下统软质岩地层，岩性主要为板岩、炭质板岩(图1)。

图1 木寨岭隧道区域地质

隧道实际开挖地层以二叠系下统板岩为主，局部为炭质板岩，同勘察结果基本相符。岩体节理较发育，围岩较破碎，局部受构造活动影响较严重，可见揉皱现象以及层间挤压破碎带，含泥化夹层，产状陡倾或近于直立，以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主。

2 隧道围岩变形特征

木寨岭隧道板岩段最初开挖的斜井首先遇到了变形问题。斜井施工过程中板岩段先后出现不同程度的大变形，多数围岩变形以水平收敛为主，现场测的变形速率39～682 mm/d，最大变形量达1 320 mm，具有变形快、变形速率大的特点。变形处喷射混凝土开裂，初期支护表面出现环、纵向裂缝，支护内鼓，拱架开裂、扭曲，严重影响施工，造成隧道斜井拆换拱达1 011 m。隧道施工初期按照设计支护参数支护，围岩总体变形较小，初支稳定。但随着掘进的逐步深入，开挖揭示的薄层炭质板岩夹层逐渐增多，且含泥化夹层，围岩自稳能力逐渐降低，初支变形情况逐渐严重，边墙出现细小裂缝，局部边墙外鼓，收敛变形由最初的24 mm增大到186 mm，平均变形随着隧道的掘进逐步增加。

当施工开挖至正洞以后，正洞变形与斜井类似，仍以水平收敛为主，但较斜井变形速率小，变形速率28.8～76.0 mm/d，最大变形量952 mm，累计拆换拱576 m。横通道施工因岩层走向平行洞轴线，加之局部应力集中，发生较大变形，持续时间长，二衬出现开裂。

3 隧道围岩变形原因分析

1)岩体特征

兰渝铁路木寨岭隧道主要通过二叠系下统地层，属于低级区域变质作用的产物。岩性主要为板岩夹炭质板岩，以薄层状构造为主，岩质较软，炭质板岩多呈微薄层状，岩质极软，总体软硬不均，岩性、层厚变化频繁。节理裂隙较发育，岩体较破碎，局部受构造影响呈重揉皱小构造，含泥化夹层及层间挤压破碎带。板岩矿物成分中绿泥石、伊利石、高岭石等软质矿物含量达23% ～35%。其均属亲水性矿物，水理性质差，遇水易软化或产生崩解，力学性质差(表1)。岩性是大变形的主要原因之一。

表1 板岩物理力学特性

2)构造特征

隧道位于秦岭—昆仑纬向构造体系，后期被祁吕贺兰山字型构造体系改造、复合、归并，并在茶固滩一带又被茶固滩帚状构造体系改造，由于多期次构造作用复合叠加，形成了形态各异极其复杂的褶曲与断层构造。隧道整体位于美武—新寺区域断裂带F2与合作—岷县断裂带F3之间，区内断裂构造发育，隧道累计穿越1个区域断层，10个次一级断层及6个褶曲构造，受构造影响岩体完整性较差。

3)应力特征

木寨岭隧道布置两个应力测孔并采用水压致裂法测试地应力情况。1#孔位于DK179+088左138 m，深330 m，在1#孔295，315 m分别进行了地应力测试，测得地应力方向 N34°E，最大水平主应力 SH分别为24.95，27.16 MPa。2#孔位于 DK188+270 左 8 m，深353 m，在2#孔272～343 m段测得最大水平主应力SH为6.77～10.47 MPa，最大水平主应力方向为N29°E～N39°E。现场地应力测试结果显示，木寨岭隧道所在区域最大水平主应力SH、最小水平主应力Sh及垂直应力 Sv的关系为 SH＞Sh＞Sv，局部 SH＞Sv＞Sh，该区具有较为明显的水平构造应力，以水平主应力作用为主。

根据《工程岩体分级标准》(GB/50218—94)，通过比较岩石饱和抗压强度Rc与最大水平主应力SH的比值可以确定隧道洞身应力状态。

Rc/SH＜4为极高应力

4＜Rc/SH＜7为高应力

Rc/SH＞7为低应力

试验测得木寨岭隧道板岩饱和抗压强度Rc为10.48 ～12.56 MPa，计算 Rc/SH为0.39 ～1.86，因此木寨岭隧道洞身处于极高地应力状态。洞身测试点地应力数值变化幅度较大，反应了该区域有构造或残余应力集中现象，且空间分布复杂多变。极高地应力是软岩大变形的主要原因之一。

