中老鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制技術(shù)研究

譚忠盛，楊 旸，陳 偉，李松濤

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 中鐵八局集團昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650200)

老撾位于亞歐板塊中南半島內(nèi)陸區(qū)域，是由多組微地塊長期碰撞演化匯聚成的復(fù)合大陸，區(qū)域內(nèi)不同微地塊間由多個縫合帶拼接而成，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力顯著[1-2]。中老鐵路作為泛亞鐵路中線的重要組成部分，南北向橫跨老撾境內(nèi)，沿線隧道施工揭示巖體軟硬不均，在構(gòu)造應(yīng)力強烈擠壓作用，部分隧道段落發(fā)生大變形現(xiàn)象，支護結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)破壞。

目前國內(nèi)外隧道大變形案例眾多，相關(guān)研究學(xué)者也針對問題提出多種行之有效的控制措施[3-9]。蘭新鐵路烏鞘嶺隧道通過多重支護加大初支剛度，施做長錨桿加固圍巖，適度增大預(yù)留變形量，超前錨管預(yù)支護，開挖導(dǎo)洞應(yīng)力釋放等方法實現(xiàn)對隧道大變形的控制[10-12]；蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用圓形斷面導(dǎo)洞擴挖應(yīng)力釋放，三層套拱支護和錨桿徑向注漿加固，超前預(yù)支護注漿預(yù)加固等措施控制圍巖大變形[13-16]；成蘭鐵路楊家坪隧道采用兩臺階快速開挖封閉成環(huán)，優(yōu)化開挖輪廓面，長短結(jié)合的早強錨桿等支護措施，有效改善支護結(jié)構(gòu)受力，控制變形增長[17-18]；成蘭鐵路柿子園隧道采用加強初期支護、非對稱預(yù)留變形量、徑向注漿等措施有效控制隧道變形[19]。目前大變形隧道控制技術(shù)根據(jù)支護理念可分為剛性支護和柔性支護兩類，剛性支護理念通過提高支護結(jié)構(gòu)剛度控制變形增長，例如高強度鋼架支護，高強弧板支護，提早施做襯砌承載，增設(shè)長錨桿、錨索支護，注漿加固等措施。柔性支護理念則允許圍巖產(chǎn)生一定變形，減少支護結(jié)構(gòu)承受荷載，例如伸縮型拱架，超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放等。此外還可按控制方法分為開挖方法和支護技術(shù)兩方面，按支護類型也可分為常規(guī)支護、分層支護、讓壓支護三大類[20]。

不同大變形隧道控制措施的選擇需基于變形等級和變形特征的不同而因地制宜，合理有效的控制技術(shù)才能產(chǎn)生良好社會經(jīng)濟效益。中老鐵路沿線隧道基本采用單線設(shè)計，途經(jīng)板塊縫合帶，受多期次地質(zhì)構(gòu)造運動疊加作用影響，縫合帶內(nèi)部發(fā)育有不同大小的斷裂和褶皺構(gòu)造，揭示巖性多為薄層炭質(zhì)板巖。單線鐵路隧道瘦高“馬蹄形”斷面的側(cè)墻曲率較小，不利于承受水平構(gòu)造應(yīng)力作用，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)擠壓破壞。因此如何針對中老鐵路隧道地質(zhì)環(huán)境的特殊性，提出經(jīng)濟有效的大變形控制技術(shù)將成為中老鐵路順利建成的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

中老鐵路北端起于中老邊境磨丁口岸，南部直至老撾首都萬象市，全長414.332 km，其中隧道75座，總長度196.705 km，隧線比47.5%，設(shè)計施工均依據(jù)中國鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。沿線80%為山地和高原，地勢高低起伏較大，整體表現(xiàn)北高南低，隧道主要集中在北段和中段，南段多為路基橋梁。

中老鐵路地處蘭坪-思茅地塊和南海-印支地塊，屬古特提斯構(gòu)造域的兩個重要構(gòu)造單元，兩地塊間由瑯勃拉邦縫合帶連接，線路約42 km范圍穿越該縫合帶，縫合帶西側(cè)為景洪-素可泰火山弧次級構(gòu)造單元，東側(cè)為思茅-彭世洛次級構(gòu)造單元。此外按次級構(gòu)造單元劃分，線路周邊存在多條板塊縫合帶，見表1。因受多組地塊邊界斷裂影響，沿線分布長大斷裂帶30余條，不完整褶皺21個，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變。

