关喜彬

(中铁十九局集团有限公司 北京 100176)

1 引言

天平铁路是甘肃省“十一五”重点建设项目，经过甘肃省内东部天水和平凉两市境内[1]。隧道围岩为大埋深高地应力下硬脆性围岩，此类岩体的变形破坏特征及机理性的研究至关重要，关乎工程设计合理性和施工方法的科学性。

国内众多学者也深入研究了大埋深高地应力下围岩的稳定特性。陈志敏[2]通过数值模拟、理论分析和现场测量等方法对木寨岭隧道、关角隧道等工程的软岩隧道围岩压变化进行了研究，并分析了支护结构和围岩的相互影响机理。李建兴等[3]结合特定的地质条件，利用能量理论对隧道施工过程进行数值模拟，以此研究了高地应力下开挖隧道对围岩的影响，以及围岩破坏后的发展特点。孙会想[4]基于数值模拟、孔内摄像技术对大埋深、高地应力地下围岩结构面－应力型破坏机理进行了研究。梁宁等[5]提出了反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型，并优化了开挖深埋隧洞时加固围岩的设计方案及措施。结合相应的成果，针对隧道挤压大变形和岩爆事故频发的工程现状，对不同埋深条件下地应力分布进行统计分析，划定了围岩损伤范围[6]、提出了岩爆烈度预测方法[7－8]，提出了诸如光面爆破，采用胀壳式锚杆加固等隧道围岩加固技术[9－11]。

本文以关山特长隧道DIK73＋700～DIK77＋560段为例，采用现场调查、钻孔电视测试观测，从宏观尺度上获得高地应力下隧道硬质围岩开挖渐进变形破坏的典型特征。结合其围岩变形破坏的特点，拟定了一种单轴抗压强度试验，试验中压力方向和大小处于改变状态，配合理论分析提出了关山隧道硬脆性围岩的变形破坏机理。

2 研究区工程地质条件

2.1 工程特征及区域地质条件

关山特长隧道地处甘肃省平凉市和天水市相交区域的关山中山山区，在天平铁路建设工程项目中占有十分重要的地位。隧道起于DIK67＋850，终于DIK83＋450，15 600 m为其总长，为全线第二长隧。隧道DIK73＋700～DIK77＋560段通过地层主要以华力西期闪长岩为主。

隧道地理位置处于关山褶皱带，属于六盘山褶皱带的次级构造单元。庄浪－固关断层(F4)和通渭－清水断层(F3)之间的部位就是关山褶皱带，涵盖了张家川县境内线路，属于地槽构造隆起带，并有大量华力西期闪长岩岩体侵入关山岭脊区域，如图1所示。

图1 关山隧道地质构造纲要图

22～24 MPa左右为隧洞周围的水平主应力最大值，14～15 MPa左右为其水平主应力最小值，垂直主应力为10～13 MPa。岩石原地抗拉强度多为3～4 MPa。参考国家部门颁布的测量报告[12]可知天平铁路关山隧道围岩总体处于高～极高地应力状态。

2.2 隧道围岩特征

隧道穿越位置有大量华力西期侵入岩，呈现产出为巨大的岩基，伴之有小岩体产出。岩体构成相对复杂，主要为闪长岩。这种岩类(δ4)颜色表现为青灰色，构造为块状，结构主要为细粒－中粗粒，岩体发育呈节理状。此种岩石的矿物组成较简单，具体包含为黑云母、石英、斜长石、锆石、磁铁矿等。3～5 m为强风化层厚度，属于Ⅵ级软石，弱风化基岩属于Ⅴ级次坚石，两者的σ0分别为600 kPa和1 200 kPa。

以此隧道2＃斜井DK76＋552.3掌子面为例来分析岩体结构，可以把结构面分隔为五个部分(见图2)。在结构面里，数据比较多的是前三个部分，剩余两部分则略少，所以，在分析结构面时仅仅选择有统计价值的前三部分。此三部分结构面成为优势结构面，起到主要控制岩体稳定性的作用，优势产状为它们的产状。通过作图可得，第一部分结构面法线的倾角和倾向分别是80°和60°。第二部分结构面法线的倾角和全局加权倾向分别是34°和251°。第二部分结构面法线的倾角和全局加权倾向分别是 70°和 210°。

