广元至平武高速公路白杨坪隧道围岩大变形分析与研究

陈华　陈清泉　李剑伟　张艳

【摘 要】隧道围岩大变形预测是一个较难研究课题，相关理论尚在进一步研究和探讨中。产生围岩大变形的影响因素众多，其中高地应力是围岩产生大变形的重要影响因素之一。文章对白杨坪隧道深孔进行水压致裂法地应力测试，根据测试成果对测区地应力特征进行了分析。隧道内最大主应力以水平构造应力作用为主导，最大水平主应力方向為NW81°～ NW72°。隧道在埋深大于210 m时会发生Ⅰ级围岩大变形。

【关键词】隧道工程; 千枚岩; 地应力; 大变形

【中图分类号】U451+.2【文献标志码】A

隧道围岩大变形是一种常见的、危害大、处治难度及费用高的施工地质灾害。引起围岩大变形的因素较多，其中隧道所处地应力大小是最重要影响因素。在以往的工程经验中，我们通常将软质岩隧道在埋深大于400 m的洞段判定为可能发生围岩大变形段，需进行地应力相关测试。但近年来已建成的的国道317线鹧鸪山公路隧和马尔康绕城隧道、汶马高速鹧鸪山隧道和卓克基隧道等工程在隧道埋深200 m左右便出现了不同形式和程度的围岩大变形灾害，给工程建设造成极大的困难。因此，对于埋深不大的软岩隧道亦需要开展围岩大变形的相关研究。

1 工程概况

在建广元至平武高速公路白杨坪隧道进口位于广元市青川县清溪镇徐坝村竹林坝组，出口位于绵阳市平武县高村乡老房子组。为一越岭特长分离式双线隧道，全长3 501 m，属特长隧道;单洞宽10.25 m，洞高5 m，洞顶最大埋深约415 m。路线经过区域内出露地层为昆仑秦岭区马尔康分区金川小区。所涉地层主要为茂县群黄坪组（Sh），岩性以绢云千枚岩、砂质绢云千枚岩为主，试验测得饱和抗压强度平均值约6.5 MPa，属于软岩。

工程区处于龙门山北东向构造与摩天岭北东东向构造带之间，主要位于龙门山中央断裂与龙门山后山断裂所围限的地块。构造单元上属于松潘—甘孜造山带中的丹巴—汶川弧形逆冲—滑脱叠置带和摩天岭逆冲—推覆带。隧道位于白羊倒转复向斜北西翼位置，唐家山断层位于隧道北侧200～400 m，呈北东方向展布，走向与隧道走向近于平行，青川—平武断裂距离隧道北侧约2.2 km，呈北东方向展布，隧道均位于断层下盘。

根据地质调查，隧址区分布较多小规模的韧性剪切破碎带，宽度几米至十几米不等，由片理密集带并含石英布丁体为特征，石英布丁3～20 cm不等，具定向排列特征，破碎带岩体完整性极差，片理部分呈鳞片状构造，锤击声较哑，微反弹，部分片理揉曲变形较强烈（图1）。韧性剪切破碎带占正常围岩段落比例约20 %，且分布具不确定性。

石英布丁、韧性剪切带内折曲构造

2 近场区地应力特征

2.1 地应力测试

本次地应力测试采用水压致裂法，选取白杨坪隧道白ZK02钻孔，钻孔深度为300.00 m，钻孔静水位为0.00 m。现场岩芯见图2，总体上岩芯较完整，岩性以绢云千枚岩为主。

本次测试在白ZK02钻孔80.00～ 268.00 m范围内选择了5个测段（80.00 m 、130.50 m、178.00 m、192.00 m、268.00 m）进行水压致裂法地应力测试工作，每个测段均进行了4次重复测量，获得的5段有效测量曲线见图3。

对上述获得5段有效压裂曲线进行分析和筛选，选取2个测段进行印模试验以确定最大水平主应力方位，其深度为：178.00 m和192.00 m，印模测试采用双印模法，印取两段结果。地面施加的压力超过岩石破裂压力，并水压时间约30 min。

