超长深埋隧洞软弱围岩特征分析及施工技术研究
作者简介：李立民 （1969—），毕业于西安矿业学院水文地质与工程地质专业，学士，教授级高级工程师，主要从事水文地质与工程地质勘察及研究工作。
摘要：超长深埋隧洞在断层破碎带及千枚岩等软弱岩层施工过程中，岩体松散破碎、岩质软弱、变形强烈，易造成开挖后发生较大规模的围岩失稳、坍塌等地质灾害。本文通过对秦岭输水隧洞千枚岩地层的微观结构分析，揭示其宏观破裂形式，并对隧洞穿越断层破碎带的变形破坏特征及机制进行分析研究。在特别重大不良地质发育地段，应用了综合超前地质预报技术对掌子面前方进行超前探测，提出了基于围岩工程特性与超前地质预报成果分析的典型隧洞变形破坏施工技术措施，有效控制了隧洞围岩的变形破坏，达到了预期的治理效果，保证了施工安全。
关键词：隧洞 软弱围岩 技术措施
基金项目：国家重点研发计划项目 （2016YFC0401804）；2013年陕西省科技统筹创新工程计划项目 （2013KTZB03-01-01）；陕西省引汉济渭工程建设有限公司科研项目 （引汉建函 〔2014〕93号）。
1 引言
近年来，随着国家“一带一路”倡议不断推进，我国在铁路、公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其他领域修建了大量的隧道（洞）工程。当前与今后相当长一段时期内，隧道（洞）建设将重点向地形地质条件复杂的西部山区和岩溶地区转移，深长隧道（洞）工程大量涌现，其长度和埋深也在不断刷新现有隧道工程建设的记录，遇到的工程地质条件将更加复杂，工程地质分析与研究工作也正在经历着前所未有的挑战。
目前，在我国许多山区陆续修建有若干条隧道（洞）工程，隧道（洞）所经沿线的地质环境各不相同，其中岩性和构造特征对隧道（洞）工程施工影响极大。国内一些学者曾对不同地区的断层特征、地质条件、变形特征、工程对策等进行过相关的研究和总结，但大多是从宏观角度对其进行分析研究，从微观角度进行研究的并不多见。有的学者对岩石微观破裂机理与断裂特征进行了研究，但未能从宏观角度研究评价其对工程的影响程度。
秦岭输水隧洞区位于秦岭造山带，岩性复杂，断裂构造及褶皱众多，岩体节理裂隙、劈理极其发育，工程地质性质差异大。因而从微观角度和宏观尺度研究软弱岩层和断裂构造带特征的表现对隧洞工程的影响具有重要意义。
本文基于秦岭隧洞 （越岭段）岭北工程TBM施工段现场施工中遇到的断层破碎带、千枚岩软弱围岩岩层和节理发育 （密集）带等第一手资料的收集与分析，研究了隧洞区的地层岩性、地质构造以及变形破坏特征和机制，提出了针对性的防治措施，为后期隧洞的设计优化和施工支护提供有益的启示。
2 地质特征
2.1 岩性特征
秦岭超长深埋隧洞横穿秦岭山脉，横跨陕西省佛坪、宁陕及周至三县，全长81779m，最大埋深2012m。主要地层岩性为白垩系变质砂岩、千枚岩；三叠系变质砂岩；石炭系变质砂岩、千枚岩；泥盆系变质砂岩、千枚岩；志留系片岩、大理岩；中—上元古界变质粒岩、片岩、石英岩、大理岩；下元古界混合片麻岩；上太古界片麻岩等，并伴有印支期花岗岩、华力西期闪长岩、加里东晚期花岗岩、花岗斑岩和闪长岩体的侵入。各套地层的岩性结构各不相同，岩石物理力学特征具有明显差别，其中软弱围岩主要为分布于岭北段的千枚岩及断层破碎带，力学强度低（表1）。
表1 软弱围岩物理力学指标值
断层带内主要构造岩性为碳酸盐质、粉砂质、绿泥斜长质糜棱岩［图1(a)］、构造角砾岩、碎裂岩［图1(b)］等，局部夹有断层泥砾，原岩多为千枚岩，拖尾、拔丝、矿物拉伸线理、斜长石和碳酸盐质旋转斑、方解石细脉及长英质脉的不对称褶皱十分发育，在剖面指示由北向南的逆冲剪切，平面上可见先右后左行的平移剪切特征。
