中老鐵路隧道軟弱圍巖大變形特征試驗研究

譚忠盛，李松濤，王建軍，楊 旸

（1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044；2.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安 710000）

中老鐵路北起磨丁口岸，南至萬象，全長414.3 km，為單線鐵路，全線隧道75 座，隧線比達(dá)47.5%。中老鐵路約有42 km的線路穿越瑯勃拉邦縫合帶，已探明此處包括斷裂構(gòu)造單元13 個及褶皺帶12 條。在強(qiáng)烈的板塊構(gòu)造作用下，該縫合帶水平構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)、巖體軟弱破碎嚴(yán)重，在此處修建隧道會遭遇大變形問題，對工程進(jìn)度和成本控制造成巨大影響，因此研究此類特殊地質(zhì)環(huán)境下的軟巖隧道大變形特征，是采取有效控制措施、保證隧道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵前提。

近年來有關(guān)軟巖隧道大變形的工程較多，已有不少學(xué)者結(jié)合具體工程，對大變形特征及機(jī)理等問題進(jìn)行了探討。陶波等［1］針對烏鞘嶺隧道軟弱圍巖大變形現(xiàn)象，揭示了圍巖流變變形的基本特征；ZHAO 等［2］基于礦物微觀組分和現(xiàn)場監(jiān)測試驗，指出炭質(zhì)板巖所含黏土礦物遇水膨脹下的圍巖非對稱性大變形特點；李磊等［3］探究破碎軟弱圍巖隧道的大變形特征，發(fā)現(xiàn)圍巖變形以剪切破壞為主，裂隙擴(kuò)容及流變特性顯著；方星樺等［4］對藏噶隧道蝕變花崗巖的大變形特性進(jìn)行分析，揭示出圍巖變形具有變形量大、速率快以及以水平收斂為主的基本變形特征；郭健等［5］通過對隧道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)上臺階開挖為圍巖變形的主要階段，且圍巖變形呈現(xiàn)非對稱性特征；馬騰飛等［6］和CHEN Z 等［7］研究發(fā)現(xiàn)，對于軟弱圍巖隧道非線性、非對稱性大變形特點，層理節(jié)理產(chǎn)狀對其圍巖變形特征的影響不可忽略；CHEN J等［8］就層狀軟弱圍巖大變形問題，提出剝落傾覆、彎曲張拉、剪切滑移以及屈曲破壞4種圍巖變形模式；WANG H等［9］根據(jù)木寨嶺大變形隧道所揭露的圍巖產(chǎn)狀，分析了不同層理節(jié)理角度條件下的炭質(zhì)板巖強(qiáng)度破壞特征；郭小龍等［10］針對徒傾層狀軟巖大變形隧道以邊墻收斂為主的變形特點，指出隧道開挖后圍巖存在層面剪切-層面拉伸-巖石剪切的組合變形破壞模式；LI S 等［11］針對楊家坪層狀地層隧道大變形問題，采用屈曲和災(zāi)變理論模型，闡釋了層間錯動、分離到屈曲失穩(wěn)的隧道變形特征?？偟膩砜?，上述成果均從不同視角提出具有一定參考價值的研究結(jié)論，但相關(guān)研究的依托隧道工程，大多穿越相對穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境，較少涉足強(qiáng)烈的板塊構(gòu)造作用，以及眾多構(gòu)造帶多期次疊加耦合作用的軟巖隧道大變形問題。

現(xiàn)行的鐵路隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)是以圍巖強(qiáng)度或巖石強(qiáng)度以及地應(yīng)力為基準(zhǔn)，對大變形進(jìn)行等級劃分的［12］。由此，本文以中老鐵路穿越瑯勃拉邦縫合帶的5座隧道工程為依托，從隧道圍巖強(qiáng)度特征、區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律以及圍巖松動圈范圍等方面進(jìn)行室內(nèi)外試驗研究和數(shù)值模擬，基于大量試驗數(shù)據(jù)揭示穿越縫合帶的5座隧道大變形特征，并提出相應(yīng)的變形控制措施。

