基于縫合地帶軟巖隧道大變形機理研究

郭相武 李 彪 肖仲紅

(中鐵八局集團有限公司， 成都 610036)

1 軟巖大變形破壞特征

1.1 軟巖的概念

軟巖是一種特定環(huán)境下具有顯著塑性變形的復雜巖石力學介質(zhì)。關于軟巖的定義國內(nèi)外有很多種，主要有：(1)描述性定義，指松散、軟弱、強度低的巖層；(2)指標化定義，1990-1993年國際巖石力學學會將軟巖明確定義為單軸抗壓強度Rc界于0.5～25 MPa之間的一類巖石[1]；(3)工程性定義，圍巖松動圈厚度大于1.5 m的巖層；(4)綜合性定義，軟巖分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖，即強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖以及在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。根據(jù)軟巖特性的差異及產(chǎn)生顯著塑性變形的機理，按強度特性、泥質(zhì)含量、結(jié)構面特點、塑性變形力學特點分為四大類，即膨脹性軟巖、高地應力軟巖、節(jié)理化軟巖和復合型軟巖[2]。

1.2 軟巖大變形破壞的主要特征

軟巖問題在工程領域是個老大難問題，困擾著工程建設和運營安全，國內(nèi)外專家、學者及廣大工程技術人員一直致力于軟巖破壞特性的研究[3]。在實際工程中，軟巖隧道大變形破壞不僅受圍巖本身的物理力學性質(zhì)影響，還在很大程度上受圍巖地應力和工程因素的影響，尤其是隨著隧道埋深的加大，圍巖自身穩(wěn)定性降低，變形破壞趨于強烈，臨空面巖層出現(xiàn)剝落、滑移、坍塌，甚至導致初支即二襯等支護結(jié)構開裂。通常軟巖隧道破壞主要有以下特點：

(1)變形破壞方式多。在隧道工程中，常見的破壞形式有拱頂下沉，邊墻擠壓扭曲變形，底部隆起，圍巖出現(xiàn)片幫、剝落，局部坍塌等。

(2)變形量大。就隧道工程而言，開挖后圍巖極易發(fā)生塑性變形或擠入性變形，短時間內(nèi)即會出現(xiàn)拱頂下沉10 cm及以上，兩邊墻擠壓變形量達80 cm或更大，底部強烈隆起等現(xiàn)象。

(3)變形速度快。圍巖初期收斂速度快，即使在采取了噴錨支護等措施的情況下，變形收斂的速度仍很快。

(4)持續(xù)時間長。由于軟巖具有低強度和強烈的流變性，開挖后圍巖應力重分布持續(xù)時間長，變形的持續(xù)時間也相對較長。

(5)不同位置變形程度不同。軟巖地應力強度因方向而異，不同位置的變形破壞存在較大差異，導致支護結(jié)構的受力不均。

(6)破壞范圍大。因圍巖強度遠小于圍巖地應力，開挖后支護不及時或支護強度不能足以抵抗圍巖壓力時，破壞范圍將遠遠超過洞室半徑，甚至更大。

2 工程概況

中老鐵路位于老撾境內(nèi)，是泛亞鐵路的重要組成部分，線路全長414 km，為時速160 km客貨混運的電氣化鐵路，全部采用中國技術標準建設和運營。

全線隧道分布密集，地質(zhì)結(jié)構復雜，會福萊隧道為全線控制性工程之一，全長 6 969 m,地處瑯勃拉邦地質(zhì)縫合帶，高山地貌，地形起伏較大，相對高差約 800 m，洞身最大埋深635 m。自然橫坡150～450 m，斜坡地帶植被較好，基巖零星裸露。

2.1 工程及水文地質(zhì)特征

會福萊隧道地處蘭坪-思茅地塊和南海印支地塊結(jié)合部，屬特提斯-喜馬拉雅構造域，總體上由大小不一的地塊和微地塊縫合、拼接而成。地表上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏土，粗圓礫土、坡殘積層粉質(zhì)黏土；上更新統(tǒng)沖積層粉質(zhì)粘土。下伏石炭系板巖、砂巖夾炭質(zhì)板巖、凝灰?guī)r、玄武巖。隧道穿過普巴道山斷層(F12)、會富萊1號斷層、會富萊2號斷層、班會海斷裂(F13)4個斷層。巖層破碎、軟弱，巖性復雜多變。