图2 隧道围岩结构面统计窗分组

3 高地应力下隧道围岩变形破坏特征

3.1 围岩表观变形破坏

现场调查发现，关山隧道多处钢拱架支护都发生了变形破坏，例如2＃斜井正洞里程DK76＋558左右侧墙钢拱架处明显的失稳变形(见图3)，表明了开挖后围岩的变形调整活动剧烈，部分洞段的初衬承担的围压和实际变形超过了允许值。

图3 里程DK76＋558侧墙钢拱架失稳

同时，关山隧道多次掌子面前方超前预报结果与开挖后结果均出现了波速倒挂现象。如，建设中期关山隧道2＃斜井正洞里程DK76＋580掌子面前方超前地质预报显示，大部分未开挖洞段岩体波速超过5 000 m/s，而开挖后岩块波速显著下降至2 300 m/s左右。岩块波速低于母岩岩体波速，出现了波速倒挂现象。岩体的变形弹模与波速存在关系，而开挖前后岩体(块)密度可视为不变，因此波速下降表明岩体在外力下抵御变形的弹性模量的大幅下降。这说明隧道开挖前后，围岩受应力场调整影响，能量释放，岩体较之开挖前更容易变形破坏。

3.2 围岩松动圈变形破坏

为了研究隧道开挖后围岩内部岩体具体破坏特点，自行设计研发了钻孔电视测试系统，并在现场开展了两次观测工作。第一次试验选取了两个孔进行观测:1＃钻孔，位于DIK74＋525左壁，开挖后完成初衬；2＃钻孔，位于DIK74＋581掌子面上台阶，混喷护壁后3 d未开挖。测试结果显示:

1＃钻孔0～3.19 m段观测到松动变形空腔较为集中，其中孔深31～54 cm，裂缝之间相互贯通，呈现为不规则状，宽度最大值大于10 mm，腔壁表现为齿状，且较为粗糙；以里裂缝发育较密集，延伸距离大于10 mm，4 cm为其间距，张开宽度不超过1 mm，没有填充，起伏比较粗糙。见图4。

图4 1＃钻孔31～54 cm范围内连贯空腔

2＃钻孔0～3 m空腔不多，但裂隙发育，延伸长，超过10 mm，大多数闭合或者含有斜长石、石英岩脉、黄斑岩脉或暗色矿物蚀变而成的绿泥石填充，且填充胶结较好。在19～60 cm范围内，存在疑似破碎带或挤压变形带。上述客观影像皆反映了未开挖岩体受构造活动和环境应力影响裂隙发育但闭合，岩体较完整，强度高，前期的勘查钻孔难以判断岩体开挖后的质量。见图5。

图5 2＃钻孔闭合裂隙及填充

图4和图5对比可见，闪长岩在开挖卸荷条件下应力场调整，卸除了围压后，结构面的变形和新破裂面的产生导致了岩块的扩容变形。其中，平行或小角度斜交侧墙的结构面更容易扩展张开和错动，甚至形成了连贯空腔，引发了围岩向临空面的强烈变形，松脱了卸荷带。隧道中以水平应力为主且垂直侧墙的压力约为19 MPa，侧墙可能的变形破坏模式是垂向压力和水平应力联合作用下的溃屈。可见，同一深度内，受开挖扰动影响时间较短的2＃孔裂隙多数为闭合的，而1＃孔则张开裂隙居多。这表明，结构面在开挖应力场调整过程中在不断张开，及时强支护的重要性可见一斑。

3.3 围岩破坏过程特征

除了观察开挖洞段不同部位围岩的变形破坏，为了更直观比较分析开挖前后围岩内部变化，进一步对2＃斜井正洞里程DK76＋543掌子面两侧同一部位的围岩在开挖影响一定时段后的变形破坏进行了追踪观测。该里程掌子面两侧钻孔裂缝发育变化曲线见图6。

图6 裂缝发育变化曲线

由图6可见，随着掌子面向前推进，围压结构完整性逐渐削弱，岩体强度下降，加剧了裂缝的发展，裂缝之间逐渐贯通，增加了卸荷变形速度。经历开挖后6 h，在隧洞周边开挖面3 m围岩范围里，裂隙在左侧孔腔里的增加率达到200%，在右侧孔腔里的增加率为左侧两倍，达到400%，尤其是在右侧孔进尺110～130 cm的区域里，裂隙增大率甚至大于600%。此现象充分说明深埋高应力隧洞开挖面周围围岩结构和强度劣化严重，新老裂隙，缺陷和结构面迅速发育交汇。

