第20卷 第8期 中 国 水 运 Vol.20 No.8 2020年 8月 China Water Transport August 2020
收稿日期：2020-03-28
作者简介：李小刚（1976-），男，云南交投集团公路建设有限公司高级工程师。
压扭性断裂构造作用下花岗岩公路隧道变形特性分析
李小刚，李绍聪，杨兴伟，冉 华，李金磊
（云南交投集团公路建设有限公司，云南 昆明 650118）
摘 要：受压扭性断裂构造的作用和影响，梁河隧道线路几乎与断裂构造带平行，整个隧址区处于断裂构造带影响范围之内。隧道受构造带的影响，岩体裂隙发育、差异风化强烈，岩体的完整性和稳定性差，由此引发包括塌方、失稳、侵限换拱、掌子面大面积变形在内的诸多灾害，对施工进度和安全造成严重影响。本文采用应力和声发射对隧道施工过程中应力的变化规律、围岩活动规律及破坏情况进行监测，并结合现场施工工艺和岩体失稳破坏过程，分析了在施工过程中岩体的应力和声发射事件随时间和空间的变化规律，初步推算出受压扭性构造作用下围岩最大水平主应力的方向和岩体发生破坏和失稳的原因。隧道施工过程中遇到压扭性断裂构造作用时围岩的变形和破坏规律为具有类似地质条件隧道的施工工艺和工法的
调整提供了依据。 关键词：压扭性构造；变形规律；破坏特征
中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）08-0132-03
引言
云南省位于欧亚大陆和印度洋板块的交界地带，受到了由北向南和由东向西的水平推挤的交替作用，形成了一系列东西向和南北向的构造体系，以及西部顺钟向扭动为主，东部反钟向扭动为主的各种扭动构造体系[1]。地层赋存的岩体在复杂多变的构造应力作用下发生断裂并沿断裂面发生较大位移从而形成了具有一定宽度的断裂构造带即断层[2-3]。目前云南省内大量在建或待建的公路隧道在隧道选线时不得不穿越断层构造带等不良地质带，隧道在掘进过程中穿越不良地质带，常会引发系一列包括塌方、失稳、侵限换拱、掌子面大面积变形在内的诸多灾害，对施工进度造成严重影响。因此对隧道穿越断裂构造带时的岩体破坏特征、应力和位移随时间的变化规律进行分析，提出相应处置措施对于提高隧道掘进速度、保证隧道施工安全具有十分迫切的现实意义。
一、工程背景 1．工程概况
梁河隧道为腾冲至陇川高速公路梁河段控制性工程，隧道左洞起止桩号为ZK36+018～ZK38+772，长2754m，最大埋深约166m；右洞起止桩号为K35+985～K38+797，长2,812m，最大埋深约168m，属长
隧道；左右洞测中线净距两洞口段较窄，中间段较宽，最小处位于陇川端洞门口，净距为23.118m，其次为腾冲端左洞洞门处，净距24.25m。隧址区高程介于979.00～1,184.00 m 之间，地形起伏较大，总体地形坡度25～55°，坡度较陡。
2．工程地质
隧道隧址区位于腾冲～梁河弧形构造带与槟榔江弧形构造带复合部位，地形地貌及地层分布主要受大盈江断裂控制。大盈江断裂形成于古生界，至新构造期又复活，在第四系时活动强烈，并引发多次地震。其次级断裂控制了侵入岩、变
质岩的分布，使局部地段岩性变化大，工程地质条件差异明显。总体上，隧址区区域断裂发育，有利于地下水富集、运移，水文地质条件复杂。在区域断裂破碎带的影响下，隧道围岩为V 级全～强风化黑云母花岗岩、变质砂岩为主，胶结程度差，岩体裂隙发育，在主要节理裂隙及次生风化裂隙的共同切割作用下多呈碎块状、块状结构，局部位置形成碎裂状、镶嵌碎裂状结构岩体。总体上看梁河隧道受构造断裂带的控制和影响严重，隧址区穿越不同的地质地貌单元，不良地质体、破碎带、断层发育、基岩裂隙水丰富。