1 隧道工程概況

中老鐵路所穿越的瑯勃拉邦縫合帶，其構(gòu)造帶分布如圖1 所示（改自文獻(xiàn)［13］）。此處由若干大小不一的微地塊碰撞結(jié)合而成，地塊之間縫合帶受強(qiáng)烈的沖擊擠壓作用，主動盤和被動盤相互交錯，多組不同方位斷裂構(gòu)造帶、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造在區(qū)域內(nèi)發(fā)育，造成區(qū)域原始構(gòu)造地應(yīng)力場極其復(fù)雜［14-15］。圖1 中綠色區(qū)域代表地質(zhì)縫合帶，縫合帶內(nèi)分布有5 座軟巖隧道組成的隧道群，沿磨丁—萬象方向依次為：會富萊、相嫩三、達(dá)隆一、達(dá)隆二以及沙嫩一隧道。

圖1 中老鐵路構(gòu)造帶分布

5 座隧道均設(shè)計采用三臺階法分步開挖，施工步序如圖2所示。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中V級圍巖的支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧道初步設(shè)計支護(hù)參數(shù)

圖2 隧道斷面及施工步序（單位：m）

5 座隧道圍巖巖性以炭質(zhì)板巖為主，受強(qiáng)烈的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用，隧道掌子面巖體節(jié)理裂隙縱橫交錯，巖層產(chǎn)狀紊亂，局部揉皺現(xiàn)象多見，如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)，隧道群各標(biāo)段對應(yīng)的圍巖大變形等級以嚴(yán)重、中等為主。

圖3 掌子面揭露巖層產(chǎn)狀

受縫合帶強(qiáng)烈的構(gòu)造作用以及隧道軟弱圍巖特征影響，5 座隧道在建設(shè)初始階段已多次顯現(xiàn)出大變形特征，初支結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，在拱頂和邊墻位置，拱架屈曲破壞、噴射混凝土開裂剝落現(xiàn)象頻發(fā)，對隧道的安全高效施工造成重大影響，如圖4所示。因此有必要基于縫合帶內(nèi)的隧道宏觀變形破壞現(xiàn)象，探究這一復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下的軟巖隧道大變形誘發(fā)本質(zhì)，從而明確隧道圍巖變形等級，制定相應(yīng)變形控制措施。

圖4 隧道初支結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象

2 隧道工程特性試驗研究

2.1 隧道圍巖強(qiáng)度

2.1.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

對縫合帶內(nèi)5 座隧道現(xiàn)場大量取樣測試，分析圍巖單軸抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律。所取巖樣均為炭質(zhì)板巖，共計取樣57 組、巖樣171 個。每組巖樣對應(yīng)1個取樣里程，各隧道取樣里程及試驗結(jié)果如圖5所示。

統(tǒng)計測得的各隧道所取巖樣單軸抗壓強(qiáng)度可知：沙嫩一隧道圍巖堅硬程度和完整性較好，單軸抗壓強(qiáng)度相對較高，平均約為18.8 MPa；會富萊隧道巖石單軸抗壓強(qiáng)度較低，平均約為10.0 MPa；相嫩三、達(dá)隆一和達(dá)隆二隧道巖石單軸抗壓強(qiáng)度相差不大，這3 座隧道的巖石強(qiáng)度均不超過12.0 MPa；綜合統(tǒng)計5座隧道所測的57組巖石單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其平均單軸抗壓強(qiáng)度約為12.7 MPa，該類巖石屬于軟巖范疇。

2.1.2 巖體抗壓強(qiáng)度

根據(jù)各隧道巖樣單軸抗壓強(qiáng)度，綜合考慮巖體中節(jié)理裂隙、尺寸效應(yīng)的影響，將常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正后，換算成巖體力學(xué)參數(shù)，以更好地反映隧道圍巖強(qiáng)度。在此，為計算巖體強(qiáng)度，采用較為通用的廣義Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則［16-17］為

其中，

式中：σc為巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σ1和σ3為巖體破壞時的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；mb，S，a 分別為巖體力學(xué)經(jīng)驗參數(shù)；IGSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；D為表征開挖巖體受擾動程度參數(shù)，在巖體開挖的過程中嚴(yán)格地采用控制爆破和機(jī)械開挖，故D=0。

