中老鐵路會富萊隧道軟巖大變形控制技術(shù)研究

余小周

(中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100038)

隧道軟巖大變形控制是國內(nèi)外隧道修建的重大技術(shù)難題[1]。過去隧道在遇軟巖大變形時，往往采取注漿、長錨桿加固等措施。由于隧道地質(zhì)千變?nèi)f化，相同措施對于不同隧道的軟巖變形處理效果不盡相同。中老鐵路會富萊隧道為單線隧道，受作業(yè)面限制，不宜采用長錨桿施工，故前期采用注漿方式未能控制圍巖變形，后通過變形后拆換拱的方式解決變形問題。但這種事后處理的換拱方式既耽誤工期，又大大增加了施工成本，故需對該隧道大變形控制技術(shù)作進一步研究。

1 工程概況

中老鐵路會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦、烏多姆賽省，全長 6 969 m，為設(shè)計速度160 km/h的單線隧道。隧區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕中高山地貌，地面高程400～1 200 m，相對高差約800 m，地形起伏大。自然橫坡15°～45°，隧道最高處為灰?guī)r陡坎、陡壁。隧區(qū)多被第四系土層覆蓋，斜坡地帶植被較好，基巖零星出露。隧道洞身通過侏羅紀下統(tǒng)砂泥巖(480 m)，石炭系板巖(5 629 m)，二疊系下統(tǒng)灰?guī)r(860 m)。洞身穿越會富萊1號斷層、普巴道山斷層、會富萊2號斷層、夫發(fā)南大山復(fù)向斜、班會海斷裂破碎帶。

隧區(qū)位于蘭坪-思茅地塊和南海印支地塊接合部，屬特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域，是古特提斯洋域分布的主體地帶，總體上由大小不一的地塊和微地塊縫合、拼接而成。段內(nèi)不良地質(zhì)為巖溶、斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形、順層偏壓、有害氣體等。

2 隧道變形破壞特征

2.1 初期支護破壞情況

會富萊隧道施工過程中，多處段落發(fā)生圍巖變形，并導(dǎo)致初期支護破壞，圍巖水平收斂遠大于拱頂下沉，線路右側(cè)變形大于左側(cè)，右側(cè)邊墻錯臺鼓出，噴射混凝土剝裂，鋼拱架呈90°彎折變形。

2.2 圍巖變形特征

(1)變形量較大且初期變形快

隧道開挖后，初期圍巖變形非常強烈，變形速率較大，拱頂開挖7 d累計沉降達200 mm、平均28 mm/d，最大累計沉降量 339.7 mm；上臺階收斂累計達 554.4 mm，下臺階開挖 10 d收斂達 1 400 mm、平均 140 mm/d，累計達 1 586.3 mm。水平收斂遠大于拱頂下沉，且下臺階水平收斂大于上臺階水平收斂，存在水平擠壓特性，空間越大變形越大，變形速率快。典型斷面拱頂下沉和水平收斂位移監(jiān)測曲線如圖1所示。

圖1 DK 130+335沉降觀測曲線圖

圍巖早期變形大、變形速率快，一定程度上表明圍巖壓力釋放快，擠壓強度大，隧道圍巖具有軟弱、穩(wěn)定性低和自穩(wěn)能力差的特性[2]。

(2)變形持續(xù)時間長

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，仰拱端頭至掌子面區(qū)間的變形持續(xù)時間較長，初期變形較大，后期成線性增長，無收斂趨勢。過程中有擾動時，出現(xiàn)加速增長情況，直至仰拱封閉成環(huán)后才有收斂趨勢。初支封閉后仍有變形，襯砌澆筑后才有穩(wěn)定趨勢，反應(yīng)出圍巖具有明顯的流變性。

(3)圍巖變形在空間分布不均勻、不對稱

從隧道施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道破壞程度上看，整個隧道變形均較嚴重，但不同里程段落變形特征不同。同時還存在線路左右變形量相差較大的情況，形成不對稱收斂。變形量中下臺階變形大于上臺階，隧道不同位置變形位移曲線如圖2所示，上臺階和下臺階收斂監(jiān)測如圖3、圖4所示。

圖2 隧道不同位置變形位移曲線圖

圖3 上臺階收斂監(jiān)測圖

圖4 下臺階收斂監(jiān)測圖

2.3 圍巖大變形原因分析

會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦縫合帶北邊界，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，變形段位于會富萊1號斷層與普巴道山斷層銳角挾持地帶。隧道穿越地層巖性以薄層狀板巖夾炭質(zhì)板巖為主，屬軟質(zhì)巖，巖層受多期構(gòu)造運動影響，擠壓斷裂極為嚴重，產(chǎn)狀十分紊亂。擠壓過程中產(chǎn)生的層間滑移，加劇了巖石的碎裂與糜棱化，圍巖整體表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)疏松、強度極低等特點。在埋深不大、地應(yīng)力不高的情況下，巖體強度極低易使圍巖出現(xiàn)較大的塑性變形。參照國內(nèi)類似工程判識標準，會福萊隧道巖體強度與地應(yīng)力比達到中等～嚴重大變形程度[3]。