图1 主要构造岩样品
2.2 构造特征
隧洞所在大地构造单元为秦岭造山带中部，为复杂构造带，处于我国华北地块与扬子地块两大构造单元之间，北部渭河断陷盆地属华北地块南缘，南部属扬子地块北缘。工程通过区地处秦岭微板块和华北地块南缘，经历了多期构造运动以及长期的发展演化，其内部组成与构造变形十分复杂。共分布有40余条断层，其中有东西向的山阳—凤镇断裂（QF1）、商丹断裂（QF2）、黄台断裂（QF3）3条区域性大断层，还有北西、北东向的次一级断层近30余条，断裂构造发育，地质条件极其复杂。
2.3 区域构造变形分析
秦岭隧洞在岭北K46+000~K56+200区段围岩为泥盆系刘岭群（D3ty、D2-3q），区域上位于山阳—凤镇断裂与商镇—丹凤断裂带之间，为一套变质程度较低的陆源碎屑岩（图2）。施工揭露主要岩性深灰—黑灰色千枚岩、其次为浅灰—灰色变石英细砂岩，局部夹绢云千枚岩、炭质千枚岩等。千枚理陡倾，发育褶皱变形，显示近南北向挤压应力。岩石构造面理发育，岩石完整性变差，岩石碎裂化作用强烈，在现今北东东向挤压应力场下易于沿缓倾构造面理发生斜向走滑变形。刘岭群在露头区褶皱发育，为复式向斜，岩层走向近东西向，向南北两侧倾斜。褶皱轴面陡立，走向近东西向，枢纽近水平。区间断层发育，断面向南缓倾，显示由南东东向北西西逆冲，古应力恢复为北西—南东向挤压，与实测地应力方向一致。碎裂岩化千枚岩，局部糜棱岩化严重，变为千糜岩。变形特征为浅构造层次，主导变形作用为纵弯褶皱作用，出现平行褶皱、断层和节理。千枚理发育，古应力残余影响大，二次应力作用下，易于沿片理面发生剥落和围岩大变形。
图2 秦岭输水隧洞工程地质剖面图
3 岩石断口形貌及显微结构特征研究
3.1 扫描电镜分析
研究中对岭北千枚岩采取样品进行电镜扫描分析，从显微照片可见（图3），石英细粒呈不规则粒状，无序穿插于绢云母片粒间，半定向分布。千枚岩断口形态呈晶间断裂、平坦面花样及条纹花样，而又以晶间断裂花样为主，是沿晶粒界面彼此分离的剪切滑动断裂与拉伸沿晶断裂混合作用的结果，表现为沿晶断裂与切晶擦花的破裂形式。
3.2 显微结构分析
K51+966处样品镜下显示，岩性为绿泥绢云千枚岩，千枚状构造，细粒鳞片变晶结构。绿泥石结晶显微鳞片状、定向或杂乱分布，局部纤维绿泥石密集，绢云母细鳞片状集合体定向均匀分布，石英以脉体的形式沿裂隙充填，可见多组近于平行的脉体和石英旋转碎斑，主要矿物含量为绢云母40%、绿泥石35%、石英25%（图4）。由于绢云母与绿泥石含量高，片理面（千枚理）发育，在外力作用下易产生剪破裂。
图3 千枚岩扫描电镜图
图4 千枚岩镜下显微构造（一）
K51+597处围岩样品镜下显示，岩性为糜棱岩，碎斑结构，糜棱结构，显示波纹条带状构造特征（图5）。绿泥石呈残缕状斑晶状出现，而石英则以碎斑形式出现，薄片中发育裂隙，裂隙内含有一定数量的绢云母和方解石，动力变质碾压磨碎作用后，部分已变为千糜岩。主要矿物含量为绿泥石52%、石英38%、绢云母5%，方解石3%，少量斜长石和黄铁矿，大部分物质排列极具定向性。
K51+231处样品镜下显示，岩性为绿泥绢云石英千枚岩，千枚状构造，细粒鳞片变晶结构。绿泥石显鳞片状，定向排列性强，绢云母细鳞片状定向均匀分布，石英细粒呈不规则粒状，无序穿插于绢云母和绿泥石片粒间，半定向分布。主要矿物含量为绢云母30%、绿泥石30%、石英40%（图6）。由于石英含量高，多形成微观脆性破裂形式，在外力作用下产生拉破裂。
