工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1574-1584   (5033 KB)    
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  • 收稿日期:2017-07-03
  • 收到修改稿日期:2018-01-13
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    尚彦军
    庞文利
    王开洋
    李坤
    褚建国

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    尚彦军, 庞文利, 王开洋, 等. 2018. 太古代片麻状花岗岩浅埋隧道变形破坏及地面塌陷分析——以集宁隧道为例[J]. 工程地质学报, 26(6): 1574-1584. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-320.
    SHANG Yanjun, PANG Wenli, WANG Kaiyang, et al. 2018. Deformation damage of shallow tunnels and cave-induced ground collapse in archeozoic gneissic granites-the Jining Tunnel as case example[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1574-1584. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-320.

    太古代片麻状花岗岩浅埋隧道变形破坏及地面塌陷分析——以集宁隧道为例
    尚彦军①②, 庞文利, 王开洋, 李坤①②, 褚建国    
    ① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
    ② 中国科学院地球科学研究院 北京 100029;
    ③ 中铁六局集团有限公司 北京 100036;
    ④ 云南省交通规划设计研究院 昆明 650041
    摘要:浅表古老花岗中浅埋隧道常处于拉张应力状态而拱顶下沉,波及地表产生地面塌陷,影响工程稳定及人员安全。以集宁隧道为例,采用工程地质调查、室内力学试验、围岩稳定计算相结合的方法,从太古代集宁片麻状花岗岩风化壳分带、岩体结构控制和岩体质量分级方面研究围岩变形破坏特征。花岗岩中-微风化特性、大部分隧道位于地下水位以下,节理裂隙夹泥,变形破坏以多组节理切割下块体掉落和塌方为主要形式。在花岗岩古风化壳与上第三系泥岩交界处出现差异变形和不均匀沉降。浅埋隧道段塌方发展到地表形成4个长轴与隧道轴线一致的椭圆形塌陷坑。现场应力监测结果显示顶拱接触压力小于自重应力,侧压力更小,对顶拱稳定不利。为保证施工人员和机械设备安全,在此区段采取针对块体稳定和塌方的加强支护措施,取得较好效果。
    关键词浅埋隧道    片麻状花岗岩    风化壳    岩体结构    岩体质量    块体稳定    
    DEFORMATION DAMAGE OF SHALLOW TUNNELS AND CAVE-INDUCED GROUND COLLAPSE IN ARCHEOZOIC GNEISSIC GRANITES-THE JINING TUNNEL AS CASE EXAMPLE
    SHANG Yanjun①②, PANG Wenli, WANG Kaiyang, LI Kun①②, CHU Jianguo    
    ① Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ② Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ③ China Railway Sixth Group Co. Ltd., Beijing 100036;
    ④ Traffic Planning and Design Institute of Yunnan Province, Kunming 650041
    Abstract: Shallow tunnels in ancient granites are often in tensile stress state and have the challenges of instability in vault faces and local ground collapse. This paper takes the Jining Tunnel as one example and carries out the engineering geological survey, laboratory tests and surrounding rock stability simulation. It analyzes the stability of the surrounding rock from three aspects of granite weathering zoning, rock structure controlling and rock mass qualifying. Surrounded by slightly-moderaltely weathered granites, most of the tunnel is located below the groundwater level. The rock joints are extensively filled with mud. Deformation and damage in forms of block down and cave was often occur. The differential deformation and uneven settlement occurred at the junction of the paleo-weathering granite crusts with the upper Tertiary mudstone. Four collapse pits are emerged due to collapse of caves in shallow depths. The stress monitoring results show that the contact pressure of the top arch is less than the gravity stress, and the lateral pressure is smaller, which is unfavorable to the vault stability. In order to ensure the safety of personnel and machinery equipment, supporting measures with strengthening are undertaken, which prove to be of positive engineering significance.
    Key words: Shallow tunnel    Gneissic granite    Weathered crust    Rock mass structure    Rock mass quality    Block stability    

