第八届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会

第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會2009年11月台北B14-1地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中的應用研究的應用研究的應用研究的應用研究郭啟良1錢衛平2張彥山11中國地震局地殼應力研究所北京2鐵道第一勘察設計院西安一一一一、、、、引言引言引言引言在公路、鐵路、水利水電、礦產資源開發及核廢料深部地質處置等各類地質工程建設中，地下空間開挖規模與埋深均越來越大。諸如近年將開工建設的泛亞鐵路雲南國際通道穿越高黎貢山的單條隧道長達近35km，最大埋深愈1000m。特別是在雲南、四川、廣西等地區的交通建設工程，受崇山峻嶺的地形條件和環境的制約，使得大多線路上的長大深埋隧道眾多，個別線路的隧道總長甚至占到全線長度的一半以上。隨著洞室工程埋深愈益增大，隧道圍岩穩定性的一系列岩體力學問題日益突出。圍岩的大變形、片幫甚至岩爆地質災害成為影響工程建設順利進行的主要工程地質問題。地殼岩層處在地殼應力場的作用下，而且地殼應力的作用向地殼深部漸趨增強，因此深埋洞室圍岩承受著較強的地應力作用。在地殼應力作用強烈的環境下，在洞壁圍岩岩性堅硬、結構完整的洞段，易於積累大量彈性應變能，往往表現為脆性破壞，導致洞壁圍岩剝落、片幫甚至岩爆破壞。而在諸如千枚岩、葉岩、斷層破碎帶等軟弱岩層洞段，因其自身不具備抗禦該作用力相應的岩性條件，大多表現為變形破壞，甚至產生流變大變形。工程建設的實踐表明，流變大變形是比岩爆更難以治理的地質災害，對工程建設的影響更為嚴重。針對深部地質工程中岩體力學的若干科學問題，國內外學者分別進行了探討研究[1～3]。對於深埋洞室而言，無論是軟弱岩層的變形破壞，還是堅硬岩層的片幫甚至岩爆，究其根本原因還是地殼岩層中的作用力超過其抗載強度，以致其失穩變形。因此，深埋洞室圍岩穩定與否的決定因素是圍岩的原地應力作用狀況。郭啟良等對於深埋洞室圍岩應力狀態的測量曾進行了分析與評價[4]，Z.Langof對世界上一些地下洞室的圍岩應力分佈特徵進行了總結研究[5]，尤其是對於軟岩隧道圍岩的變形機制、流變特徵等學多學者相繼從不同側面進行了探討研究[6－8]。事實上，在較為強烈的地應力場的作用下，深埋洞室軟弱圍岩的失穩變形直至破壞是一個漸進的變化過程，它反映了軟弱岩層的流變特徵。在國內外的隧道工程建設中，遭遇到圍岩大變形的情況較多，如奧地利的陶恩隧道（Tanern）及阿而貝格隧道（Arlberg）,日本的惠那山隧道（Enason），國內的家竹箐隧道和大寨嶺隧道等。這些隧道的共同特點是地應力作用顯著，圍岩軟弱，變形大且持續時間較郭啓良等人地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中的應用研究B14-2長。現已建成運營的蘭州－武威複綫烏稍嶺長大深埋隧道，在隧道開挖過程中出現了典型的流變大變形，並迫使工程一度停工。本文僅就圍岩流變大變形與原地應力的關係，以及採取的治理措施做一簡介。二二二二、、、、烏鞘嶺隧道地質構造概況烏鞘嶺隧道地質構造概況烏鞘嶺隧道地質構造概況烏鞘嶺隧道地質構造概況蘭武鐵路烏稍嶺隧道位於祁連山東麓，橫跨甘肅古浪、天祝兩縣。隧道設計為兩條並行單線形式，線間距40m，隧道長度均為20050m，最大埋深近1100m。隧道穿過的岩層主要為第三系泥岩、砂岩夾礫岩、白堊系砂岩、礫岩夾泥岩、三疊系砂岩、葉岩夾薄煤層、志留系板岩、千枚岩、變質砂岩、奧陶系安山岩及斷層構造岩帶等。就總體而言，全洞段大部分岩層單軸抗壓強度不高，其中尤以斷層破碎帶岩層最為軟弱。該隧道所在的大地構造單元為祁連山褶皺系，區域斷裂發育，地質構造複雜。隧道洞身穿越的主要區域性斷裂構造就達4條（圖1），斷裂帶寬度合計長達1587m。近代以來活動性較強、對工程影響較大的3條斷裂構造的主要特徵為：圖1烏鞘嶺深埋長隧道地質構造縱剖面示意圖毛毛山南緣斷裂（F4），該斷裂走向近東西，傾向北，傾角40°~60°，為逆斷層。