同时结合累计裂隙总数曲线斜率变化，发现右侧钻孔开挖面附近围岩在1.3～1.5 m进尺区域里，曲线斜率比较陡，裂隙数量有着较快的增长，严重影响了围岩的结构和强度，加剧了其劣化程度，随后围岩中新增裂隙减少，新增裂缝增长率降低明显，预示着远离开挖面后围岩强度和结构完整性逐渐恢复和加强。但在围岩质量比较差的左侧钻孔中，围岩强度和完整性恢复不明显，在钻孔范围内新增裂隙增长率无放缓和降低趋势，松动圈范围较右侧更大。因此，围岩新增裂隙增长率在开挖面各处是不一样的，围岩的整体强度和结构完整性是不对称的、各向异性的。

4 高地应力围岩变形破坏机理

为探明高地应力围岩变形破坏机理，开展了4组室内变压力大小和方向单轴抗压强度实验，研究方案及破坏情况如表1所示。试验破坏照片如图7所示。

图7 试块破坏

表1 单轴试验方案及试验结果

续表1

试验结果显示，在四轮重复进行的变力变向加载过程中，岩块试样第一轮基本没有裂纹出现，裂缝在第二轮开始出现，显著扩展发育是在第三轮，最终贯通是在第四轮，也是在此轮岩块试样破坏。在上述裂缝发展过程里，虽然岩块样品裂纹缺陷扩展发育，但从宏观来看，其没有明显的变形，在第四轮突然出现破坏，表现出闪长岩硬脆性变形破坏的特征，这也表示闪长岩强度比较大，质地较硬，同时具有脆性，弹性模量较高，外力作用下变形不明显，破坏是宏观裂纹积累扩展到一定程度突然失稳的。表明闪长岩也和室内岩块试样试验一样表现出了自身结构的良好承载性，突发失稳破坏前变形较小，预兆不明显的特点。

闪长岩的硬脆性预示了隧道围岩自身结构的承载性和岩体结构变形破坏的突发性。在洞宽约7 m，洞高约9 m的断面分布开挖中，围岩稳定性问题近似于压杆稳定或梁板溃曲问题(见图8)。在洞壁临空面缺乏侧向支撑和结构承载力降低到一定程度后，围岩逐渐变形开裂最终突然失稳破坏。所以，松动圈溃曲失稳是围岩的基本变形破坏方式。

图8 压根稳定(左)及梁板溃曲(右)示意

围岩自身结构的承载性和岩体结构变形不明显，破坏突发的特点也对支护措施的长效性产生影响。在一定的支护强度和措施下，围岩结构的承载性得到了加强，变形减缓，施加到支护上的接触压力增长缓慢或一成不变。如果支护强度不够，措施不到位，经过一段时间，围岩将在变形不明显的情况下发生突发失稳破坏，短时间内对支护产生较大的接触压力，如果支护变形破坏严重，将导致拆换拱等设计变更，危害隧道安全，严重影响工期和投资。

另外，关山隧道中的硬脆闪长岩积累了比浅部岩体多得多的弹性变形能和位能，岩体较完整，强度较高。但是靠近临空面的岩体开挖后发生了强烈的能量释放和变形破坏，波速从5 000 m/s明显下降为2 300 m/s左右，有时开挖面还会伴随着噼里啪啦的响声，且随时间而衰减。通过计算，各个方向的弹性模量和岩体质量也显著下降，表征了岩体的能量释放，微缺陷扩展，进一步导致了围岩变形破坏的发生。

5 结论

本文以关山隧道高～极高地应力状态硬脆性围岩为例，采用现场调查、钻孔电视测试观测，从变压力大小和方向的单轴抗压强度试验，研究大埋深高地应力下硬脆性闪长岩开挖前后围岩变形破坏特征及机理。研究结果表明:

(1)深埋高应力隧洞开挖面附近围岩强度和结构的强烈劣化，新老裂隙缺陷和结构面迅速发育交汇。

(2)开挖面附近围岩的1 m进尺范围内，曲线斜率最陡，裂隙总数增长最快，对围岩强度和结构的劣化影响明显。

(3)闪长岩的硬脆性预示了隧道围岩自身结构的承载性和岩体结构变形破坏的突发性，松动圈溃曲失稳是围岩的基本变形破坏模式。

(4)深埋高地应力硬脆岩体储存着更多能量，变形破坏时能量释放更强烈。开挖后，岩体的变形破坏程度在显著各向异性条件下被放大，而且失稳破坏具有突发性，破坏前变形较不明显。