楊 鑫，王建軍，周 波，王建明

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024)

0 引言

隨著“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”合作倡議的提出,我國建造技術(shù)已經(jīng)在新時期世界舞臺嶄露頭角,而國內(nèi)外基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通也使得中國隧道建設(shè)更具挑戰(zhàn)性[1]。板塊縫合帶間因受強烈的沖擊擠壓作用,主動盤和被動盤交錯,多組斷裂帶、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,造成隧區(qū)構(gòu)造地應(yīng)力場突顯,巖體高度破碎,隧道施工極易引發(fā)大變形問題,嚴(yán)重制約施工安全和進(jìn)度。

國內(nèi)外隧道建設(shè)工程中已經(jīng)多次引發(fā)不同程度的擠壓大變形問題,如奧地利的Arlberg隧道和Tauern隧道,日本的Enasan隧道[2],蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道[3],蘭渝鐵路的木寨嶺隧道[4],成蘭鐵路的茂縣隧道和楊家坪隧道[5-6]等。由于軟弱圍巖強度低,自穩(wěn)定性差,高地應(yīng)力環(huán)境和開挖擾動的多重影響下,圍巖變形發(fā)展時空效應(yīng)顯著,支護(hù)結(jié)構(gòu)承受極大擠壓應(yīng)力后發(fā)生噴射混凝土開裂,鋼架彎曲扭折,仰拱錯臺開裂。而受初始應(yīng)力方向、巖體層理結(jié)構(gòu)走向發(fā)展和裂縫特征影響,隧道變形常常表現(xiàn)出明顯的非對稱性,結(jié)構(gòu)受力特征復(fù)雜不明[7]。而目前對于軟巖隧道大變形控制則主要通過多重支護(hù)增強支護(hù)剛度,組合錨桿向深層圍巖錨固,超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放及預(yù)支護(hù)等[8-11]。此外,通過改變斷面形式,增大側(cè)墻曲率,能夠優(yōu)化支護(hù)受力狀態(tài)[12]。但對于隧道大變形往往由局部薄弱環(huán)節(jié)最先失效,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。因此根據(jù)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律,明確支護(hù)薄弱環(huán)節(jié),通過局部支護(hù)增強,形成針對性隧道大變形控制措施。以此理念能夠?qū)崿F(xiàn)形成軟巖大變形隧道合理性和經(jīng)濟(jì)性的控制技術(shù)。

本研究以磨萬鐵路的相嫩三號隧道工程為主要依托,通過開展巖石點荷載強度試驗和松動圈測試,揭示瑯勃拉邦縫合帶的炭質(zhì)板巖力學(xué)特征和隧道松動圈分布規(guī)律,重點分析巖石力學(xué)特征變化對隧道變形的影響規(guī)律。結(jié)合典型隧道大變形段進(jìn)行初支結(jié)構(gòu)受力測試,揭示施工過程的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律,分析說明縫合帶隧道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),形成縫合帶大變形隧道的控制理念及技術(shù),為今后類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

新建磨萬線鐵路工程北起中老邊境口岸磨丁,采用中國鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),是“一帶一路”戰(zhàn)略中泛亞鐵路中線和中老鐵路的重要組成部分。工程Ⅳ標(biāo)段Ⅰ分部起訖里程DK179+520—DK225+080,全長45.56 km,占全線總長3.8%,位于老撾瑯勃拉邦省境內(nèi),與瑯勃拉邦縫合帶南源斜向相交,共計隧道14座,分布如圖1所示。

研究以重點控制性工程相嫩三號隧道為依托開展,隧道全長2 633 m,最大埋深約188 m,設(shè)計斷面采用單線布置,臺階法分部開挖,支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)結(jié)構(gòu),支護(hù)鋼拱架為Ⅰ16型鋼,間距0.8 m～1.0 m,系統(tǒng)錨桿拱部和邊墻分別采用組合中空錨桿和砂漿錨桿,長度均為3.0 m。

1.2 隧區(qū)地質(zhì)概況

隧道位于班獻(xiàn)倫斷裂(南邊界斷裂)下盤,屬于瑯勃拉邦縫合帶南緣區(qū)域,洞身段及附近次級構(gòu)造發(fā)育,包括相嫩斷層,相嫩1號向斜等。隧區(qū)揭示圍巖以薄層炭質(zhì)板巖為主,如圖2所示。受區(qū)域構(gòu)造影響,隧道揭示圍巖破碎,節(jié)理發(fā)育,巖質(zhì)軟硬不均,淺埋段穩(wěn)定性差,地下水主要由第四系覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水組成。套孔應(yīng)力解除法實測地應(yīng)力以水平主應(yīng)力為主,水平向大主應(yīng)力5.4 MPa,側(cè)壓力系數(shù)1.52。

