宋 章1,2，杜宇本1,2，袁传保1，王 科1,2，王彦东1
(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.中铁二院地质创新工作室, 成都 610031)
摘 要：通过分析成兰铁路杨家坪隧道1号横洞工区的地层岩性、地质构造、地应力场、工程地质条件及工程设置、施工组织顺序等的基础上,研究1号横洞工区大变形产生的成因机制。结果表明：杨家坪隧道1号横洞工区大变形的产生是各种影响因素共同作用的结果；复杂的地质构造及高地应力条件和软弱破碎的地层岩性条件为其大变形客观成因,而岩层结构面与洞轴线的不利组合、小间距隧道结构和不合理的施组顺序及左右线不对等的支护措施等不利条件为其主观成因。与大变形的主客观成因相对应,其力学机制主要呈现为应力扩容型的构造应力机制和结构变形型的结构面型机制的混合机制。
关键词：成兰铁路；铁路隧道；1号横洞；大变形；成因机制；探析
杨家坪隧道1号横洞工区大变形段处于成兰铁路里程YD2K111+700～YD2K112+100段内。
当1号横洞工区右线隧道施工至上台阶掌子面里程YD2K112+036.4、下台阶左侧里程YD2K112+015.2、右侧里程YD2K112+012.8、仰拱里程YD2K112+003、二衬里程YD2K111+981时，2014年11月20日发现右线隧道YD2K111+981～YD2K112+036.4初支钢架接头处纵向出现小裂缝，12月3日裂缝明显变大，并沿格栅钢架出现多条环向裂缝，12月8日纵环向裂缝宽度加剧，其中一处环向裂缝宽度达2 cm；拱顶出现裂缝并很快发展到掌子面附近，裂缝附近喷混凝土开始剥落掉块，拱部格栅钢架外露，钢架主筋明显弯曲变形，并在二衬到掌子面之间初支有多处不规则裂缝。至2015年3月10日，发现右线隧道YD2K111+830～+870段仰拱上隆开裂，YD2K111+830～+958.2段左边墙2.7 m高处纵向开裂并伴有部分斜向裂纹，最宽处约3 mm；该道裂缝纵向贯通，裂缝表面形成错台，裂缝上缘较下缘高出约2 mm，并伴生有2道环向裂缝，呈树枝状分布。后通过进一步的排查工作，于右线YD2K111+734～+862段二衬处发现3处宽度为0.2～1.0 mm不等的斜向裂纹。
2.1 工程概况
杨家坪隧道处于成兰铁路线的羊记沟大桥和茂县车站之间，其1号横洞工区大变形YD2K111+700～YD2K112+100段为此隧道的双洞单线分修段，其线间距净岩柱宽度由24.9 m渐变至1.66 m，属小间距隧道，左右线隧道施工的相互影响较大。
2.2 地形地貌特征
杨家坪隧道处于成兰铁路穿越的龙门山中段地带[1-3]，大屋基背斜北西翼，总体地势南高北低，属于剥蚀构造中、高山地貌[1，2]。区内陆面高程1 275～2 237 m，相对高差约200～550 m。山脉总体呈NE走向，地势呈西北高、东南低，地表沟谷纵横，地形起伏大，山脉与深切冲沟相间，自然坡度15°～60°，地势普遍陡峻，部分地段为悬崖绝壁。隧道穿越多条横向山沟。本隧道总体上为傍山隧道(图1)。
2.3 地质构造特征
杨家坪隧道1号横洞工区大地构造处于龙门山断裂带之龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间。龙门山主中央断裂(映秀—北川断裂)，走向N40°～60°E，倾向NW，倾角60°～80°，是一条活动性较强的断裂；龙门山后山断裂带(汶川—茂县断裂)，断裂走向N40°E，倾向NW，倾角70°～80°，由一系列倾向北西的叠瓦状逆冲断层组成。工区构造条件极其复杂。
受区域断裂等构造的影响，1号横洞工区主要受千佛山斜冲断层影响严重，该断层走向N60～70°E，倾向SE，倾角70°～80°(图2)。线路沿构造线前进，岩层产状与线路夹角小于10°，岩层倾角一般为65°～85°，局部受层间扭曲影响倾角可低至50°。
2.4 地层岩性特征
杨家坪隧道1号横洞工区大变形YD2K111+800～YD2K112+200段下伏基岩为志留系中上统茂县群第一亚组(S2-3mx1)的绿泥石千枚岩夹炭质千枚岩等地层，弱风化状，片理极其发育，千枚状构造；因其主要为黏土岩变质而来，岩质较软，岩体受构造影响较破碎，岩层产状陡倾。隧道围岩较破碎，局部出现掉块现象，围岩稳定性较差。
3.1 构造分区
研究区地处龙门山断裂带之龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间，构造应力条件复杂。1号横洞工区主要受千佛山斜冲断层影响严重，该断层走向N60°～70°E，倾向SE，倾角70°～80°。查阅世界应力图数据库[4]及相关资料[3，5]关于该区域应力状态的数据显示该区最大水平主应力方向主要为NE向，如图2所示。
图1 地形地貌及地质构造
图2 世界应力图关于中国现今地壳应力状态在测区的应力方向
3.2 水压致裂地应力测量结果分析
