滇藏鐵路麗香段玉龍雪山隧道大變形特征及原因分析

王雪冰

（中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇西鐵路建設(shè)指揮部，云南 大理 671000）

1 引言

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量的大型鐵路工程，如川藏鐵路、滇藏鐵路等[1-2]。由于川滇地區(qū)位于亞歐板塊與印度洋板塊結(jié)合帶，導(dǎo)致地形山高坡度谷深，修建環(huán)境較為惡劣，工程出現(xiàn)了一大批長大埋深隧道。隧道埋深的增加帶來較大的地應(yīng)力，若圍巖較軟，則會出現(xiàn)隧道支護(hù)變形難以控制的情況[3]，嚴(yán)重時甚至造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、二襯開裂、仰拱隆起，給鐵路隧道建設(shè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者針對深埋隧道的大變形問題開展了大量研究，主要集中在大變形特征、機(jī)理以及控制技術(shù)[4-6]方面。曹小平[7]針對板狀軟巖地層高地應(yīng)力隧道大變形問題，提出了單層初支+ 雙層二襯的隧道支護(hù)形式。結(jié)果表明，該隧道支護(hù)形式能較好地解決高地應(yīng)力軟巖隧道大變形問題。馬棟[8]總結(jié)了成蘭鐵路、麗香鐵路多座高地應(yīng)力軟巖隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，提出預(yù)留變形量是避免發(fā)生大變形后初支侵限的重要基礎(chǔ)，雙層初支+ 錨桿協(xié)同支護(hù)可有效提高初支剛度，減小圍巖變形，采用合適的二襯施作時機(jī)既能有效地控制大變形又能減少二襯開裂。韓常領(lǐng)[9]依托連城山軟巖隧道工程，基于施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了單層I22b 鋼拱架、單層H20b 型鋼拱架、雙層I22b 工字鋼拱架和雙層H20b 型鋼拱架4 種初期支護(hù)方案下圍巖的變形規(guī)律與支護(hù)的受力特征。結(jié)果表明，單層和雙層I22b 鋼拱架初期支護(hù)均不能控制隧道的大變形，而雙層H20b 型鋼拱架初期支護(hù)可以控制隧道圍巖變形。

各種研究成果對解決高地應(yīng)力軟巖隧道大變形問題提供了一定的指導(dǎo)。然而，對于青藏高原隆起邊緣地帶麗香鐵路玉龍雪山隧道而言，除高地應(yīng)力因素外，巖體的巖性、強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造，以及斷面形狀、初支封閉成環(huán)時間等均會影響玉龍雪山隧道的大變形情況。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概況

麗香鐵路處于云南省西北部，全長139.686 km，南起麗江站，北至香格里拉站，為I 級單線鐵路，路段旅客列車設(shè)計行車速度140 km/h。全線新建20 座隧道，總長92 554 m，其中，最長的隧道為玉龍雪山隧道，全長14 745 m。麗香鐵路地形地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性軟弱、巖體破碎、活動性斷裂發(fā)育，具有高海拔、高地震烈度及高地應(yīng)力等“三高”特征，隧道施工安全風(fēng)險極大。

2.2 地質(zhì)概況

麗香鐵路地處青藏高原東南邊緣川滇菱形斷塊的西部邊界金沙江-中甸斷裂帶內(nèi)[10]，屬我國著名的南北向地震帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。線路通過新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、應(yīng)力集中度高、多期巖漿侵入的地質(zhì)環(huán)境，軟弱地層中存在高地應(yīng)力，極易產(chǎn)生隧道大變形問題。本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、地應(yīng)力高，是我國大陸現(xiàn)今地殼構(gòu)造運(yùn)動最為強(qiáng)烈的地區(qū)。

線路內(nèi)密布碎裂化與片理化玄武巖、凝灰?guī)r、炭質(zhì)板巖、千枚巖、炭質(zhì)頁巖，屬于軟巖～極軟巖。巖層在構(gòu)造地質(zhì)作用下扭曲變形嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎。圍巖穩(wěn)定性差，存在軟巖大變形危害。