图5 糜棱岩镜下显微构造
图6 千枚岩镜下显微构造
4 围岩变形破坏特征
4.1 围岩变形破坏基本特征
围岩变形破坏主要发生在以千枚岩为主的断层破碎带、节理发育带和软弱岩层中。施工过程中在K51+173～K51+198、K51+431～K51+470、K51+483～K51+518、K51+547～K51+581.1、K51+581.1～K51+603.2段相继发生大变形，具体表现体现在以下两个方面。
4.1.1 坍塌
例如，K51+483～K51+518段主要发生在次生断层中，断带物质主要为糜棱岩及少量断层泥砾，断层产状N50°～60°E/70°~80°S，性质为逆断层，影响带宽30～50m，断层面擦痕明显，两侧岩层片理发育，产状多变。自2016年12月16日始，TBM掘进至K51+505.6处，在K51+509.6处右侧顶护盾下方发生坍塌，不断有破碎渣体流出。护盾右上方12~3点范围出现塌腔，径向深度7.0m；刀盘前方纵向长度1.9m，径向深度约7.0m。右拱部出现线状滴水及小股状涌水。K51+431～K51+470段主要发生在变砂岩、千枚岩中，局部有糜棱化现象，影响范围约40m，为节理发育带，产状为N36°～50°W/38°～76°S，组间距为0.05～0.3m不等，节理面较平整，多密闭或微张状，岩层片理产状N69°W/42°N，片理面弯曲光滑。自2017年1月6日始，TBM掘进至K51+462.9处，护盾尾部右侧12~3点范围发生坍塌，塌腔尺寸（环×纵×高）约为7.0m×5.5m×1.7m。K51+173～K51+198段主要发生为f9断层破碎带中，断带物质主要为糜棱岩，少量断层泥砾，断层产状N70°～75°W/68°～73°S，性质为逆断层，断层沿右侧边墙向左侧拱部延伸，影响带宽20～30m，岩体破碎-极破碎，两侧岩层片理发育，产状变化大。自2017年1月31日始，TBM掘进至K51+181.7处，护盾拱部10点至4点范围发生坍塌，塌腔尺寸（环×纵×高）约为12.0m×9.0m×2.5m，破碎渣体从右侧护盾下方流出，拱部有面状流水、渗水、滴水出现。
4.1.2 初期支护变形开裂、拱部下沉并伴有大塌方
例如，K51+581.1～K51+603.2段主要发生在次生断层中，断带物质主要为碎裂岩、糜棱岩和断层泥砾，断层产状N55°W/46°N，性质为逆断层，影响带宽30～50m，断层面平直粗糙，擦痕明显，两侧岩层片理发育，产状不稳定，线状、股状流水，滴水。自2016年5月31日始，TBM在K51+597.6处，左侧护盾下方有极破碎渣体不断流出，渣体高度超过主梁后停止外流；护盾后部（K51+603～K51+625段）钢拱架及钢筋排有明显挤压变形现象。次日右拱部开始出现滴水、线状及面状流水，直至大股状流水。K51+547～K51+581.1段主要发生在薄至中层状千枚岩夹变砂岩中，为节理密集带，产状N38°～81°E/64°～76°N，组间距0.1～0.2m，节理面起伏粗糙，局部平整，多微张或张开状，少量泥钙质物充填，岩层片理产状N56°W/82°N。自2016年10月17日始，TBM掘进至K51+572.2处，K51+577.8～K51+581.9段右侧拱部（12~3点范围）发生坍塌，坍塌尺寸（环×纵×高）约为7.2m×4.1m×2.1m，K51+577.0～K51+580.6段左侧拱部（9~11点范围）发生坍塌，坍塌尺寸（环×纵×高）约为5.5m×3.6m×0.5m；K51+578.3～K51+579.2段已支护钢拱架发生变形（图7）、初喷混凝土开裂、剥落并掉块（图8）；TBM掘进至K51+569.0处，盾尾右侧拱部围岩破碎，有深度约0.5m的小型塌腔，盾尾左侧（8~12点范围）发生大面积滑塌和掉块现象，从盾尾左侧流出大量碎渣，纵向斜深约11.5m，宽度约3.5m，高度约4.0m；TBM掘进至K51+565.6处，通过激光测距仪测量，刀盘顶部塌腔高11m，宽9.0m，掌子面呈倾斜状，与水平面呈65°夹角。
