貴州白云巖砂化特征及其對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)影響

王朋朋，姚 靜，姜 笠

(1.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014; 2.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004)

貴州地區(qū)白云巖尤其是泥質(zhì)白云巖分布較為廣泛，隧道開(kāi)挖揭露此類巖性在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出砂或泥狀，多數(shù)為砂包石現(xiàn)象，稱為“砂化”。其主要特征表現(xiàn)為強(qiáng)度低、極破碎、遇水極易坍塌，可見(jiàn)溶蝕孔洞等[1]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)白云巖這一特殊的巖溶現(xiàn)象開(kāi)展了大量研究。何文秀[1]、張良喜[2]依靠四川美姑河坪頭水電站白云巖砂化研究，認(rèn)為隨著白云巖巖溶砂化作用的發(fā)展，砂化物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化特征為白云巖砂—白云巖(粉)—粉質(zhì)黏土，將白云巖砂化發(fā)育程度劃分為輕微→微弱→中等→強(qiáng)烈→全強(qiáng)等五個(gè)等級(jí)建立白云巖砂化宏觀分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。李建國(guó)等[3]以滇中引水工程為研究對(duì)象，將白云巖砂化程度劃分為劇烈、強(qiáng)烈、中等、微新四個(gè)等級(jí)，并依據(jù)白云巖砂化程度進(jìn)行隧洞圍巖工程地質(zhì)分類。吉卓禮[4]采用一種新的光學(xué)技術(shù)—數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)來(lái)觀測(cè)泥質(zhì)白云巖的單軸壓縮過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中的應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行了解釋。郭建強(qiáng)[5]等采用無(wú)壓浸泡、干濕循環(huán)與露天放置等試驗(yàn)方法，對(duì)泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性的演化規(guī)律進(jìn)行了研究。梁駑堂[6]等對(duì)貴州地區(qū)軟質(zhì)巖石地基(泥巖、泥質(zhì)白云巖)承載特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為貴陽(yáng)地區(qū)泥質(zhì)白云巖受水的影響較大，在水的浸泡后，巖樣強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致軟巖地基承載力下降。

1 研究樣本概況及分級(jí)

樣本分別取自貴州省織納高速老熊沖隧道、凱里環(huán)線金民隧道、畢鎮(zhèn)線青場(chǎng)隧道，白黔線劉家溝隧道和江玉線陶家坡隧道，對(duì)樣本隧道地質(zhì)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

張良喜[2]通過(guò)對(duì)美姑河坪頭水電站已開(kāi)挖地下硐室以及鉆孔中白云巖砂化現(xiàn)象的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，將白云巖砂化發(fā)育程度劃分為輕微→微弱→中等→強(qiáng)烈→全強(qiáng)等五個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 白云巖砂化宏觀分級(jí)表[2]Tab.2 Macroscopic classification of dolomite sandification

統(tǒng)計(jì)樣本以隧道揭露砂化為對(duì)象，以十米單位進(jìn)行記錄，各隧道砂化情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。分析5種砂化狀態(tài)占比，發(fā)現(xiàn)微弱砂化、中等砂化與強(qiáng)烈砂化占比較大，分別占比23%、32%、27%，全強(qiáng)砂化在老熊沖隧道與劉家溝隧道占比較大，分別為19%、14%。金民隧道和陶家坡隧道輕微砂化和微弱砂化占比較大，兩者合計(jì)分別為45%、85%，總體砂化程度較弱。見(jiàn)圖2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該劃分等級(jí)適用于金民隧道和陶家坡隧道。對(duì)于老熊沖隧道及劉家溝隧道，泥質(zhì)白云巖的砂化特征與上述分級(jí)尚存在偏差。白云巖全強(qiáng)砂化表現(xiàn)為以散體結(jié)構(gòu)的粉砂為主，夾強(qiáng)溶蝕作用的白云巖塊，白云巖塊大小不一，其在空間特征上表現(xiàn)為條帶特征[8-9]，但對(duì)于泥質(zhì)白云巖，其表現(xiàn)為軟塑～可塑狀的粘土，夾有大小不一的巖塊，無(wú)明顯條帶特征，對(duì)于該類情況，應(yīng)歸結(jié)為“泥化”。

圖1 五座隧道砂化分別占比統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.1 Statistical graph of sandification in the five tunnels

圖2 隧道砂化總體占比統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Over all proportion of tunnel dolomite sandification

2 白云巖砂化分布規(guī)律及特征

巖溶發(fā)育的基本條件是：存在可溶巖(溶質(zhì))、可以溶解可溶巖的溶液以及溶劑(CO2)。對(duì)于碳酸鹽巖的分類，要考慮晶粒大小、形態(tài)、晶粒組合結(jié)構(gòu)，也要考慮成巖后其它作用的影響，其中地質(zhì)構(gòu)造和氣候是決定巖溶發(fā)育的兩個(gè)主要因素[10]。

圖3 泥質(zhì)白云巖全強(qiáng)砂化表現(xiàn)為“泥化”Fig.3 Muddy dolomite full-strength sanding as “mud”