玉龍雪山隧道位于龍蟠-喬后斷層左側(cè)650～1 000 m 近平行通過，且兩穿玉龍雪山西麓斷裂（見圖1）。地下水較為發(fā)育，開挖揭示以線狀～股狀裂隙水為主。玉龍雪山隧道地層巖性復(fù)雜，以綠泥石化玄武巖、片理化玄武巖為主，局部夾凝灰?guī)r，灰綠色、片狀構(gòu)造，呈層狀、片狀互層，局部仍保留有原巖中的氣孔狀、杏仁狀及塊狀構(gòu)造。巖質(zhì)軟硬不均，局部較軟，易風(fēng)化剝落，浸水軟化后手能掰斷，呈泥狀。隧道開挖揭示圍巖如圖2 所示。

圖1 玉龍雪山隧道線位布置圖

圖2 玉龍雪山隧道開挖揭示圍巖

3 玉龍雪山隧道大變形特征

本隧道為特殊圍巖和極端復(fù)雜地質(zhì)條件下大變形，圍巖地應(yīng)力高、強(qiáng)度應(yīng)力比小、松動圈大。大變形具有變形速率快、持續(xù)時間長、累計變形量大、無規(guī)律難以預(yù)見的特點(diǎn)。

3.1 變形特征

為了解玉龍雪山隧道變形特征，將DK41+750、DK41+760以及DK42+770 作為變形監(jiān)測斷面，采用全站儀+ 反光片的方式對隧道初期支護(hù)變形進(jìn)行測量。變形監(jiān)測結(jié)果如圖3～圖5 所示，監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 變形監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

圖3 DK41+750 斷面位移時間曲線

圖4 DK41+760 斷面位移時間曲線

圖5 DK41+770 斷面位移時間曲線

由圖3～圖5 及表1 可知，試驗(yàn)段量測拱頂下沉314.29～360.01 mm，最大值為360.01 mm，平均值為338.36 mm；上臺階兩側(cè)相對收斂506.14～821.37 mm，最大值為821.37 mm，平均值為647.56 mm；中臺階兩側(cè)相對收斂785.56～939.62 mm，最大值為939.62 mm，平均值為845.86 mm。水平相對收斂值均大于拱頂沉降值。

3.2 初支結(jié)構(gòu)破壞特征

玉龍雪山隧道大變形段初支結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，其破壞形式主要包括初支噴混崩落、初支拱架扭曲彎折、二襯開裂及仰拱隆起開裂4 個方面。

1）在拱頂位置。初支拱架不僅承受較高的水平地應(yīng)力，還受隧道直墻拱截面形式的影響，容易發(fā)生扭曲彎折，進(jìn)而導(dǎo)致初支噴混局部受拉崩落。

2）在拱腰與邊墻交接位置。初支拱架承受較高水平和豎向地應(yīng)力的共同作用，拱架拼接位置較為薄弱，在高地應(yīng)力作用下，拱架接頭位置容易發(fā)生彎折破壞，進(jìn)而導(dǎo)致拱架接頭周邊噴混受拉破壞。

3）在邊墻位置。初支結(jié)構(gòu)不僅承受較高的水平地應(yīng)力，還會受截面形式影響，由于初支結(jié)構(gòu)抗彎性能較差，因此，邊墻位置的初支拱架容易隨側(cè)向地層擠出而發(fā)生扭曲變形，噴混隨之發(fā)生崩落掉塊。

4）在仰拱位置。受豎向地應(yīng)力影響，局部仰拱發(fā)生隆起開裂。

3.3 松動圈特征

采用聲波法分別在玉龍雪山隧道DK41+990、DK42+000進(jìn)行松動圈測試，每個斷面測試3 次，測試結(jié)果如圖6、圖7 及表2 所示。

表2 松動圈測試結(jié)果統(tǒng)計

圖6 DK41+990 松動圈測試孔1 測試結(jié)果

圖7 DK42+000 松動圈測試孔1 測試結(jié)果

根據(jù)玉龍雪山隧道DK41+990 松動圈測試孔1 結(jié)果：當(dāng)測試孔深小于4.1 m 時，圍巖波速在2.05 km/s 附近波動；測試孔深大于4.1 m 以后，波速在2.84 km/s 附近波動。測試孔深度小于4.1 m 范圍內(nèi)，波速相比于深度大于4.1 m 波速降低了27.8%，說明測試孔深度在4.1 m 范圍的巖體的破碎程度較大；測試孔深度超過4.1 m 后，巖體的完整性提升，破裂程度降低。圍巖的波速在測試孔深度約4.1 m 時會有明顯的變化，故斷面DK41+990 的松動圈厚度約4.1 m。

