滇西北多噴發(fā)旋回噴出巖類隧道大變形分析評(píng)價(jià)

杜飛翔，趙華祥，王洪兵，楊情兵

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求也逐漸提升，特別是隧道方面的建設(shè)。隧道建設(shè)中又以鐵路隧道項(xiàng)目、公路隧道項(xiàng)目的占比增速最快，而施工中隧道發(fā)生變形會(huì)使隧道施工、運(yùn)營(yíng)存在一定的安全隱患；云南滇西北地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，特別是多噴發(fā)旋回噴出巖地區(qū)受噴發(fā)周期短、噴發(fā)中心位置距離近等因素影響，該類地區(qū)隧道工程極易出現(xiàn)大變形，所以做好滇西北多噴發(fā)旋回噴出巖類區(qū)隧道變形的分析與評(píng)價(jià)對(duì)該地區(qū)隧道工程而言是十分重要的。

1 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

隧道工程中出現(xiàn)圍巖大變形災(zāi)害的事例屢見(jiàn)不鮮，給工程建設(shè)帶來(lái)重大安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。自20世紀(jì)初新普倫隧道線首次發(fā)生嚴(yán)重的圍巖大變形以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道圍巖大變形問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作并取得了豐富的研究成果，即便學(xué)者從不同角度、采用多種指標(biāo)對(duì)圍巖大變形進(jìn)行了定義、界定及分級(jí)，但在大變形發(fā)生機(jī)理和分級(jí)方法方面尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[1]。眾多工程實(shí)例表明，圍巖大變形常發(fā)生在斷層破碎帶、低級(jí)變質(zhì)巖及煤系地層等低強(qiáng)度軟弱圍巖中，是高地應(yīng)力條件下圍巖極端變形、破壞的典型體現(xiàn)，其孕育發(fā)生受地應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、水文條件和動(dòng)力擾動(dòng)等因素影響。值得注意的是，無(wú)論是圍巖本身的巖性與結(jié)構(gòu)特征，還是高地應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)條件、水文條件等圍巖大變形發(fā)生的關(guān)鍵控制因素，均與隧道周圍的構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切。此外，圍巖大變形具有累進(jìn)性發(fā)展、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形速度快等特征，其本質(zhì)動(dòng)力源于造山運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造應(yīng)力?？梢哉f(shuō)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制的地應(yīng)力分布、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素是驅(qū)動(dòng)隧道圍巖大變形的根本條件。

2 滇西北地區(qū)噴出巖類地質(zhì)狀況及其對(duì)隧道變形的影響

滇西北區(qū)玄武巖屬于基性海底火山噴發(fā)巖，根據(jù)玄武巖的巖石成分、結(jié)構(gòu)和沉積巖夾層，劃分多個(gè)噴發(fā)旋回巖性段。開(kāi)始時(shí)的噴發(fā)中心在金沙江河谷一帶，噴發(fā)規(guī)模較小，部分地方缺失第一噴發(fā)旋回；玄武巖中期是噴發(fā)的高峰，噴發(fā)物撒布全區(qū)；至后期玄武巖第三段以后，噴發(fā)中心西移至文筆峰、團(tuán)山一帶，噴發(fā)間隙增多，有較多的凝灰?guī)r等夾層。

經(jīng)過(guò)綜合地質(zhì)分析，到Ⅲ旋回晚期，噴發(fā)間隙漸趨頻繁。到黑泥哨期噴溢活動(dòng)具有裂隙噴發(fā)的特點(diǎn)，可能受麗江—小金河斷裂構(gòu)造的控制，玄武巖的硅化、碳酸鹽化或沿前期已固結(jié)的玄武巖裂隙侵入。