3 軟巖大變形控制技術(shù)

隨著隧道軟巖大變形逐漸增多，世界范圍內(nèi)的隧道和地質(zhì)專業(yè)人士試圖對大變形的潛勢進行有效劃分，但所有這些劃分都存在相當大的局限性，尚不具備普遍的指導(dǎo)意義，無法有效指導(dǎo)各類隧道軟巖大變形施工。會富萊隧道D2K 130+330～D2K 130+360段設(shè)計為Ⅴ級圍巖，采用Ⅴa復(fù)合襯砌，開挖揭示圍巖為板巖、炭質(zhì)板巖，呈深灰、灰黑色，偶夾灰綠色玄武巖團塊。板巖、炭質(zhì)板巖板狀構(gòu)造，薄層狀為主，局部夾中厚層，炭質(zhì)板巖含炭量高，污手，質(zhì)軟，遇水易軟化；玄武巖致密塊狀，質(zhì)堅硬，呈團塊狀，分布無規(guī)律。受區(qū)域構(gòu)造影響，掌子面巖層產(chǎn)狀扭曲變形嚴重，揉皺發(fā)育，巖體擠壓破碎強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎石、片狀，部分手掰易斷，結(jié)構(gòu)面光滑，未見地下水。

鑒于掌子面開挖揭示的地質(zhì)情況，將Ⅴa復(fù)合襯砌改為Ⅴ級加強Ⅲ型襯砌，設(shè)間距0.6 m的全環(huán)H175型鋼鋼架[4]，超前支護采用φ42小導(dǎo)管，拱墻采用長4.0 m的φ42注漿錨管，二襯采用厚45 cm的鋼筋混凝土。采用銑挖法施工，以減少爆破施工對圍巖的擾動。

該段預(yù)留變形量60 cm，最大變形量158 cm。采取措施后初支變形仍侵限，最大侵限超98 cm，表明以上措施不能控制大變形。

3.1 軟巖大變形處理措施

采用“扛、放結(jié)合，重視圍巖自承能力”的原則，軟巖大變形處理采用以下措施：

(1)改變斷面形狀，加強鋼架支護，增大邊墻及仰拱曲率，增強結(jié)構(gòu)承載能力。

(2)適當加大初期支護預(yù)留變形量，釋放地應(yīng)力。

(3)采用長短錨桿結(jié)合，提高圍巖自身承載能力。

(4)施工做到短進尺、弱爆破、快挖、快支、快錨、快封閉成環(huán)[5]。

3.2 優(yōu)化開挖輪廓線

原設(shè)計斷面為類馬蹄形襯砌斷面，二襯厚度45 cm。本次研究了漸變形襯砌斷面(考慮二襯臺車不更換，二襯內(nèi)輪廓不變)和圓形襯砌斷面，提高圍巖自穩(wěn)和初支受力能力如圖5所示。其中，漸變形襯砌斷面二襯厚50～93 cm，圓形襯砌斷面二襯厚45 cm，鋼架均采用H175型鋼，噴厚25 cm的C30混凝土[6]。

圖5 三種襯砌斷面圖

3.2.1安全性分析

通過對比，3種結(jié)構(gòu)承載能力均應(yīng)能滿足荷載要求，各型襯砌承受軟巖變形徑向荷載的能力如表1所示。

表1 襯砌承受軟巖變形徑向荷載能力對比表

(1)會富萊隧道原設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)尺寸及輪廓按部頒參考圖辦理，采用45 cm等厚鋼筋混凝土。采用Ansys數(shù)值模擬軟件，按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道馬蹄形襯砌進行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力；同時為模擬地應(yīng)力，采用徑向圍壓施加于結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次試算，受限于結(jié)構(gòu)輪廓，原設(shè)計襯砌斷面僅能承受0.16 MPa徑向圍巖壓力。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 類馬蹄形結(jié)構(gòu)彎距圖

圖7 類馬蹄形結(jié)構(gòu)軸力圖

由圖6～圖8中可以看出，由于邊墻腳與仰拱相接處非圓順過渡，該處應(yīng)力集中，彎矩、軸力、剪力均較大，為結(jié)構(gòu)受力的控制點。同時，結(jié)構(gòu)抵抗圍巖變形能力較差，僅0.16 MPa，遠小于國內(nèi)大變形隧道地應(yīng)力普遍水平。如仍采用原設(shè)計襯砌結(jié)構(gòu)，難以抵抗隧道大變形壓力，故需調(diào)整斷面。