玉龍雪山隧道DK41+990、DK42+000 斷面共進(jìn)行了6 次測量得到的松動圈測試匯總結(jié)果見表2。2 個測試斷面松動圈發(fā)育厚度分別為4.27 m 和4.33 m，綜合判斷玉龍雪山隧道測點(diǎn)處松動圈厚度約4.33 m。

4 玉龍雪山隧道大變形原因分析

通過對麗香鐵路玉龍雪山隧道圍巖變形、 初支破壞及松動圈規(guī)律進(jìn)行分析、總結(jié)，玉龍雪山隧道產(chǎn)生大變形的原因主要在于地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、巖層方向、巖石強(qiáng)度、洞室形狀及初支封閉成環(huán)時間等多個方面。

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

玉龍雪山隧道 （原中義隧道） 位于龍蟠- 喬后斷層左側(cè)650～1 000 m 近平行通過（見圖8），且小角度兩穿玉龍雪山西麓斷裂（見表3），隧道區(qū)巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體片理化、碎裂化。

表3 玉龍雪山隧道斷層情況

圖8 龍蟠- 喬后斷層與隧道相對位置

4.2 地應(yīng)力

在勘察階段，采用水壓致裂法對玉龍雪山隧道進(jìn)行了地應(yīng)力測試，共完成了12 孔、76 段測試成果。詳見表4。

表4 玉龍雪山隧道勘察階段地應(yīng)力測試

根據(jù)勘察階段地應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計分析，玉龍雪山隧道實(shí)測最大水平主應(yīng)力為15.44 MPa（埋深約372 m 處），最大豎向主應(yīng)力為12.13 MPa（埋深約459 m 處）。隧道最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值平均為1.33，最大達(dá)1.91，方向?yàn)镹14°～32°W，表明隧址區(qū)內(nèi)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。因此，構(gòu)造地應(yīng)力高也是造成玉龍雪山隧道產(chǎn)生大變形的根本原因之一。

4.3 巖層順層偏壓

玉龍雪山隧道線路走向與巖層走向大致平行，且開挖揭示巖層傾角約45°，因此，容易帶來順層偏壓問題。由于隧道兩側(cè)存在順層巖層，隧道開挖后在地應(yīng)力作用下，圍巖沿著順層面發(fā)生滑移，導(dǎo)致隧道兩側(cè)邊墻承受的荷載不同，再加之構(gòu)造地應(yīng)力較大，進(jìn)一步加劇了順層偏壓的程度，導(dǎo)致隧道邊墻極易產(chǎn)生變形。

4.4 巖體夾層軟弱

玉龍雪山隧道巖石定名為深灰綠色杏仁狀橄欖玄武巖，標(biāo)本巖石具斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶含量約35%～40%，粒徑多在0.2～6 mm，基質(zhì)具顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。

礦物成分及含量如下。

橄欖石（約30%～35%）：呈斑晶產(chǎn)出，多呈較自形短柱狀、粒狀，部分切面呈長六邊形狀，裂紋較為發(fā)育，礦物顆粒大小不等，粒徑最大可達(dá)約6 mm，蝕變強(qiáng)烈，只保留假象，多發(fā)生包林皂石化，可見蝕變的蒙脫石—綠泥石集合體；

輝石（約30%～35%）：其中約5%呈斑晶產(chǎn)出，呈無色短柱狀或粒狀，部分較自形的顆?？梢娸x石式解理和簡單雙晶，較新鮮無蝕變，裂紋發(fā)育，約25%～30%呈細(xì)小微晶產(chǎn)出，為巖石中基質(zhì)組成，呈較自形細(xì)小短柱狀、粒狀較均勻分布；

斜長石微晶（約3%～6%）：呈較自形細(xì)小長柱狀微晶產(chǎn)出，為巖石基質(zhì)組成，光性微弱，邊緣模糊；

隱晶質(zhì)成分（約30%）：分布在基質(zhì)中的微晶間，呈灰褐色，分布不均勻，局部含量相對較高。此外，可見極少量金屬礦物呈黑色等軸粒狀，多被蝕變橄欖石包裹或半包裹。薄片中可見面積比約3%的杏仁體，部分呈不規(guī)則狀，部分呈近圓狀，多充填淺黃綠色綠泥石。巖石中還可見細(xì)小綠泥石脈體產(chǎn)出。