2.2 地应力测试结果分析

2.2.1 关键数据处理方法

测段深度指地面至压裂段中心点的深度，试验中压裂段长度选取了0.76 m。垂向应力简化为地面至压裂段中心点上覆岩层的重量，用常规公式Sv=ρgh计算获得，平均密度（ρ）取2.64 g/cm3。

国际岩石力学（ISRM）测试技术专业委员于2003年发布的新的技术标准提出，通过关闭压力可直接确定最小水平主应力的大小，同时可参与最大水平主应力的计算。本次测量为保证测试结果的可靠性和准确性，本次测试采用dp/dt法、dt/dp法和Muskat法，三种方法进行，并取三种方法的平均值参与应力量值的计算。

2.2.2 主应力值

白ZK02钻孔水压致裂地应力测量压裂参数和主应力值计算结果见表1。

通过表1给出的应力测量结果，可以分析地应力值随深度变化情况，图4是白ZK02钻孔主应力值随深度变化图。通过对表1和图4分析，可以发现：在白ZK02钻孔中主应力值随地层深度增加而增加，80.00～268.00 m测试深度范围内，最大水平主应力值在15.03～21.68 MPa之间，最小水平主应力值在10.57～14.17 MPa之间。最大水平主应力与垂向应力之比范围为3.05～7.12，表明以水平应力为主导，测孔附近主应力的比值为中等以上水平（一般工程隧道岩体水平主应力与垂向应力比值在0.5～5.5之间）。

为更加准确地了解工程区的现今地应力状态，采用线性拟合的方式计算主应力随深度变化梯度式，式1和式2给出了具体结果。

SH= 0.030H + 12.683，r2=0.58（1）

Sh=0.016H+9.081，r2=0.67（2）

根据图4曲线和Anderson 断层理论分析钻孔的构造应力结构及其表征的断裂性质表明，三个主应力间的关系为SH>Sh>Sv，表明区内应力状态有利于逆冲断层活动。

2.2.3 主应力方向

本次测试开展了2段印模效果良好，根据基线方位计算出最大水平主压应力方向，图5给出了白ZK02钻孔印模结果，结果表明，主应力方向由浅至深分别为：N81WN72W，算术平均优势方向为N76.5°W，两次测量结果比较接近，也说明了印模测量结果的可靠性和一致性。结果揭示，白ZK02钻孔主应力方向为NWW方向，与区域应力场基本一致。

3 隧道围岩大变形

目前国标及行业标准对于隧道围岩大变形的分析和预测多采用岩石强度与初始应力比值。采用围岩强度与初始应力比值可反映岩体结构特征，符合隧道结构力学规律。通过比值大小进一步划分大变形等级。

拟建隧道围岩以绢云千枚岩为主，饱和抗压强度平均值约6.5 MPa，属软岩。根据地应力测试结果分析，区内隧道地应力属于极高应力区域，最大主应力以水平构造应力为主导。最大水平主应力方向为NW81°～ NW72 °。根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》，通过围岩强度应力比Rc/σmax预测围岩大变形等级，分级标准见表2。

拟建隧道最大埋深415 m，绢云千枚岩饱和抗压强度6.5 MPa。当隧道埋深小于210 m，σmax<13.0，强度应力比Rc/σmax>0.5，正常绢云千枚岩发生大变形的可能性较小;隧道埋深210～415 m，σmax =8.0～16.35，强度应力比Rc/σmax =0.39～0.5，围岩大变形等级为Ⅰ级。

4 结论与建议

综上所述，白杨坪隧道在埋深大于210 m時会发生Ⅰ级围岩大变形。隧道围岩大变形等级还与地下水发育程度、岩体完成程度、岩石矿物亲水性特征、隧道开挖形式等因素有关，因此，建议施工过程中加强超前地质预报和检测，对于裂隙密集带及地下水丰富地段应加强围岩大变形预支护手段。对发生大变形的隧道段落，建议采用柔性设计理念，选择合理的开挖方式，预留变形量，加强超前支护，适当提高衬砌刚度。

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[定稿日期]2021-04-15

[作者简介]陈华（1986～），男，硕士，工程师，主要从事岩土体稳定性及工程环境效应方面的研究工作。