華坪至麗江高速公路地處云貴高原西緣及西北緣，總體地勢(shì)為北高南低，文筆山隧道隧址區(qū)位于麗江玉龍縣黃山鎮(zhèn)與拉市鎮(zhèn)之間的橫斷山脈，穿越麗江盆地與拉市海盆地間的高地，入口距麗江市中心10 km，出口距拉市鎮(zhèn)約4 km，屬橫斷山脈及橫斷山脈與滇西北高原接壤地帶。該段路線區(qū)域位于揚(yáng)子亞板塊之鹽源—麗江陸緣拗陷帶，處于北東向構(gòu)造體系的麗江—?jiǎng)Υ〝嗔雅c麗江—寧蒗斷裂之間。調(diào)查區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺與斷裂發(fā)育成熟，線路經(jīng)過(guò)的范圍主要有寧蒗沉降帶、金沙區(qū)隆起區(qū)、鳴音沉降帶及玉龍雪山隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造體系有旋扭構(gòu)造體系、北東向構(gòu)造體系、經(jīng)向構(gòu)造體系、歹字型構(gòu)造體系。隧道位于北東向構(gòu)造帶之麗江—金棉北東向構(gòu)造區(qū)北西側(cè)，隧道范圍內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育。

隧道區(qū)海拔高程介于2530～2820 m，相對(duì)高差約290 m，屬構(gòu)造低中山剝蝕地貌區(qū)，隧道洞身地段地形起伏較大，地表植被發(fā)育較好，喬木、灌木茂密，基巖出露一般。隧道入口位于玉龍縣魯拿吉村以西約1.4 km中低山區(qū)，植被較好，無(wú)路可達(dá)，交通極為不便；出口位于老城以東約900 m，植被一般，有土質(zhì)便道可達(dá)附近，但距洞口較遠(yuǎn)，交通條件差。

隧道區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為地殼抬升及地震活動(dòng)，斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育。因此，隧道所處區(qū)域穩(wěn)定性較差，需加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)。隧道區(qū)域下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β）玄武巖夾凝灰?guī)r，地表出露巖石節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，全強(qiáng)風(fēng)化。路線附近測(cè)得巖石節(jié)理產(chǎn)狀有340°∠35°、280°∠85°、270°∠81°、150°∠71°、145°∠85°、170°∠40°、170°∠65°、255°∠170°、175°∠62°等。

文筆山隧道玄武巖屬于玄武巖組上段，主要為致密狀、杏仁狀玄武巖，少量斜斑玄武巖和安山巖，夾較多的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)頁(yè)巖，具清楚的旋回性。

隧道區(qū)的地層巖性主要為玄武巖、斜斑玄武巖、橄斑玄武巖及薄層凝灰?guī)r，間淺侵入硅化玄武巖、硅化砂巖及泥巖等。由于該區(qū)域多個(gè)噴發(fā)旋回的特性，夾層的凝灰?guī)r分布不均，空間上分布也無(wú)規(guī)律性，加上淺侵入巖體侵入的無(wú)規(guī)律性，造成隧道巖體時(shí)好時(shí)壞，軟硬不均，是隧道出現(xiàn)變形的主要原因。

隧道受附近麗江—小金河斷裂的影響，隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，層間構(gòu)造作用明顯，巖體破碎，隧道開(kāi)挖后，隧道拱頂和邊墻可能出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體，塊體位移可引起隧道開(kāi)裂變形。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用影響，是隧道出現(xiàn)變形的一大原因。

根據(jù)隧道鉆孔地應(yīng)力測(cè)試成果，區(qū)內(nèi)的最大水平主應(yīng)力為2.85 MPa～8.78 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E10°，與隧道軸線方向近垂直，可能局部地段存在偏壓情況，對(duì)隧道邊墻穩(wěn)定性不利，是導(dǎo)致隧道出現(xiàn)變形的又一原因。文筆山隧道進(jìn)口、出口掌子面地質(zhì)條件分別如圖1、圖2所示。

圖1 隧道進(jìn)口掌子面地質(zhì)條件

圖2 隧道出口掌子面地質(zhì)條件

3 分析玄武巖和凝灰?guī)r特性

玄武巖特性：玄武巖就是一類基性出巖，其化學(xué)成分與輝巖有很大的相似之處，SiO2含量在45%～52%，其中K2O+Na2O的含量比侵入巖更高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO的含量比侵入巖低[2]。其所含的成分由基性長(zhǎng)石與輝石構(gòu)成，次要的礦物質(zhì)包含橄欖石、角閃石和黑云母等。巖石都是暗色，通常情況下是黑色，有的時(shí)候使灰綠色和暗紫色。其結(jié)構(gòu)為斑狀，氣孔結(jié)構(gòu)與杏仁結(jié)構(gòu)十分普遍。玄武巖體積的密度是2.8～3.3 g/cm3，致密者壓強(qiáng)較大，能夠達(dá)到300 MPa，有的時(shí)候會(huì)變高，導(dǎo)致玻璃質(zhì)和氣孔強(qiáng)度有一定程度上的降低。