隧道於DK170+300~170+750穿過該斷層帶，斷層帶出露寬度達450m，主要由斷層泥礫、碎裂岩組成。斷層帶岩性鬆散破碎。該斷層帶地貌表現明顯，衛片線性影像清晰，延伸長約80km。斷層兩側的地貌與地層岩性差異顯著，斷層南側為低高山及梁狀丘陵區，地形相對平緩，出露地層為三疊系砂岩夾葉岩，而斷層北側為中高山，地形陡峭，出露地層為奧陶系安山岩。該斷裂為一條早、中更新世的活動斷裂帶。大柳樹溝—黑馬圈河斷層（F5）：該斷裂帶走向北西西，傾向南，傾角70°左右，為逆斷層。隧道於DK171+160~DK171+300穿過該斷層帶，破碎帶出露寬度80~260m，地表延伸長度大於60km。斷層帶兩側出露地層分別為奧陶系安山岩與三疊系砂岩夾葉岩，是一條晚更新世活動斷裂帶。毛毛山—老虎山斷層（F7）：該斷裂帶走向北西西，傾向南，傾角70°。隧道於DK177+050~DK177+835穿過該斷裂帶，斷層破碎帶出露寬達785m。斷裂第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會2009年11月台北B14-3南側出露的地層為志留系板岩及加里東晚期閃長岩。其北側出露的地層為白堊系砂礫岩夾泥岩。該斷裂帶現代活動性較強，規模較大，地面延伸長達174km，歷史上沿之發生多次地震事件，是一條全新世活動斷裂帶。工程區的現代構造斷裂活動特徵表現為以左旋走滑為主，地貌上表現為沿斷裂一系列的山脊、沖溝左旋斷錯，形成一些斷層陡坎，沿斷層帶有較清晰的古地震形變痕跡。由活動斷裂構造的空間展布及活動特徵，以及現代強震震源機制解，說明工程區現代構造應力場的主壓應力方向為北東向。三三三三、、、、隧道圍岩的變形特徵隧道圍岩的變形特徵隧道圍岩的變形特徵隧道圍岩的變形特徵烏鞘嶺長大深埋隧道工程艱巨，且工期緊迫。為確保隧道按期貫通，採取了長隧短打施工措施，即沿隧道設置多個斜井，在多個掘進段分別同時施工。採用鑽爆法掘進。烏鞘嶺隧道穿越的地層岩性及地質構造均較複雜，不僅穿越千枚岩夾板岩、泥岩、葉岩、斷層角礫及壓碎岩等軟弱岩層，而且穿越全新世活動斷層帶。隧道圍岩的變形、流變大變形均發生在千枚岩和斷層破碎帶洞段，其中在F7斷層帶洞段的流變大變形最為強烈，在岩層結構較為完整，岩性堅硬的砂岩、礫岩洞段則基本穩定，沒有發生明顯的變形。3.1F7斷層破碎帶圍岩的流變大變形斷層破碎帶圍岩的流變大變形斷層破碎帶圍岩的流變大變形斷層破碎帶圍岩的流變大變形該斷裂帶的現代活動性較強，斷層帶岩層破碎。為防止該洞段圍岩的變形破壞，採用受力較好的圓形斷面和複合式襯砌，並預留變形量10cm。全斷面噴C20濕噴混凝土20cm，拱角設ф8單層鋼筋網，網格間距為200cm×200cm，拱牆設置R32N自進式注漿系統錨杆，長4.0m，環向間距0.8m，全斷面設1.5m榀格柵鋼架；二次襯砌採用C25防水鋼筋混凝土，抗滲等級不小於P8，厚度為50cm。儘管採取了上述預防措施，但在該斷層帶洞段還是發生了最為強烈的流變，使得初期支護被破壞，格柵鋼架甚至型鋼亦被嚴重扭曲變形或剪斷。為把握圍岩變形發展趨勢，掌握變形規律，在隧道的不同變形洞段、在同一斷面的不同位置，分別佈設了圍岩變形監測點進行連續監測。圖2是F7斷層段圍岩變形的監測記錄類比曲線，其中每個監測點都同時監測洞壁的水準位移和拱頂的垂直變化。由圖可見，左線隧道拱頂最大下沉達1053mm，一般為500~600mm，右線的拱頂最大下沉為227mm，一般為100~200mm。左線隧道的水準收斂變形最大值為1034mm(DK177+590測點)，一般為700mm，右線的收斂變形一般為300~400mm。郭啓良等人地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中的應用研究B14-40200400600800020406080时间/d变形/mm右拱左平左拱右平020040060080010001200020406080时间/d变形/mm右拱左平左拱右平AK177+610監測點BDK177+510監測點圖2F7斷層帶洞段形變監測記錄曲線監測結果的分析表明，該洞段隧道變形的特徵為：超前掘進的左線隧道比右線隧道的變形強烈得多，且在上半斷面開挖施做初期支護後，初始的收斂變形相對較小，而拱頂下沉顯著。