2 圍巖點荷載強度分析

選取隧道代表性里程掌子面開挖剝落的非規(guī)則巖樣進(jìn)行點荷載強度試驗,試件尺寸控制在50 mm±35 mm,兩點加載間距與加載平均寬度的比值控制在0.3～1.0。試驗過程依照GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行。未修正巖石點荷載強度Is根據(jù)式(1)計算獲得,未修正巖石點荷載強度按式(2)計算獲得等價巖芯直徑50 mm的巖石點荷載強度Is(50)。

(1)

(2)

其中,P為破壞荷載,N;De為等價巖芯直徑,mm。隧道炭質(zhì)板巖點荷載強度測試結(jié)果如圖3所示。

隧區(qū)揭示炭質(zhì)板巖類型可分為軟泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、夾雜白色石英晶體結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)三類。前兩類受巖性影響,層理結(jié)構(gòu)紊亂,不具明顯的產(chǎn)狀特征,第三類層狀結(jié)構(gòu)分為薄層狀和中厚層狀,強度隨巖塊層厚變化明顯。從試驗數(shù)據(jù)散點圖可以看出,試驗巖塊強度受礦物成分和結(jié)構(gòu)形式影響,強度軟硬不均,離散性較高,平均點荷載強度約0.49 MPa,基本屬軟巖。對于軟質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu)圍巖,隧道變形量普遍較高,對于互層狀結(jié)構(gòu)炭質(zhì)板巖,變形則受巖層傾向影響明顯。

3 隧道變形特征分析

3.1 隧道累積變形量分析

依據(jù)TB 10003—2016鐵路隧道設(shè)計規(guī)范的大變形分級標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計里程DK182+710—DK182+550段的30個斷面的變形等級如表1所示。

表1 隧道統(tǒng)計段大變形等級判定

可以看出,統(tǒng)計結(jié)果中平均拱頂沉降量9.84 cm,平均水平收斂量34.28 cm,最大水平收斂量達(dá)67.5 cm,隧道變形等級基本以輕微大變形等級為主,偶有達(dá)到中等水平。分析原因,由于受瑯勃拉邦縫合帶構(gòu)造應(yīng)力作用,隧道開挖卸荷后水平向圍壓發(fā)生塑性破壞,圍巖松動,持續(xù)開挖卸荷后隧道引發(fā)以水平向為主的擠壓大變形,但由于隧道埋深較淺,變形等級并不高。

3.2 隧道典型斷面變形時程曲線分析

隧道典型斷面的變形時程曲線如圖4所示?？梢钥闯?圍巖變形明顯受施工步影響,其中上、下臺階開挖過程中隧道水平收斂變形速率快速上升。相比之下,拱頂沉降速率明顯小于水平收斂,較大的變形速率直接導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)的破壞,引發(fā)隧道大變形問題?？偨Y(jié)相嫩三號隧道的變形及支護(hù)破壞特征主要有如下幾點:

1)隧道變形表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng),臺階開挖施工時變形速率快速增長。

2)隧道發(fā)生大變形段變形量大,變形速率快。其中水平收斂速率明顯大于拱頂沉降,水平擠壓作用顯著。

3)受炭質(zhì)板巖的巖體結(jié)構(gòu)形式影響,變形發(fā)展是由局部變形而引起結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)破壞由噴混凝土局部開裂到鋼架整體失穩(wěn)。

3.3 隧道松動圈分布測試分析

隧道開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力重分布,圍巖由淺至深發(fā)生逐層漸進(jìn)破壞,巖體應(yīng)變軟化過程中伴隨剪脹和碎脹變形,形成松動圈。通過聲波法能夠測試不同深度圍巖的波速反應(yīng),揭示縫合帶隧道松動圈分布規(guī)律?，F(xiàn)場測孔位于隧道左右側(cè)邊墻位置,測試結(jié)果如圖5所示。

可以看出,測試過程的圍巖波速存在明顯突變,左、右兩側(cè)邊墻所測波速分別在6 m,7 m位置發(fā)生明顯跳躍,表明巖體存在松動圍巖和穩(wěn)定圍巖的分界點,判斷松動圈介于7 m內(nèi)。

對比穩(wěn)定區(qū)內(nèi)圍巖波速發(fā)現(xiàn),右側(cè)波速也相對左側(cè)更低,說明右側(cè)圍巖完整性更差,相同應(yīng)力條件下,右側(cè)圍巖相比左側(cè)圍巖更易發(fā)生屈服。因此表明對于縫合帶隧道的非對稱變形是由于圍巖非均質(zhì)分布的差異導(dǎo)致,表觀現(xiàn)象將表現(xiàn)為右側(cè)變形破壞比左側(cè)更嚴(yán)重,而采取控制措施也應(yīng)針對性局部加強。

