八外洋隧道穿越花崗巖蝕變帶的大變形機(jī)理分析

朱中全

（南平武夷新區(qū)繞城高速公路有限責(zé)任公司，南平 354200）

1 前言

花崗巖、玄武巖等火成巖因其強(qiáng)度高、完整性好,被視為修筑地下工程的理想場址。世界范圍內(nèi)很多重大核電站、水電站和地下洞室等均修筑在這類火成巖巖體中。 穿越火成巖中的隧道在斷層破碎帶、 富水帶等不良地質(zhì)體時(shí)偶爾會遭遇坍塌、突水等工程地質(zhì)問題[1-4]。而發(fā)生在花崗巖蝕變帶中的初支結(jié)構(gòu)大變形災(zāi)害在國內(nèi)外文獻(xiàn)中卻少有報(bào)道。

巖漿侵入早期地層(圍巖)時(shí),兩者間呈現(xiàn)侵入接觸關(guān)系,在巖漿冷凝、結(jié)晶過程中,由于兩者間的礦物成分、化學(xué)成分、溫度、壓力等差異,必然導(dǎo)致接觸帶附近的巖漿和圍巖為適應(yīng)新的物理-化學(xué)條件發(fā)生物質(zhì)成分的侵染和礦物成分的變質(zhì), 導(dǎo)致接觸帶附近的巖體顯著區(qū)別于圍巖和接觸帶外巖漿冷凝產(chǎn)物。 接觸帶附近特殊的礦物組合和成巖過程所形成的巖石在地質(zhì)學(xué)中被稱為蝕變巖[5]。 基于巖體物理力學(xué)觀點(diǎn),蝕變作用既有硅化、青磐巖化等強(qiáng)化巖體的效果,也有云母化、粘土化等劣化巖體的效果。 但由于難以辨識和地質(zhì)知識的欠缺,工程實(shí)踐中對蝕變導(dǎo)致的粘土化及強(qiáng)度劣化的情況常常被誤判為風(fēng)化作用所致[6-7]。 但同蝕變相關(guān)的工程地質(zhì)問題卻普遍存在,如著名的馬爾帕塞壩的潰壩事件, 失事原因之一為左壩肩沿片麻巖中的絹云母蝕變頁巖發(fā)生滑動[8]；洪都拉斯的埃爾卡洪壩沿著粘土化蝕變帶和蝕變方解石帶發(fā)生大規(guī)模滲漏事件[9]；英國的馬丁瓷土露天礦坑的高嶺土化蝕變導(dǎo)致的巖體強(qiáng)度劣化和邊坡穩(wěn)定性問題[10-11]；同時(shí),還有大量工程由于蝕變削弱了巖體物理力學(xué)性質(zhì), 對工程建設(shè)產(chǎn)生很大影響。 如燈火寨隧道的粘土化蝕變[12]；滇藏鐵路部分隧道火成巖的蒙脫石化蝕變[13]等。

盡管大量工程遭遇粘土化蝕變的威脅, 但從工程地質(zhì)的角度對其形成機(jī)理、發(fā)育規(guī)律的研究依然很少[14-15]。然而,此研究對火成巖巖體特別是淺成、超淺成侵入體的工程特性和地質(zhì)問題的預(yù)測具有重要的理論和實(shí)際意義。 對金屬礦產(chǎn)資源的開采更加重要,這是由于很多金屬礦床的形成與巖漿活動及蝕變密切相關(guān), 正是這種巖漿活動使某些礦物產(chǎn)生蒙脫石化、 伊利石化、 高嶺石化蝕變,進(jìn)而造成巖石變質(zhì)、強(qiáng)度弱化；從而導(dǎo)致地面和地下工程開發(fā)中坍塌、突泥、底鼓、滑坡等一系列問題,給工程建設(shè)造成極大困難[16-17]。