礦物分析結(jié)果顯示，隧道大變形段的玄武巖結(jié)構(gòu)面有綠泥石、蒙脫石等蝕變礦物富集，極大弱化了巖體的強(qiáng)度。凝灰?guī)r巖質(zhì)極軟，多呈土狀，且分布規(guī)律較差，多成團(tuán)狀分布。凝灰?guī)r的存在降低了片理化玄武巖的強(qiáng)度，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，加劇了隧道大變形的產(chǎn)生。

4.5 圍巖原位強(qiáng)度低

玉龍雪山隧道大變形段位于玉龍雪山西麓斷層內(nèi)，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，掌子面有股狀裂隙水，圍巖穩(wěn)定性極差，圍巖級別為Ⅴ級。圍巖原位強(qiáng)度測試共測試4 個測點(diǎn)，左右邊墻各布置2 個。圍巖原位強(qiáng)度測試采用RBST 巖石鉆孔剪切測試系統(tǒng)[11]。測試結(jié)果如表5 及圖9 所示。

表5 原位強(qiáng)度測試結(jié)果

圖9 法向力與剪切力關(guān)系

由表5 及圖9 可知，玉龍雪山隧道圍巖測點(diǎn)處原位強(qiáng)度內(nèi)聚力約220 kPa，內(nèi)摩擦角約15°。該段施工揭示的圍巖主要為片理化玄武巖，圍巖整體性差，圍巖原位強(qiáng)度低。現(xiàn)場工程巖體由巖塊與節(jié)理組合而成，其強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、數(shù)量和組合形式。滇西地區(qū)新生代構(gòu)造運(yùn)動劇烈且多期，這些構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面大大降低了圍巖整體強(qiáng)度，進(jìn)而造成玉龍雪山隧道產(chǎn)生大變形。

4.6 斷面形式

麗香鐵路為單線鐵路，隧道斷面采用直墻拱形（見圖10），隧道高跨比大，約為1.4，均不利于水平收斂控制。據(jù)監(jiān)控量測成果數(shù)據(jù)分析（見圖3～圖5），隧道洞內(nèi)初期支護(hù)變形特點(diǎn)表現(xiàn)為水平收斂較大，拱頂下沉量較小，因此，直墻拱形斷面加劇了玉龍雪山隧道大變形的程度。

圖10 麗香線大變形段隧道斷面

4.7 初支封閉成環(huán)時間

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，初支封閉成環(huán)前的變形速率約為3～5 cm/d，初支封閉成環(huán)后的變形速率約為1～2 cm/d，封閉成環(huán)成速率逐漸降低趨于穩(wěn)定。經(jīng)統(tǒng)計表明，初支封閉成環(huán)時間控制在10～15 d 內(nèi)，現(xiàn)場變形均較為可控。

5 結(jié)語

本文依托麗香鐵路玉龍雪山隧道，總結(jié)了玉龍雪山隧道大變形的變形、 破壞及松動圈特征，分析了隧道大變形的原因，主要得以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)段量測拱頂下沉平均值338.36 mm，上臺階收斂平均值647.56 mm，中臺階收斂平均值845.86 mm，水平收斂均大于拱頂沉降值。

2）初支結(jié)構(gòu)破壞形式主要包括初支噴混崩落、初支拱架扭曲彎折和仰拱隆起開裂，其中，拱頂和邊墻破壞最為嚴(yán)重。

3）監(jiān)測斷面松動圈基本穩(wěn)定，測點(diǎn)處松動圈厚度為4.33 m，約1/2 倍隧道跨度。

4）隧道區(qū)巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體片理化、碎裂化，圍巖原位強(qiáng)度較低，地下水較發(fā)育，軟弱夾層巖性是導(dǎo)致隧道大變形的原因之一。

5）巖層順層問題較為突出，容易導(dǎo)致偏壓，對邊墻穩(wěn)定不利，隧道穿越區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力水平較高，再加上隧道高跨比較大，不利于控制水平收斂，這是導(dǎo)致隧道大變形的另一個重要原因。

6）除以上地質(zhì)原因外，隧道結(jié)構(gòu)斷面形狀曲率、初支鋼架封閉成環(huán)時間均對大變形的發(fā)生有重要影響。