孫光吉 鄧小龍 原鵬博

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089； 2.蘭州大學土木工程與力學學院，蘭州 730000)

隧道是埋置于地層之下的工程建筑物，是人類對地下空間拓展利用的一種形式[1]。近年來，隨著我國隧道工程技術(shù)的高速發(fā)展，穿越高山峻嶺的隧道工程也越來越多，所面臨的地層環(huán)境也更加多樣且復雜，穿越以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主的華北二疊系軟巖地層的隧道逐漸增多[2-3]。由于軟巖具有強度低、變形大、力學機制復雜等獨特的工程地質(zhì)特性，極易引起拱頂垮塌、突泥涌水、圍巖大變形等災(zāi)害，使得隧道的開挖和支護存在很大困難[4]。目前，針對軟巖隧道的災(zāi)變機制的相關(guān)研究還較為薄弱，在軟巖隧道施工中如何選擇合理的開挖、支護方案，以及當軟巖隧道發(fā)生大變形時采取何種合理有效的加固措施，對隧道施工質(zhì)量保障及施工安全性具有重要意義[5-6]。

諸多學者針對軟巖地層中開挖隧道工程的災(zāi)變問題進行研究。其中，孫偉亮[7]對順層偏壓軟巖地層隧道施工力學行為進行分析，并提出該種工況下的快速施工方法；舒磊等[8]通過現(xiàn)場試驗和非線性流固耦合模型，研究富水斷層隧道支護體系的受力、變形特性，能量和力學響應(yīng)；張梅等[9]對蘭渝鐵路某高地應(yīng)力軟巖隧道進行了圍巖強度分級，并建立初期支護破壞準則；黃震等[10]通過地鐵隧道結(jié)構(gòu)災(zāi)變鏈式結(jié)構(gòu)以及災(zāi)變數(shù)學模型的構(gòu)建，分析地鐵隧道結(jié)構(gòu)災(zāi)變特征；呂顯福等[11]從圍巖的巖性、構(gòu)造、水文、地應(yīng)力，以及施工工藝等方面對軟巖隧道大變形的機理進行分析，解釋木寨嶺隧道的圍巖大變形破壞特征，并就控制大變形提出相應(yīng)措施；王英帆等[12]討論不同的施工階段圍巖受力特點及變形規(guī)律，并通過數(shù)值計算對比分析不同鋼架間距下圍巖的變形控制效果；王建鵬[13]采用荷載-結(jié)構(gòu)計算模型，研究膨脹性軟巖隧道結(jié)構(gòu)受力特征；段永勝等[14]對馬埡口隧道加固前后圍巖變形實測數(shù)據(jù)進行回歸分析；龔倫等[15]通過室內(nèi)模型試驗，研究不同隧底結(jié)構(gòu)對軟巖隧道襯砌內(nèi)力的影響；方星樺等[16]通過香麗高速洼里別隧道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果，分析炭質(zhì)板巖隧道圍巖變形與季節(jié)性降雨之間的關(guān)系，提出地下水變動是導致圍巖變形呈現(xiàn)季節(jié)性變化的主要原因；陳秋南等[17]針對施工過程出現(xiàn)的頂部巖層掉塊和垮塌等工程問題，提出相應(yīng)的施工優(yōu)化方案，并通過數(shù)值計算以及現(xiàn)場實際狀況對優(yōu)化后施工方案進行合理性評價。

大規(guī)模隧道工程建設(shè)為我國積累大量的隧道工程防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)科技成果與實踐經(jīng)驗，但在隧道工程災(zāi)害防控方面仍然存在一些不足，如對各致災(zāi)因子的地質(zhì)分析及內(nèi)在關(guān)聯(lián)分析不足等[18]。鑒于現(xiàn)有研究的不足及軟巖隧道的復雜性，結(jié)合華北二疊系泥巖地區(qū)隧道開挖引起的圍巖擾動、損傷、破壞及災(zāi)變這一核心，重點分析軟巖隧道發(fā)生災(zāi)害的關(guān)鍵因子以及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，圍繞工程地質(zhì)性質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)特征、開挖損傷、水作用(動力學、化學)等變化，研究圍巖的弱化與強度變化之間的規(guī)律，并基于具體工程實例，提出軟巖隧道施工的災(zāi)害防治措施，并對實施效果進行評估，從而為揭示軟巖隧道災(zāi)變機制以及此類隧道的設(shè)計施工提供參考。