本文以京臺高速公路八外洋隧道穿越花崗巖蝕變帶為例,結(jié)合其大變形的特征、工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場監(jiān)測及室內(nèi)試驗(yàn),分析八外洋隧道大變形的特征及形成機(jī)理。 其研究思路和方法可為今后類似地質(zhì)條件下的隧道工程提供參考和借鑒。

2 八外洋隧道

2.1 工程概況

2.1.1 項(xiàng)目概況

八外洋隧道位于建甌縣內(nèi),屬京臺高速公路,八外洋隧道是分離式雙洞雙車道高速公路隧道, 左洞ZK29+735～ZK30+437, 長702m； 右洞K29+700～K30+400,長700m；隧址區(qū)域的海拔高度為205～228m。

八外洋隧道地處隧址區(qū)地貌屬構(gòu)造剝蝕中低山區(qū),地形起伏較大,覆蓋層較厚。 其中,進(jìn)口段地形較陡峭,隧道埋設(shè)介于53～167m； 出口端地勢平緩, 山坡坡度10°～15°；地表植被茂盛,其中平坦地段被開發(fā)為稻田。

2.1.2 地質(zhì)條件

隧址區(qū)域地層巖性較復(fù)雜, 進(jìn)口段出露晚侏羅世的灰色凝灰?guī)r,局部夾凝灰質(zhì)粉砂巖和凝灰質(zhì)細(xì)砂巖。 凝灰?guī)r呈巨厚狀,凝灰結(jié)構(gòu),表面疏松、多孔、有粗糙感；凝灰質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖的厚度不均,介于0.2～3.2m。 出口段出露早白堊世侵入的花崗巖,淺粉色,中粒似斑狀花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造；巖體完整性差,節(jié)理裂隙發(fā)育,呈全-強(qiáng)風(fēng)化狀。后期侵入的花崗巖在樁號ZK145+376 處與凝灰?guī)r呈侵入接觸,具體如圖1 所示。 因花崗巖的侵入,凝灰?guī)r受高溫、高壓及熱液交代等影響, 接觸帶附近巖體呈明顯的蝕變特征,主要表現(xiàn)為絹云母化、粘土化。 強(qiáng)烈蝕變作用形成寬度為42m、深度大于80m 的陡傾蝕變帶,其中,蝕變帶中的軟弱蝕變巖的寬度約21m。

隧道洞頂?shù)陀诋?dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面。 出口段地形平緩,地表植被發(fā)育,多為稻田,常年有地表積水。地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀空隙裂隙水、基巖裂隙水。

圖1 八外洋隧道進(jìn)口段地質(zhì)縱斷面圖

2.1.3 施工概況

八外洋隧道采用新奧法設(shè)計(jì)及施工,鉆爆法開挖。 其中,發(fā)生大變形的V 級圍巖段采用挖機(jī)開挖,施工工法為單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD 法)。 開挖步序是左側(cè)上臺階先行開挖,并施做初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù),然后再開挖中臺階,臺階間距保持15m 以上；右導(dǎo)洞的上臺階同左導(dǎo)洞的中臺階保持15～20m 的間距； 右導(dǎo)洞的中臺階同上臺階保持15m以上的間距；左右導(dǎo)洞的下臺階均在施工仰拱是開挖；每循環(huán)開挖進(jìn)尺90cm,并在開挖后立即施做初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)。 其中豎向的臨時(shí)鋼支撐在仰拱施做后,圍巖變形穩(wěn)定48h 以上再拆除,每次拆除長度12m,為施做防水結(jié)構(gòu)和二襯施工提供工作面。

