破碎易泥化圍巖隧道松動(dòng)圈測(cè)試研究

吳 君 李貴民

(1.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇西鐵路建設(shè)指揮部，云南 麗江 647100;2.中國(guó)中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200)

1 工程概況

地下空間開(kāi)挖后，圍巖由三維原巖應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為二維應(yīng)力狀態(tài)，并在壓力差作用下發(fā)生破壞卸荷，產(chǎn)生一定范圍的破裂區(qū)，這個(gè)破裂區(qū)被稱之為松動(dòng)圈。松動(dòng)圈是圍巖在重分布集中應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度逐漸劣化的表現(xiàn)，同時(shí)也是最大主應(yīng)力逐步向圍巖深部遷移的原因，穩(wěn)定后的松動(dòng)圈厚度是圍巖強(qiáng)度與地應(yīng)力相互作用綜合結(jié)果的客觀體現(xiàn)，它的大小與支護(hù)難度直接相關(guān)[1-4]。由于在現(xiàn)場(chǎng)工程中松動(dòng)圈厚度可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，容易取得且可靠性高，另外又可以全面綜合反映地應(yīng)力、巖體性質(zhì)(包括強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層等)、施工和水等的影響[5]，可以為支護(hù)工程提供直接的參考，松動(dòng)圈理論自20世紀(jì)80年代提出以來(lái)在圍巖穩(wěn)定控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用[6,7]。

麗江至香格里拉鐵路位于云南省西北部，地處青藏高原東南緣的滇西地區(qū)，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江，經(jīng)小中甸至香格里拉，全長(zhǎng)139.686 km。全線新建隧道共20座，總長(zhǎng)92 554 m，占線路總長(zhǎng)的66.3%。目前開(kāi)工18座隧道，其中文筆山二號(hào)、黃山哨、七達(dá)里、中義、長(zhǎng)坪、白巖子、圓寶山、萬(wàn)拉木、宗思等9座隧道自2016年春節(jié)后先后出現(xiàn)了較大變形，亟需開(kāi)展隧道圍巖大變形段松動(dòng)圈測(cè)試研究，為支護(hù)方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。

中義隧道大變形段位于玉龍雪山西麓斷層內(nèi)，滇西地區(qū)構(gòu)造多幕，是我國(guó)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)比較強(qiáng)烈的地區(qū)之一[8,9]，圍巖整體以壓碎巖、片理化玄武巖為主，局部為斷層角礫，巖體松散破碎，完整性較差，地下水較發(fā)育，掌子面有股狀裂隙水，圍巖穩(wěn)定極差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。本次測(cè)點(diǎn)位置為：DK41+990,DK42+000，見(jiàn)圖1。

由于圍巖為破裂程度高，結(jié)構(gòu)性差的玄武巖及斷層角礫巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，松散破碎，鉆孔成孔差，在利用鉆孔攝像法進(jìn)行松動(dòng)圈觀測(cè)過(guò)程中，攝像頭被鉆孔壁塌落巖塊卡住，無(wú)法拔出，最終連接攝像頭的推桿被拉斷，攝像頭丟棄。大變形段已經(jīng)砌筑砌碹，內(nèi)有鋼筋網(wǎng)及U型棚，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試效果較差。綜合考慮最終使用雙孔聲波法測(cè)試大變形段圍巖松動(dòng)圈。

2 測(cè)試方法

聲波在巖石中傳播，其波速會(huì)因巖體中裂隙的發(fā)育、密度的降低、聲阻抗的增大而降低；相反，如果巖體完整性較好、受作用力(應(yīng)力)較大、密度也較大，那么聲波的傳播速度也應(yīng)較大。因此，對(duì)同一性質(zhì)圍巖巖體來(lái)說(shuō)，測(cè)得的聲波波速高則圍巖完整性好，波速低說(shuō)明圍巖存在裂隙區(qū)，圍巖發(fā)生了破壞。為了保證測(cè)試精度，本次測(cè)量采用跨孔測(cè)量法，反映1 m跨度范圍內(nèi)圍巖的視波速。通過(guò)上述方法測(cè)出距圍巖表面不同深度的巖體波速值，做出深度和波速曲線，根據(jù)圍巖波速的衰減范圍確定被測(cè)試隧道的圍巖松動(dòng)圈厚度。該方法通過(guò)波速與圍巖聲阻抗之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以獲得圍巖整體完整性。測(cè)試設(shè)備選用RSM-SY6聲波測(cè)試儀。根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，兩孔的凈距不大于1 m、鉆孔向下傾斜3°～5°；為預(yù)防鉆孔巖壁坍塌破壞，在鉆孔中設(shè)置φ50 mm PVC套管；將兩聲波探頭分別插入鉆孔中，鉆孔充滿水，記錄測(cè)試深度，連接設(shè)備并調(diào)試測(cè)試參數(shù)，通過(guò)編碼器或人工觸發(fā)測(cè)量，記錄測(cè)試值，依次進(jìn)行所有測(cè)點(diǎn)的量測(cè)。