    0 引言

    风化壳分带同浅埋隧道岩体质量分级对比, 发现花岗岩风化分带数(新鲜岩Ⅰ~全风化Ⅴ)比岩体质量级数(Ⅰ~Ⅴ)小1.5级左右(尚彦军等, 2008), 在地下工程中常表现为地下施工塌方同地面塌陷常有一定链生性(马志文, 2013)。浅埋隧道塌方给工程设计和施工带来挑战, 目前对其预测是一项极为复杂的工作(严若明等, 2014)。隧道工程中片麻状花岗岩工程地质特性研究相对较少(李冰治, 1981; 赵庆荣, 2013), 其软硬不均特性使工程面临块体塌落、局部破碎带塌方和渗涌水以及由此引发地面塌陷等, 影响工程安全。按规范必做的围岩分级和支护方式及强度, 对于受多期构造破坏而成分和结构复杂的古老片麻状花岗岩, 面临很大不确定性和围岩级别频繁变更困扰。

    集宁隧道设计为左右两座单线隧道(图 1表 1), 在榆树湾村以北约400 m斜坡进洞(JN5), 由南向北穿过翟家沟、玻璃图村, 在高家村以南约400 m处出洞(JN30)。地表分布民宅和208高速公路(图 1)。左(西)线和右(东)线隧道在进口端至DK498+000段基本并行相距20~40 m, 向北渐分开, 出口端相距约320 m。

    图 1 集宁隧道工程空间展布图 Fig. 1 Spatial distribution map of Jining Tunnel a.平面布置图(据Google Earth 2017, N指向下); b.左线地形剖面图; c.右线地形剖面图, (1)~(4)表示地面塌陷编号

    表 1 集宁隧道工程概况表 Table 1 Outline of the Jining Tunnel

    左右线为3.0‰人字纵坡。从南向北设3个斜井, 分别为2#(二道沟村右线东进洞)、1#(李华沟与小翟沟村之间右线东进洞)和3#(玻璃图西左右线之间进洞)。洞形为鸭蛋形, 开挖后跨度×高度, Ⅲ级围岩为7.88 m×9.83 m、Ⅳ普通衬砌为8.06 m×9.72 m, Ⅳ加强为8.28 m×9.83 m; 二衬砌施作后净空为7.65 m×8.34 m。开挖方式为二台阶法。

    集宁隧道在前期Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩一般支护地段施工中, 按设计支护参数施做后, 多次发生岩体变形侵限、滑塌现象, 威胁施工安全, 影响工程进度。为保证施工乃至运营安全, 对这些地段采取加强初期支护等措施, 取得较好效果。对集宁浅埋隧道围岩稳定性和地面塌陷研究发现, 集宁浅埋隧道穿越太古代片麻状花岗岩和多期次岩脉, 岩性变化复杂, 施工中围岩稳定性问题尤为突出。结合浅埋隧道工程地质特点, 将岩体结构控制作用、风化壳分带和岩体质量分级三者结合, 评价集宁隧道围岩稳定性, 揭示浅埋段地面塌陷发生机理, 得到了花岗岩体结构面控制顶拱块体稳定性、不同地层岩性接触面控制浅埋段地表塌陷的认识。

    1 地理地质条件
    1.1 气象水文

    本区属中温带亚干旱气候区, 最冷月均气温- 13 ℃, 最热月均气温19.5 ℃, 年均气温4.3 ℃。多年平均降水量363.6 mm, 年均蒸发量1988.5 mm(内蒙古自治区地质局区域地质测量队, 1972)。地表水系不发育, 多为季节性河流, 其中较大的常年有水霸王河, 在隧道出口北由西向东流, 在集宁市区东北折向南流入面积约110 km2的黄旗海。

    1.2 地形地貌

    位于内蒙古高原南缘, 海拔高程1400~1600 m。隧道左线地形最高点1494.9 m。除集宁东南黄旗海附近为小块山间平原外, 其余属低山丘陵区。以剥蚀残丘地貌为特色, 其北和西面为低山, 地势西北高而东南低。沟谷按走向分两组:SN向和NEE向。隧道出口北西2 km远处, 1400 m地形等高线横穿霸王河床, 黄旗海湖岸高程1264 m。隧道进出口海拔高程1420 m, 底板高程不低于1410 m。河水水位低于隧道底板高程, 对隧道涌水基本无影响。对隧道渗涌水影响较大的是来自西侧山地和NEE向沟谷上游的侧向径流。

