成兰铁路软岩隧道大变形特征及成因机制探析

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１６／２４（Ｓｕｐｐｌ．）００１１０６ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１６．ｓ１．００２成兰铁路软岩隧道大变形特征及成因机制探析宋　章　蒋良文　杜宇本　张广泽（中铁二院工程集团有限责任公司地质创新工作室　成都　６１００３１）摘　要　成兰铁路软岩隧道大变形具有衬砌开裂、钢架扭曲、隧道断面缩小等一般大变形的特点，更具有其区域特殊性，即成兰铁路穿越龙门山构造带、松潘甘孜褶皱构造带及西秦岭褶皱构造带三大构造单元的１０条活动断裂，构造条件极为复杂活跃；全线７０％的地层岩性为板岩、千枚岩、片岩及炭质板岩等软质岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，地层岩性条件极为软弱破碎；穿越汶川“５·１２”强震区，地震波对岩体震裂损伤作用进一步降低软岩岩体的完整性、增强其透水性，汶川地震效应极为显著；构造应力环境极其复杂，高地壳应力的构造应力场特征明显。成兰铁路呈现以复杂的构造应力条件、软弱破碎的地层岩性条件、不利结构面组合的偏压现象及地下水软化效应等相互作用为主的大变形成因机制，可概括为应力作用下的松散型大变形、挤压性大变形及软岩结构型变形３种类型。本文研究结论对在建成兰铁路及类似工程地质条件下的隧道工程建设具有重要的指导意义。关键词　成兰铁路　隧道　软岩　大变形　特征　成因机制中图分类号：ＴＵ４５　　文献标识码：Ａ　收稿日期：２０１６－０２－２５；收到修改稿日期：２０１６－０５－２０．基金项目：铁道部科技研究开发计划（Ｚ２０１２０６１），中国铁路总公司科技研究开发计划项目（２０１３Ｇ０１４Ｂ）资助．第一作者简介：宋章，男，博士，高级工程师，主要从事工程地质及岩土工程方面的勘察设计及相关研究工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＴＩＣＡＮＤＦＯＲＭＡＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＳＭＯＦＬＡＲＧＥＲＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＦＯＲＴＨＥＴＵＮＮＥＬＯＦＣＨＥＮＧＤＵＬＡＮＺＨＯＵＲＡＩＬＷＡＹＳＯＮＧＺｈａｎｇ　ＪＩＡＮＧＬｉａｎｇｗｅｎ　ＤＵＹｕｂｅｎ　ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｚｅ（ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＳｔｕｄｉｏｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｏｕ　６１００３１）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｅｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｏｆｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｌｉｎｉｎｇｃｒａｃｋ，ｓｔｅｅｌｔｏｒｓｉｏｎ，ｔｒａｎｓｅｃｔｏｆｔｕｎｎｅｌｒｅｄｕｃｅｄｉｎｓｉｚｅ，ａｎｄｓｏｏｎ；ｂｕｔｐｏｓｓｅｓｓｅｄｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｔｒｉｃａｔｅａｎｄａｃｔｉｖｅ，ｆｏｒｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｒｅｅｔｅｃｔｏｎｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＬｏｎｇｍｅｎＭｏｕｎｔａｉｎｔｅｃｔｏｎｉｃｂｅｌｔ，ＳｏｎｇｐａｎＧａｎｚｈｉｆｏｌｄｔｅｃｔｏｎｉｃｂｅｌｔａｎｄｗｅｓｔＱｉｎｌｉｎｇＭｏｕｎｔａｉｎｓｆｏｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｂｅｌｔｉｎｃｌｕｄｅｄ１０ａｃｔｉｖｅｆａｕｌｔｓ；ｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｗｅａｋａｎｄｃｒａｃｋｅｄ，ｆｏｒｔｈｅ７０ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｏｆＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｓｏｆｔｒｏｃｋｏｆｓｌａｔｅ，ｐｈｙｌｌｉｔｅ，ｓｃｈｉｓｔａｎｄｃａｒｂｏｎｓｌａｔｅ，ｓｕｆｆｅｒｅｄｓｅｒｉｏｕｓｌｙｂｙｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃａｎｄｔｏｏｋｏｎｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｃｒｕｍｐｌｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｏｎｇｃｒｕｓｈｉｎｇｃｒａｃｋｅｄ；ｏｆｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｓｅｉｓｍｉｃｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ，ｆｏｒｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｒｕｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎ“５·１２”ｍｅｉｚｏｓｅｉｓｍａｌａｒｅａ，ｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｄａｍａｇｅｄｔｏｒｏｃｋｍａｓｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｗａｔｅｒｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏｃｋｍａｓｓ．ＴｈｅｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｏｂｖｉｏｕｓｈｉｇｈｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓ．ＴｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｔｅｃｔｏｎｉｃｓｔｒｅｓｓ，ｓｏｆｔａｎｄｃｒａｃｋｅｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｂｉａｓｏｆｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｌｏｏｓｅｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｓｑｕｅｅｚｅｄｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．ＡｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｇｒｅａｔｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙａｎｄｏｔｈｅｒｓｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｓｉｍｉｌａｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙ，Ｔｕｎｎｅｌ，Ｓｏｆｔｒｏｃｋ，Ｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ０　引　言　　在建成兰铁路起于成都市青白江区，经汶川“５·１２”强震区什邡市、绵竹市、安县至阿坝州茂县、松潘县、九寨沟县，之后穿岷山至甘肃省宕昌县连接在建的兰渝铁路哈达铺站。全线跨越了龙门山构造带、松潘甘孜褶皱构造带及西秦岭褶皱构造带三大构造单元，共涉及１２条区域性活动断裂，线路１０次穿越活动断裂，其构造条件极为复杂活跃（中铁二院工程集团有限责任公司，２００９）。全线地层岩性主要以千枚岩、板岩为主，夹砂岩、灰岩、页岩（含煤层），零星分布花岗闪长岩，占线路长度约７０％的段落岩体为板岩、炭质板岩、片岩、千枚岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，岩性条件极为软弱破碎；全线软岩地层的隧道多达２６座，占全线隧道总长的５３％，且千枚岩地层主要分布于成兰线南段的杨家坪－松潘段（中铁二院工程集团有限责任公司，２００９）。