2.2 大變形

2017 年3 月10 日13:50, 八外洋隧道出口段左洞ZK145+365～ZK145+386 發(fā)生變形,在短短3 個(gè)小時(shí)內(nèi),隧道圍巖的變形持續(xù)增大, 最終拱頂沉降值達(dá)到1235mm,整個(gè)上部初支結(jié)構(gòu)侵入二襯限界達(dá)到1.05m。 發(fā)生變形的隧道段位于開挖掌子面后方35～56m 處。 基于大變形的發(fā)生過程和拱頂沉降時(shí)間變化曲線(圖2)來看,大變形發(fā)生前此段隧道的累計(jì)沉降量和沉降速率都很小, 遠(yuǎn)未達(dá)到40mm 的累計(jì)沉降預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。 大變形事故突然發(fā)生,1 天內(nèi)的累計(jì)變形達(dá)1200mm,并且圍巖顯著變形后逐漸趨于穩(wěn)定,變形量沒有繼續(xù)增大。從變形災(zāi)害的形態(tài)(圖3)可以看出,整個(gè)變形段上部初支結(jié)構(gòu)基本保持完好,甚至噴射混凝土都沒有脫落, 僅僅上下臺階連接處的鋼拱架被壓屈變形,噴射混凝土局部脫落(圖3)。盡管洞內(nèi)發(fā)生如此大的變形, 地表調(diào)查并未發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的地表發(fā)生塌陷,近發(fā)育2 條寬度約3～5cm、長度約30m 的裂縫,裂縫的走向垂直于隧道軸線方向。

圖2 拱頂沉降時(shí)間變化曲線

圖3 大變形破壞照片

2.3 變形特征

基于隧道大變形的形態(tài)及發(fā)展演化過程和地質(zhì)條件分析, 八外洋隧道的大變形不同于受掌子面時(shí)間及空間效應(yīng)控制的一般隧道變形,呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

2.3.1 大變形段隧道淺埋

大變形事故發(fā)生在隧道洞口段, 此段拱頂至地表的埋深僅為21m(圖1)。 基于太沙基和普氏理論計(jì)算隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的上覆土壓力較小。 從變形力學(xué)角度分析,在如此小的埋深及荷載下, 隧道所采用的開挖方法及支護(hù)措施完全能夠提供足夠的支護(hù)抗力抵抗隧道的變形,不至于引起如此突然的大變形。 因此,觸發(fā)隧道突然發(fā)生如此大變形導(dǎo)致力學(xué)平衡被打破的其它因素有待進(jìn)一步探討。

2.3.2 大變形的形態(tài)特殊

由圖2 可知,2017 年3 月10 日13:50 分前,隧道拱頂最大變形量為21.8mm,其累計(jì)變形量和變形速率均小于預(yù)警值,處于正常允許范圍內(nèi)。但突然發(fā)生的大變形,而且短時(shí)間內(nèi)整個(gè)上部支護(hù)結(jié)構(gòu)向隧道凈空內(nèi)收縮、變形,長度21m 的支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入二襯限界高達(dá)1.05m, 但變形并沒有一直發(fā)展,沒有引發(fā)坍塌,甚至上部初支結(jié)構(gòu)的噴射混凝土都沒有脫落； 而且開挖的掌子面距離大變形段達(dá)到35m, 大于2 倍洞徑的顯著影響區(qū)域, 掌子面開挖的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)導(dǎo)致的變形已經(jīng)微弱。 因此,八外洋隧道大變形的形態(tài)特征在與以往的隧道比較中也是罕見的[17-18]。

2.3.3 大變形段圍巖的構(gòu)成復(fù)雜

大變形段圍巖為土石混合體, 其巖土構(gòu)成主要為殘積土,土中的巖石碎塊約占總體積的40%,以碎裂狀、棱塊狀鑲嵌于粘土中,其粒徑介于5～25cm；而粘土成分呈砂土狀、泥狀,灰白色,松散、質(zhì)軟并富水,手搓具有明顯的滑膩感,具體如圖4 所示。隧道開挖后,粘土中夾雜的巖石碎塊易崩解脫落；松散的土易軟化成泥。粘土中夾雜的巖石碎塊表面呈泥狀、砂土狀；內(nèi)部相對較完整,呈礫石狀；但受粘土礦物影響、顆粒間膠結(jié)較差,強(qiáng)度較低,手捏即碎。