为了准确地评价1号横洞工区大变形的地应力特征，在工区右线隧道开展了1个钻孔的水压致裂地应力测量工作[6]。地应力测试钻孔布置在YD2K112+020处避车洞底板，如图3所示，测试数据见表1。
根据水压致裂法地应力测量结果，可以得到如下结论。
(1)地应力测点洞身附近的最大水平主应力为20.42～22.37 MPa，最小水平主应力为11.10～11.99 MPa，用上覆岩层容重(约为2.7 g/cm3)估算的垂直主应力为9.28～9.47 MPa。洞线附近三向主应力值的关系为SHShSV，即：该区地应力特征以水平构造应力为主。
(2)最大主应力方向为N44°～61°E，该方向与拟建隧洞轴线方向(N70°E)交角9°～26°，最大主应力与洞轴线斜交，该数值处于最优夹角30°范围之内。
(3)根据实验成果显示最小水平应力与垂直应力比值为1.19～1.27；最大水平应力与垂直应力比值为2.19～2.48。
图3 地应力测试布置
表1 杨家坪隧道1号横洞工区YD2K112+020地应力测量结果[6]
测试段深度/m破裂压力/MPa重张压力/MPa关闭压力/MPa水头压力/MPa最大水平主应力(SH)/MPa最小水平主应力(Sh)/MPa垂直应力(SV)/MPa最大水平主应力方向27.613.3311.9511.250.2822.3511.539.47N55°E26.7515.9912.3311.720.2723.3711.999.44N61°E24.417.5012.7111.180.2421.3111.429.38N44°E22.314.2712.6610.880.2220.4211.109.3220.614.3411.289.360.2117.229.579.28N32°E17.612.389.658.340.1815.738.529.20
注：测点处地面高程约1 677 m，隧道轨面高程约1 354 m，上覆岩层平均容重取0.027 MN/m3；考虑到开挖的影响和数值的对比分析，建议采用27.6～22.3 m之间的地应力测试数据。
3.3 大变形工区地应力大小及方向的确定
(1)地应力侧压力系数确定
杨家坪隧道1号横洞工区大变形段落埋深在200～620 m，且处于地质构造复杂地段；根据表2[7]，结合杨家坪隧道1号横洞工区地应力实测资料[6]及相关资料[3，5]，确定大变形工区地应力计算，公式如下
表2 受构造应力影响较大地区的地应力[7]
主应力埋深(H)/m<>
注：H为埋深，m；γ为岩石的密度，t/m3。
(1)
(2)1号横洞工区大变形段地应力大小及方向确定
根据公式(1)及1号横洞工区大变形段隧道的埋深，可得大变形段的地应力值，如表3所示。
表3 1号横洞工区大变形段地应力计算
里程埋深H/mSH/MPaSh/MPaSV/MPaSH方向YD2K111+71623014.907.766.21YD2K112+00028018.149.457.56D2K111+65023915.498.076.45N44°～61°ED2K111+77025516.528.616.89D2K112+00032020.7410.808.64
根据上述分析，此处地应力场主要以构造应力场为主导，而最大水平主应力方向，根据构造分区及地应力实测资料，可以确定其方向范围为N44°～61°E。
4.1 大变形成因分析
(1)复杂的地质构造及高地应力条件
杨家坪隧道1号横洞工区因受龙门山断裂带之龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带夹持影响，大地构造条件极其复杂。受区域断裂等构造的影响，区内主要发育杨家坪背斜、杨家坪向斜及千佛山斜冲断层。线路沿构造线前进，岩层产状与线路夹角小于10°，岩层倾角陡一般为65°～85°。
1号横洞工区受区域构造影响严重，尤其是受千佛山斜冲断层影响(该断层走向N60°～70°E，倾向SE，倾角70°～80°)，构造应力条件复杂。根据区域地应力场分析及地应力实测资料，1号横洞工区右线隧道大变形处(YD2K111+716～D2K112+000)埋深230～320 m，三向主应力值的关系为SH>Sh>SV，以构造水平主应力为主，最大水平主应力为14.9～20.74 MPa，其方向为N44°～61°E。
(2)软弱破碎的地层岩性条件
杨家坪隧道1号横洞工区YD2K111+800～YD2K112+200段下伏基岩为志留系中上统茂县群第一亚组(S2-3mx1)绿泥石千枚岩夹炭质千枚岩地层，弱风化，片状结构极其发育，千枚状构造，层面光滑局部矿物富集，层间胶结结合较差；因其为黏土岩变质而来，岩质较软；受构造影响节理裂隙较发育，岩体较破碎；开挖拱顶及侧壁岩体具有剥落现象；因岩层绿泥石化程度高，岩质软、受构造影响岩体破碎，围岩稳定性差。
该段埋深220～320 m，据附近深孔取样试验统计资料，结合此处地层岩性，设计绿泥石千枚岩岩石抗压强度为6.65 MPa；根据1号横洞工区地质构造及节理裂隙发育情况，可取岩体强度为岩石强度的40%计算[8]，可得岩体的强度为2.66 MPa。