3 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試過(guò)程

測(cè)試斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。左右兩側(cè)邊墻各一個(gè)測(cè)孔。

中義隧道松動(dòng)圈測(cè)試時(shí)間跨度21 d，在DK41+990和DK42+000 2個(gè)測(cè)試斷面共4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。中義隧道DK41+990測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)兩孔的凈距位均設(shè)置為80 mm、鉆孔向下傾斜3°～5°。為預(yù)防鉆孔巖壁坍塌破壞，在鉆孔中設(shè)置φ50 mm PVC套管。測(cè)試過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)超聲波耦合傳播條件，保證測(cè)試效果，孔中灌滿清水。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

中義隧道DK41+990測(cè)試斷面1號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖波速分布特征如圖3所示，在深度小于4.1 m時(shí)，圍巖波速在眾數(shù)2.05 km/s附近波動(dòng)，大于4.1 m以后波速在眾數(shù)2.84 km/s附近波動(dòng)。深度小于4.1 m范圍內(nèi)波速眾數(shù)相比于深度大于4.1 m波速眾數(shù)降低了27.8%，圍巖的波速在4.1 m處會(huì)有明顯的變化，綜合現(xiàn)場(chǎng)鉆壓變化，確定測(cè)點(diǎn)1測(cè)得的松動(dòng)圈厚度為4.1 m。同樣地，DK41+990測(cè)試斷面2號(hào)測(cè)點(diǎn)圍巖深度小于4.3 m時(shí)，圍巖的波速在眾數(shù)2.21 km/s附近波動(dòng)(見(jiàn)圖4)，大于4.3 m以后波速在眾數(shù)2.86 km/s附近波動(dòng)。深度小于4.3 m范圍內(nèi)波速眾數(shù)相比于深度大于4.3 m波速眾數(shù)降低了22.8%，圍巖的波速在4.3 m處會(huì)有明顯的變化，故判斷測(cè)點(diǎn)2測(cè)得的松動(dòng)圈厚度為4.3 m。

DK42+000測(cè)試斷面測(cè)得的圍巖波速分布特征如圖5，圖6所示。

DK42+000測(cè)試斷面2個(gè)測(cè)點(diǎn)鉆孔超聲波速分別在4.1 m和4.4 m位置發(fā)生了突增，相對(duì)于淺部波速分別提高了21.5%和27.6%，表明4.4 m后圍巖破裂程度降低，完整性提高，松動(dòng)圈的邊界為4.1 m～4.4 m。通過(guò)對(duì)測(cè)孔3次間隔觀測(cè)，截至2017年4月20日測(cè)試值基本無(wú)明顯變化。取3次測(cè)得的平均值，分別得

到兩個(gè)測(cè)試斷面松動(dòng)圈發(fā)育厚度分別為4.27 m和4.33 m，取兩個(gè)斷面松動(dòng)圈厚度的較大值，判斷中義隧道測(cè)點(diǎn)處松動(dòng)圈厚度為4.33 m。

由于隧道原巖強(qiáng)度低，裂隙廣泛發(fā)育，開(kāi)挖后在重分布應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)變軟化，產(chǎn)生松動(dòng)圈。后續(xù)松動(dòng)圈內(nèi)巖塊以滑移碎脹變形的形式進(jìn)行能量釋放，圍巖承載能力進(jìn)一步降低，導(dǎo)致支護(hù)體支撐壓力大大升高。此次中義隧道大變形段松動(dòng)圈觀測(cè)為錨桿長(zhǎng)度、注漿加固范圍等支護(hù)參數(shù)的確定提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。在下一步的隧道圍巖穩(wěn)定控制中，必須充分保持并利用松動(dòng)圈內(nèi)圍巖的自承能力，通過(guò)布置在巖體內(nèi)部的錨桿和對(duì)巖體內(nèi)部的注漿對(duì)破裂區(qū)內(nèi)巖體進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)和加固，提高松動(dòng)圈內(nèi)圍巖殘余強(qiáng)度，限制有害的滑移剪脹變形，控制其軟化程度。通過(guò)輔助噴層及時(shí)充填圍巖表面裂隙從而避免應(yīng)力集中，封閉圍巖降低水和風(fēng)化對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響。