表1 沿線縫合帶分布情況

全線隧道采用礦山法施工，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖采用臺階法分部開挖，支護采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，主線采用單線設(shè)計，斷面形式見圖1，Ⅴ級圍巖標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計支護參數(shù)見表2。

圖1 隧道初步設(shè)計斷面尺寸(單位: m)

表2 隧道初步設(shè)計支護參數(shù)

2 隧道變形及破壞特征

高地應(yīng)力軟巖隧道大變形是復(fù)雜地應(yīng)力環(huán)境下軟弱圍巖因隧道施工擾動引發(fā)的支護結(jié)構(gòu)持續(xù)擠壓變形破壞的工程問題，具有變形速度快、變形量大、變形持續(xù)時間長、變形優(yōu)勢方向顯著等特點。縫合帶內(nèi)地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，側(cè)壓力系數(shù)基本超過1.5，表現(xiàn)出以構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力特征?？p合帶內(nèi)線路隧道揭示圍巖以板巖和炭質(zhì)板巖為主，部分夾雜軟泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，單軸抗壓強度普遍低于25 MPa，薄層狀結(jié)構(gòu)明顯，屬典型軟質(zhì)巖，遇水軟化成泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體節(jié)理裂隙高度發(fā)育，圍巖性狀見圖2。以上兩點因素已構(gòu)成中老鐵路穿越縫合帶隧道誘發(fā)大變形的客觀條件。然而線路部分隧道里程穿越大埋深，活動斷層，高地震烈度區(qū)等巖體破碎段，構(gòu)造應(yīng)力更為復(fù)雜，大變形問題嚴(yán)重。典型案例包括會富萊隧道、相嫩3號隧道、達(dá)隆1號隧道、達(dá)隆2號隧道、沙嫩山2號隧道，基本情況信息見表3。

表3 穿越縫合帶典型軟巖隧道的側(cè)壓力系數(shù)及最大變形量

圖2 大變形隧道揭示圍巖性狀

(1)變形特征

縫合帶內(nèi)隧道因巖石強度特征、巖石物理性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素差異，變形量級也有所不同，大變形多發(fā)于泥質(zhì)結(jié)構(gòu)或薄層狀結(jié)構(gòu)的軟弱炭質(zhì)板巖地層。隧道側(cè)墻位置是變形發(fā)展的主要部位，表現(xiàn)出水平向持續(xù)往凈空擠壓變形，拱頂沉降相對較小，斷面整體非均勻性變形特征明顯。據(jù)不完全變形監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，最大水平收斂量達(dá)148.63 cm，平均水平收斂量38.56 cm，平均變形速率約1.23 cm/d，仰拱封閉前部分里程變形速率能達(dá)10 cm/d以上，仰拱封閉后變形速率趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出變形量級大，開挖期間變形快速增長，仰拱封閉后變形速率降低，空間效應(yīng)顯著。大變形隧道部分?jǐn)嗝娴淖冃螘r程曲線，見圖3。

圖3 典型隧道大變形時程曲線

(2)支護破壞特征

隧道施工至軟弱炭質(zhì)板巖地層時采用表2初始支護參數(shù)后普遍出現(xiàn)變形侵限，支護結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，見圖4。支護破壞多發(fā)于側(cè)墻部位，其中上、中、下臺階拱架連接板附近尤為嚴(yán)重。隨變形發(fā)展噴射混凝土先出現(xiàn)不等寬的縱向和橫向裂縫，裂縫寬度約0.5 cm，變形進(jìn)一步增長后，噴射混凝土裂縫逐步加寬，最終發(fā)生脫落，支護拱架發(fā)生沿縱向和環(huán)向扭曲變形，部分嚴(yán)重段拱架發(fā)生剪斷破壞。隨即現(xiàn)場采取徑向注漿加固，增設(shè)鎖腳錨管，但變形破壞仍進(jìn)一步加劇，控制效果不佳。