成兰铁路穿越汶川“５·１２”地震区，地震效应极为显著，水平构造应力场特征明显，前期研究表明（中铁二院工程集团有限责任公司，２００９；袁传保等，２０１４），成兰线南段长大隧道洞线附近的最大水平主应力优势方向均在Ｎ２０～７５°Ｗ之间，即ＮＷ向，与区域构造应力方向一致；而北段最大水平主应力优势方向为Ｎ２０°Ｅ～Ｎ４８°Ｗ，受西秦岭构造带影响，变化较大。已有的工程实践（何满潮，２００２；赵旭峰，２００７；刘志春等，２００８；刘光明，２０１２；汪波等，２０１２；赵勇，２０１２；高美奔等，２０１３；李翔等，２０１４；李国良等，２００８）表明，软岩地层修建隧道时常会遇到衬砌开裂、钢架扭曲、甚至隧道断面缩小等软岩大变形破坏现象，给工程造成极大危害。目前成兰铁路试验段成都至川主寺段隧道在修建过程中，也遇到了较多的变形开裂破坏等现象，其具有软岩大变形的一般特点，更具有其区域特性，即极为复杂活跃的构造条件、极为软弱破碎的地层岩性条件、显著的汶川地震效应及高水平构造应力为特点的地质条件。本文作者在分析成兰铁路试验段当前施工中已出现的多处不同类型的大变形现象的基础上，对于穿越强震区的软岩隧道大变形破坏特征及其成因机制进行探讨，以便指导设计与施工，同时也可为今后震区类似工程建设提供借鉴。１　软岩隧道变形破坏特征　　在建成兰铁路试验段成都至川主寺段目前在隧道施工中多处出现了不同程度的软岩变形破坏现象，主要表现为变形量大、变形不收敛等变形特征；其岩体的强度应力比大部分介于０１５～０５之间，为轻微至中等大变形，少数强度应力比小于０１５，表现为严重大变形特征。在建成兰铁路隧道软岩变形特征归纳如下：１１　松潘隧道变形现象及破坏特征　　隧道Ｄ３Ｋ２４３＋８２３～Ｄ３Ｋ２４３＋８５９段在初支完成后出现了不同程度的变形现象，据监测资料显示Ｄ３Ｋ２４３＋８３９５２断面最大变形为５３８ｍｍ，侵限２８８ｍｍ，变形特征主要表现为隧道右侧中上台阶出现不同程度的初支侵限及掉块现象；随后对此段采取回填反压、设置临时横、斜撑，打设自进式锚杆及径向注浆等措施，拱顶下沉及围岩收敛数据控制在５ｍｍ·ｄ－１之内。隧道Ｄ３Ｋ２４４＋２００～Ｄ３Ｋ２４４＋２４０段监控量测数据变形速率超标，其中Ｄ３Ｋ２４４＋２２５断面变形量最大，收敛变形速率１１８０ｍｍ·ｄ－１，累计收敛变形量为１４５５ｍｍ，拱顶下沉变化速率４８ｍｍ·ｄ－１，累计沉降量１６７ｍｍ；且最后收敛变形累计２２６６ｍｍ。变形主要发生在拱腰部位，变形特征主要表现为钢架扭曲，初支表面开裂、掉块。１２　榴桐寨隧道变形现象及破坏特征　　榴桐寨隧道１＃横洞工区右线ＹＤ８Ｋ１３６＋３８９～２１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１６ＹＤ８Ｋ１３６＋５１４段在初支完成后出现了不同程度的变形现象，监控量测显示拱顶下沉３６８～６８５ｃｍ，边墙侵限５０８～６９４ｃｍ；变形特征表现为拱部及边墙出现纵向贯通裂缝，拱部喷砼开裂、剥落，局部钢架扭曲变形等现象。榴桐寨隧道３＃横洞工区右线ＹＤ８Ｋ１４７＋４１５～ＹＤ８Ｋ１４７＋４５５段拱顶累计下沉１４１～４３１ｍｍ，边墙侵限３２１～６８８ｍｍ；变形特征表现为拱顶下沉纵向开裂、边墙侵限初支剥落、掉块等现象。１３　茂县隧道变形破坏现象及特征　　茂县隧道一号斜井ＸＪ１Ｋ０＋６２８～ＸＪ１Ｋ０＋０４２段共计５８６ｍ发生不同程度的软岩大变形现象；据监控量测，ＸＪ１Ｋ０＋６２８～＋４６６段（共１６２ｍ），底板隆起，最大隆起高度２２～２７ｃｍ；ＸＪ１Ｋ０＋４６６～＋２７５段拱顶沉降最大值为３１７７ｍｍ，上台阶收敛最大值为３２１７ｍｍ，下台阶最大收敛值为３４７６ｍｍ；ＸＪ１Ｋ０＋６２８～＋４６６段最大拱顶沉降为２１４８ｍｍ，上台阶最大收敛为２５５８ｍｍ，下台阶最大收敛为３６２２ｍｍ，均发生在ＸＪ１Ｋ０＋４８０断面。茂县隧道一号斜井变形特征主要表现为：隧道净空收敛和拱顶沉降量增大具有突发性，且发生变形突变之后，累计变形量增长时间长，在采取加固补强之前，变形收敛缓慢或无收敛迹象；隧道存在偏压现象，大里程方向右侧变形普遍大于左侧；变形主要以拱腰向隧道中线挤压隆起，局部钢架扭曲变形，初喷混凝土龟裂，裂缝纵向发展贯通，最大纵向贯通长度为９ｍ；掌子面挤出明显，封闭的掌子面喷射混凝土开裂，裂缝从底部逐步向拱顶发展。变形特征总体呈现为变形滞后性和不收敛性。１４　杨家坪隧道变形现象及破坏特征　　杨家坪隧道右线ＹＤ２Ｋ１１１＋８７７～＋８９２二衬段左边路肩面上约２ｍ处沿线路方向产生了一道水平裂缝，长１５ｍ，最宽处约３ｍｍ。