1 太岳山隧道地質(zhì)及災(zāi)害概況

太岳山隧道地處中低山丘陵區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，施工難度大，是山西中南部鐵路通道的重難點工程以及控制工程，隧道起訖里程為DK392+930～DK409+124，開挖面寬10～11 m，高9～10 m，開挖體積為93～110 m3，洞身埋深最小約為5 m，最大約300 m，隧道開挖區(qū)域的地應(yīng)力分布以自重應(yīng)力為主[19]。隧道圍巖巖層主要為水平砂巖泥巖互層，根據(jù)鉆探資料，隧道通過兩大主要地層，砂巖占53.7%，泥巖占44.2%，剩下2.1%為第四系覆蓋層。太岳山隧道還穿越多個涌水量大、水壓高的斷層富水段，其中DK399+228～DK400+720段通過地層主要巖性為紫紅色泥巖及泥巖夾砂巖，極易出現(xiàn)涌水突泥、局部垮塌等現(xiàn)象[20]。在太岳山隧道的施工過程中，還發(fā)現(xiàn)了多處掌子面局部坍塌、內(nèi)鼓變形甚至侵限等現(xiàn)象[21]。

2 致災(zāi)因子及災(zāi)變機制

太岳山隧道穿越多條斷層和地質(zhì)構(gòu)造帶，穿越以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主的華北二疊系地層[21]。其中，泥巖富含黏土礦物，在遇水條件下具有一定的膨脹性，由于巖石膨脹性差異，其體積膨脹不均勻，致使巖石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力，并且由于部分膠結(jié)物被軟化溶解，從而導致巖石顆粒碎裂崩解[22]。構(gòu)造裂隙也為雨季地表水侵入以及地下水流通提供良好的通道，水的侵襲在一定程度上導致圍巖產(chǎn)生內(nèi)膨脹壓力，這也是在雨季時隧道變形量增大的重要原因之一。在多種因素下，太岳山隧道圍巖變形破壞具有變形量大、形變速率高、持續(xù)時間長、破壞范圍廣等特征，在巖性差、地下水豐富、高地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)差等控制因素下，圍巖塑性變形隨著時間增長的逐漸擴大，當變形量超過警戒值，且保持持續(xù)增長的趨勢，最終其累計變形量將超過預留設(shè)計變形量，導致大段落膨脹巖發(fā)生大變形，從而演變成隧道拱頂垮塌等嚴重地質(zhì)災(zāi)害事件。通過太岳山隧道軟巖特征分析，軟巖變形破壞的災(zāi)變控制因子主要為地質(zhì)因子、巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)因子、水文地質(zhì)因子和施工因子，其致災(zāi)因子關(guān)系如圖1所示。

圖1 軟巖隧道致災(zāi)因子關(guān)系

由圖1可知，施工開挖是軟巖隧道變形破壞最直接的誘發(fā)因素，屬于外部致災(zāi)因子[23]。在施工爆破等穿透巖體后，圍巖的初始自然平衡應(yīng)力狀態(tài)被打破，上覆地層的應(yīng)力和變形劇烈調(diào)整，原有巖體結(jié)構(gòu)被破壞，使得部分構(gòu)造裂隙存在張開貫通現(xiàn)象。地下水通道的改變產(chǎn)生一定的滲壓梯度，在山谷、洼地部位匯集的地表水下滲效應(yīng)增強，進而通過裂隙和軟弱夾層在地層縫網(wǎng)中形成水平和垂直滲流帶并與地下水連通，從而使得富含黏土礦物的泥巖地層以及軟弱夾層強度弱化，在隧道揭穿區(qū)域卸壓導致拱頂坍塌、突泥涌水，以及膨脹巖大變形等災(zāi)害。

2.1 工程地質(zhì)性質(zhì)