地表水受降雨控制明顯，雨季流量大，枯水季節(jié)水量小。地下水主要為松散巖類孔隙潛水，碎屑巖類孔隙裂隙水、巖溶水、斷層構造裂隙水等類型。

2.2 隧道施工組織安排

隧道分別從進口、出口、橫洞、斜井4個掘進口，采用三臺階鉆爆法施工，支護措施分別采用Ⅳa、Ⅴa(或Ⅴc)兩種復合式襯砌支護。施工組織平面布置如圖1所示。

圖1 會富萊隧道施工組織平面布置圖(m)

2.3 隧道收斂變形

進口端施工至D2K 130+230～D2K 130+360段時，掌子面、拱頂、邊墻分別出現(xiàn)不同程度的擠壓變形，巖層產(chǎn)狀扭曲嚴重，局部擠壓破壞強烈，支護結(jié)構出現(xiàn)開裂、剝落，鋼架扭曲變形，典型斷面沉降變形時程曲線如圖2所示。

圖2 變形區(qū)段典型斷面沉降變形時程曲線圖

從圖2可以看出，拱頂(GD)最大沉降達 41.88 cm，上臺階(SL1)最大累計變形達68.0 cm，下臺階(SL2)最大累計變形達144.6 cm。通過對現(xiàn)場80d的沉降觀測發(fā)現(xiàn)，拱頂變形及水平收斂受施工開挖影響較大，且水平收斂變形明顯大于拱頂沉降。在掌子面開挖后至中臺階施工前的時間段內(nèi)，拱頂沉降與上臺階的收斂速度接近；而在中臺階和下臺階施工期間，上臺階和下臺階的收斂速度明顯加快，遠大于拱頂沉降速度。如斷面D2K 130+335，上臺階的收斂速度為37.5 mm/d，下臺階的收斂速度為113.2 mm/d，拱頂沉降約為23.7 mm/d。

3 基于大變形的機理研究

隧道施工過程中出現(xiàn)大變形，且變形持續(xù)加大，施工不能正常進行。為確保安全，停止了掌子面施工，對變形較大位置實施臨時加固處理。開挖揭示圍巖為板巖夾炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖，深灰、灰黑色，弱風化，薄 層～中層狀。巖層產(chǎn)狀扭曲變形，擠壓破碎強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈板狀、碎石狀結(jié)構。炭質(zhì)板巖質(zhì)軟，手掰可斷，層面光滑，遇水易軟化。圍巖整體性及自穩(wěn)性差，開挖時拱部易掉塊或局部小溜坍，存在較大的安全風險。

為探明隧道大變形機理，將D2K 130+300～D2K 130+360作為試驗段，著重對圍巖的物理力學特性、地應力以及圍巖松動圈等進行試驗研究，為后續(xù)設計變更、支護參數(shù)調(diào)整以及施工工藝、方法的改進提供依據(jù)。

3.1 原狀圍巖物理力學特性

從掌子面揭示的圍巖以炭質(zhì)板巖為主，局部因地質(zhì)構造和賦存環(huán)境的差異表現(xiàn)出不同的物理性狀，層理結(jié)構紊亂，層間夾雜不同類型的礦物質(zhì)，物理力學性質(zhì)存在較大差異。結(jié)合工程的實際情況，在變形區(qū)段典型斷面的不同位置現(xiàn)場取樣，分別取得巖石含水率試件3組、巖石密度3組、巖石點荷載強度4組和單軸抗壓強度1組。

3.1.1 巖石物理特性

巖石含水率采用烘干法，試件最小尺寸應大于組成巖石最大礦物顆粒直徑的10倍，每個巖石試樣質(zhì)量控制在40～200 g，在烘箱105 ℃～110 ℃的溫度下烘烤24 h，冷卻至室溫后稱重。巖石含水率計算公式為：

(1)

式中：ω——巖石含水率(%)；

mo——烘干前的試件質(zhì)量(g)；

ms——烘干后的試件質(zhì)量(g)。

巖石密度測試試件的質(zhì)量控制在40～200 g，在105 ℃～110 ℃的溫度下烘烤24 h，強制飽水試件在水中自由吸水48 h后稱重，巖石密度計算公式為：

(2)