(2)考慮現(xiàn)場實際情況，二襯內(nèi)輪廓不變，襯砌拱頂仰拱厚50 cm，邊墻最厚93 cm，形成漸變形襯砌結(jié)構(gòu)。采用Ansys數(shù)值模擬軟件，按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道漸變形襯砌進行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力。同時為模擬地應(yīng)力，參照成蘭鐵路等工點經(jīng)驗，取0.58 MPa徑向圍壓施加于結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 漸變形結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖10 漸變形結(jié)構(gòu)軸力圖

圖11 漸變形結(jié)構(gòu)剪力圖

由圖9～圖11中可以看出，由于單線隧道屬瘦高性結(jié)構(gòu)，邊墻彎矩明顯大于拱部和仰拱部位，調(diào)整邊墻仰拱曲率，同時增大邊墻厚度對滿足結(jié)構(gòu)受力十分有利。經(jīng)檢算，結(jié)構(gòu)每延米鋪設(shè)5根φ25鋼筋即可滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)最小點為邊墻腳處。

(3)采用Ansys數(shù)值模擬軟件，按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道圓形襯砌進行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力，圓形襯砌承載能力強，經(jīng)試算最大徑向荷載可達0.85 MPa，計算結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 圓形結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖13 圓形結(jié)構(gòu)軸力圖

圖14 圓形結(jié)構(gòu)剪力圖

3.2.2造價分析

設(shè)計對漸變形、類馬蹄形、圓形3種襯砌斷面的開挖、噴混凝土、二襯圬工等工程數(shù)量進行了估算、對比，經(jīng)比較投資差異不明顯，橢圓形襯砌斷面投資最省，漸變形襯砌斷面投資最高，各斷面類型襯砌造價比較如表2所示。

表2 各斷面類型襯砌造價比較表

3.2.3選型分析

各斷面類型襯砌綜合指標比較如表3所示。結(jié)合未開挖段隧道埋深逐漸增大，圍巖受普巴道山斷層影響更加嚴重，變形程度可能加大的實際情況，初支開挖輪廓采用圓形襯砌斷面。

表3 各斷面類型襯砌綜合指標比較見表

3.3 優(yōu)化開挖工藝

采用初支拱架一次性封閉成環(huán)工法。下臺階一次性挖出仰拱斷面，仰拱初支與下臺階邊墻初支一同施工，快速成環(huán)，減少圍巖變形。上臺階距離下臺階6.75 m，進尺2.25 m/d，初支封閉成環(huán)分別需要2 d、3 d，初期支護成環(huán)快，受力結(jié)構(gòu)較好，極大限度地降低了安全風險，變形量較小，安全可控[7]。Ⅴ級圍巖平均進度55 m/月，平均開挖2 d 3個循環(huán)共4.5 m，每循環(huán)16 h，進尺1.5 m。除去機械設(shè)備耽誤及超前鉆孔用時等，正洞平均進度55 m/月。

3.4 強化鋼架和鎖腳錨桿施工

鋼拱架接頭部位應(yīng)加強線型控制，做好工字鋼接頭焊接，確保鋼拱架的線型安全圓順[8]；加強鎖腳錨桿質(zhì)量控制，嚴格斜插角度鉆鎖腳孔，采用快速凝漿液或樹脂(藥包)快速錨固[9]，宜在拱腳設(shè)2排錨桿。

3.5 強化監(jiān)控量測運用

加強監(jiān)控量測，實施量測報警管理，制定報警分級管理，在變形達到一定程度后，及時采取加固措施，確保施工安全；通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，適當調(diào)整預(yù)留變形量[10]，本隧道開挖拱頂預(yù)留30～50 cm，單邊收斂預(yù)留40～60 cm，確保了隧道凈空要求。

4 結(jié)束語

本文通過對會富萊隧道軟巖大變形特征進行總結(jié)[11]，針對性試驗研究隧道軟巖大變形控制技術(shù)，確保了隧道凈空要求，會富萊隧道變形穩(wěn)定后，拱頂沉降最大26 cm，單邊收斂最大38 cm。后期隧道開挖過程中也未出現(xiàn)圍巖變形超限的情況，取得了良好的效果。解決了中老鐵路難點工程工期問題，降低了施工成本，保證了作業(yè)安全，為中老鐵路順利實施提供了可靠的保障。經(jīng)綜合分析和實踐證明，通過優(yōu)化隧道開挖輪廓斷面，合理預(yù)留變形量，加強初期支護措施，優(yōu)化開挖工法，嚴格施工工序管控，能有效遏制隧道軟巖大變形。其中隧道輪廓斷面優(yōu)化控制變形效果顯著，值得進一步研究和推廣。