云母片岩隧道围岩大变形分析研究

胡永占

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室 陕西西安 710043)

1 引言

随着铁路建设的快速发展，隧道工程的比重不断加大，云母片岩隧道围岩大变形已严重影响了隧道施工安全和进度，因此对云母片岩围大变形的分析研究成为隧道建设中的重要课题[1]，有着重大的现实意义和指导价值。

宝兰高铁杨家庄隧道全长8 096 m，洞身围岩以云母片岩为主，岩质软稳定性差、施工初期变形大，安全风险极高，出现了围岩大变形问题。本文通过对云母片岩结构特性、矿物成分、抗压强度和水理特性等工程特性的介绍，对隧道围岩大变形特征及变形因素进行分析研究。

2 杨家庄隧道地质概况

2.1 地形地貌

杨家庄隧道位于天水市秦安县境内，穿越葫芦河峡谷区左岸黄土长梁。区内地形起伏较大，黄土在流水侵蚀作用下主沟多切割至基岩，河谷两岸黄土沿土石界面形成的滑坡发育。

2.2 地层岩性

隧道洞口及地表为第四系上-中更新统风积黄土所覆盖，洞身地层为新近系泥岩、震旦系云母片岩及断层破碎带等。云母片岩呈灰黑色、片理发育、具薄片状结合差等特性，围岩大变形段落均集中在云母片岩地段。

2.3 地质构造及地震

隧道区域地质构造为六盘山帚状构造与陇西黄土高原过渡段，为震旦纪变质岩组成第三纪天礼盆地北缘，区内构造运动活跃，压扭性黄家大沟断层与隧道洞身大角度相交。隧道位于北西向展布的天水-兰州地震带中部，该地震带具有地震活动频率高，强度大的特点，见图1。

图1 杨家庄隧道地质构造及地震分布

2.4 水文地质

隧道区内黄土梁间冲沟发育，黄土主沟下切至基岩，沟谷内沿土石界面有下降泉汇集成流水；基岩裂隙水较发育但分布不均匀，地下水沿基岩风化层及节理裂隙向深部渗流。

3 云母片岩的工程特性

隧道洞身主要地层为云母片岩，根据地质调查结合试验成果对云母片岩的结构构造、矿物成分、抗压强度和水理特性分析评价其工程性质。

3.1 结构构造

根据隧道掌子面地质素描，云母片岩的变质片理普遍发育，呈薄层片状结构，受地质构造影响岩体破碎、黏聚力差、挤压揉皱严重，在部分片理面和构造节理面可见灰褐色泥化夹层[2]72，岩体沿泥质发生塑性蠕变并产生挤压搓动光滑面，易引起岩体变形、失稳。

3.2 矿物成分

在隧道洞身里程DK796+613～DK797+633掌子面采集3组岩样，采用粉晶X射线衍射分析方法对岩样进行矿物分析和黏土矿物定性与定量分析。

表1 岩样衍射分析矿物成分汇总

由表1矿物成分汇总表分析围岩的主要矿物为云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，长石和绿泥石少量，局部检测有少量亲水矿物蒙脱石。云母及蒙脱石遇水易软化，云母片岩吸水率高易软化产生可塑蠕变现象，因此云母片岩的矿物成分直接影响围岩的大变形。

3.3 抗压强度

鳞片状云母片岩及软弱夹层对围岩强度影响较大，取样试验云母片岩的天然单轴抗压强度为2～8 MPa，饱和单轴抗压强度仅0.5～3 MPa，围岩强度低属极软岩；黏聚力0.08～0.12 MPa，内摩擦角15°～22°，变质片理面有泥化夹层易剪切失稳，使其抗剪断强度低，围岩自稳性差，易诱发大变形。

3.4 水理特性

地下水对不同强度和结构的矿物影响各有差异:云母及蒙脱石等矿物遇水易软化；石英及长石等硬质矿物影响较小。通过试验片岩中含有黑云母和蒙脱石等黏土矿物，黏土矿物在地下水作用下沿结构面易发生软化崩解[2]70，干湿抗压强度的比值计算云母片岩的软化系数为0.51～0.59，遇水后云母片岩的抗压强度降低，因此云母片岩遇水软化是隧道围岩大变形不可忽视的因素。