图7 钢架扭曲变形
图8 混凝土喷层开裂、掉块
4.2 围岩变形破坏的岩性及结构特征
隧洞变形破坏发生的地层岩性以千枚岩为主，呈灰绿色、灰色至黑灰色，鳞片变晶结构，千枚状构造，片理发育，片理面光滑，有丝绢光泽，围岩本身强度低，自身稳定性差。由于受多期构造作用，糜棱岩化现象普遍，挤压破碎严重，沿结构面的抗剪强度最低，容易产生结构控制大变形。
4.3 围岩变形的时空效应特征
为了分析隧洞开挖和支护后围岩变形情况，在变形破坏特别严重地段（如K51+603～K51+625段），布置了多个监测仪器，包括多点位移计、锚杆应力计、光线光栅应变计、振弦式应变计及压力盒等进行监控量测。根据施工过程中多点位移计量测结果表明，在隧洞径向变形上，一般表现为拱顶下沉，边墙明显收敛（无底鼓现象）。围岩变形破坏形式为初喷支护（混凝土）开裂、钢拱架扭曲变形，侵入隧洞限界，最大变形量为39.8cm，而开挖完成后设计允许预留变形量为5cm。因此后期施工中对该洞段钢拱架进行了拆除、更换，并采取其他补强措施，使大变形得到了有效控制。
5 围岩变形破坏机制研究
5.1 地应力特征分析
秦岭隧洞在本段（K51+173～K51+603.2）埋深1020～1143m，根据隧区实测地应力测试及地应力场线性回归分析结果得出，本段最大水平主应力方向为N37°W～N53°W，优势方向为N50°W，与洞轴线呈49°的较大角度相交，最大水平主应力值为33.10MPa，垂直主应力值为31.39MPa，显示围岩处于中—高应力区。其中水平主应力和垂直主应力对隧洞围岩的稳定性影响较大。
5.2 微观破裂与宏观断裂的相关性分析
绢云母千枚岩由于绢云母含量较高，岩石常形成平坦面花样的断口形貌与沿晶面擦花的微观破裂形式，在外力作用下易产生剪破裂，这直接导致其岩石力学强度较低，易造成追踪片理面的剪切破坏，破坏面较为光滑平坦，宏观上多表现为节理密集带或韧性剪切带；同时，石英含量较高的千枚岩抗压强度相对较高，岩石断裂面多呈阶梯状，这与其岩石断口的晶间断裂花样与沿晶断裂的微观破裂形式可以联系起来，岩石拉、剪破裂并存的微观断裂机理与石英含量较高的千枚岩在外力作用下形成的脆性拉断密切相关，宏观上多表现为脆性节理或断层。结合区内千枚岩的矿物组成及岩石断口微观形态分析结果，认为千枚岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的相关性。
5.3 岩体结构（面）分析
隧洞穿越的层状千枚岩岩体产状呈陡倾角产出，围岩开挖后在地应力作用下内鼓使岩层发生弯曲倾倒变形，或重力坍塌，或沿结构面发生剪切滑移。这种变形破坏明显受到岩层产状的制约。如TBM施工掘进通过f9（古城岭—老君滩）断层（K51+180～K51+195）和2条次生断层（K51+595.3～K51+604.7、K51+487～K51+517）时，由于受构造作用影响强烈，产生了众多的构造结构面（包括断层面、片理面、节理面和层间错动面等），它们倾向不利或几组结构面共同组合的岩块倾向不利，从而引起多次围岩变形破坏和压力增大的现象。