4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及控制措施優(yōu)化

4.1 試驗測試方案

針對圍巖的變形發(fā)展規(guī)律,開展典型斷面的長期力學(xué)監(jiān)測,試驗監(jiān)測內(nèi)容主要包括圍巖壓力,鋼拱架應(yīng)力和噴射混凝土應(yīng)力。單個測試斷面共計7測點。

4.2 圍巖壓力

根據(jù)現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果,繪制如圖6所示圍巖壓力時程關(guān)系曲線。

可以看出,圍巖應(yīng)力釋放是隨施工過程逐步完成。當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面一定距離后,圍巖壓力基本達(dá)到穩(wěn)定。而其分布特征表現(xiàn)為非均勻性,且局部存在應(yīng)力集中。其中拱頂圍巖壓力0.65 MPa,左側(cè)最大達(dá)到0.95 MPa,右側(cè)最大達(dá)到0.44 MPa,側(cè)向圍巖壓力約為拱部圍巖壓力的1.5倍。分析表明,受揭示圍巖性狀的影響,高構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下軟弱破碎圍巖處更易形成應(yīng)力集中區(qū),產(chǎn)生高圍巖壓力狀態(tài),呈現(xiàn)局部偏壓的變形表征。

4.3 初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖7所示為監(jiān)測斷面鋼架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布示意圖,其中拱架內(nèi)側(cè)表示內(nèi)翼緣(貼靠圍巖),拱架外側(cè)表示外翼緣(貼靠臨空面)。圖8所示為監(jiān)測斷面噴射混凝土應(yīng)力分布示意圖。

可以看出,鋼拱架結(jié)構(gòu)受力與圍巖壓力分布基本一致,左側(cè)受力大于右側(cè),且拱架內(nèi)外側(cè)受力相當(dāng)。拱架受力以壓應(yīng)力為主,最大達(dá)到162.81 MPa,仍小于鋼架屈服強度,表明鋼架仍具備承載能力。進(jìn)一步說明了縫合帶高構(gòu)造應(yīng)力在軟弱破碎圍巖更易形成釋放空間,隨之支護(hù)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)部位也將承受更高的應(yīng)力作用。

相比于鋼架結(jié)構(gòu)受力而言,噴射混凝土結(jié)構(gòu)受力相對較大且局部達(dá)到極限強度。由于噴射混凝土早期強度較低,隨著圍巖壓力的快速釋放,最先達(dá)到屈服應(yīng)力狀態(tài),表現(xiàn)為噴射混凝土的開裂和脫落,而隨著應(yīng)力釋放,噴射混凝土將無法承受較高應(yīng)力,但鋼架承受應(yīng)力仍隨之增長。由此看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞是一個逐步發(fā)展的漸進(jìn)過程。

4.4 變形控制措施優(yōu)化

綜合相嫩三號隧道的圍巖強度,松動圈范圍,結(jié)構(gòu)受力的試驗結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)有大變形支護(hù)控制技術(shù),遵循主動變形控制理念,對原設(shè)計支護(hù)進(jìn)行局部優(yōu)化,提出以下建議控制措施:

1)根據(jù)隧道松動圈范圍,優(yōu)化錨桿施作長度,隧道錨桿施作長度不小于6 m,用以調(diào)動深部圍巖的承載能力。同時采用徑向圍巖注漿,提高松動圍巖的力學(xué)性能。

2)對于初支出現(xiàn)的嚴(yán)重變形問題,采用高強拱架,同時采用鋼筋或型鋼進(jìn)行拱架間的縱向搭接。同時增加鎖腳錨管,每個臺階拱架接頭處設(shè)置4根鎖腳錨管。用于提高初支結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3)為更好的調(diào)動深部圍巖的承載能力,將設(shè)計的瘦高馬蹄形斷面改為近似圓形斷面。

綜合采取上述措施之后,根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù),隧道圍巖變形得到有效控制,多個斷面的隧道變形量減少,初支結(jié)構(gòu)破壞程度得到顯著緩解。

5 結(jié)論

1)瑯勃拉邦縫合帶屬高構(gòu)造應(yīng)力區(qū),巖體破碎且軟硬不均,水平向大主應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生水平向為主的擠壓大變形。由于巖體的非均勻性分布,變形破壞表現(xiàn)為由局部到整體的漸進(jìn)過程。

2)隧道大變形是表層至深層圍巖逐層的變形累加效果。基于測試巖體軟化形成松動圈范圍,提出增長錨桿支護(hù)長度的控制措施,將錨桿穿越松動圈范圍,發(fā)揮懸吊作用,建議長度不小于6 m。

3)提出支護(hù)鋼架剛度優(yōu)化和斷面形式優(yōu)化的變形控制方式,首先對側(cè)向局部薄弱點變形進(jìn)行針對性控制,降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中效應(yīng),進(jìn)而發(fā)揮整體支護(hù)性能。