4 云母片岩隧道围岩大变形特征分析

4.1 围岩变形压力测试

4.1.1 测试断面地质特征

隧道开挖采用三台阶预留核心工法施工[3]，掌子面地质素描围岩为云母片岩:灰黑色，沿片理形成的结构面发育，岩体呈薄层片状松散结构，层厚为0.5～2 cm，伴有滴渗水现象，层间遇水软化且结合差，拱部及左边墙沿结构面易剥落掉块。单斜地层径向破坏形成的围岩松动圈扩散范围存在差异[4]，拱顶及左侧拱腰围岩松动圈可达一倍洞径以上(见图2)，采用TSP302超前地质预报掌子面前方为云母片岩，岩体破碎，弱富水。

图2 DK797+670片岩揉皱破碎沿片理挤压塑性变形

4.1.2 围岩变形量测

在隧道DK797+660～DK797+685段按间隔5 m布设了6个断面进行拱顶沉降、拱脚和墙腰水平收敛量测，变形量测采用精密水准仪、收敛计与全站仪相结合，监控量测结果见表2。

表2 拱顶下沉及拱脚、墙腰水平收敛量测结果 mm

(1)拱部沉降变形量测

每个量测断面拱顶沉降量大，拱顶沉降平均200.5 mm，最大达246.3 mm。根据图3各断面拱顶沉降与时间曲线可看出:每个量测断面拱顶沉降量在监测初期都呈逐渐增大的趋势[5]，基本在两周后逐渐趋于平缓，之后拱顶下沉量维持在相对稳定的范围，说明初期支护措施起到控制沉降效果。

图3 量测断面拱顶沉降-时间曲线

(2)拱脚水平收敛量测

拱脚水平收敛值大于拱顶初期沉降值，墙腰水平收敛值相对较小。根据图4各断面拱脚水平收敛与时间曲线可看出:在量测初期拱脚水平收敛逐渐增加，基本在10～15 d后收敛变形逐渐趋于平缓，拱脚收敛的平均值为230 mm，说明初支措施有效控制了围岩的水平收敛[6]。

图4 量测断面拱脚水平收敛量-时间曲线

4.1.3 围岩压力测试

在隧道DK797+670段拱顶、拱脚、边墙、墙脚、仰拱分别埋设测点，采用频率接收仪分别对初支围岩压力及其与二衬接触压力进行测试。

(1)初期支护围岩压力测试

埋设于围岩与初支之间的压力盒量测的接触压力分布见图5，量测的围岩压力分布不均匀，除仰拱围岩压力外最大压力发生左拱脚为0.936 MPa，隧道左侧拱腰明显大于右侧，这与围岩结构面产状方向一致，说明围岩沿变质片理面易产生变形[7]。

(2)初支与二衬接触压力测试

埋设于初支与二衬之间的压力盒量测接触压力分布见图6。接触压力在量测初期有一定波动，在埋设一个月后，接触压力趋于稳定，量测接触压力平均值为0.086 MPa。二衬压力分布相对均匀，这说明初支措施有效控制了围岩的变形。

图5 DK797+670围岩压力分布(单位：MPa)

图6 DK797+670初支与二衬接触压力分布(单位：MPa)

4.2 围岩大变形特征

4.2.1 围岩变形及初支结构破坏形式

杨家庄隧道云母片岩层薄质软并有泥化夹层，单斜构造偏压显著，岩体破碎并有滴渗水现象。施工中围岩变形难以控制且累计变形量大，围岩变形监控量测预警段落多，出现初支开裂掉块并造成侵限；初喷砼出现不同程度环向和纵向裂缝，伴有初支开裂、喷砼掉块、钢拱架扭曲变形或拱顶沉降、拱腰及边墙外鼓等现象(见图7)。

图7 初喷砼出现环向和纵向裂缝

4.2.2 大变形特征

依据施工围岩监控量测结合现场地质编录综合分析[8]，隧道围岩大变形有如下特征:

(1)隧道结构偏压变形。隧道围岩为单斜地层，拱顶下沉及单侧拱腰及侧壁滑移挤出明显呈结构性偏压，导致初支受力及位移不均，出现围岩不同位置变形程度存在差异，初支破坏形式也不同。

(2)沉降及收敛变形量大。围岩变形主要表现为拱顶沉降及左侧拱脚向洞内挤出为主；监控量测数据统计DK797+660～DK797+675段拱脚水平收敛累计最大值达376 mm，拱顶沉降累计最大值246 mm。