    1.3 地层岩性

    从太古界变质岩、侵入岩和岩脉, 到第四系松散土层, 变化较大。基岩为新近系中新统玄武岩(βN1)、上新统(N2)泥岩夹砂岩、太古界下统桑干群大理岩(Ar1Mb)、太古代(Ar1)花岗岩等(内蒙古自治区地质局区域地质测量队, 1972; 内蒙古自治区地质矿产局, 1991)。

    上新统泥岩夹砂岩分布于隧道进口及地势低洼处, 棕红色、褐黄色, 成岩作用差, 岩质软, 产状近水平, 与花岗岩不整合接触, Ⅲ级硬土, σ0=0.3 MPa。大理岩分布于DK499+770(左线)和DyK499+660(右线)至隧道出口, 灰白色厚层状大理岩, 等粒变晶结构, 块状构造, 中厚层状, 岩质坚硬。方解石含量98%, 晶体达1~4 mm。节理发育-较发育, 可见轻微蜂窝状溶蚀, 岩层产状340°∠40°。全风化-强风化, 厚5~12 m, Ⅳ级软石, σ0=0.4~0.6 MPa; 中风化, Ⅴ级次坚石, σ0=1.0 MPa; 新鲜大理岩干抗压强度70.6~73.6 MPa, 饱和抗压强度44.1 MPa。

    太古代花岗岩(集宁岩体)(γ1)呈NEE向分布的规则岩株状, 长约8 km, 宽约5 km, 面积32 km2, 与太古代大理岩接触带有透辉石化蚀变现象。浅灰褐色中细粒含榴黑云钾长花岗岩、灰带褐色中-细粒含黑云硅线榴石二长片麻状花岗岩、灰白色中-细粒含硅线榴石黑云钾长片麻状花岗岩、硅线黑云微斜混合花岗岩。中细粒花岗变晶结构, 局部鳞片状和片状花岗变晶结构, 块状或片麻状构造。矿物含量变化较大, 钾长石(微斜长石、条纹长石)50% ~55%, 局部高达70%, 低至15%;石英20% ~35%;黑云母5% ~10%;斜长石一般在1%以下, 少数为10% ~20%;石榴石10% ~15%, 个别少于2%;硅线石一般少于5%, 个别达15%。风化后岩石疏松, 呈低缓之丘陵地形, 浅表部节理裂隙很发育。全风化-强风化层厚10~35 m, 多石英和钾长石矿物碎屑, Ⅳ级软石, σ0=0.4~0.6 MPa; 中风化, Ⅴ级次坚石, σ0=1 MPa; 新鲜花岗岩干抗压强度51.1~76.6 MPa, 饱和抗压强度33 MPa。

    据岩石化学特征酸性到基性脉岩均有分布, 包括花岗细晶岩、花岗伟晶岩及辉绿岩、辉绿玢岩、辉长岩、煌斑岩等。文象花岗伟晶岩脉发育。

    对4个地质调查点采集的9个地质样品进行X射线衍射(XRD)分析, 得到矿物种类及其含量。上新世(N2)红黏土(即现场所称泥岩)含黏土矿物近50%, 其余为石英, 少量长石。在右线出口东侧边坡绿色泥岩中黏土矿物含量达65.1%。

    1.4 地质构造

    本区大地构造上位于华北地台(板块)内蒙台隆的凉城断隆之中, 断裂褶皱构造不发育。五台裂谷边界断裂从大同—集宁地区通过, 使区内所有塑性-韧性变形构造均受这一早元古代脆性破裂构造破坏, 使区域构造线为NEE向, 局部向北偏转为NE向。新生代火山活动频繁, 以基性喷发为特点, 形成大面积玄武岩覆盖层和典型桌状地貌形态。

    本区发育了华北板块基底部分古老变质侵入岩——集宁岩体, 其侵入部位为太古代桑干群背斜北翼。隧道位于NE走向太古代片麻状花岗岩体上部以及花岗岩和桑干群大理岩组的接触蚀变带中。现代地应力场方向为NE, 与隧道轴向大角度相交。规模较大地质结构面, NE为张性, NW为压性, NNE和NWW为扭性。