因所測巖石強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度，所以σ3=0，由此式（1）可進(jìn)一步簡化為

按照廣義Hoek-Brown 準(zhǔn)則計算5 座隧道的巖體抗壓強(qiáng)度，將計算結(jié)果整理見表2。由表可知，5座隧道巖體的抗壓強(qiáng)度為0.88～3.16 MPa，平均抗壓強(qiáng)度約為1.67 MPa，表明縫合帶內(nèi)5 座隧道巖體破碎嚴(yán)重，強(qiáng)度較低。

表2 基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的隧道圍巖強(qiáng)度

2.2 隧道地應(yīng)力分布

縫合帶所處的地應(yīng)力復(fù)雜多變，地勘提供的地應(yīng)力資料又相對有限，難以得到隧道圍巖地應(yīng)力分布規(guī)律，因此需要通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行地應(yīng)力測試?？p合帶內(nèi)隧道圍巖比較破碎，難以采用常規(guī)的水壓致裂法開展地應(yīng)力測試，所以本文采用空心包體應(yīng)力解除法［18-19］在隧道內(nèi)測試，各隧道的地應(yīng)力測點分布匯總見表3。

表3 各隧道圍巖地應(yīng)力測點分布

按試驗流程，空心包體應(yīng)力解除法可分為8 個主要步驟，按順序依次為：大孔成孔→取芯觀察→小孔成孔→洗孔→設(shè)備調(diào)試→安裝包體應(yīng)力計→巖芯應(yīng)力解除→通過圍壓率定儀。采用空心包體應(yīng)力解除法測定所取巖芯的力學(xué)參數(shù)，并將測得的5 座隧道的力學(xué)參數(shù)整理見表4。

表4 試驗段圍壓率定力學(xué)參數(shù)

結(jié)合應(yīng)力解除過程中得到的應(yīng)變，整理得到5座隧道的應(yīng)力測試結(jié)果見表5。由表可知：各測點所測的最大主應(yīng)力均以水平方向為主，其中會富萊隧道和達(dá)隆一號隧道的測點埋深較大，所測應(yīng)力也相應(yīng)較高；5 座隧道隧線方向均與所測水平地應(yīng)力方向大角度相交，隧道圍巖受到水平構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用；最小主應(yīng)力為垂直方向，最大水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比均大于1.5，區(qū)域構(gòu)造作用強(qiáng)烈。

表5 各隧道主應(yīng)力測試結(jié)果

5 座隧道的地應(yīng)力測點及應(yīng)力方向與主要構(gòu)造關(guān)系如圖6 所示，圖中綠色區(qū)域代表地質(zhì)縫合帶，藍(lán)色箭頭為最大主應(yīng)力方向。由圖6 可知：所測地應(yīng)力方向受縫合帶區(qū)域構(gòu)造環(huán)境控制，具有明顯的統(tǒng)一優(yōu)勢方向，優(yōu)勢方向為N56°E；應(yīng)力場相對不均勻，應(yīng)力值偏差較大，可能與溝壑縱深、高低起伏的地勢有關(guān)。

圖6 各地應(yīng)力測點及應(yīng)力方向與構(gòu)造關(guān)系

2.3 隧道圍巖松動圈范圍

隧道圍巖松動圈范圍大小，在一定程度上可以反映開挖導(dǎo)致的圍巖破碎程度，其值對于錨桿打設(shè)深度、注漿加固范圍具有指導(dǎo)作用［20］。采用聲波法對圍巖松動圈進(jìn)行測試，可根據(jù)波速沿隧道徑向的變化特征［21］，判斷圍巖松動圈范圍。測試方案整理見表6。需要說明的是，沙嫩一號隧道在進(jìn)行松動圈測試過程中，由于鉆孔塌孔嚴(yán)重以及測試探頭卡住等原因，并未獲得對應(yīng)的松動圈范圍。