白云石成分越高，溶解性就越低，對(duì)于泥質(zhì)白云巖，其粒徑小于0.0005 mm的細(xì)小碎屑物質(zhì)和黏土礦物超過(guò)50%。以三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組含泥質(zhì)白云巖為例，據(jù)資料，其主要礦物成分中CaO:23.6%～30.21%，MgO:15.32%～16.36%，SiO2+R2O3:8.16%，易溶組分含量大大高于難溶組分。經(jīng)顯微鏡下鑒定，巖石的礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征分別為白云石占90%，粘土礦物占10%，微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造[11]。由于方解石等易溶物在泥質(zhì)白云巖中分散分布，裂隙水在下滲過(guò)程中首先將此類易溶物溶解，形成許多孔隙，隨著水的不斷下滲與侵蝕，孔隙不斷增大，不易溶解的碎屑物質(zhì)及黏土礦物漸漸沉降固結(jié)，最終形成泥質(zhì)白云巖的泥化現(xiàn)象[11-12]。

白云巖砂化是白云巖巖溶作用的結(jié)果，其發(fā)育的基本條件包括可溶性巖石、巖石透水性、地下水特征(包括地下水循環(huán)交替特征和地下水化學(xué)特征)。在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，砂化程度受巖性、地下水發(fā)育及構(gòu)造特征、節(jié)理裂隙發(fā)育特征影響較大[13-17]。

(1)隧道進(jìn)出口端常屬于風(fēng)化強(qiáng)烈區(qū)段，其砂化特征表現(xiàn)以中等砂化以上為主，砂化范圍受地形及巖性影響較大，老熊沖隧道進(jìn)出口端、青場(chǎng)隧道出口端均表現(xiàn)為全強(qiáng)砂化，表征泥化，劉家溝隧道進(jìn)出口端出現(xiàn)砂化坍塌區(qū)，表現(xiàn)為中等砂化、強(qiáng)烈砂化與全強(qiáng)砂化并存，多為泥包石現(xiàn)象。而對(duì)于金民隧道和陶家坡隧道，其主要表現(xiàn)為中等砂化。隧道進(jìn)出口端在勘察中屬于中—強(qiáng)風(fēng)化段落，氣候及地下水影響顯著，地表覆蓋層厚，具備一定儲(chǔ)水及下滲能力，砂化發(fā)育易辨識(shí)為強(qiáng)風(fēng)化。

(2)砂化發(fā)育程度受巖性影響明顯。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，砂化程度劃分可認(rèn)為泥質(zhì)白云巖>白云巖夾泥質(zhì)白云巖>白云巖，白云巖中白云石成分越高，其砂化程度就越低，即與巖溶能力相關(guān)。

(3)構(gòu)造發(fā)育對(duì)砂化程度及范圍起一定的控制作用。構(gòu)造發(fā)育決定了構(gòu)造影響帶巖層的產(chǎn)狀及節(jié)理裂隙發(fā)育程度。產(chǎn)狀決定了地下水流向，節(jié)理裂隙發(fā)育程度決定了巖體薄弱區(qū)的范圍?？扇軒r節(jié)理裂隙強(qiáng)發(fā)育地段巖溶強(qiáng)發(fā)育，對(duì)于白云巖則為砂化強(qiáng)發(fā)育區(qū)段。從老熊沖隧道、青場(chǎng)隧道出口端、劉家溝隧道來(lái)看，在構(gòu)造的不同部位砂化程度及范圍均有較大的差異。在向斜和背斜的核部，白云巖砂化表現(xiàn)為強(qiáng)烈砂化—全強(qiáng)砂化，表征呈泥包石狀，在兩翼砂化稍弱，以輕微—中等砂化為主；在斷層影響范圍內(nèi)，砂化從中等—全強(qiáng)砂化不均勻分布，總體臨近斷裂帶，砂化程度愈高。從揭露砂化特征來(lái)看，多數(shù)存在溶蝕孔洞，局部出現(xiàn)半充填溶腔。

(4)地層產(chǎn)狀及地表匯水特征影響砂化程度。匯水條件決定地下水下滲能力，劉家溝隧道在進(jìn)口端埋深淺，地勢(shì)平緩，匯水范圍較大，利于地下水下滲，巖層產(chǎn)狀近水平，以中等—強(qiáng)烈砂化為主，易形成巖溶坍塌體?？梢哉J(rèn)為泥巖作為良好的隔水層加劇了砂化。

(5)砂化形成初期沿裂隙進(jìn)行，在輕微砂化和微弱砂化中可明顯分辨砂化條帶，隨著砂化程度的提高，條帶狀特征消失，在強(qiáng)烈砂化—全強(qiáng)砂化階段，用砂化條帶厚度及條數(shù)已無(wú)法進(jìn)行劃分，因此表2存在適用盲區(qū)。