隧道地處中低山丘陵區(qū)，通過地層的主要巖性為二疊系下統(tǒng)上石盒子組砂巖夾泥巖、上石盒子組砂巖夾泥巖，石千峰組泥巖夾砂巖。其特征為結(jié)構(gòu)疏松，含有泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，巖體完整性差，易發(fā)生風化剝蝕，遇水后易崩解。這種類型的圍巖巖體在正常狀態(tài)下往往保持原生結(jié)構(gòu)，在高應(yīng)力狀態(tài)下，其圍巖巖體產(chǎn)生塑性變形，加之受到地下水侵襲，使得巖體發(fā)生軟化流動，并且?guī)r體中有膨脹性礦物遇水發(fā)生膨脹變形，在自然環(huán)境作用下，巖體易發(fā)生崩滑和塌落現(xiàn)象，對隧道工程的現(xiàn)場爆破施工和前期支護帶來較大影響[24]。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)是影響隧道圍巖發(fā)生大變形的一個重要因子，巖體結(jié)構(gòu)及其與隧道采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)的空間組合關(guān)系往往對隧道巖體變形及其巖體穩(wěn)定性具有控制性作用[25]。隧道圍巖包含有多種巖性與結(jié)構(gòu)特征，隧道開挖使得圍巖巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而導致巖石強度、完整性、片理結(jié)構(gòu)等都發(fā)生一定程度的削弱，這也是致使隧道發(fā)生大變形與坍塌的一個重要因素。

太岳山地勢起伏較大，溝谷深切，根據(jù)物探及地質(zhì)測繪結(jié)果，隧道區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)育有28條斷層，其中有25條斷層穿越了太岳山隧道[26]。隧道開挖區(qū)地層巖性及巖體結(jié)構(gòu)較為復雜，圍巖等級主要為Ⅲ～Ⅴ級，斷層破碎帶和泥化軟弱結(jié)構(gòu)面最為常見，其中泥巖風化之后的產(chǎn)物形成了泥化軟弱夾層，同時還有黏土礦物組成的薄弱夾層，在層間錯動等構(gòu)造作用下，使得夾層內(nèi)部發(fā)生剪切從而產(chǎn)生了剪切裂隙，構(gòu)造作用不僅破壞軟弱夾層自身的完整性，剪切裂隙也為地下水的流動提供通道，從而加重夾層的泥化程度。

巖體中存在的軟弱結(jié)構(gòu)面使巖體具備類似于塊裂介質(zhì)的力學特性，當巖體結(jié)構(gòu)受到擾動，其受力狀態(tài)發(fā)生重分布時，以軟弱結(jié)構(gòu)面為銜接的相互堆疊的塊體將沿裂隙空間發(fā)生滑移或者壓縮變形，最終導致壓縮和滑移破壞。在隧道施工過程中，往往會發(fā)生各種不可預見的地質(zhì)現(xiàn)象，從而影響其地質(zhì)構(gòu)造的變動，當施工地段穿越構(gòu)造斷裂帶、風化破碎帶、軟弱堆積層時，若巖體強度不足以支撐地層壓力，隧道地層就極有可能因巖體的加速變形而導致圍巖大變形和地層坍塌[25]。

2.3 地下水

根據(jù)施工記錄，太岳山隧道開挖區(qū)內(nèi)的地下水類型主要為基巖裂隙水。掌子面區(qū)域圍巖巖體干燥，地下水不發(fā)育，初期支護后，開挖面附近3～5 m范圍內(nèi)巖壁滲水不明顯，僅局部區(qū)域有濕斑出現(xiàn)，但在距掌子面十幾米處的后方區(qū)域，初期支護就發(fā)現(xiàn)大面積濕斑，再往洞口方向一段距離發(fā)現(xiàn)有線狀滴水現(xiàn)象，其地下水發(fā)育呈現(xiàn)一個漸變過程，發(fā)育情況如圖2所示。

太岳山隧道尚未開挖時，圍巖巖體在初始應(yīng)力狀態(tài)下其節(jié)理裂隙處于閉合狀態(tài)，巖體干燥并且地下水尚不發(fā)育；在隧道開挖過程中，爆破等擾動作用使得掌子面區(qū)域節(jié)理裂隙微張，地下水隨著裂隙滲入；在初期支護階段，局部開始出現(xiàn)濕斑；伴隨著地下水侵入，圍巖開始軟化、膨脹甚至崩解，圍巖弱化進而加大了節(jié)理裂隙的擴張，此時濕斑開始擴大；隨著圍巖劣化以及節(jié)理裂隙的逐漸擴張和相互貫通，致使地表水與地下水連通，水的流通侵蝕又進一步軟化圍巖，從而圍巖塑性圈的范圍逐步擴大，最終表現(xiàn)為線狀滴水現(xiàn)象。