    从山体结构看, 隧道位于集宁西部山地的东面坡上, 地形西高东低, 地下水自NW流向SE, 这对左线隧道突涌水影响较大, 而右线因处于一些近EW向沟谷下游, 第四系松散沉积物厚度大而变化快。围岩局部地段, 尤其第四系和花岗岩体接触带所在沟谷边缘带, 大变形问题较突出。

    从岩土体分类看, 隧道从Ⅲ级普通土到Ⅴ级坚硬岩石(铁路岩土施工分类, Ⅰ-Ⅲ为土, ⅠⅤ-Ⅵ为岩石)(铁道第一勘察设计院, 2007), 以及微-未风化块状岩体、碎裂结构强-中风化岩体都有出现。其中暗色矿物(黑云母)组成岩脉和片理、煌斑岩脉和节理裂隙中充填的泥层, 成为控制地下水运动和块体滑移的主要软弱结构面。隧道段片麻状花岗岩之片麻理倾向NW, 大致变化为310°~330°。大理岩位于隐伏背斜构造(核部位于苏集)北翼, 间有花岗伟晶岩脉侵入。

    1.5 水文地质

    地下水由水位较高的NW向较低的SE方向流动(表 2), 主要补给来源为大气降水垂直入渗, 季节性强。北面霸王河水侧向补给地下水。隧道进出口地形坡度略陡, 洞身部位地形平坦开阔。构造节理和风化裂隙发育, 为地下水赋存提供了良好条件。

    表 2 隧道沿线地下水位测量结果表 Table 2 Measured data of groundwater level along the tunnel alignment

    断裂构造不发育, 以不同岩层(体)接触为主, 表现为侵入接触、角度不整合接触。接触带岩体(层)较破碎, 岩性较复杂, 多构成含水岩体(组)。地下水赋存形式以孔隙、裂隙水为主, 赋存条件和富水程度受地形、地层岩性及构造(接触带)影响, 有明显不均匀性和各向异性; 由于该隧道埋深较小(最大埋深83 m), 岩性较复杂, 含水岩组富水性、透水性差异较大, 水文地质条件中等复杂。

    地下水运移、排泄缓慢。地下水涌入隧道开挖空间, 形成新的人工排泄通道。施工过程中对民用水井、开挖完未启用的通风井地下水位量测发现(水井测点位置见图 1a), 隧道进出口均位于地下水位以上, 隧道底板高程在1410 m以上, 而洞身大部分位于地下水位以下5~10 m, 个别地方达20 m(表 2)。隧道穿越沟谷时埋深变小, 风化和洪积物厚度较大, 沟谷上游来水为其主要补给源。

    采用降水入渗法、地下水动力学法等, 预测该隧道正常涌水量和最大涌水量。前期勘察通过计算及分析比较, 采用大气降水入渗法预测隧道涌水量, 结果显示涌水量较小(表 1)。

    2010年5月11日在2#斜井左线大里程496+847(JN31)上台阶测得涌水量14 m3·d-1。该段向北穿越高速公路东侧近SN向狭长沟谷, 这段沟谷宽度按200 m计, 隧道涌水量约2800 m3·d-1, 接近右线原预测最大涌水量(表 1)。

    2 岩体结构和岩体质量
    2.1 节理统计

    野外沿隧道线路两侧共调测26个地质点。对各点岩性、构造、岩石风化、节理产状及分布等进行描述、统计, 结合隧道开挖进行空间对比。

    中南部地表和洞内花岗岩中183组和北部大理岩中23组, 共计206组节理参与统计。节理走向玫瑰花图显示3个节理系(走向NW、NE和近EW)。NW走向与隧道轴向基本平行, 是最发育的一组(图 2)。从隧道全区206组节理统计结果看, 最发育的有3组(走向/倾向∠倾角):(1)332°/242°∠77°; (2)59°/329°∠50°; (3)79°/349°∠67°(图 3)。

    图 2 节理走向玫瑰花图 Fig. 2 Rose diagram of strike of joint

    图 3 节理极点等值线图及3组节理上半圆投影图 Fig. 3 Pole and contour plot of joints

    图 2图 3可见, NW走向节理(第1组)有NE和SW两个倾向, 倾角一般大于75°, 即陡立。NE走向节理(第2组)多倾向NW, 倾角相对较小, 而近EW走向节理(第3组)数量最少。这3组节理发育程度和规模有一定差异, 决定了它们在隧道围岩中与开挖临空面(掌子面、拱部和侧墙)组合成不利三角块体、板状体或不规则块体可达4种以上。