圖4 隧道施工現(xiàn)場變形破壞情況

3 隧道大變形分級

3.1 大變形分級方法

目前隧道大變形的分級標(biāo)準(zhǔn)已提出了多種評價方法，圍巖強度應(yīng)力比和相對變形量是目前最常采用的兩種評價方法[21-23]。圍巖強度應(yīng)力比分級方法是根據(jù)不同圍巖強度應(yīng)力比與隧道相對變形關(guān)系得出，Hoek等[24]通過計算無支護條件下圍巖相對位移對應(yīng)圍巖強度應(yīng)力比關(guān)系，提出了不同擠壓變形程度的判定條件。成蘭鐵路隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)合大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，考慮支護結(jié)構(gòu)抗力，采用數(shù)值計算分析圍巖相對位移與圍巖強度應(yīng)力比關(guān)系而建立。中老鐵路隧道大變形等級判定采用現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[25]的軟巖大變形分級標(biāo)準(zhǔn)和成蘭鐵路隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)的圍巖強度應(yīng)力比進(jìn)行判斷，判定標(biāo)準(zhǔn)見表4。

2.光風(fēng)資源。二連浩特位于蒙古高原的腹地，受海拔高度、氣候環(huán)境、海陸熱力性質(zhì)差異及內(nèi)陸高氣壓的影響，蒙古高原一直是光能、風(fēng)能資源非常豐富的地區(qū)，在二連浩特市區(qū)南部沿公路和鐵路向南延伸的方向，大批風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車整齊的排列著，部分牧區(qū)居民使用太陽能發(fā)電裝置，這對提高二連浩特資源利用效率、降低高污染產(chǎn)能使用和排放具有重大影響。

表4 隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 不同等級大變形分布

巖體為包含結(jié)構(gòu)面和礦物結(jié)構(gòu)體兩種基本要素，受地質(zhì)構(gòu)造運動形成的具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的地質(zhì)體。因巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙破壞了巖石自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致巖體強度相較巖石強度更低，沿軟弱結(jié)構(gòu)面更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。Hoke和Brown根據(jù)試驗結(jié)果和格里菲斯理論的分析，提出經(jīng)驗性的Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則[26-27]。該方法根據(jù)巖石單軸抗壓強度、擾動參數(shù)、地質(zhì)強度指標(biāo)GSI相關(guān)關(guān)系，建立巖體強度換算準(zhǔn)則。目前該方法在巖體工程中應(yīng)用廣泛，因此采取該方法進(jìn)行隧道大變形等級判定中巖體強度計算，表達(dá)式為

(1)

式中：σ1為巖體破壞時最大主應(yīng)力；σ3為巖體破壞時最小主應(yīng)力；σc為巖石試樣單軸抗壓強度；mb、S、a為巖體力學(xué)經(jīng)驗參數(shù)，與地質(zhì)強度指標(biāo)GSI和施工擾動參數(shù)參數(shù)相關(guān)。

依據(jù)隧道變形情況，對上述五座隧道變形較大里程進(jìn)行巖體強度換算。結(jié)果顯示整體巖體強度普遍較低，其中會富萊隧道平均巖體強度0.88 MPa，相嫩3號隧道平均巖體強度1.34 MPa，達(dá)隆1號隧道平均巖體強度1.51 MPa，達(dá)隆2號隧道平均巖體強度1.45 MPa，沙嫩山2號隧道平均巖體強度1.73 MPa。依據(jù)區(qū)域地應(yīng)力特征，計算并統(tǒng)計不同隧道各等級大變形里程分布見表5～表9。

表5 會富萊隧道大變形等級統(tǒng)計表

表6 相嫩3號隧道大變形等級統(tǒng)計表

表7 達(dá)隆1號隧道大變形等級統(tǒng)計表

表8 達(dá)隆2號隧道大變形等級統(tǒng)計表

表9 沙嫩山2號隧道大變形等級統(tǒng)計表

據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，隧道大變形共計1 728 m，其中輕微大變形39.2%，中等大變形58.2%，嚴(yán)重大變形2.6%，沿線隧道大變形等級基本屬于輕微—中等大變形，僅會富萊隧道的45 m范圍達(dá)到嚴(yán)重大變形。各隧道不同等級大變形長度統(tǒng)計見圖5。

圖5 隧道各等級大變形長度統(tǒng)計

4 隧道大變形控制技術(shù)