5.4 地下水影响分析
隧洞区内整体处于弱富水区，地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水总体并不发育，但隧洞开挖后引起地下水渗流场的改变，使洞身上部的地下水向松动圈附近汇流，并出现滞后发育的现象。在围岩开挖后地下水出现的特点是，在刚开挖的掌子面及拱圈一般无水，但经过一段时间后地下水便逐渐开始出现，一般出现的时间在1~3天后，具有明显的滞后效应，会形成一定的渗水压力。如2017年5月31日TBM施工掘进至K51+597.6处，6月1日掌子面及拱部开始陆续出水，6月2日水量明显变大，出现大股状涌水。断层破碎带、节理裂隙发育带为地下水的转移提供了良好的运移通道；同时层状结构的千枚岩岩体由于地下水对结构面的软化、泥化，降低了结构面的抗剪强度，使岩体沿结构面产生变形破坏。与此同时千枚岩及断层破碎带（原岩为千枚岩）亲水矿物含量普遍较高，遇水易被软化而使其强度大大降低，加剧了围岩的变形。由此分析认为地下水是形成围岩变形破坏的重要因素。
6 隧洞通过围岩变形破坏段的防治措施
6.1 综合超前地质预报技术的应用
为了分析研究围岩变形破坏特别严重段（软弱岩层、节理发育带和断层破碎带）地质情况，更准确地判断围岩类别，优化支护设计参数，制定合理有效的治理方案，采用聚焦测深电阻率法（图9）与三维地震波法（图10）相结合、超前水平钻孔与孔内电视相结合的综合超前地质预报技术对掌子面前方地质情况进行探测。
6.1.1 聚焦测深电阻率法与三维地震波法相结合
聚焦测深电阻率法是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，主要采集了极化率、视电阻率等参数，通过观测和研究被测对象的激电效应进行地质探测的一种电法，可实现对掌子面前方一定范围内地质情况近距离三维成像与定位。
图9 聚焦测深电阻率法成像图（K51+597.6～K51+567.6）
图10 三维地震波法成像图（K51+597.6～K51+527）
三维地震波法主要利用围岩与不良地质体的波速、密度等差异，通过三维地震波解译软件计算，实现对掌子面前方一定范围内断层破碎带、空洞等不良地质体的空间位置的远距离定位。
结合聚焦测深电阻率法与三维地震波法综合分析推测，掌子面前方0～30m围岩破碎—极破碎，节理裂隙很发育，开挖后将出现股状涌水；30～50m围岩较破碎，节理裂隙较发育，50～70m围岩破碎，节理裂隙发育。
6.1.2 超前水平钻孔与孔内电视相结合
见图11、图12,结合超前水平钻孔与孔内电视验证后分析认为，掌子面前方0～5m段受施工开挖后卸荷和应力释放作用影响，存在大量明显裂隙，裂隙密集，间距0.23m/组，且裂隙与钻孔夹角较大，缝宽偏大，岩体张开度较大、结合较差、稳定性差；5～25m段存在少量明显裂隙，间距0.45m/组，裂隙较短，缝宽较小，岩体结合一般、稳定性较差；25～31.2m段不存在明显裂隙，间距1.63m/组，岩体张开度很小、结合较好、稳定性较好。
图11 超前钻孔电视成像图（K51+581.3～K51+550.1）
图12 钻孔裂隙与宽度分布图（K51+581.3～K51+550.1）
6.2 基于围岩工程特性与超前地质预报成果分析的典型隧洞变形破坏施工技术措施
K51+173～K51+198段原设计为Ⅳ类围岩，岩性为千枚岩夹变砂岩，预测为f9断层影响带，洞室埋深1042～1020m。掌子面揭露岩性主要为构造岩，原岩为千枚岩，为f9断层破碎带（K51+180～K51+195）及影响带，构造结构面发育，岩体完整性极差，围岩无自稳能力，围岩潮湿，拱部有面状流水、渗水及滴水出现。