    对中南部和北部206条节理和岩脉倾角按5°间隔分18个区, 计算每个区(0~15°, 15°~20°, 20°~25°, …, 85°~90°)分布频(条)数。图 4a显示节理倾角都大于30°, 且相对均匀分布, 无明显峰值或正态分布, 陡倾角占多数(>60°节理数占比70%)。

    图 4 倾角统计直方图 Fig. 4 Diagram of dip angles of discontinuities a.花岗岩和大理岩中节理和岩脉; b.花岗岩中节理和岩脉

    将花岗岩中183条节理和岩脉倾角单独统计, 发现其倾角都大于40°, 且60°以上143条, 占78%。花岗岩中原生节理倾角一般在60°以上(图 4b)。

    2.2 岩体结构

    谷德振(1979)考虑岩体结构地质成因, 突出岩体工程地质特征, 把岩体分为整体状块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等4大类8个亚类。建设部综合勘探研究院(2008)将岩体结构划分为4大类13个亚类。主要考虑岩体结构面间距和完整性系数特征, 对块状岩体工程地质评价来说, 是一种较好的分类方法。

    集宁隧道由于古老花岗岩体岩性复杂多变和多期构造运动影响, 岩体结构以块状-碎裂结构为主, 其次是散体结构和块状-镶嵌结构。

    2.3 岩体质量

    从理论统计看, 如若干组节理只有倾角差异, 那么倾角为0(水平分布)遇到垂直钻孔而影响到RQD结果的概率为100%, 倾角为90遇到垂直钻孔的概率接近0, 则倾角越大, 其与钻孔相交概率越小。本区花岗岩中非常发育的陡节理发育使其与钻孔交切概率变小, 导致RQD值相对偏大(岩体质量偏好)。另外泥浆循环钻进中浅部全风化薄层缓倾中基性岩脉因软弱破碎、泥化程度高, 同节理中所夹泥皮层一样, 往往随泥浆带出而难以在取芯中较好保留。这些成为勘察结果和施工地质编录存在一定差异的客观原因。

    对21个掌子面岩性、地质结构、岩石风化特性、节理产状及分布等描述、统计, 选取典型断面描绘地质简图。据节理岩体RMR分级, 对各地质素描掌子面进行围岩等级评定, 并与工程围岩分类和岩土开挖等级分类进行对比。对集宁隧道部分掌子面, 在地下渗水处、节理夹泥层或有氧化铁膜、N2红色泥岩出现处, 围岩级别与勘察阶段级别有所不同, 现场调查中做了相应调整。

    现场地质调查地表定点26个(JN05-30), 隧道内测点21个(JN31-51), 共计47个地质调查点。这些点采集34块样品分3类。第1类原状非扰动大块样, 做力学试验、声波测试等; 第2类手标本原状样, 做结构和岩矿鉴定; 第3类较软弱破碎样, 做物质成分测试。

    点荷载试验得出花岗岩天然单轴抗压强度一般为21.72~72.49 MPa, 变化较大与其成分及粒度结构有关。粗粒、伟晶结构强度较低, 细粒、均匀结构的较高。风化对其强度影响很大, 岩块大部分为较软岩和硬岩。闪长岩脉有蚀变, 单轴抗压强度32.37~52.93 MPa。其他基性岩脉如辉绿岩、煌斑岩因浅埋及开挖暴露后风化浸水而极易软化, 难成一定规模硬块体。

    浅埋隧道围岩由于岩脉、节理和裂隙存在及浅表张性结构面和泥质充填, 整体强度普遍变低。对采集的2个大块力学样品, 即第1组(1号斜井右线大里程498+537)花岗岩、第2组(2号斜井弃碴场)闪长岩, 分别制作3个标准圆柱状样, 开展饱和单轴抗压试验。这2组样品破坏以脆性剪裂破坏为主。未风化闪长岩块体致密、强度高(46.09 MPa), 以脆性破裂为主。中风化花岗岩稍硬(145.34 MPa), 剪裂破坏特征明显。两者都属硬岩(中华人民共和国水利部, 1998), 泊松比都大于0.31。