圖4 松散的巖土體

3 接觸帶附近巖體的特征

3.1 巖相及礦物特征

根據(jù)開挖揭示和地表補(bǔ)充勘探, 得出八外洋隧道大變形段的推測地質(zhì)縱斷面圖,如圖1 所示,沿著進(jìn)洞方向依次發(fā)育花崗巖、絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土、蒙脫石化粘土和凝灰?guī)r。 其中,絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土、蒙脫石化粘土均為接觸帶附近巖體蝕變的產(chǎn)物。而圍巖的大變形正好發(fā)生在高嶺土化粘土和蒙脫石化粘土發(fā)育地段。

巖相分析表明, 絹云母化花崗巖巖體呈半固結(jié)半松散狀,花崗結(jié)構(gòu)較清晰,結(jié)構(gòu)面很發(fā)育,巖體普遍強(qiáng)烈蝕變、完整性差、強(qiáng)度低。 隨著絹云母化蝕變程度加深,巖體由淺粉色逐漸過渡到灰白色。 絹云母由造巖礦物的鉀長石、斜長石和黑云母蝕變而來。絹云母化花崗巖的主要礦物成分如表1 所示,受礦物蝕變作用的影響,絹云母鈉長石化花崗巖的孔隙、裂隙更加發(fā)育,造巖礦物的顆粒粒徑普遍減小3～5mm,較未蝕變的花崗巖更加破碎、松散,強(qiáng)度更低。

通過對高嶺土化粘土的巖相分析發(fā)現(xiàn), 碎屑物質(zhì)主要為鉀長石(6%)和石英(10%)殘?bào)w,顯微鏡下兩者多被粘土礦物蝕變呈港灣狀；斜長石(4%)大部分蝕變?yōu)榘變舻恼惩? 但長石假象仍可辨識。 高嶺土化粘土中粒徑小于0.5cm 的泥、砂等碎屑物約占總體積的70%。 此碎屑物十分松散、軟弱,具有軟塑性、膨脹性和崩解性；隧道開挖后,遇水很快軟化、膨脹、崩解成泥。 此碎屑物由石英、粘土(55%)、絹云母(13%)、巖石碎屑等組成。 其中,石英顆粒多呈細(xì)粒、松散砂糖狀(原巖中石英粒度為0.5～4.0mm,泥化物中為0.2～0.5mm),含量約10%(原巖中為14% )。

通過對蒙脫石化粘土的巖相分析發(fā)現(xiàn), 碎屑物由粘土、巖石碎屑組成。 其中,粒徑小于0.5cm 的泥、砂等碎屑物約占總體積的85%。 蒙脫石化粘土的主要礦物成分見表1。 隧道開挖后,蒙脫石化粘土遇水很快軟化、膨脹、崩解成泥。

針對粘土礦物開展X 射線衍射和掃描電鏡分析,結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 土體的微觀照片

圖6 粘土的XRD 圖譜

圖5(a)的掃描電鏡測試結(jié)果可見,高嶺石晶體呈假六方片狀,厚度均勻,自形程度較好,晶片較大,顆粒5～10μm,其集合體緊密堆積呈書冊狀, 說明高嶺石具有較高的結(jié)晶度。 圖5(b)所示的蒙脫石化粘土的掃描電鏡測試結(jié)果顯示顆粒呈粒狀,顆粒大小不均,點(diǎn)接觸,孔隙發(fā)育,具架空結(jié)構(gòu)。

