摘要:分析了西安—成都客运专线阜川隧道炭质页岩段发生挤压性大变形的原因及机理，指出导致大变形的原因主要有围岩软弱、岩层产状不利、岩体结构面发育、应力水平高以及构造运动历史复杂，而大变形的发生机理包括层状岩体的局部不利受力状态、软弱破碎腔形成高额散体围岩压力和地下水位变动导致松动圈扩大。在此基础上，提出了“积极主动，刚柔并济，控放结合”的炭质页岩隧道挤压性大变形控制理念和控制对策，并在现场应用中证明了措施的有效性。
关键词:隧道工程;炭质页岩;挤压性大变形;大变形机理
从20世纪我国修建的兰武铁路二线乌鞘岭隧道开始，近半个世纪以来，挤压性大变形一直都是铁路建设领域需要重点解决的技术难题。挤压性大变形多出现在埋深较高、构造应力较大、地质活动历史复杂、岩性多变的区域，体现为围岩在隧道开挖后迅速松散、劣化甚至呈碎屑状或泥状，自稳能力迅速衰减，造成施工中的初期支护大变形、侵限、混凝土开裂、钢架扭曲甚至围岩垮塌等问题，给工期及成本造成严重影响［1］。阜川隧道是西安—成都铁路客运专线的重要工程之一，位于大巴山区。隧道在施工中穿越奥陶系与志留系的岩性接触带，发生挤压性大变形，导致施工进度缓慢，施工成本显著增加。本文基于阜川隧道的现场调查，对施工中挤压大变形的产生原因及机理进行分析和探讨，并对阜川隧道应对挤压性大变形的策略进行总结，旨在为今后类似工程提供有益参考。
1工程概况
1.1基本情况
阜川隧道位于陕西省勉县境内，地处大巴山中低山区，平均海拔771m，隧址区沟谷密集，地质构造复杂。隧道起讫里程为DgK271+936.21～DgK280+951.53，为双线隧道，全长9015.32m，最大埋深约456m。DgK277+880～DgK278+170为挤压性大变形段，平均埋深约200m。
1.2地层岩性
阜川隧道大变形段主要围岩为炭质页岩。根据现场取样，该围岩中含有大量的碳化有机质，部分区段含有硫化铁物质，还有呈片状碳酸盐斑点物散布于岩石中，呈灰黑色和黑色，部分区段岩石染手;碳化泥质结构，薄层状构造，岩质软，层间结合力差，节理以微张和张开混杂，受节理与页理互相切割影响，岩体破碎－极破碎;掌子面多处滴水，岩体遇水软化。风化层厚10m～25m，设计判定为Ⅴ级围岩。现场揭露炭质页岩见图1。
1.3地下水情况
全隧道以弱富水区和中等富水区为主，初步设计阶段采用降水入渗法对不同岩性地层单位长度涌水量进行计算，预测正常涌水量9008m3/d，可能最大涌水量45040m3/d。
1.4隧道设计情况
隧道轮廓为三心圆，采用常规铁路隧道复合衬砌，Ⅴ级围岩的支护设计具体见图2。隧道采用三台阶法开挖，设锁脚锚杆，Ⅴ级围岩中开挖进尺约为2m。
2挤压性大变形机理分析
2.1阜川隧道挤压性大变形情况
阜川隧道大变形段原设计主要为Ⅳ级围岩，但在掘进至大变形段后，实际揭示Ⅳ级围岩仅有不足200m，与原设计的1360m相差达80%以上。由于围岩性能远低于设计预期，原支护设计无法稳定围岩，导致隧道频繁出现初支钢架严重变形、锁脚锚杆拉断、二衬开裂甚至初支破坏、岩体溜塌等病害和事故，致使平均日进尺降低至2m以下。现场大变形情况见图3。
2.2挤压性大变形原因分析
1)围岩软弱。炭质页岩是一种由黏土脱水胶结而成，含有大量碳化有机质的岩石，矿物成分主要为蒙脱石、高岭石、云母、石英等，泥质结构，具有明显的薄层理构造，质脆易风化，遇水还会发生崩解，强度进一步降低。根据现场取样试验结果，阜川隧道炭质页岩的单轴饱和抗压强度介于5MPa～15MPa之间，属于工程软岩。2)岩层产状不利。岩层走向与隧道轴线接行，隧道侧壁在较长区间内与岩层相交。大变形段炭质页岩层理近水平分布，倾角为10°～40°，隧道侧壁在较长区间内与岩层相交。由于炭质页岩层间结合力差，易造成支护结构受力不均匀而发生局部破坏。3)岩体结构面发育。大变形段围岩发育有3组间距0.2m～2m不等，长度多在1m左右的节理，节理长度多在1m左右。岩体被层面和节理面交叉切割，遇水后节理面强度下降，在开挖应力解除的作用下迅速变为松散体，丧失自稳能力。4)埋深较大，应力水平高。通过现场地应力测试［2］，隧址区的铅直应力约为6MPa，水平侧压力系数最高达到1.1，构造应力显著。炭质页岩段的岩体强度应力比小于0.3。