    对调查34个点(包括左线14、右线20), 采用适于节理化花岗岩体的RMR指标计算得到岩体质量结果。如将此结果与施工设计图相应区段岩体质量级别(原级别)对比, 发现左线6个、右线8个的级别相同, 占调查点数42.86%和40%。如将左右线合并计算, 级别相同的14个, 占地质调查点的41.18%, 即两者差异大(离散)的点数占比58.82%(图 5)。

    图 5 施工与勘察阶段右线(a)和左线(b)调查点岩体质量级别对比图 Fig. 5 Comparison of rock mass quality at survey site during construction and exploration

    现场地质调查点数并不均匀和大量分布, 仅是施工期观测到基岩裸露断面岩体地质情况(图 6), 这些观测点的分布基本反映了施工中抽样调查的不利掌子面。沿隧道全线更详细变化对比有赖于大量日常地质编录(尚彦军等, 2007)。

    图 6 隧道右线(a)左线(b)不同位置围岩级别变化对比图 Fig. 6 The surrounding rock mass quality variations in different section of Jining Tunnel 虚线椭圆表示差别较大部位; 数字表示地面塌陷编号

    2.4 风化壳分带

    集宁岩体(太古代片麻状花岗岩)SiO2含量基本大于50%, 其化学成分向量图中岩体投影点位置距硅铝轴较远, 表明岩体铁镁组分较高, 岩体偏基性, 属铝过饱和化学系列。按查氏图解判别对比, 属于SiO2不饱和类过碱性科, 肉红色钾长石含量大部分50%以上。Fe、Mg含量高, 暗绿灰色、灰黑色角闪石和云母多以岩脉形式存在, 尤其后者的出现和定向排列, 成为控水和控滑结构面的主要物质成分。

    从施工开挖揭露的岩体, Ⅲ级围岩段可见微风化和部分中(弱)风化花岗岩, 在塌方地段甚至可见呈块状和碎裂状中风化花岗岩, 说明集宁隧道风化壳发育深度达50 m。

    集宁隧道片麻状花岗岩以物理风化为主, 在中风化带以上节理裂隙多见。裂隙有一定张开, 夹泥砂质, 多呈不规则松散块体。块体稳定和塌方问题突出。

    3 围岩变形破坏

    集宁隧道项目部积极采取措施, 改变施工工法, 功效降低, 仍出现大小不等24处塌方、2处初支裂缝。塌方总体积为18 661.5 m3, 塌方地段总长为259 m。第1个是进洞口边坡破坏引起塌方, 第2个是因为左洞塌方冒顶, 然后实施明挖, 体积方量较大。2处裂缝总长55 m(表 1)。

    隧道右线2#斜井小里程DYK497+221.3处埋深40.5 m, 按容重γ=2.7 g·cm-3、泊松比μ=0.31计算得自重应力1.1 MPa, 侧压系数0.45, 可推算出侧向压力0.49 MPa。实际量得顶拱围岩压力0.33 MPa, 小于自重应力。这些应力监测分析结果较小, 垂直应力小于自重应力且侧向压力更低, 就使得本来就很发育的地质结构面难以闭合或受一定法向压力而表现出张性特点, 这样的低围压条件对围岩稳定不利。

    据结构面长度、密度、贯通率和展布方向, 考虑起主要控制作用的节理组, 用现场量测节理统计分析, 再用节理网络模拟技术生成随机节理。在离散元程序UDEC中通过内置FISH语言实现此功能(Itasca Ltd., 2004)。对节理裂隙纵横交错、分布密集岩体, 常用等效连续介质模型处理。

    围岩稳定数值分析计算以2#斜井大里程左线上台阶掌子面桩号DK496+865(与JN36相接近)为例。该断面地质调查结果是工程地质条件较差的Ⅳ级围岩, 其岩块及结构面力学参数见表 3表 4