4 变形控制措施

1)调整型钢型号

现场施工中一般首先选择调整型钢型号以满足变形控制要求。隧道施工至XD4+69—XD3+45段，由于水量增大，导致围岩条件恶化，变形及初支破坏情况加重。变形破坏主要体现在拱架扭曲严重，混凝土剥落开裂，拱顶混凝土掉块。监测结果显示XD3+50处变形达到494.29 mm，变形严重段占整段长度84%。在XD4+69—XD3+45段调整使用I20型钢加强支护。虽然采用了措施，由于围岩以压碎岩为主，岩质极软，加之水发育，总体变形控制效果不好，大部分地段增设套拱后变形才得以稳定。同时，考虑到I20b钢架扭曲现象严重，因此，经现场研究确定自XD3+45后采用抗扭能力更强的H150型钢。

经调整支护参数，斜井的收敛变形量得到了有效减小。因此，进入正洞施工阶段，对变形段均加强支护。其中DyK187+895—DyK187+715为支洞和正洞相交段落，借鉴斜井控制变形经验对初支首先采用H150型钢，但由于该段净空面大，采用H150型钢后仍不能有效控制变形，最后调整为采用H175型钢支护，间距0.8～1.0 m，喷射33 cm厚C30早强混凝土，设φ22双层连接筋、φ8双层钢筋网。2011年监测结果显示，隧道变形仍以水平收敛为主，除局部地段因受结构及地下水等因素影响变形＞350 mm外，大部分变形量在150 mm以内(图2)。变形发展相对较为平缓，基本杜绝了突变，总体变形可控。

图2 木寨岭隧道右线DyK187+895累计变形历时曲线

2)增设套拱

施工过程中，对现场局部段落采用增设套拱方式控制变形。XD7+91—XD7+89段于2009年7月6日开挖，初支采用I20型钢支护，但效果不佳，初支完成后变形量仍不断增大，因此增设套拱，于7月13日在原支护基础上又增设3榀I18型钢支护。增设套拱后尽管使变形得到了一定的控制，但整体变形量依然偏大，达到了300 mm(图3);同时，由于隧道开挖时没有考虑超挖以预留变形量，加之两层初支的布设增大了初支厚度，导致无法按设计布设二衬。因此，采用套拱的支护方式时应预先考虑超挖，如果没有考虑超挖，应采用调整型钢型号的支护措施。

图3 大战沟斜井XD7+90累计变形历时曲线

3)超前导洞和超前大钻孔

大战沟斜井实际施工中上半断面尝试采用超前导洞和超前大钻孔两种措施先期释放应力以减小围岩变形。XD6+90—XD6+75段超前导洞从2009年9月8日开始，到9月11日结束;XD7+25—XD7+10段超前大钻孔从2009年7月25日开始，到7月30日结束，超前距离均为15 m。

由于开挖面围岩破碎，自稳能力差，导洞开挖后成型较差，超前钻孔也出现塌孔现象。这两种措施对减小围岩变形有一定作用，但受软弱围岩和施工场地条件的限制，可行性较差。

5 结束语

1)兰渝铁路木寨岭隧道主要通过二叠系下统板岩、炭质板岩地层。该岩层属于低级区域变质作用的产物，含绿泥石、伊利石、高岭石等软质黏土矿物23%～35%，具有岩质软、遇水软化、力学性质差等特点。

2)隧道所在区域由于多期次构造作用的复合叠加，形成了形态各异极其复杂的褶曲与断层构造，隧道穿越断层破碎带总计11条，具有构造复杂、岩体较破碎的特点。

3)木寨岭隧道实测最大水平主应力 SH值为6.77～27.16 MPa，计算 Rc/SH为0.39～1.86，处于极高地应力状态。

4)超前导洞和超前大钻孔两种提前释放应力措施对减小围岩变形有一定作用，但受软弱围岩和施工场地条件的限制，可行性较差。采用调整型钢型号及增设套拱的方法能起到控制变形的作用。

［1］廖红建，蒲武川，殷建华.软岩的应变速率效应研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(18):3218-3223.

［2］汤连生，周翠英.渗透与水化学作用之受力岩体的破坏机理［J］.中山大学学报:自然科学版，1996，35(6):95-100.

［3］何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学［M］.北京:科学出版社，2002.

［4］何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程地质力学研究进展［J］.工程地质学报，2000，8(1):46-63.

［5］刘高，张帆宇，李新召，等.木寨岭隧道大变形特征及机理分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(增2):5521-5526.

［6］付迎春.胡麻岭隧道大变形力学行为及控制技术研究［J］.铁道建筑，2011(5):56-59.

［7］甄秉国.兰渝线桃树坪隧道区域上第三系砂岩工程特性分析［J］.铁道建筑，2013(5):55-57.