5)构造运动历史复杂。大巴山中低山区有着复杂的构造运动历史，造成该区域褶皱构造较多，有多条断层破碎带及岩性接触带。在这样的条件下形成的围岩十分复杂，软硬交织，性质难以预料。图4为现场软弱破碎腔中夹杂的圆盘状硬质岩核。经初步推测，该类岩核是夹杂在岩性接触带中的硬质矿物，在频繁的层间错动下反复打磨而成。这是该区域地质构造及构造活动历史复杂性的佐证之一。6)剥蚀作用明显，基岩直接出露于地表。经隧址区踏勘，发现隧道轴线正上方山体地表多处出露有构造特征与隧道围岩大致相同的强风化页岩(见图5)，可以认为地表岩体与隧道围岩从属于同一个褶曲构造，岩体层理成为地表水入渗的通道，使围岩极易在地表水源补给作用下发生软化。
2.3炭质页岩挤压性大变形机理分析
1)层状岩体存在局部不利受力状态。如图6(a)所示，对于岩层近水平的薄层状岩体，若开挖面与层面方向接行，则围岩的受力状态类似数层叠合的板状构件。不难想象，当地应力较大而岩体强度较低时，若支护不及时或支护刚度不足，则围岩将会由距开挖面最近的岩层开始发生弯曲折断，使断裂处围岩压力迅速增加。由图6(a)中几何关系可知，围岩产生弯曲破坏的最不利部位为［3］:其中，θb为弯曲破坏最不利部位的开挖面法线与水平方向的夹角;β为层面倾角。若开挖面与层面方向呈一定夹角，层面强度低于岩石强度时，则岩体会产生沿层面发生剪切滑移的趋势，使得滑移处围岩压力增大。如图6(b)所示，若层面摩擦角为φj，则围岩产生剪切滑移的最不利部位为:式(1)，式(2)说明，当岩层倾角很小时，隧道拱顶及上台阶拱脚处易承受较大围岩压力，使压力线偏离支护结构的拱轴线，造成支护结构局部屈服乃至破坏。2)软弱破碎腔形成高额散体围岩压力。如图7所示，若开挖面附近存在软弱破碎腔，当开挖引起表层围岩向洞内发生一定的位移后，破碎腔内岩体失去约束，在腔壁挤压及重力作用下迅速转化为碎散体并塌落。此时表层围岩将承受破碎腔内岩体的散体压力并传递给支护结构，压力的大小与破碎腔体积、破碎腔位置及表层围岩位移量的大小有关。并且，当散体压力出现后，表层围岩将产生进一步的位移，破碎腔内塌落范围增大，进而导致腔壁围岩松动塌落，使松散体体积增加，形成恶性循环。最终，表层围岩势必将顶破支护结构而掉落，破碎腔内的松散体随之倾泻而出。3)地下水位变动导致松动圈扩大。如图8所示，隧道开挖后，由于临空面的出现，隧道周边产生降水漏斗。地下水位以上的围岩因为水的疏干，强度得到了一定的提高，因此其松动圈半径相比受地下水影响的围岩要小。而大变形段围岩极为发育的节理裂隙和延伸至地面的层理结构使地表水入渗变得极为容易，加之隧址区地表河谷、冲沟较为密集，施工期间地下水位发生频繁变化的可能性极大。隧道周边地下水位的回升将导致围岩强度下降，松动圈半径因而扩大，最终导致围岩荷载和地下水荷载提高，加剧了挤压性大变形。
3挤压性大变形施工对策
3.1挤压性大变形控制理念
以往研究表明，对于挤压性大变形隧道，仅靠支护结构的“强支硬顶”是不可取的。挤压性大变形的控制理念可总结为“积极主动，刚柔并济，控放结合”。所谓“积极主动”，是指不能期待围岩具有自稳能力或支护结构可被动地承受全部围岩荷载，而是要多采用锚杆、超前小导管等主动支护和加固措施，促进围岩和支护结构形成联合承载能力;所谓“刚柔并济”，是指要求支护结构在适当的时机具有适当的刚度和强度，这要求支护结构具有一定程度调节自身受力性能的能力，并且在施工中重视支护的时效性，讲究适时施作、尽早封闭;“控放结合”则是指应将围岩变形限定在一个适合的范围，既要允许适当的收敛变形，而当变形发展至一定程度时又必须加以严格限制。
3.2现场控制措施