圖6(a)的衍射譜圖中,高嶺土呈現(xiàn)最強(qiáng)衍射峰值,石英和伊利石次之,長石類礦物以斜長石為主,未發(fā)現(xiàn)鉀長石,其它礦物的衍射均較??；XRD 測試結(jié)果表明高嶺土化粘土中高嶺土礦物是占主導(dǎo)的,其次是石英和伊利石。 圖6(b)所示的蒙脫石化粘土的衍射結(jié)果可以看出,粘土礦物中蒙脫石的衍射峰最強(qiáng),綠泥石次之,絹云母的衍射峰強(qiáng)度較弱,未發(fā)現(xiàn)石英、長石等造巖礦物。

綜合X 射線分析結(jié)果可以看出, 高嶺土化粘土的軟巖礦物主要為高嶺石、伊利石和絹云母；蒙脫石化粘土的礦物主要是蒙脫石、綠泥石。

表1 礦物成分鑒定結(jié)果

3.2 物理及水理特征

蝕變作用不僅改變巖石的礦物成分、 化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征,還改變巖石的物理、力學(xué)及水理特征。 巖土體的物理及水理特性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從花崗巖到蒙脫石化粘土,隨蝕變程度的加深,其含水率、孔隙度和吸水率(天然和飽和)均增大。 尤其是從絹云母化花崗巖到高嶺土化粘土,其變化更顯著。 如花崗巖的孔隙度為6.4%, 而其它蝕變巖的孔隙度依次為8.9%、14.7%、31.6%和32.1%。 其它物性指標(biāo)的變化情況與孔隙度相似。 巖土體孔隙度的逐漸增大,反應(yīng)原巖礦物在絹云母化和粘土化蝕變演化過程中,隨著孔隙、裂隙的生成或原有的孔隙、裂隙的擴(kuò)展、貫通,且蝕變強(qiáng)度的增加,其孔隙、裂隙等的數(shù)量逐漸增多。 與上述變化規(guī)律相反,巖土體的密度(天然和飽和)逐漸降低。

因此,從工程地質(zhì)角度分析,隨著蝕變的增強(qiáng),從花崗巖到蒙脫石化粘土,巖土體的物理性能逐漸劣化。

表2 所示的膨脹特性試驗(yàn)表明,絹云母化花崗巖、高嶺土化粘土和蒙脫石化粘土不但呈現(xiàn)很強(qiáng)的膨脹性,而且其側(cè)向約束膨脹率逐漸增大, 其值分別為124%、132%和144%。 從蝕變巖的演化和礦物成分角度分析,造成上述膨脹性能差異的主要原因是試樣中粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石)的種類及含量不同。 試樣浸水后,粘土礦物的吸水、含水率增加,造成結(jié)晶構(gòu)架因吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,更多的粘土礦物產(chǎn)生更大的膨脹應(yīng)力,且在初期膨脹劇烈。 因蒙脫石的吸水率較高嶺石的更大,所以初期反應(yīng)更劇烈。對于絹云母化花崗巖,不但粘土礦物少,而且大量粘土礦物填充在晶格內(nèi)部或分散在非粘土礦物顆粒之間,所以其與水的反應(yīng)更慢、膨脹應(yīng)力更小。

表2 巖土體的物理及水理特性

4 大變形機(jī)理分析

八外洋隧道發(fā)生大變形的區(qū)段為花崗巖與凝灰?guī)r的接觸帶。 晚期侵入的花崗巖巖漿同早期形成的凝灰?guī)r呈侵入接觸。 由于兩者間的溫度、壓力和礦物成分的差異,巖漿冷凝、結(jié)晶演化過程中,兩者之間的接觸帶附近發(fā)生強(qiáng)烈的侵染和蝕變, 在花崗巖側(cè)發(fā)育帶狀絹云母化花崗巖和高嶺土化粘土；在凝灰?guī)r側(cè)發(fā)育帶狀蒙脫石化粘土。蝕變不但導(dǎo)致原巖中的長石、 石英等堅(jiān)硬的造巖礦物大幅減少,生成了大量的高嶺土、蒙脫石、伊利石、絹云母等軟巖礦物；而且導(dǎo)致殘留的造巖礦物顆粒更細(xì)小、顆粒之間的聯(lián)結(jié)更弱,孔隙、裂隙更加發(fā)育擴(kuò)大。