圖2 太岳山隧道地下水發(fā)育漸變過程

2.3 工程因素

在隧道施工過程中，由于工程的復雜性，需要多工種、多施工隊協(xié)調(diào)進行，但各施工隊伍的技術(shù)水平存在差異，可能在工程建設(shè)中的某些環(huán)節(jié)存在操作不規(guī)范的情況。比如防排水措施不足，開挖進尺不當，使得巖體劣化加速；巖體與支護之間存在空洞，鋼拱架未架設(shè)在堅實基礎(chǔ)之上，導致支護效果未能充分發(fā)揮等，這些問題對誘發(fā)隧道圍巖垮塌的作用不可忽視。

此外，施工爆破等強烈作用力會對圍巖產(chǎn)生擾動破壞，強烈振動誘發(fā)并加速軟弱圍巖形變，使得圍巖失穩(wěn)和坍塌機率大大提升。在施工爆破和掘進的重復擾動作用下，圍巖中原生裂縫及次生裂隙發(fā)生不可逆拓展延伸，致使原有巖體內(nèi)部力學穩(wěn)定性發(fā)生破壞，尤其當施工方法選擇不當或者未能及時支護時，工程重復擾動則會誘導塌方等現(xiàn)象發(fā)生。

3 太岳山泥巖隧道災(zāi)害處治

3.1 現(xiàn)場施工情況及處治措施

在現(xiàn)場部分區(qū)域的施工過程中，發(fā)現(xiàn)掌子面局部坍塌、內(nèi)鼓變形以及侵限等現(xiàn)象，嚴重影響施工安全和施工進度。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，XJ0+810掌子面圍巖主要為紫紅色泥巖(如圖3)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，在水的侵蝕下，泥巖發(fā)生軟化，巖體表面覆蓋泥化物，層理不清晰，有青灰色泥狀物填充于張開節(jié)理內(nèi)，掌子面開挖時表面干燥，開挖過程中逐漸潮濕，圍巖穩(wěn)定性較差。DK399+535、DK399+650掌子面(如圖4)圍巖也以紫紅色泥巖為主，開挖時拱頂潮濕，后來有滲滴水現(xiàn)象，圍巖受水軟化，表面層理不明，圍巖穩(wěn)定性差。DK401+990掌子面開挖揭示，上臺階巖性為泥巖夾砂巖，受向斜構(gòu)造作用，該處圍巖受擠壓明顯，巖體破碎，產(chǎn)狀雜亂，可見豎向節(jié)理發(fā)育，并同時發(fā)育有一組傾向洞軸線方向節(jié)理，拱頂部發(fā)育多股涌水，泥巖受水侵蝕軟化，開挖后圍巖無法自穩(wěn)，圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)差。

圖3 典型泥巖照片

圖4 典型掌子面圍巖照片

針對現(xiàn)場隧道施工過程中所產(chǎn)生的諸多問題，根據(jù)新奧法原理，采取短進尺、勤量測、快通過的原則。針對XJ0+810斷面的工程地質(zhì)條件，在初期支護時采用格柵鋼架，最終沉降和水平收斂均在可控范圍。DK399+535斷面在前期階段沒有采用格柵鋼架支護，后來發(fā)現(xiàn)變形增大，邊墻出現(xiàn)開裂，并且右側(cè)邊墻向隧道空間方向鼓出，后期支護方案采用預留核心土、三臺階開挖，并增加鋼架套拱控制變形，最終變形量逐漸趨于穩(wěn)定。DK399+650斷面采集巖樣進行膨脹試驗，實驗結(jié)果表明，該段泥巖具有弱-中等膨脹性，采用H20工字鋼支護，可有效控制隧道變形量。DK401+990斷面圍巖富水，受構(gòu)造作用影響，開挖過程中有頻繁掉塊現(xiàn)象，采用工字鋼支護，并且預留了較大的變形量，可滿足沉降及水平收斂要求。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測布置

太岳山隧道正洞采取兩臺階開挖施工方式，分別在上、下臺階處布置BD、AE兩條水平測線以及拱頂下沉測點C，如圖5所示；斜井開挖采用小斷面開挖方式，布設(shè)AC水平收斂測線以及拱頂下沉測點B，如圖6所示。