(3)岩层结构面与隧道洞轴线的不利组合条件
受测区断层及褶曲等构造影响，1号横洞工区YD2K111+800～YD2K112+200段小褶曲发育，岩层揉皱明显；岩层走向、构造轴线基本与线路平行，掌子面开挖揭示岩层倾角(N75°E/85°NW)近于直立，呈薄片状，石英脉发育，呈线状、局部呈块状分布于层间或斜穿岩层；受构造影响较严重，节理裂隙很发育，岩层产状N60°～75°E/70°～85°NW，岩层走向与隧道(N70°E)夹角为5°～10°。褶曲构造明显，主要发育2组密闭型节理，J1:N45°W/45°NE，节理间距为3～10 cm；J2: N25°E/35°SE°，节理间距为5～50 cm；裂隙水不发育，但手触摸具有潮湿感觉。
因岩层走向与隧道洞轴线交角为5°～10°，且岩层为陡倾薄片状结构，隧道开挖后侧边墙挤压严重，在洞室地应力重分布情况下，易导致围岩出现弯折压馈变形。
(4)两线小间距隧道结构的不利条件
线路上，大变形区隧道左右两线线间距净岩柱宽度由24.9 m渐变至1.66 m，为小间距隧道；其围岩圈较单线大，双线开挖围岩扰动范围半径大，半径至少为3倍洞泾。在左右两线施工过程中中柱围岩至少经过4次扰动，在应力不断重新分布作用下导致围岩强度降低，出现塑性变形，塑性区不断扩大，表层甚至出现松动区。
(5)不合理的施组顺序及左右两线支护措施不对等的不利条件
施工中出现左线后开挖扰动右线的影响。该段左右线间距为24.9 m渐变至1.66 m，后行左线隧道掌子面开挖对先行右线隧道支护产生应力重新分布，对先行右线隧道影响较大且不利。
此外，隧道左右两线支护措施相差较大，后行隧道左线支护措施强于先行右线硐室，导致应力重分布及变形向先行右线硐室加剧的情况。
4.2 大变形的力学机制分析
大变形的产生是其各种影响成因共同作用的结果；复杂的地质构造及地应力条件和软弱破碎的地层岩性条件为大变形客观成因，而岩层结构面与洞轴线的不利组合、小间距隧道结构和不合理的施组顺序及左右线不对等的支护措施等不利条件为其主观成因。从客观成因出发，其大变形的力学机制可以归纳为应力扩容型[9]的构造应力机制；而相对主观成因而言可总结归纳为结构变形型[9]的层理型和优势节理型的混合型机制。
(1)杨家坪隧道1号横洞工区因其处于龙门山断裂带之龙门山主中央断裂带与龙门山后山断裂带之间，大地构造条件极其复杂；区域构造地应力高。应力条件可根据下式计算：最大水平应力SH=2.40γH；最小水平应力Sh=1.25γH；竖向应力SV=1.0λH。
(2)杨家坪隧道1号横洞工区大变形断裂地层岩性为志留系中上统茂县群第一亚组(S2-3mx1)绿泥石千枚岩夹炭质千枚岩等地层；其绿泥石化程度高，岩体软弱破碎，其岩体抗压强度约为Rb=2.66 MPa。
(3)根据水压致裂法地应力测试资料及《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》(DL/T 5415—2009)，综合确定横洞大变形段落最大水平地应力SH=14.90～20.74 MPa，方向N44°-61°W，与洞轴线(N70°E)夹角9°～26°。
(4)根据岩体强度应力比[10，11]Rb/SH=0.13～0.18，大变形等级类别为中等～严重大变形。
(5)大变形成因可总结为复杂的地质构造和高地应力条件、软弱破碎的地层岩性条件的大变形客观成因及岩层结构面与洞轴向的不利组合、小间距隧道结构及不合理的施组顺序和左右线不对等的支护措施等不利条件的主观成因。
(6)大变形的力学机制可归纳为应力扩容型的构造应力机制和结构变形型的层理型和优势节理型混合型机制的综合机制体现。
参考文献：
[1] 杜宇本，袁传保，王彦东，等.成兰铁路主要地质灾害与地质选线[J].铁道工程学报，2012(8)：11-15.
[2] 王彦东，杜宇本，袁传保.地震次生地质灾害与成兰铁路选线[J].地质灾害与环境保护，2013(4)：63-68.
[3] 袁传保，杨昌义.成兰铁路地应力分布特征及工程影响评价[J].四川建筑，2014，34(3):146-149.
[4] 谢富仁，陈群策，崔效锋，等.中国大陆地壳应力环境研究[M].北京：地质出版社，2003(4).
[5] 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，中国中铁二院工程集团有限责任公司. 高地应力、软岩大变形及震裂岩体工程特性研究报告[R].成都：成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，中国中铁二院工程集团有限责任公司，2010.
[6] 中铁二院工程集团有限责任公司，北京交通大学，天地科技股份有限责任公司. 成兰铁路杨家坪隧道进口工区地应力及围岩强度测试报告[R].中铁二院工程集团有限责任公司，北京交通大学，天地科技股份有限责任公司，2014.