根据以上地质特征综合分析，围岩物理力学性质恶化，原支护设计无法保证围岩的稳定性，需要进行变更设计。施工中将该段变更为Ⅴ类围岩，对原支护优化设计参数，具体处理措施为：对全段采取加强二次衬砌；在局部变形特别严重地段采用型号更高的钢拱架支护，钢架间距缩小；在刀盘内施做自进式锚杆超前注浆进行加固处理；灌注混凝土加固撑靴两侧范围内岩体；将拱部围岩破碎处原设计的钢筋网调整为钢筋排，局部破碎段钢架之间纵向连接筋调整为槽钢，对塌腔灌注混凝土回填密实。
K51+581.1～K51+603.2段原设计为Ⅲ类围岩，岩性为千枚岩夹变砂岩，洞室埋深1111～1116m。掌子面揭露岩性主要为构造岩，原岩为千枚岩，为次生断层破碎带（K51+595.3～K51+604.7）及影响带，构造结构面极发育，岩体完整性极差，围岩无自稳能力，围岩潮湿，右拱部出现滴水、线状及面状流水，直至大股状流水。
根据以上地质特征及超前地质预报成果综合分析，施工中将该段变更为Ⅴ类围岩，具体治理措施为：对已支护段（K51+625～K51+638）进行加固，增设型钢临时竖向支撑，采用自进式注浆锚杆实施径向注浆；对已支护变形段（K51+603.2～K51+625）换拱施工，更换高型号的钢拱架，缩小钢拱架间距，混凝土回填塌腔；在护盾后方（K51+597.6～K51+603.2）围岩条件较好的洞壁上开挖纵向小导洞（K51+581.1～K51+604.5），纵向小导洞越过坍塌影响区3～5m后，在相对稳定的围岩中施作横向小导洞，扩挖形成管棚工作间（K51+581.1～K51+586.4），向后方（大里程端）施工大管棚（K51+597.6～K51+603.2），管棚长度以越过护盾后方不小于1.5m，向大里程端开挖上导洞并及时支护加固，台阶法开挖刀盘前方断层及其影响带，利用纵向小导洞以矿山法向左右侧开挖护盾顶部。施工结束后经长期观测，大变形得到有效控制。
7 结语
（1）室内岩石力学试验表明本段千枚岩属于中硬岩，在现场开挖条件下，由于隧洞埋深大，受构造作用影响严重，构造结构面发育，岩体松散破碎，围岩强度低，存在高地应力问题，形成了较高的应力强度比，以及地下水对围岩的软化作用等，极有可能发生结构型变形破坏。其破坏方式可能是大变形引起围岩破坏或侵占净空，也可能是塌方。
（2）千枚岩的扫描电镜与微观结构分析表明，千枚岩岩石在外力作用下表现为：一种是易产生剪破裂，与其平坦面花样的断口形貌与沿晶面擦花的微观破裂形式相对应；另一种是形成的脆性拉、剪破裂，断裂面多呈阶梯状，断口的晶间断裂花样与沿晶断裂相对应。以上微观特征决定了千枚岩破裂时宏观上主要表现为节理密集带、韧性剪切带、脆性节理或断层等。
（3）施工过程中在详细分析研究围岩基本工程特性基础上，加强掌子面的超前地质预测预报工作，对地质复杂地段采用地质调查分析法、超前水平钻孔、孔内电视成像、聚焦测深电阻率法、三维地震波法等综合超前预报手段，提高地质预报的准确性，可有效降低施工安全风险，以便更好地为设计和施工提供合理的地质参数。
（4）对于软弱破碎围岩，开挖后必须及时支护，如果支护不及时，导致围岩地质条件进一步恶化，破坏范围扩大，将造成围岩大变形、塌方等严重后果。在变形处理期间应加强围岩变形监控量测，以保证施工安全及质量；处理结束后，应开展长期观测，使变形得到有效控制。
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