圖5 大斷面量測點布置

圖6 小斷面量測點布置

針對隧道圍巖變形的問題，分別選用不同埋深、不同斷面尺寸的8個典型斷面，進行多角度變形比較，量測斷面布置如表1。

表1 擬定監(jiān)控量測斷面

3.3 支護措施實施效果評價

對現(xiàn)場施工過程中多斷面布設(shè)的監(jiān)測儀器所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，圖7為拱頂沉降位移-累計天數(shù)曲線。

圖7 拱頂沉降-累計天數(shù)曲線

由圖7可知，不同斷面的拱頂沉降位移相差較大，相同時間內(nèi)不同斷面累計沉降變形量相差最高甚至達10倍。結(jié)合現(xiàn)場開挖及監(jiān)測情況，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

(1)DK399+650斷面從第11天開始下導開挖，第16天開始仰拱開挖，現(xiàn)場采用工字鋼支護，拱頂變形速率和累計變形量都最小，有效控制了拱頂下沉。

(2)XJ0+120、XJ0+810為斜井，斷面尺寸約為正洞的1/2，采用初支格柵鋼架支護，沉降量不及正洞的1/2。兩斷面的斷面尺寸、沉降趨勢基本一致，XJ0+810斷面較XJ0+120沉降量更小，可能與埋深不同有關(guān)。

(3)DK399+485、DK399+535、DK400+000、DK402+520為大尺寸斷面，拱頂累計最終沉降變形量基本一致，在90±5 mm范圍內(nèi)?，F(xiàn)場初支均采用格柵鋼架支護，預留沉降量較小時，有侵限隱患。

(4)DK401+990現(xiàn)場采用工字鋼支護，但因圍巖穩(wěn)定性差，拱頂沉降量仍很大，最終沉降變形達120 mm，應(yīng)與拱頂?shù)墓蔂钣克芮邢嚓P(guān)。因此，圍巖級別較低時，應(yīng)適當提高預留沉降量，并減少不必要的工程擾動，加強初期支護措施。在沉降位移曲線上可以看出，該斷面兩次出現(xiàn)沉降拐點，是由于該Ⅴ級圍巖采取三臺階開挖所造成的。

(5)在下臺階開挖時，每個斷面沉降位移曲線皆出現(xiàn)拐點，拱頂下沉量存在突變現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因是下臺階開挖時二次爆破擾動。從監(jiān)測結(jié)果可以看出，經(jīng)過一段時間沉降變形仍能趨于穩(wěn)定。通過比較各斷面的沉降曲線，可以初步判定，拱頂沉降位移量與斷面尺寸、初支護形式、圍巖工程地質(zhì)情況有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)泥巖隧道中導致軟巖變形破壞的災(zāi)變因子主要為地質(zhì)因子、巖體結(jié)構(gòu)性質(zhì)因子、水文因子和施工因子。施工開挖揭穿軟巖界面導致巖體結(jié)構(gòu)破碎和高地應(yīng)力調(diào)整釋放，軟巖遇水泥化，強度迅速劣化是導致這種協(xié)同破壞機制為根本原因。

(2)相較于硬巖隧道，高地應(yīng)力條件下泥巖隧道巖體結(jié)構(gòu)的破壞導致地下水侵襲劣化圍巖引起崩塌突水對隧道的穩(wěn)定性影響更大，因而在施工進程中需時刻關(guān)注地下水的動態(tài)變化。

(3)軟(泥)巖隧道的變形力學機制并非是單一的，而是同時包含有多種變形的復合力學機制。如何控制軟巖隧道大變形，關(guān)鍵就在于合理組合運用各種開挖及支護方案，在支護和圍巖的相互作用、共同變形中將復合的力學機制轉(zhuǎn)化為單一的力學機制。

(4)施工開挖是最重要的外部致災(zāi)因子，故防治泥巖隧道塌方、大變形災(zāi)害的根本途徑在于：采取合理的設(shè)計、施工及支護方法，盡量避免內(nèi)部致災(zāi)因子的劇烈作用造成協(xié)同災(zāi)害效應(yīng)，最終實現(xiàn)軟巖中水巖動力系統(tǒng)平衡狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。