此後收斂速率加劇，直至第10d左右初期支護出現明顯變形，混凝土剝落，型鋼開始扭曲。在下半斷面及仰拱開挖後，左右線洞壁圍岩的變形速率明顯加快，變形值明顯增大；洞壁圍岩的變形隨時間的推移未見明顯減小，表現為持續變形不收斂，使初期支護嚴重變形，鋼拱架扭曲，噴層開裂、剝落、掉塊，仰拱施做封閉成環後，變形速率有所緩和，但收斂趨勢仍不明顯。3.2千枚岩夾板岩洞段圍岩的流變大變形千枚岩夾板岩洞段圍岩的流變大變形千枚岩夾板岩洞段圍岩的流變大變形千枚岩夾板岩洞段圍岩的流變大變形烏鞘嶺隧道在YDK175+230~+450洞段為千枚岩夾板岩地層，在此隧道埋深約為1000m，開挖斷面為橢圓形。該洞段圍岩變形嚴重，施做的初期支護也發生了大變形。圍岩的強烈變形使得架於拱角部位的長6m、直徑為219mm的鋼管橫撐嚴重扭曲變形，以致被擠壓成三角形狀（圖3），拱頂間距3榀/2m的I20型鋼拱架支撐也發生扭曲變形，局部已施做的50cm厚的鋼筋混凝土襯砌發生開裂現象。多個變形觀測斷面的資料表明，隧道開挖後27天邊牆的最大收斂變形為690mm，收斂速率達26mm/d。卿三惠等對該隧道變形破壞的分析表明，當變形量達到150～250mm時，拱頂噴射混凝土開始出現微裂紋；當變形量達到250～350mm時，拱部噴射混凝土開始出現龜裂；當變形量達到350～450mm時，拱部噴射混凝土開始出現局部掉塊；當變形量達到450～600mm時，工字鋼架開始變形，繼續發展將發生塌方[9]。第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會2009年11月台北B14-5圖3鋼管橫撐扭曲變形綜上所述，烏鞘嶺長大深埋隧道圍岩的變形強度大，持續時間長，屬較為典型的軟弱岩層流變大變形。四四四四、、、、隧道圍岩變形的地應力研究隧道圍岩變形的地應力研究隧道圍岩變形的地應力研究隧道圍岩變形的地應力研究4.1洞壁圍岩應力狀態的測量與分析洞壁圍岩應力狀態的測量與分析洞壁圍岩應力狀態的測量與分析洞壁圍岩應力狀態的測量與分析為了弄清圍岩的原地應力狀態，為變形防治提供依據，在該隧道岩層相對較完整的洞段分別佈置了兩組水壓致裂三維應力測量和一個垂直鑽孔的水壓致裂平面應力測量工作，獲得了翔實的可靠測試成果。水壓致裂三維應力測量是在同一測點三個不同方向的鑽孔中分別測量各個不同方向上的應力分量，由此計算求得三維原地應力狀態[10-11]。各測點的鑽孔深度均為約30m。1#位於隧道YDK169+800處，測點埋深約514m，測點岩性為淺黑色粉砂岩、葉岩及砂岩。2#點位於隧道DK170+100處，該測點的埋深為527m，測點岩性為灰白色砂岩及粉砂岩，岩石完整堅硬。表1為兩測點的測量成果。表1三維應力計算結果σ1σ2σ3測點編號量值/MPa方位/(°)仰角/(°)傾向量值/MPa方位/(°)仰角/(°)傾向量值/MPa方位/(°)仰角/(°)傾向σXσYσZτXYτYZτXZ1#19.4624378NEE16.26229SSW7.561337NW14.969.1519.19－3.16－1.59－0.152＃22.21221SSW20.7328486SEE10.811124NWW20.5712.4920.69－3.99－0.61－0.26郭啓良等人地應力測量在烏鞘嶺深埋隧道圍岩變形防治中的應用研究B14-63#點是隧道內單一垂直孔的平面應力測量。該測點埋深為835m，岩性為黑色板岩，岩心較為完整。圖4孔水壓致裂應力測量的原始記錄曲線。由圖可見，該孔各測段水壓致裂應力測量的曲線形態都較為標準、典型，各個特徵壓力記錄參數都較為確切，各次重複測量的結果亦較吻合，因此其測試成果較為可靠，表2是該測點的具體測量結果。為了將之與上覆重力做一比較，表中同時給出了各相應測段深度上垂直主應力的計算結果。表23#水壓致裂應力測量結果主應力值(MPa)測段深度(m)SH