同時(shí),粘土帶中大量發(fā)育的蒙脫石、高嶺土等軟巖礦物,不但導(dǎo)致其孔隙度、含水量等物理特性顯著劣化,而且也導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的膨脹性。

正是由于粘土帶中親水性較強(qiáng)的蒙脫石、高嶺土、伊利石等膨脹性粘土礦物的存在,當(dāng)隧道開挖通過后,形成地下臨空通道, 不但導(dǎo)致蝕變帶內(nèi)原有的物質(zhì)和力學(xué)平衡被瞬間打破, 導(dǎo)致開挖輪廓線附近圍巖發(fā)生初始的變形；而且由于地下水的排泄和大氣降水的補(bǔ)給,導(dǎo)致預(yù)留圍巖先后經(jīng)歷浸水-開挖后失水-大氣降水的再次補(bǔ)給。應(yīng)力的調(diào)整和地下水的排泄-補(bǔ)給誘發(fā)親水性膨脹粘土的膨脹、崩解。 同時(shí),開挖輪廓線附近預(yù)留圍巖的膨脹加劇圍巖的變形,進(jìn)一步加速地下水的排泄,不但降低圍巖間的內(nèi)聚力、摩擦力,而且地下水的滲透力也持續(xù)增大。開挖輪廓線附近圍巖的變形和膨脹誘使隧道周邊更大范圍的圍巖變形, 進(jìn)而導(dǎo)致作用在初支結(jié)構(gòu)上的土壓力持續(xù)增加。 當(dāng)作用在初支結(jié)構(gòu)上的土壓力和膨脹力大于支護(hù)結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的支護(hù)抗力時(shí), 圍巖的大變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞在很短時(shí)間內(nèi)被誘發(fā),直至膨脹力被釋放,支護(hù)結(jié)構(gòu)同圍巖間達(dá)到新的力學(xué)平衡,變形才逐漸趨于停止。

5 結(jié)論

(1)從隧道大變形的發(fā)生及演變過程分析,大變形事故發(fā)生在隧道洞口的淺埋段,而且變形形態(tài)特殊,在整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)完好的情況下突然發(fā)生整體沉陷, 并且1 天內(nèi)的累計(jì)沉降量達(dá)到1200mm,此后,變形逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)淺埋的八外洋隧道發(fā)生的大變形的機(jī)理是：大變形發(fā)生在花崗巖接觸帶, 由于接觸帶附近特殊的巖漿演化和成巖過程,導(dǎo)致此區(qū)域發(fā)育大量高嶺土、蒙脫石等親水性的軟巖礦物。 大量親水性的軟巖礦物的存在不但為大變形的發(fā)展提供物質(zhì)條件；而且導(dǎo)致圍巖的物理、水理特征顯著劣化。 同時(shí),由于隧道的開挖擾動、應(yīng)力重分布和圍巖的初始變形, 導(dǎo)致預(yù)留圍巖先后經(jīng)歷浸水-失水-浸水的過程,此過程不但誘使親水性軟巖礦物的膨脹；還導(dǎo)致更大范圍圍巖的變形和作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力超過其承載能力。 因此,八外洋隧道大變形機(jī)理同大變形發(fā)生、演化的過程完全吻合。

(3)晚期侵入的巖漿巖同早期成巖的不同巖性的接觸帶, 由于蝕變作用導(dǎo)致接觸帶附近的形成各種類型的蝕變巖。 因此,今后的設(shè)計(jì)施工中應(yīng)重視辨識蝕變作用、蝕變強(qiáng)度,尤其是易于誘發(fā)大變形、突泥等地質(zhì)災(zāi)害的高嶺土、蒙脫石等親水性軟巖礦物的辨識。