    表 3 岩块物理力学参数表 Table 3 Physical and mechanical parameters of rock

    表 4 结构面力学参数表 Table 4 Mechanical parameter values of the discontinuities

    模型侧向边界离洞室边墙40 m, 模型上部边界为地表(此剖面地表高程相对高差为1 m左右), 下部边界设为隧道底面以下20 m。

    下台阶开挖后拱顶部位出现达14 cm的最大垂向位移。水平向位移在拱脚和拱腰部位较大, 分别为6 cm和10 cm。由位移云图(图 7)知, 拱顶和边墙块体均沿节理倾向产生较大位移, 即块体位移很大程度上受节理面、临空面等不连续面切割组合控制。下台阶开挖后引起拱顶及拱脚较大位移。因此, 上台阶开挖后应及时进行支护, 以减小下台阶开挖对围岩稳定性的不利影响。

    图 7 2#斜井大里程左线桩号DK496+865下台阶开挖后垂直位移云图 Fig. 7 Vertical displacements after excavation at chainage DK496+865 of the left tunnel line

    从数值分析结果看, 沿结构面块体移动和滑塌是存在的, 且在拱腰以上变形破坏较突出(图 7)。这说明如不加强支护, 大位移破坏会发生, 另外也说明浅埋情况下变形破坏部位有一定不确定性和复杂性, 受节理裂隙、岩脉和不同地层岩性接触带控制, 发生垮塌规模和数量不等。

    4 地面塌陷

    对隧道轴向拱顶以上覆盖层厚度面积计算, 求得线路上方覆盖层平均厚度为39.07 m和35.27 m(左线、右线), 可见地形上西高东低直接导致左线埋深平均比右线大3 m多, 后者第四系覆盖层厚度要大。4处有地表塌陷坑的塌方除1处发生在进口处上方两隧道之间外, 其余3处地表塌陷均出现在右线, 从宏观地质条件分析并非偶然(图 1)。从南向北隧道线上4处塌方(图 8中从左至右)发展成为地面塌陷。

    图 8 隧道塌方对应的地面塌陷 Fig. 8 The buried depth of the tunnel under the surface collapse pits

    (1) 进口段塌方处(JN5)埋深7.32~8.04 m, 时间2008年12月11日, 塌方量10 835.5 m3

    (2) 二道沟村南塌方处(JN12)埋深29.47~33.11 m, 时间2009年9月22日, 塌方量350 m3

    (3) 1#斜井右线497+637~639塌方处(JN20)埋深47.85~47.94 m, 时间2009年8月14日, 塌方量800 m3

    (4) 右线出口向3#斜井499+337~305塌方处(JN24)埋深11.46~12.80 m, 时间2010年2月23日, 塌方量1000 m3

    5 滑塌地质原因

    集宁隧道发生的24次塌方和2处裂缝部位基本都在侧墙, 且大部分塌方处距掌子面40~60 m。滑塌块石巨大, 发生在施工过后10 d左右。统计看塌方总体积为18 662.5 m3, 塌方工程处理花费时间653 d。具体地质原因分析如下:

    (1) 变形大、迅速:围岩监控量测资料显示, 开挖支护后5 d内, 最大变形量2~3 mm·d-1, 最小变形量0~1 mm·d-1, 总变形量约6~7 mm, 均小于极限相对位移。这正是节理化的片麻状花岗岩块体塌方特点:突然之间, 发生快速大变形, 导致坍塌发生。

    (2)Ⅲ级、Ⅳ级围岩强度与设计相符, 但节理发育、围岩破碎, 整体强度低, 且节理面夹泥, 裂隙渗水降低了围岩层间结合力, 导致围岩在重力作用下应力突然释放。

    图 9可见塌方和裂缝多出现在围岩级别快速变化的地方, 尤其是施工岩土分级中的土与岩交界处, 这里有埋藏于第三系(N2)紫红色泥岩下的古风化壳, 两者渗水性和力学强度相差较大。在Ⅲ级围岩锚杆长度只有2.5 m, 数量12根·m-1, 无法锁定规模不等的巨大块石, 发生以块体滑落为主要形式塌方, 加大了不稳定区间范围。渗水性增强, 围岩稳定情况变差(变为Ⅳ级)。

    图 9 集宁隧道岩体质量级别沿程变化及塌方和裂缝点 Fig. 9 Comparison of rock mass quality grades in construction and exploration with followed collapses and fissures 塌方用三角形符号表示, 实心者表示有地表塌陷的点