4.1 控制理念和原則

中老鐵路沿線周邊賦存四條板塊縫合帶，并與瑯勃拉邦縫合帶斜向交織，長期地質(zhì)構(gòu)造疊加運動形成水平構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力特征，單線鐵路隧道穿越炭質(zhì)板巖段表現(xiàn)出側(cè)向擠壓為主，空間效應(yīng)影響顯著的大變形特征，大變形等級基本屬輕微至中等。針對隧道大變形特征和等級，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟成本與控制效果同時，以主動控制為核心支護理念，遵循“優(yōu)化斷面，局部補強，快挖快支，盡早封閉”的支護原則，基于隧道斷面、支護鋼架、系統(tǒng)錨桿、開挖方法優(yōu)化提出縫合帶隧道大變形控制技術(shù)。

4.2 優(yōu)化隧道斷面

縫合帶內(nèi)隧道水平構(gòu)造應(yīng)力顯著，區(qū)域地應(yīng)力測試結(jié)果表明側(cè)壓力系數(shù)均超過1.5，隧道側(cè)墻位置受強構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用影響，水平收斂變形極大。根據(jù)鐵路單線隧道建筑限界標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計采用瘦高的“馬蹄形”斷面，斷面由4心圓拼接而成，然而“馬蹄形”斷面?zhèn)认驁A弧曲率小，當(dāng)承受較大水平構(gòu)造應(yīng)力時極易產(chǎn)生彎曲變形破壞。圓形斷面具備更好的應(yīng)力傳遞效果，支護結(jié)構(gòu)整體性更強，但采用圓形斷面造成支護強度盈余，成本浪費。因此針對隧道受構(gòu)造應(yīng)力影響顯著，通過適當(dāng)增加側(cè)墻位置圓弧曲率，改善結(jié)構(gòu)受力形式，給予更大空間預(yù)留變形量。隧道斷面優(yōu)化前后輪廓情況見圖6，兩種斷面輪廓基本參數(shù)見表10。

圖6 隧道大變形段斷面優(yōu)化示意

表10 開挖斷面參數(shù)

4.3 增強隧道支護剛度

隧道原設(shè)計根據(jù)不同圍巖等級，支護拱架由弱至強分別采用I14、I16、I18型鋼，然而對于大變形段采用此類常規(guī)支護型鋼常因剛度不足而發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲破壞。目前大變形隧道基本采用高強度支護拱架結(jié)構(gòu)，達(dá)到支護主動控制變形的效果，對于輕微、中等大變形隧道采用單層支護結(jié)構(gòu)已能夠滿足變形控制要求，對于嚴(yán)重變形段則需采取多層支護結(jié)構(gòu)。

表11 隧道大變形段支護拱架參數(shù)

4.4 增加錨桿長度

地下洞室開挖后巖體由三向平衡應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上虿环€(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)，因巖體強度和地應(yīng)力特征不同，洞室周邊體形成不同范圍的松動區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，大變形隧道中松動圈和塑性區(qū)圍巖是產(chǎn)生擠壓變形的主要范圍。圓形斷面均質(zhì)地層，各向應(yīng)力相等時形成松動圈為圓形，非均質(zhì)地層松動圈范圍將會因巖體強度差異產(chǎn)生變化[28]。因此針對鐵路大變形隧道較大松動范圍采用加長系統(tǒng)錨桿注漿加固，將使松動圈范圍內(nèi)軟弱圍巖形成組合拱結(jié)構(gòu)，與初期支護拱架共同抵抗圍壓擠壓變形。采用全長黏結(jié)型錨桿則能夠通過水泥砂漿等類似黏結(jié)材料加固松動圈范圍破碎圍巖，實現(xiàn)對松動區(qū)圍巖加固作用，控制變形增長梯度。

根據(jù)隧道大變形段松動圈測試結(jié)果顯示，側(cè)墻位置松動范圍基本在5.5～7 m之間，為保證系統(tǒng)錨桿對松動區(qū)圍巖錨固效果，應(yīng)使錨桿超出松動范圍。綜上考慮隧道全環(huán)采用4.0 m錨桿，側(cè)墻部位采用8.0 m長全長黏結(jié)型錨桿。錨桿基本參數(shù)，見表12。

表12 隧道大變形段錨桿支護參數(shù)