凝灰?guī)r的特性：凝灰?guī)r屬于火山噴出地表，顆粒十分細(xì)，掉落地表的火山灰堆積形成巖的產(chǎn)物，一般以中酸為主體。顏色主要為白色，凝灰構(gòu)造，形狀構(gòu)造[3]。晶屑含量要小于10%，晶屑所含的礦物是石英、長(zhǎng)石和少量的暗色礦物。玻屑含量是3%～10%，玻璃質(zhì)。凝灰質(zhì)膠結(jié)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石很堅(jiān)硬，厚層狀，通常分布于火山口地區(qū)。熔結(jié)凝灰?guī)r：晶屑特點(diǎn)是深灰色，巖石堅(jiān)硬。

4 對(duì)隧道變形提出針對(duì)性地解決措施

隧道發(fā)生變形以后，需要采取以下措施：①要實(shí)施臨時(shí)支頂，同時(shí)在下方打泄水孔泄水，避免出現(xiàn)塌方，鉆孔以后進(jìn)行注漿凝結(jié)。②實(shí)施永久支頂提高抗力。③解決大面積侵入的問(wèn)題。④對(duì)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的裂縫兩邊將錨桿鎖起，按照?qǐng)龅刂械木唧w狀況鑿出梯形槽，運(yùn)用噴混凝土的方法噴瓶[4]。

4.1 臨時(shí)支撐

針對(duì)隧道變形的位置應(yīng)該運(yùn)用鋼和木支撐臨時(shí)的酯頂，有斜撐、豎撐以及橫撐。在臨時(shí)支撐的效果下，針對(duì)變形位置的下部要展開(kāi)打孔泄水，之后在背后實(shí)施雙液和單液注漿固結(jié)。

4.2 永久支撐

針對(duì)侵限小而且面積大的位置應(yīng)該展開(kāi)鑿除以后由一邊的臨時(shí)支頂，一邊在原本支撐下套好鋼支撐提高抗力。

4.3 隧道變形支護(hù)措施

在隧道變形大、侵線多、難以鑿除的位置，應(yīng)用更換原本支護(hù)的拱和邊墻的策略解決，更換過(guò)程中由一端或者間隔的多個(gè)鋼支撐進(jìn)行拆換，所有拆換中能夠更換成I20型的鋼支撐，部分位置要保持原本支撐，之后噴混凝土到設(shè)計(jì)的斷面就可以。

（1）提高支護(hù)拱架的質(zhì)量。在拱架加工中，應(yīng)該放出大樣，讓彎制的弧形滿足設(shè)計(jì)的需要，連接位置法蘭盤平面方向在法線位置上方，讓安裝以后的法蘭盤緊密貼合，連接螺栓以后擰緊。

（2）解決變形的步驟。①首先運(yùn)用鋼或者木支撐展開(kāi)臨時(shí)支頂。②打泄水孔。③鉆孔向背后壓鑄雙液漿或者單液漿。④在一端鑿除侵根位置或者更換原本支的鋼支撐，噴混凝土到原本設(shè)計(jì)斷面。⑤針對(duì)沒(méi)有發(fā)展良好的裂縫，在縫的兩端將錨桿打好，按照?qǐng)龅鼐唧w狀況鑿倒梯形槽，運(yùn)用噴混凝土的方法噴平。⑥在一端一直掛好防水板，在原本支撐外套加鋼支撐進(jìn)一步增強(qiáng)。⑦檢驗(yàn)防水板同時(shí)修補(bǔ)。⑧扎筋，澆筑混凝土進(jìn)行襯砌。