    (3) 单洞应力分析发现边墙有一定偏压。隧道断面设计鸭蛋形, 衬砌完后受力最稳妥, 最均匀, 但在未支护成环前, 尤其是在下台阶未施作前, 其拱腰部位受力最大, 拱部承受拱顶上方全部土压力传递到拱腰部位, 加之拱腰部位受侧向土压力, 很多地段处于西高东低的地形坡体之下, 有一定偏压, 导致边墙部位发生滑塌, 进一步使得拱部发生塌方。

    图 9中地面塌陷点基本出现在右线。右线埋深总体低于左线3 m, 地势上西高东低, 地下水和地应力方向都是自西向东, 这使隧道有一定偏压和非对称变形。

    塌方多发生在Ⅳ级和Ⅴ级围岩中, 以及施工岩土级别的Ⅲ和Ⅳ级中, 少数出现在Ⅲ级甚至级别更高围岩中, 但塌方体积相应变小(图 9), 主要是以掉块形式的破坏为主。

    从隧道坍塌统计看, 隧道初期支护后方常出现拱顶和边墙小型滑塌事件。从地质条件看, 隧道断面岩性变化大、浅埋、岩体破碎、局部有蒙脱石等膨胀岩、地下水影响大等因素, 说明该种地质条件下施工, 需格外注意滑塌现象, 施工中须加强支护措施。

    6 围岩设计支护方案

    国内外在处理破碎带岩体隧道开挖时, 普遍采用超前预加固技术, 包括超前锚杆、管棚、超前灌浆和冻结等。其中超前预注浆己广泛用于破碎岩体处理过程中(程义, 2016)。对坍穿型塌方在适当锚喷后采用设管棚和钢轨棚架两种方法(霍玉华, 2005)。

    考虑到实际揭露地质情况与前期工程勘察和设计中给出结果的差异, 施工中对Ⅳ和Ⅴ级围岩支护方案进行调整和细化(表 5)。这更符合实际揭露地质条件而区别对待, 施工中采取不同工程措施处理。

    表 5 与围岩级别相适应的设计支护方案表 Table 5 Support measurements according to rock mass quality grades

    7 结论

    (1) 岩体结构控制、风化壳分带和岩体质量分级3大技术分析体系, 反映地质体属性各具特色。对太古代片麻状花岗岩浅埋隧道而言, 岩体质量分级只是工程地质特征一个重要表征指标或参数, 而不是全部地质特征。需综合考虑岩体结构(规模、各向异性)、风化壳发育(裂隙增多、夹泥和渗水性变化较大)和岩性复杂变化。

    (2) 铁路规范以岩体结构和岩体强度将围岩划分为6级。对节理发育、块状结构和碎裂结构中规模和方向性较明显、风化壳发育的浅埋隧道, 在调查统计的34个地质点中, 用适合于节理岩体RMR指标得到岩体质量级别与原级别差异比例达58.82%。

    (3) 岩体质量指标中岩块体大小、形状未予考虑, 这对于古老花岗岩风化壳浅埋隧道, 关系到块体突然掉落和塌方, 是工程地质关键因素之一。即使是Ⅲ级围岩, 在不利结构面组合下施工中会出现块体滑落、渗水增加而塌方, 威胁到人员和机械安全。施工阶段围岩级别调整为Ⅳ级。

    (4) 前期勘察阶段岩体质量级别分段受物探、钻孔位置、数量及分辨率的限制和影响。施工中每天不大于6 m进尺中所遇地质条件变化较复杂, 反映出前期勘察和施工岩体质量级别分辨率和实际变化情况存在差异, 对集宁隧道而言尤为突出。

    (5) 浅埋集宁隧道受风化卸荷作用影响, 张性结构面多见。构造节理和风化卸荷裂隙使岩体结构破碎, 局部为碎裂结构甚至散体结构。埋深大部分位于地下水位以下, 受地下水侵蚀软化作用影响大(张性结构面有利于水运移活动、含厚度不等泥层)。变形破坏以块体塌方为主, 花岗岩和第三系泥岩接触部位易发生岩土体大范围塌陷。

    致谢 参加现场工作的还有曾庆利副教授、吴锋波博士、李少鹏工程师等, 在此谨致谢忱。
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