4.5 及時封閉仰拱

如圖7所示，隧道某斷面變形時程曲線，變形發(fā)展表現(xiàn)出典型空間效應(yīng)，施工擾動明顯，仰拱封閉后變形速率降低。因此應(yīng)通過縮短臺階步距，加快工序循環(huán)，減少施工階段因隧道開挖產(chǎn)生的變形增長，實現(xiàn)“快挖快支，盡早封閉”。

圖7 D2K130+355斷面變形時程曲線

過度縮短臺階步距將直接影響施工組織，因此應(yīng)依據(jù)施工的配套機械設(shè)備，考慮施工組織可行性，提出合理臺階步距。隧道大變形段采用弱爆破開挖，配套小型鑿巖機、挖掘機、裝載機、自卸車進(jìn)行掌子面開挖和渣土運輸處理，支護拱架和噴射混凝土分別為人工安裝和混凝土濕噴機施工，設(shè)備配置見表13。

表13 隧道機械配套說明

基于機械設(shè)備尺寸及最小作業(yè)空間需要，臺階作業(yè)平臺設(shè)置約5～7 m，臺階高度控制在3～4 m范圍，仰拱封閉距離縮短至16～23 m范圍。優(yōu)化后臺階開挖尺寸見表14。

表14 大變形隧道開挖短臺階尺寸 m

4.6 變形控制效果分析

受縫合帶區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和施工空間效應(yīng)影響，中老鐵路單線隧道側(cè)墻范圍容易發(fā)生擠壓變形，由于變形量大，變形速率高，常規(guī)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計抵抗變形能力不足，因此根據(jù)不同變形誘導(dǎo)因素提出以上針對性變形控制措施，每項控制措施及針對問題見表15。

表15 隧道大變形控制技術(shù)針對問題

采取變形控制措施前后的某兩個斷面變形時程曲線見圖8，由圖8可知，采用上述控制技術(shù)后變形量級明顯下降，平均變形速率由15.6 mm/d降至8.9 mm/d；各施工步序時間明顯縮短，仰拱封閉時間由原來20 d以上降至12 d左右，累積最大水平收斂由472.5 mm降至205.1 mm。該控制技術(shù)能夠達(dá)到對縫合帶內(nèi)大變形施工過程中的變形控制，對比各施工階段變形速率可以看出，掌子面開挖至仰拱施工前兩種方法產(chǎn)生的變形速率得到明顯降低，水平收斂1變形速率由9.87 mm/d降至2.99 mm/d，水平收斂2變形速率由28.71 mm/d降至21.86 mm/d，改善了由空間效應(yīng)引發(fā)的變形快速增長。綜合評價，通過改善支護結(jié)構(gòu)形式，提高支護結(jié)構(gòu)強度，優(yōu)化施工工法能夠基本控制隧道空間效應(yīng)引發(fā)的大變形問題。

圖8 不同支護措施隧道大變形時程曲線對比

5 結(jié)論

基于主動控制理念，針對中老鐵路隧道變形特征提出大變形控制技術(shù)，變形控制效果顯著，得出以下結(jié)論：

(1)中老鐵路受中南半島多組微地塊間縫合帶影響，沿線地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，當(dāng)單線隧道穿越炭質(zhì)板巖為主的軟弱破碎圍巖段時，易發(fā)生輕微、中等大變形問題，少部分里程段達(dá)到嚴(yán)重大變形等級。

(2)基于中老鐵路隧道水平收斂為主的大變形特征，針對側(cè)墻支護結(jié)構(gòu)的屈曲變形破壞，依據(jù)“優(yōu)化斷面，局部補強”支護原則，通過優(yōu)化開挖斷面?zhèn)葔η剩鰪娭ёo拱架剛度，局部增設(shè)長錨桿，能夠有效控制圍巖側(cè)向擠壓變形量。

(3)中老鐵路隧道大變形施工空間效應(yīng)影響顯著，依據(jù)“快挖快支，盡早封閉”為施工原則，采用短臺階施工方法，保證施工可行性同時，將臺階長度控制在5～7 m范圍，仰拱封閉距離控制在16～23 m，仰拱封閉時間縮短約40%，有效控制因臺階開挖產(chǎn)生的變形增長。