式中：ρd——巖石塊體干密度(g/cm3)；

ms——烘干后的試件質(zhì)量(g);

mp——試件經(jīng)強制飽和后的質(zhì)量(g)；

mw——強制飽和時間在水中的質(zhì)量(g)。

巖石密度、含水率試驗結(jié)果如表1所示。

表1 原狀巖石物理特性測試結(jié)果統(tǒng)計表

3.1.2 巖石點荷載強度

巖石的點荷載強度試件選擇開挖的石塊，大小 50 mm左右。兩點加載間距與加載平均寬度之比在 0.3～0.1之間，不規(guī)則巖體的點荷載強度通過公式換算成等價巖芯直徑50 mm的巖石點荷載強度。

(3)

(4)

式中：Is(50)——直徑50 mm的等價巖芯點荷載強度(MPa)；

P——破壞荷載(N)；

De——等價巖芯直徑(mm)；

W——通過兩加載點最小截面的寬度或平均寬度(mm)；

D——加載點間距(mm)；

m——修正指數(shù)，一般取0.40～0.45。

變形區(qū)段的石塊主要有兩種，一種為純黑色炭質(zhì)板巖，另一種為夾雜白色填充物(類似于云母和石英)的巖石。巖石分別按以下幾種試件進行點強度試驗：(1)現(xiàn)場隨機選取巖石試件2組(D1組)；(2)黑色炭質(zhì)巖試件(D2組)；(3)夾雜白色填充物的巖石(D3組)。

(1)現(xiàn)場隨機取樣試件(D1組)的巖石點荷載強度

在現(xiàn)場開挖的石塊中隨機選取黑色炭質(zhì)板巖和夾雜白色填充物的板巖各10塊，分為2組進行巖石點荷載強度試驗。試驗結(jié)果顯示，隨機試件的巖石點荷載強度在0.05～0.2 MPa之間，極少量夾雜白色填充物的巖樣強度可達1.5 MPa。

(2)黑色炭質(zhì)板巖(D2組)與夾雜白色填充物(D3組)試件的巖石點荷載強度

分別選取D2組、D3組各20個試件進行點荷載強度試驗，試驗結(jié)果顯示，夾雜白色填充物(D3組)的巖石強度明顯高于黑色炭質(zhì)板巖(D2組)的強度，其最高可達1.49 MPa，最低0.38 MPa，平均強度 0.86 MPa。而D2組試件的最高強度為0.2 MPa，最低0.05 MPa，平均強度0.1 MPa。

3.1.3點荷載強度與巖石飽和單軸抗壓強度的換算關系

目前，國內(nèi)外關于點荷載與巖石飽和單軸抗壓強度間的換算關系有很多種，本文通過Broch和Franklin、鐵道部第二勘察設計院以及M.Kohno給出的3種巖石點荷載強度與飽和單軸抗壓強度的轉(zhuǎn)換公式，對各組試驗結(jié)果的平均強度進行換算[4]。換算結(jié)果如表2所示。

表2 點荷載強度與飽和單軸抗壓強度的換算結(jié)果表

從表2可以看出，3種算法得出的D2組巖樣的強度較低，最低值為1.6 MPa。D3組巖樣的強度較高，個別試件強度可達20 MPa。

3.1.4 巖石單軸抗壓強度試驗

變形區(qū)段掌子面巖石層理結(jié)構紊亂，層間和巖石內(nèi)部裂隙極其發(fā)育。在掌子面上取樣，制成50 mm×50 mm×50 mm的立方體試件2組，進行巖石單軸抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗巖樣單軸抗壓強度結(jié)果表

由表3可知，掌子面炭質(zhì)板巖的單軸抗壓強度極低，最大值2.52 MPa,平均值2.25 MPa。按照GB/T 50218-2014《工程巖體分級標準》的評定標準[5]，屬于極軟巖。

3.2 隧道區(qū)域地應力測試

3.2.1 測試原理與方法

為探明隧道區(qū)域的地應力構造特征，采用水壓致裂地應力測試方法對周邊地層的地應力進行試驗測試研究，根據(jù)隧道附近的地應力測孔結(jié)果進行反演分析。地殼中任一點的應力狀態(tài)可分解為三個主應力分量σH、σh、σv來表示。在一定邊界條件下，水壓致裂的地應力測量力學模型可簡化為一個平面應力，如圖3所示。通過讀取試驗過程的破裂壓力、重張壓力、閉合壓力和孔隙壓力，并結(jié)合彈性力學平面應力問題中圓孔外任意一點應力的計算公式，便可得出測點深度的地層初始應力。通過印模定向試驗方法進行裂縫方位測定，確定最大水平主應力的方向。