3 泥質(zhì)白云巖砂化危害

泥質(zhì)白云巖的強(qiáng)度決定于砂化程度，老熊沖隧道巖石抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于勘察設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)烈砂化及全砂化巖石抗壓強(qiáng)度多低于5 MPa，隧道開(kāi)挖后易失穩(wěn)發(fā)生坍塌事故，在劉家溝隧道泥質(zhì)白云巖與泥巖交互發(fā)育段落常出現(xiàn)砂化塌腔。

老熊沖隧道在ZK132+018～ZK132+040段初支發(fā)生沉降破壞，破壞面集中在右側(cè)，以初支混凝土碎裂狀破壞及沿鋼支撐的張性開(kāi)裂為主，在ZK132+018處初支形成錯(cuò)臺(tái)。

圖4 襯砌開(kāi)裂及臨時(shí)支撐Fig.4 Lining cracking and temporary support

破壞區(qū)段巖性為強(qiáng)烈—全強(qiáng)砂化泥質(zhì)白云巖，砂化對(duì)巖體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大影響，降低了巖石強(qiáng)度，軟化結(jié)構(gòu)面并降低結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)，主要表現(xiàn)為圍巖無(wú)黏結(jié)力，自穩(wěn)能力差。施工中采取超前管棚注漿法進(jìn)行處治，但注漿效果差，下臺(tái)階未開(kāi)挖，未形成閉合環(huán)形支護(hù)。受強(qiáng)降雨影響，隧道頂板巖體固結(jié)下沉，施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力增大，超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受能力，造成支護(hù)下沉破壞。

為防止變形進(jìn)一步擴(kuò)大，在原工字鋼中間增設(shè)20 b工字鋼頂撐，工字鋼間距60 cm，拱腳增設(shè)20 b工字鋼橫撐，增加斜撐，同時(shí)采用全站儀+反光片的非接觸方式對(duì)初支進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，在鋼支撐安裝應(yīng)力計(jì)進(jìn)行初支受力監(jiān)測(cè)。

采用臨時(shí)支撐后，對(duì)于變形破壞區(qū)段采用Φ42×4，L=4.5 m鋼花管進(jìn)行注漿固結(jié)，間距0.6 m×1.0 m，注漿壓力按1.0 Mpa控制。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，破壞初期在ZK132+020處測(cè)點(diǎn)收斂變形達(dá)430.6 mm，拱頂下沉變形左側(cè)B點(diǎn)為18.2 mm，中間拱頂C點(diǎn)為43.2 mm，右側(cè)D點(diǎn)為73.6 mm。注漿過(guò)程中對(duì)6個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，拱頂下沉最大點(diǎn)位于ZK132+038拱頂，變形量為2.7 mm，周邊位移變形量較小，臨時(shí)支撐對(duì)支護(hù)變形的控制作用明顯，ZK132+020斷面因初期支護(hù)與圍巖間脫空，注漿施工影響較小。根據(jù)對(duì)應(yīng)6個(gè)斷面的初期支護(hù)鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，鋼支撐壓屈注漿初始內(nèi)力最大值位于ZK132+038，內(nèi)力值為5.327 kN，注漿時(shí)內(nèi)力值最大達(dá)到7.974 kN，穩(wěn)定后下降至4.538 kN。

圖5 鋼支撐內(nèi)力累計(jì)受力時(shí)程曲線圖Fig.5 Time history curve of cumulative force of steel support internal force

通過(guò)在注漿過(guò)程中的支護(hù)監(jiān)控量測(cè)，在注漿固結(jié)并監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后進(jìn)行破壞變形段支護(hù)的處治。對(duì)原工字鋼和臨時(shí)加固工字鋼進(jìn)行逐榀拆換，支護(hù)襯砌類型調(diào)整為S-Ⅴa，噴射混凝土厚度調(diào)整為28 cm，預(yù)留變形量調(diào)整為30 cm。仰拱開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在3米以內(nèi)，整體開(kāi)挖澆注，封閉成環(huán)。調(diào)整施工間距，掌子面與仰拱的距離小于20 m，掌子面與二襯的距離小于50 m。支護(hù)處理完成后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)貴州省三疊系中統(tǒng)及寒武系白云巖、泥質(zhì)白云巖普遍存在砂化現(xiàn)象，白云巖及白云巖夾泥質(zhì)白云巖普遍存在砂化及泥化共存現(xiàn)象。

(2)砂化程度：泥質(zhì)白云巖>白云巖夾泥質(zhì)白云巖>白云巖，白云巖的白云石礦物成分越高，其砂化程度就越低。

(3)泥質(zhì)白云巖砂化程度受礦物成分、構(gòu)造及地下水發(fā)育環(huán)境影響較大，構(gòu)造活動(dòng)加大了裂隙的延展度，間接影響并控制白云巖砂化的發(fā)展分布，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈部位，砂化范圍及程度均強(qiáng)烈。

(4)根據(jù)老熊沖隧道的初支監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于未考慮砂化作用的附加影響，導(dǎo)致地下水沖刷在其背后形成脫空，繼而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形失穩(wěn)。因此，對(duì)于貴州泥質(zhì)白云巖的隧道設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮砂化作用的不利影響。