在上述理念的指导下，阜川隧道采用了以下措施应对挤压性大变形:1)采用双层支护结构，增设临时支护。当遭遇挤压性大变形时，常规喷射混凝土支护可能会出现“柔有余而刚不足”的情况。采用双层支护结构可弥补单层支护的不足，在第一层支护充分变形吸能后用第二层支护对其进行补强，控制围岩变形的进一步发展，实现“刚柔并济，控放结合”的要求［4］。阜川隧道大变形段的双层支护参数为:a.第一层支护:全环H175型钢，间距0.6m;拱墙设φ8@200mm钢筋网;喷30cm厚C30混凝土;b.第二层支护:全环Ⅰ22a型钢，间距0.6m;喷26cm厚C30混凝土;增设φ22@1000mm纵向连接筋以及4道Ⅰ18纵连型钢。此外，为改善支护结构在施工过程中的受力状态，在上台阶和中台阶开挖后分别增设临时支撑以及时形成封闭式结构。上台阶采用Ⅰ20a工字钢，并喷20cm厚的C30混凝土，形成临时仰拱;中台阶开挖后采用Ⅰ20a工字钢横向连接两侧钢架拱脚，每2榀钢架施作1榀横撑。2)增加φ42mm小导管替代径向系统锚杆，并采用大直径锁脚锚管。采用小导管替代径向系统锚杆，一方面可以提高锚杆杆体性能，增加锚杆的主动支护力，另一方面可以作为径向注浆加固的通道，增强围岩自承能力，体现了积极主动的支护理念。大变形段采用长度为4.0m的φ42mm小导管，环向间距1.2m，纵向间距1.0m，梅花形布置，打设范围为拱部及边墙。注浆材料为水灰比(质量比)1∶1的普通水泥浆，注浆控制压力为1.0MPa～2.0MPa，到达终压后持续注浆10min，并用体积比为1∶1～1∶0.6的双液浆进行补浆。此外，为应对锁脚锚杆拉断的情况，采用长度为6m的T76自进式锚杆代替原锁脚锚杆，并采用型钢将锁脚锚杆与钢架可靠连接，避免了钢架在挤压性围岩荷载作用下发生整体下沉。3)超前管棚配合超前小导管注浆加固掌子面。炭质页岩掌子面仅可短时间自稳，需要进行超前加固以避免坍塌。此外，超前加固可提高掌子面的纵向约束作用，控制隧道的预收敛，改善掌子面附近支护结构的受力。阜川隧道大变形段采用超前管棚配合双层超前小导管进行超前加固。管棚采用长15m的T76自进式管棚，间距60cm，外插角6°～8°，打设范围为拱部144°圆心角范围内;超前小导管采用长4m的φ42mm钢花管，水平搭接长度不小于1m，间距30cm，外插角10°～15°。4)提高预留变形量。在大变形段的围岩条件及应力水平下，原设计的30cm预留变形量不仅无法满足“控放结合”的要求，更是在施工中难以实现，容易导致二衬施工净空不足［5］。因此，大变形段采用100cm的预留变形量，其中第一层支护占70cm，第二层支护占30cm。5)调整二次衬砌施作及拆模时间。为避免二次衬砌承受过大荷载增量而开裂，挤压性大变形隧道的二次衬砌原则上要求在初期支护变形基本稳定(拱顶沉降日增量小于0.5mm/d)后施作。但实际上挤压性大变形可能持续数月甚至数年，因此许多工程实际采用拱顶沉降日增量小于3mm/d～5mm/d作为控制标准。根据现场对初期支护变形的监测情况，在上述大变形控制措施作用下，大部分断面的收敛变形在开挖后40d左右可达到稳定，故以此作为二次衬砌施作时间控制标准。为保证二次衬砌质量，规定待其强度达到28d龄期强度的100%后方可进行拆模。
3.3大变形控制效果
图9中DgK278+085之前为未采用上述大变形控制措施(或仅采用部分措施)的段落。可以看出，在采用控制措施之前，隧道各部位的累计位移量均较大，尤以拱顶和上台阶为甚，其中拱顶下沉最大达到798.6mm，平均453.25mm;上台阶收敛最大达到824.99mm，平均273.37mm(以上数值为包含支护拆换前后的变形量累计值)。采用大变形控制措施后，隧道的收敛变形得到了明显抑制，采用大变形控制措施段落的最大拱顶下沉为515.1mm，平均214.96mm;最大上台阶收敛284.8mm，平均154．99mm。采用大变形控制措施后，未发生包含二衬开裂在内的各类事故及病害，施工平稳通过大变形段。
4结论
1)阜川隧道炭质页岩段发生大变形的原因主要在于围岩软弱、岩层产状不利、岩体结构面发育、应力水平高以及构造运动历史复杂。2)炭质页岩隧道的挤压性大变形机理主要包括:层状岩体存在局部不利受力状态、软弱破碎腔形成高额散体围岩压力和地下水位变动导致松动圈扩大。3)挤压性大变形的控制理念可总结为“积极主动，刚柔并济，控放结合”，即采用锚杆、超前小导管等主动支护措施促进围岩和支护结构联合承载，适时施作具有足够强度和适当刚度的支护结构，引导围岩应力释放的同时严格限制过大的围岩变形。4)通过使用双层初期支护、临时支护、径向小导管注浆、大直径锁脚锚杆、超前管棚和超前小导管注浆，结合预留变形量和二衬施作时机的调整，可有效控制挤压性大变形，避免溜塌、初支侵限、二衬开裂等问题的发生。
作者：鲁兵舰 单位：中国铁路西安局集团有限公司