二、施工工艺
梁河隧道属于地形高差较大的长隧道，故采用双幅双向同时掘进进行对向施工。根据隧道揭露的围岩情况、地勘报告及物探资料，隧道处于压扭性构造断裂作用下或影响范围内，围岩裂隙发育、风化程度高、岩体完整性差。考虑台阶法施工工艺简单[4-5]，施工工序少，临时支撑不需要过多架设，从而支护拆除量也少，施工成本花费相对较少，同时台阶法施工作业空间大，有利于大型机械施工，效率得到提高，从而进度加快。
三、隧道开挖和支护过程监测
在隧道施工过程中，隧道出现过大变形、塌方、失稳、侵限换拱等现象达20余次，严重影响了隧道的整体安全与施工进度。为加快施工进度和保证隧道安全，需要掌握隧道在施工开挖过程中的应力调整过程、应力分布规律以及岩体的破坏特征。采用传统的位移监控量测方法只能了解和分析岩体的位移变化过程和预警，这时岩体位移往往产生过大变形，不能有效的指导施工和提前采取控制措施。为研究岩体在施工过程中岩体的应力和破坏随开挖时间和空间的变化规律，采用应力、声发射加现场观察法的联合监测的方法分析岩体的变化规律，为控制岩体的变形和保证岩体的稳定措施
第8期 李小刚等：压扭性断裂构造作用下花岗岩公路隧道变形特性分析 133
的提出提供依据。
1．应力监测
（1）应力监测内容及布置
隧道施工前，经过长时间的自重应力和构造作用下一般岩体都处于三向应力平衡状态[6]。围岩的初始应力在开挖隧道以后被打破，随着围岩初始地应力的释放，隧道周围各点的应力状态也由三向应力状态转变为双向应力状态，产生了围岩位移。通常情况下，隧道开挖时为了确保施工安全都会施加初期支护，围岩的应力状态随着初期支护的施加发生了改变，根据不同位置的应力监测，可以掌握支护结构上不同空间位置的应力分布规律，依据现场施工和隧道围岩条件在左幅围岩裂隙发育、岩体差异风化强烈、稳定性差、地下水丰富的地段布置2个断面进行应力的监测，监测断面的桩号分别为ZK36+895、ZK36+900。
（2）应力监测结果分析
通过在隧道左幅4个断面埋设应力监测，分析在开挖过程中围岩支护结构的受力情况，得出的断面应力监测如下所示。
5101520
253035K N
时间
右拱腰 拱顶 左拱腰
图1 ZK36+895断面应力-时间监测图
5101520
253035K N
时间
右拱腰 拱顶 左拱腰
图2 ZK36+900断面应力-时间监测图
根据断面的应力监测结果得知：①隧道支护结构的应力随着施工开挖空间的增加，应力随之增加，其中上台阶开挖应力增加最快，中台阶开挖与下台阶开挖后应力增加变慢，待仰拱成环后应力趋于稳定；②断面围岩应力出现最大的位置为右拱腰，最小位置为左拱腰，围岩应力的分布规律：右拱腰>拱顶>左拱腰；③根据应力的分布规律，初步推断围岩
的最大水平应力受构造应力的影响，产生了一定的偏转，呈现出明显的方向性。
2．声发射监测
（1）声发射监测内容及布置
在左幅布置2个断面进行声发射监测来分析围岩损伤的演化规律，从而对隧道的开挖和支护岩体的稳定性作出判断。断面的位置分别为ZK36+905、ZK36+915，其中每个监测断面布置3个测点，分别为拱顶、左拱腰和右拱腰。
（2）声发射监测结果分析
通过埋设声发射监测仪对隧道开挖和支护过程中的事件进行监测，声发射监测结果如下图所示。
2
3
4
5
6
7
8个/m i n 时间
右拱腰
拱顶 左拱腰
图3 ZK36+905断面声发射监测图
1
2345678
个/m i n
时间
右拱腰 拱顶 左拱腰