4.4 向前持續(xù)施工要注重的問(wèn)題

確保施工持續(xù)進(jìn)行需要重視以下5方面：①施工前按施工設(shè)計(jì)圖中對(duì)工程開(kāi)挖安全距離的要求，拉開(kāi)相應(yīng)的安全距離后才能開(kāi)工。②為了避免大變形持續(xù)發(fā)生，坑道開(kāi)挖運(yùn)用光面爆破，達(dá)到穿淺孔、密布眼、少裝藥、放小炮。③確保初始施工是確保不變形的前提。拱架支撐策略蘭盤安裝應(yīng)該僅僅貼在螺栓上擰緊，噴混凝土厚度要達(dá)到統(tǒng)一，不應(yīng)存在空鼓脫落的情況。④由于迅速形成支護(hù)及長(zhǎng)久襯砌閉合結(jié)構(gòu)對(duì)安全有利，中壁法開(kāi)挖中應(yīng)結(jié)合臺(tái)階的分布情況，確保一炮一噴，并使用封閉開(kāi)挖面以確保圍巖更加穩(wěn)定。⑤臺(tái)階開(kāi)挖的時(shí)候拱腳應(yīng)該墊實(shí)更為穩(wěn)定，即便無(wú)法放置在松土中，也不會(huì)出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，因此應(yīng)該根據(jù)要求施加鎖腳錨桿。朝下接拱架的時(shí)候1到2榀不要太長(zhǎng)，避免拱架腳懸空過(guò)多導(dǎo)致降低變形和坍塌。

5 施工流程要點(diǎn)

①臨時(shí)支撐應(yīng)該牢固同時(shí)用木楔打緊。②將泄水孔實(shí)施以后，對(duì)出水大的孔要埋管處理引到排水溝。③壓漿的時(shí)候要看臨支護(hù)的變化，看到具體問(wèn)題同時(shí)處理。④在開(kāi)始更換的時(shí)候支鋼支撐中應(yīng)該在一段或者間隔的一端積極處理。⑤在加套鋼支撐增強(qiáng)中，要注重和原本支護(hù)的緊密貼合。⑥實(shí)施原支撐外套拱架以后，要做到認(rèn)真檢查防水板的破壞情況，對(duì)損壞的防水板無(wú)關(guān)大小，都要進(jìn)行修補(bǔ)，保證修補(bǔ)的質(zhì)量。⑦因?yàn)榧犹卒撝巫屢r砌內(nèi)部的鋼筋不能夠長(zhǎng)時(shí)間存放，內(nèi)部鋼筋要根據(jù)加套拱架距離斷開(kāi)，同時(shí)實(shí)施在加套拱架上。⑧變形階段的襯砌應(yīng)該在開(kāi)始支撐變形到穩(wěn)定以后制作成環(huán)。當(dāng)前襯砌實(shí)施時(shí)間方面出現(xiàn)錯(cuò)誤，覺(jué)得變形時(shí)期盡力實(shí)施襯砌就更為安全。⑨變形部分不斷向前挖掘的策略和步驟。隧道向前掘進(jìn)的時(shí)候要運(yùn)用小導(dǎo)管超前視乎同時(shí)注漿，同時(shí)將開(kāi)始的支護(hù)鋼支撐變成I20型鋼，縱向上的距離要縮小至0.5～0.85 m，開(kāi)挖要運(yùn)用分部開(kāi)挖方法，選擇臺(tái)階開(kāi)挖方法做好臨時(shí)仰拱。若是臺(tái)階位置用開(kāi)挖法完成以后拱腰之上的變形依然較大，能夠運(yùn)用中壁法進(jìn)行開(kāi)挖。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了國(guó)內(nèi)外隧道變形研究的現(xiàn)狀，針對(duì)滇西北地區(qū)噴出巖類地質(zhì)狀況以及對(duì)隧道變形的影響，闡述了玄武巖和凝灰?guī)r的性質(zhì)。滇西北地區(qū)多噴發(fā)旋回噴出巖類軟硬不均，分布無(wú)規(guī)律的特性，受滇西北地區(qū)構(gòu)造影響，地應(yīng)力大小分布不均的特性。針對(duì)上述特性，對(duì)隧道變形采取的有效支護(hù)和支撐的措施可以有效解決隧道變形問(wèn)題。