表6 各隧道松動圈測試方案

對各隧道進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果如圖7 所示，圖中虛線表示圍巖反射波速起伏較大位置，即圍巖松動圈范圍。由圖7可知：隨著測試探頭由孔口向孔底不斷延伸，巖體反射波速也在隨之增大，表明巖體完整性在逐步提高；根據(jù)聲波法松動圈測試原理，隧道開挖所引起圍巖松動圈大致處于5.5～7.0 m 這一范圍內(nèi)，說明隧道圍巖整體穩(wěn)定性差，對隧道支護(hù)變形的控制要求相對較高。

圖7 各隧道巖體波速-鉆孔深度變化

3 隧道圍巖變形特征

3.1 隧道典型斷面變形特征

針對縫合帶內(nèi)的5 座軟巖大變形隧道，每座隧道選擇2 個典型測試斷面，監(jiān)測時間不少于30 d，其圍巖變形時程曲線如圖8 所示，圖中變形量以向凈空方向為正。

圖8 隧道圍巖變形時程曲線

由圖8可知：10個監(jiān)測斷面圍巖變形均以水平收斂變形為主、收斂變形量超過350 mm、初期收斂速率達(dá)到20 mm·d-1、持續(xù)變形時間也超過30 d，總體來說隧道變形呈現(xiàn)變形量大、變形速率高、持續(xù)時間長等特征；相較而言，會富萊隧道圍巖變形量和變形速率較大，其最大水平收斂變形達(dá)600 mm 以上、垂直沉降也超過300 mm；變形速率甚至超過30 mm·d-1；基于10 個監(jiān)測斷面，可認(rèn)為隧道變形特征主要與縫合帶強(qiáng)烈的水平構(gòu)造作用、軟弱的層理結(jié)構(gòu)特征圍巖有關(guān)，而這使得隧道在開挖過程中表現(xiàn)出顯著的水平擠壓性變形，因此在對隧道變形進(jìn)行控制的過程中，應(yīng)以抑制隧道水平收斂變形為主，防止出現(xiàn)由局部大變形發(fā)展為整體的變形破壞現(xiàn)象，在加強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)、開展圍巖注漿等措施的同時，應(yīng)積極地調(diào)動圍巖自承載能力。

3.2 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步分析現(xiàn)場圍巖變形特點以及初支結(jié)構(gòu)破壞形式，利用UDEC 離散元軟件構(gòu)建隧道數(shù)值模型，對圍巖非線性大變形問題進(jìn)行定性分析。模擬時，設(shè)斷面隧道埋深200 m，模型尺寸60 m×60 m；塊體模型和層理面分別采用應(yīng)變軟化型和庫倫滑移型材料；模型左、右2 側(cè)為簡支，僅允許垂直方向位移，底部為固支，頂部為應(yīng)力邊界；其他物理力學(xué)參數(shù)見表7。模擬得到的圍巖變形如圖9所示。

表7 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)及取值

圖9 隧道圍巖變形模擬（單位：m）

由圖9 可知：隧道圍巖變形具有明顯的方向性；拱部及邊墻部位最為嚴(yán)重，存在層間錯動、滑移等變形特征；臨近隧洞臨空面圍巖局部存在明顯的屈曲、彎折以及分層破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖向凈空方向內(nèi)擠變形突顯。層理性結(jié)構(gòu)圍巖的這種非線性、非對稱性變形特征，會進(jìn)一步加劇隧道圍巖大變形的發(fā)生，不利于隧道圍巖穩(wěn)定。此外，數(shù)值模擬所揭露的隧道宏觀變形方位與現(xiàn)場初支結(jié)構(gòu)破壞方位基本一致，也在一定程度上表明采用數(shù)值模擬方法研究隧道變形特征的合理性。

需要說明的是，本文重點在于通過多種研究手段揭示縫合帶多期次地質(zhì)構(gòu)造作用下的隧道大變形特征及成因機(jī)制；對于圍巖的層理結(jié)構(gòu)特征對隧道大變形產(chǎn)生的影響，作者已構(gòu)建地質(zhì)力學(xué)理論模型進(jìn)行分析并對其適用性進(jìn)行了應(yīng)用評價，相關(guān)研究成果可參考文獻(xiàn)資料［11］，因篇幅原因不再贅述。