图4 ZK36+915断面声发射监测图
根据声发射仪监测结果可知：①在相同条件下，监测的断面的事件具有较好的规律性，岩体在上台阶开挖时，拱顶、左拱腰、右拱腰的事件都明显增多，表明在上台阶开挖时，围岩由于开挖卸荷，岩体进行应力的大幅度调整，原生和次生裂隙张开、扩展和壮大的趋势；随着中下台阶及仰拱成环
的开挖声发射事件在逐渐减小并趋于稳定。②在上中下台阶开挖及仰拱成环的过程中，总体上右拱腰的声发射事件最多、拱顶其次、左拱腰声发射事件最少。这说明在隧道施工开挖过程中，产生扰动最大、应力调整频繁、围岩变化激烈的位置是右拱腰。
3．现场施工岩体的变形和失稳分析
根据应力和声发射仪监测结果可知：①应力量测值出现最大的位置、声发射事件多；应力值较小的位置、声发射事
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件较少；②应力值和声发射事件在上台阶开挖过程中增长最快，在中下台阶开挖增长相对缓慢，仰拱成
环后趋于稳定。在现场施工过程中由于岩体差异风化强烈，上台阶呈全～强风化花岗岩，岩体自稳能力和完整能力差，加之含有丰富的基岩裂隙水，在开挖前采用超前小导管注浆进行超前支护，以提高围岩的自稳能力。为减少扰动上台阶开挖进尺控制在1.0m 以内，采用机械开挖并缩短支护的时间，发挥围岩和支护结构的受力。但在现场上台阶施工过程中，围岩首先发生掉块、塌方和失稳的位置首先在右拱腰，随着掉块、塌方的数量增加，失稳破坏的位置逐渐由右拱腰向拱顶移动并最终转向左侧拱腰，最终导致整个断面的破坏，这与应力和声发射监测结果相吻合。现场超前支护和岩体破坏照片见图5和5。分析原因主要是受压扭性断裂构造带的作用，最大水平应力受构造应力作用下发生了偏转，方向为左拱脚指向右拱腰方向，开挖后右拱腰卸荷速度和卸荷应力大，岩体受压扭性构造断裂带作用岩体挤压、破碎，岩体呈碎裂块状张性结构，在右拱腰形成应力集中和挤压，从而率先发生破坏。
图5 ZK36+900掌子面超前支护
图6 ZK36+900掌子面破坏情况
四、结论
采用应力和声发射联合监测的方法对压扭性构造作用下影响下的花岗岩隧道施工过程中的围岩变化情况进行监测，并结合现场施工围岩的破坏情况，得出结论如下：
（1）根据应力和声发射监测结果得知隧道施工中穿越断裂破碎带时受压扭性构造作用最大水平主应力发生偏转，经测算最大水平主应力方向近似为北偏东55°。受压扭性构造作用影响下，隧道在开挖过程中受最大水平主应力方向的影响，在上题解施工过程中易在右拱腰处产生应力集中，导致其首先在右拱腰位置发生破坏并延伸至拱顶直至左拱腰处，从而导致整个断面的破坏。因此，在开挖过程中采用台阶法时可调整施工开挖步序，开挖可先从左侧开始开挖并及时对右拱腰处进行超前加固措施，减少右侧围岩的暴露时间和支护时间，可以有效的避免围岩失稳破坏。
（2）受压扭性构造作用下，全～强风化黑云母花岗岩隧道在上台阶开挖时岩体应力扰动和调整频繁，中下台阶及仰拱应力调整和扰动较小，因此，施工中保证上台阶的施工的围岩稳定尤为关键，充分发挥围岩的自稳能力、合理的施工顺序和施工工艺，可以有效的较少围岩的暴露时间、缩短支护时间，可以减少施工的发生和加快施工进度。
（3）在常规位移监控量测的基础上，采用声发射仪、应力计等监测设备对开挖过程岩体的应力调整过程和扰动的变化规律进行监测，掌握围岩在施工过程中不同位置的变化规律，可以为施工方法的选择、施工工艺的改进提供参考。
参考文献
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