[7] 中华人民共和国国家能源局.DL/T 5415—2009水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程[S].北京：中国电力出版社，2009.
[8] 王成虎，郭啟良，贾龙.基于Hoek-Brown强度准则的高地应力判据理论分析[J].岩土力学，2011，32(11)：3325-3332.
[9] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.
[10]王成虎，郭啟良，丁立丰，等.工程区高地应力判据研究及实例分析[J].岩土力学，2009，30(8)：2359-2364.
[11]徐林生，唐伯明，慕长春，等.高地应力与岩爆有关问题的研究现状[J].公路交通技术，2002，12(4)：48-51.
SONG Zhang1,2， DU Yu-ben1,2， YUAN Chuan-bao1， WANG Ke1,2， WANG Yan-dong1
(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., ltd., Chengdu 610031, China;2.Geological Innovation Studio of CREEGC, Chengdu 610031, China )
Abstract：Based on the research of strata, lithology, geological structure, geostress, engineering geology, engineering design and construction organization plan, the paper analyzes the cause and mechanism of larger deformation in No. 1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel on Chengdu-Lanzhou railway. The results indicate that the larger deformation in No.1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel is the end product of all such objective factors as the intricate geological structure, high geostress, weak and broken lithology and such subjective factors as adverse combination of rock structure surface along the tunnel, short distance between double track tunnels, unfavorable construction organization plan, different supporting measures between left and right lines of double track tunnel. Due to the objective and subjective factors of larger deformation in No. 1 cross-tunnel area of Yangjiaping tunnel, a mixed mechanism is presented of geotectonic stress expansion and structural surface deformation.
Key words：Chengdu-Lanzhou Railway; Railway tunnel; No. 1 cross-tunnel; Large deformation; Cause and mechanism, Analysis
收稿日期：2015-05-25；
修回日期：2015-05-30
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(2013G014-B)；中铁二院工程集团有限责任公司科研项目(院计划14126005(14-17))。
作者简介：宋 章(1977—)，男，高级工程师，2008年毕业于西南交通大学，工学博士。
文章编号：1004-2954(2015)12-0079-05
中图分类号：U455
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.019
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