4 隧道變形應(yīng)對措施

綜合分析隧道變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況可知，隧道大變形的產(chǎn)生主要與縫合帶強(qiáng)烈的水平構(gòu)造作用、軟弱圍巖以及其層理結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。受之影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，嚴(yán)重地降低了圍巖的自承載能力，這也造成縫合帶內(nèi)的5 座隧道呈現(xiàn)出與一般的軟巖隧道所不同的大變形特征：其隧道變形強(qiáng)度更為突顯，水平變形速率及變形量更大，圍巖結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

為此，根據(jù)現(xiàn)場隧道變形情況，所采取的變形控制措施如下：①針對“廋高狀”的原設(shè)計隧道斷面結(jié)構(gòu)形式，采取適當(dāng)擴(kuò)大邊墻曲率，從而使斷面輪廓接近于圓形，更易發(fā)揮圓形斷面的優(yōu)越性；②采用高強(qiáng)度HW175 或雙層I20b 型鋼，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性；③根據(jù)巖層產(chǎn)狀及松動圈范圍，從錨桿施作角度及注漿加固深度等方面進(jìn)行優(yōu)化，以改變錨桿打設(shè)方位，使其盡可能垂直于巖層層理面而非隧道輪廓線，這樣一來，可在充分發(fā)揮錨桿的錨固效果、調(diào)動圍巖承載能力、防止層間錯動或離層發(fā)生的同時，保證錨桿鉆孔深度達(dá)到甚至超過松動圈范圍，使錨桿錨固端處于相對穩(wěn)定的巖體之中；④根據(jù)圍巖變形情況，調(diào)整現(xiàn)場施工臺階長度，縮短初支封閉成環(huán)時間及距離；⑤還可采取非對稱性、局部補(bǔ)強(qiáng)措施，如臨時斜撐、橫撐以及局部注漿等。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況，綜合采用上述控制措施之后，5 座隧道變形得到有效控制。測得水平收斂變形量減少約40%以上，變形速率降低約50%以上，同時未出現(xiàn)隧道初支侵線、拱架彎折以及噴射混凝土大面積剝落等破壞現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1）縫合帶內(nèi)5 座隧道的炭質(zhì)板巖單軸抗壓強(qiáng)度4.5～25.4 MPa，平均約12.7 MPa，巖體抗壓強(qiáng)度平均約1.7 MPa，隧道群巖石及巖體強(qiáng)度低；隧道群的最大主應(yīng)力均為水平地應(yīng)力，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之比均大于1.5，其中達(dá)隆一隧道高達(dá)1.74，隧道群受縫合帶構(gòu)造作用影響較大；松動圈范圍5.5～7.0 m，達(dá)到隧道跨度的0.65 倍以上，圍巖自穩(wěn)能力差、破碎嚴(yán)重。

（2）由隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)變形破壞形式并綜合室內(nèi)外試驗結(jié)果可知，縫合帶內(nèi)隧道變形呈現(xiàn)出明顯的擠壓大變形特征；圍巖變形以水平收斂變形為主，變形量大（最大水平變形600 mm）、變形速率高（30 mm·d-1）且持續(xù)時間長（30 d 以上）。數(shù)值模擬進(jìn)一步揭示，圍巖變形破壞部位以拱部及邊墻為主，總體呈現(xiàn)明顯的非線性和非對稱性變形特征，而這會進(jìn)一步加劇隧道圍巖大變形的發(fā)生，不利于隧道圍巖穩(wěn)定。

（3）基于隧道變形特征和嚴(yán)重程度，現(xiàn)場應(yīng)采取以調(diào)整隧道斷面結(jié)構(gòu)形式、改變錨桿施作方案、優(yōu)化施工臺階長度及縮短初支封閉成環(huán)時間和距離為主的變形控制措施，同時還需對邊墻和拱肩處，采取非對稱性支護(hù)設(shè)計以及局部性補(bǔ)強(qiáng)措施，進(jìn)一步提高圍巖的自承載能力。