圖3 水壓致裂應力測量力學模型圖

現(xiàn)場共有7個不同測試深度的地應力測點，其中包含3個應力方向測點，測試范圍為320～540 m。測試結(jié)果顯示，最大水平主應力σH的范圍為9.18～20.41 MPa，最小水平主應力σh的范圍為6.69～13.01 MPa，豎向應力σv的范圍為8.44～13.81 MPa。

根據(jù)試驗結(jié)果計算水平應力和豎向應力比值，可得地層側(cè)壓力系數(shù)約為1.08～1.48，且隨鉆孔深度的增大而增大。這表明區(qū)域塊地相互之間擠壓運動明顯，水平構造應力明顯大于垂直自重應力。根據(jù)應力與深度的實測關系，可得324～533 m水平應力的線性回歸方程，綜合得出應力隨深度的變化趨勢，如圖4所示。

圖4 地應力隨深度變化曲線圖

3.2.2 數(shù)字模型的建立與分析

基于隧道區(qū)域地應力，利用設計地勘時測設的地應力數(shù)字，建立不同邊界條件工況下對應測點應力值與實測值的多元線性回歸關系，利用巖土工程分析軟件，進行隧道區(qū)域地應力反演分析，分析巖土體破壞、大變形和峰后特性。數(shù)值模型分析擬定區(qū)域的選擇須覆蓋分析隧道的影響區(qū)域并包含實測點，且適當增大以降低邊界效應的影響。

通過計算得出隧道軸線的水平側(cè)壓力系數(shù)變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，隧道沿線的水平側(cè)壓力系數(shù)基本大于1。隧道埋深在200 m范圍內(nèi)時，其水平側(cè)壓力系數(shù)基本在1.0～1.2之間，當隧道埋深在500～600 m范圍時，其水平側(cè)壓力系數(shù)基本在 1.3～1.4之間。由此可知，隧道區(qū)域的地層構造應力較大。

圖5 計算模型水平側(cè)壓力系數(shù)變化曲線圖

3.3 隧道松動圈測試

3.3.1 測試斷面的選擇

測試斷面選取在隧道進口掌子面，測試初期支護封閉成環(huán)后的圍巖松動圈范圍(測點位于拱腰和邊墻兩個部位(S-1))和不同施工階段的圍巖松動圈范圍(測點位于邊墻位置(S-2))。松動圈測試斷面布置如圖6所示。測試過程中同時對鉆孔斷面的巖體進行取樣，進行巖石物理力學性質(zhì)分析。

圖6 松動圈測試斷面布置示意圖

施工采用非爆破法開挖，支護采用復合式襯砌結(jié)構，初期支護采用噴射混凝土+型鋼拱架支護，襯砌結(jié)構為鋼筋混凝土支護，拱架接頭采用鎖腳錨桿進行錨固。

3.3.2 測試結(jié)果及分析

兩個掌子面累計鉆孔10處，分別為進口掌子面 D2K 130+353斷面4處，D2K 130+335斷面2處，D2K 130+322斷面2處，橫洞正洞掌子面DK 131+045斷面2處。每個測孔進行2次測試，取2次結(jié)果的平均波速作為測試結(jié)果，如表4所示。

表4 試驗測試結(jié)果表

施工對巖石結(jié)構產(chǎn)生擾動，導致臨空面巖石在一定范圍內(nèi)的松動，不同工況條件下，松動圈范圍存在明顯差異。從測試結(jié)果可以看出，進口掌子面松動圈范圍基本在5.5～6.5 m內(nèi)，進口掌子面D2K 130+353中臺階施工時，左側(cè)拱腰處測孔松動圈范圍為5 m，右側(cè)拱腰處測孔松動圈范圍為5.5 m；仰拱封閉后，左側(cè)拱腰測孔松動圈范圍增至5.5 m，右側(cè)拱腰測孔松動圈范圍增至6.0 m，初支封閉成環(huán)松動圈擴大約10%左右。

3.4 軟巖大變形等級判定

較大地應力是隧道產(chǎn)生大變形的內(nèi)在因素，施工對變形的影響也較大。根據(jù) D2K 130+230～D2K 130+360里程段的圍巖強度應力比和相對變形量，按照《鐵路隧道設計規(guī)范》判定標準，判定該段軟巖變形等級為Ⅱ級、Ⅲ級[6]，如表5所示。