(3)变形速率较快。掌子面开挖一周内监测呈逐渐增大的趋势，变形速率可达80～120 mm/d，若仰拱不封闭，二衬不及时跟进，持续变形易产生侵限甚至可能塌方。

(4)变形持续时间较长。围岩沿变质片理面有塑性蠕变性，隧道开挖后围压应力重分布时间持续长，拱顶沉降和水平收敛达到相对稳定需要一段时间，变形持续约两周后才逐步趋于稳定。

(5)洞身纵向变形分布不均。洞身不同段落变形量各异，根据隧道收敛变形实测数据和侵限破坏情况统计分析，岩体结构面产状与洞身主轴夹角越小、地下水发育地段收敛变形量相对较大。云母及蒙脱石等软质矿物含量高的段落收敛变形量大，严重段初支钢架出现扭曲变形。

5 云母片岩隧道围岩大变形主要因素分析

5.1 地形地貌引起的偏压

杨家庄隧道地形呈向左侧葫芦河峡谷区倾斜的黄土梁峁区，黄土在流水侵蚀作用下切割强烈、地形起伏较大，相对高差约50～220 m，向河谷单向倾斜，自然坡度20°～50°，为单斜偏压地形，埋深浅的段落产生偏压导致围岩变形较大。

5.2 地层岩性特征的影响

隧道洞身岩性主要为云母片岩，经矿物分析，云母片岩主要矿物为云母(32.6%～42.5%)和石英(34.0%～42.9%)，还有少量亲水矿物蒙脱石。云母及蒙脱石遇水易软化，云母片岩吸水率高易软化产生可塑蠕变现象，是引起隧道围岩变形的内在因素。

5.3 岩体结构的影响

隧址位于震旦纪变质岩组成的第三纪天礼盆地北缘，晚第三纪以来区内构造运动活跃，岩体受到强烈的揉皱挤压，岩体极破碎呈薄片状角砾结构，片理及节理裂隙发育，易沿片理面挤压剪出发生破坏，形成围岩岩体发生剪切破坏的软弱结构面[9]。隧道洞身主轴走向N10°W，云母片岩产状N78°E/65°S，岩层产状与隧道洞身及河谷走向呈单斜顺层偏压。受自重压力及偏压影响，隧道开挖左侧拱顶及拱腰沿片理面向洞内挤压发生塑性蠕变，围岩表现出明显大变形特征。

5.4 地下水渗流软化作用

隧道围岩收敛变形与地下水活动密切关系，围岩的破碎有利于地表水下渗和地下水的渗流。收敛变形大的掌子面开挖后多有滴渗水及线状流水。地下水对云母片岩及泥化夹层有软化，围岩遇水强度降低并发生塑性蠕变，加剧了围岩的变形。

5.5 围岩压力分布不均的影响

围岩压力测试说明偏压地形和单斜地层是初支压力分布不均衡的主要原因[10]，造成初支钢架和喷射混凝土承受较大应力，出现喷层开裂掉块。二衬适时施作又限制初支变形，分担部分围岩压力。

5.6 施工开挖扰动引起围岩变形

隧道监控量测是判断围岩稳定性有力手段[11]。根据断面收敛变形监测数据统计分析，收敛变形可分为急剧变形、缓慢变形和基本稳定三个阶段。掌子面开挖卸荷及初期支护过程中软弱围岩的变形释放，造成围岩对初支不均衡压力分布。

6 结论

针对杨家庄隧道地质环境特征，结合围岩变形量测及压力测试，对隧道围岩大变形进行分析研究，结论如下:

(1)云母片岩隧道大变形具有收敛变形量大、变形速率较快、变形持续时间长、洞身纵向变形分布不均及破坏形式多样性的特征。

(2)围岩变形监测及压力测试表明，围岩变形与围岩压力具有密切的相关性:初支压力出现波动半月后逐渐趋于稳定，同时拱顶沉降和水平收敛等围岩变形也逐步趋于稳定。

(3)复杂区域地质条件是云母片岩隧道围岩发生大变形的独特性，导致围岩变形的因素有地形地貌、岩性特征、岩体结构、地下水及围岩压力；岩性及其结构构造的影响在诸因素中占主要地位，其它因素均起到不同作用。

(4)单斜地层和地形产生偏压、开挖卸荷后围岩受地下水渗流软化沿变质片理面及泥质夹层产生塑性蠕变，使围岩压力分布不均等因素是导致杨家庄隧道围岩大变形的根本原因。