表5 D2K 130+230～D2K 130+360軟巖大變形等級表

由此可見，要有效控制隧道大變形，必須優(yōu)化設計，調(diào)整支護參數(shù)，改善襯砌結(jié)構的受力狀態(tài)，改進施工工藝和工法。

4 改進措施

4.1 優(yōu)化設計與支護參數(shù)[7-8]

(1)調(diào)整開挖輪廓線，把原設計的馬蹄形斷面邊墻曲率優(yōu)化為橢圓形斷面，加大變形位置邊墻和仰拱的曲率，改善受力結(jié)構?？紤]現(xiàn)場實際情況，二襯內(nèi)輪廓不變。

(2)加強初期型鋼支護，將鋼架支護由I18調(diào)整為HW175型鋼，間距0.6 m。

(3)鋼架內(nèi)外測均增加縱向連接鋼筋的數(shù)量，并在上臺階拱腳處增設I14工字鋼作為連接型鋼。

(4)系統(tǒng)錨桿采用長短結(jié)合的方式主動加強支護，短錨桿長4 m，采用φ22速凝藥包錨桿；長錨桿長8 m，采用φ32自進式錨桿，快凝早強漿液。

(5)采用小導管超前支護，拱部140°范圍內(nèi)設φ42小導管超前支護，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)27根，每根長4.5 m，縱向2.4 m/環(huán)。

(6)提高噴射混凝土強度，將噴射混凝土標號由C25調(diào)整為C30。

(7)加強鋼架連接板接頭連接質(zhì)量，M20×65高強螺栓由4顆調(diào)整為6顆，三面滿焊鋼架連接板，以增強鋼架整體性。

(8)采用雙鎖腳，每個臺階處在原設計基礎上均增設1道鎖腳。

4.2 改進施工工藝與工法

(1)三臺階快速封閉

結(jié)合單線隧道機械設備難以施展，利用率較低，開挖、運輸難度大的情況，研究出了一種適合單線隧道三臺階不留核心土的快速封閉施工方法，做到上、中、下各臺階同時掘進。各臺階長度不超過6 m，仰拱初支不超過6 m，封閉成環(huán)后再次回填，達到仰拱初支7～8 d內(nèi)封閉成環(huán)。初支封閉成環(huán)距掌子面不超過15 m，仰拱初支成環(huán)18 m后及時施作仰拱襯砌，開挖工藝、工法如圖7所示。

(2)非爆破開挖

在試驗過程中，把鉆爆法開挖改為機械法開挖，即采用銑挖機開挖以減小鉆爆法開挖對圍巖的擾動。開挖效果良好，但工效低，成本高，最后仍采用鉆爆法施工。

(3)采用快速注漿

在打鉆和立架工序時，施作徑向注漿及鎖腳錨管注漿，以提高施工效率，減少工序用時。

圖7 開挖工藝、工法示意圖(cm)

4.3 加強施工管理

(1)加強超前地質(zhì)預報，及時探明地質(zhì)情況。

(2)加強監(jiān)控量測，及時評定變形收斂測結(jié)果。

(3)加強工序管理，做到“快挖、快支、快封閉”，嚴格施工過程控制，并根據(jù)變形情況合理確定施作二襯時間。

4.4 效果對比分析

以D2K 130+437～D2K 130+452段進行效果對比分析，采用鉆爆法施工，預留變形量為40 cm，封閉成環(huán)時間8～12 d。該段采用上述措施后，變形得到有效的控制，斷面D2K 130+445拱頂(GD)累計沉降147.7 mm，上臺階(SL-1)累計收斂210.34 mm，下臺階(SL-2)累計收斂269.47 mm。其沉降觀測數(shù)據(jù)和變形趨勢如圖8所示。

圖8 斷面D2K 130+445沉降觀測數(shù)據(jù)和變形趨勢圖

5 結(jié)束語

本文針對中老鐵路會富萊軟巖隧道施工中的大變形問題，從分析變形區(qū)段圍巖的物理力學性質(zhì)、區(qū)域地應力、圍巖松動圈等著手，分析判定了隧道軟巖的特性和大變形等級。然后結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，通過改善結(jié)構受力、調(diào)整支護參數(shù)，改進施工工藝和工法，加強施工管理等措施，有效控制了圍巖變形，確保了后續(xù)施工的順利進行，可為同類工程的施工提供借鑒參考。