破碎易泥化围岩隧道松动圈测试研究

吴 君 李贵民

(1.中国铁路昆明局集团有限公司滇西铁路建设指挥部，云南 丽江 647100;2.中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南 昆明 650200)

1 工程概况

地下空间开挖后，围岩由三维原岩应力状态转变成为二维应力状态，并在压力差作用下发生破坏卸荷，产生一定范围的破裂区，这个破裂区被称之为松动圈。松动圈是围岩在重分布集中应力作用下结构及强度逐渐劣化的表现，同时也是最大主应力逐步向围岩深部迁移的原因，稳定后的松动圈厚度是围岩强度与地应力相互作用综合结果的客观体现，它的大小与支护难度直接相关[1-4]。由于在现场工程中松动圈厚度可现场实测，容易取得且可靠性高，另外又可以全面综合反映地应力、岩体性质(包括强度、结构面、软弱夹层等)、施工和水等的影响[5]，可以为支护工程提供直接的参考，松动圈理论自20世纪80年代提出以来在围岩稳定控制工程中得到了广泛的应用[6,7]。

丽江至香格里拉铁路位于云南省西北部，地处青藏高原东南缘的滇西地区，南起大丽铁路丽江车站，向北跨越金沙江，经小中甸至香格里拉，全长139.686 km。全线新建隧道共20座，总长92 554 m，占线路总长的66.3%。目前开工18座隧道，其中文笔山二号、黄山哨、七达里、中义、长坪、白岩子、圆宝山、万拉木、宗思等9座隧道自2016年春节后先后出现了较大变形，亟需开展隧道围岩大变形段松动圈测试研究，为支护方案优化提供基础依据。

中义隧道大变形段位于玉龙雪山西麓断层内，滇西地区构造多幕，是我国新构造运动表现比较强烈的地区之一[8,9]，围岩整体以压碎岩、片理化玄武岩为主，局部为断层角砾，岩体松散破碎，完整性较差，地下水较发育，掌子面有股状裂隙水，围岩稳定极差，围岩级别为Ⅴ级。本次测点位置为：DK41+990,DK42+000，见图1。

由于围岩为破裂程度高，结构性差的玄武岩及断层角砾岩，节理裂隙发育，岩体完整性较差，松散破碎，钻孔成孔差，在利用钻孔摄像法进行松动圈观测过程中，摄像头被钻孔壁塌落岩块卡住，无法拔出，最终连接摄像头的推杆被拉断，摄像头丢弃。大变形段已经砌筑砌碹，内有钢筋网及U型棚，地质雷达测试效果较差。综合考虑最终使用双孔声波法测试大变形段围岩松动圈。

2 测试方法

声波在岩石中传播，其波速会因岩体中裂隙的发育、密度的降低、声阻抗的增大而降低；相反，如果岩体完整性较好、受作用力(应力)较大、密度也较大，那么声波的传播速度也应较大。因此，对同一性质围岩岩体来说，测得的声波波速高则围岩完整性好，波速低说明围岩存在裂隙区，围岩发生了破坏。为了保证测试精度，本次测量采用跨孔测量法，反映1 m跨度范围内围岩的视波速。通过上述方法测出距围岩表面不同深度的岩体波速值，做出深度和波速曲线，根据围岩波速的衰减范围确定被测试隧道的围岩松动圈厚度。该方法通过波速与围岩声阻抗之间的对应关系，可以获得围岩整体完整性。测试设备选用RSM-SY6声波测试仪。根据不同的现场情况，两孔的净距不大于1 m、钻孔向下倾斜3°～5°；为预防钻孔岩壁坍塌破坏，在钻孔中设置φ50 mm PVC套管；将两声波探头分别插入钻孔中，钻孔充满水，记录测试深度，连接设备并调试测试参数，通过编码器或人工触发测量，记录测试值，依次进行所有测点的量测。

3 测点布置及测试过程

测试断面内测点布置情况如图2所示。左右两侧边墙各一个测孔。

中义隧道松动圈测试时间跨度21 d，在DK41+990和DK42+000 2个测试断面共4个测点进行测试。中义隧道DK41+990测试断面测点两孔的净距位均设置为80 mm、钻孔向下倾斜3°～5°。为预防钻孔岩壁坍塌破坏，在钻孔中设置φ50 mm PVC套管。测试过程中为了实现超声波耦合传播条件，保证测试效果，孔中灌满清水。

4 测试结果与分析

中义隧道DK41+990测试断面1号测点围岩波速分布特征如图3所示，在深度小于4.1 m时，围岩波速在众数2.05 km/s附近波动，大于4.1 m以后波速在众数2.84 km/s附近波动。深度小于4.1 m范围内波速众数相比于深度大于4.1 m波速众数降低了27.8%，围岩的波速在4.1 m处会有明显的变化，综合现场钻压变化，确定测点1测得的松动圈厚度为4.1 m。同样地，DK41+990测试断面2号测点围岩深度小于4.3 m时，围岩的波速在众数2.21 km/s附近波动(见图4)，大于4.3 m以后波速在众数2.86 km/s附近波动。深度小于4.3 m范围内波速众数相比于深度大于4.3 m波速众数降低了22.8%，围岩的波速在4.3 m处会有明显的变化，故判断测点2测得的松动圈厚度为4.3 m。

DK42+000测试断面测得的围岩波速分布特征如图5，图6所示。

DK42+000测试断面2个测点钻孔超声波速分别在4.1 m和4.4 m位置发生了突增，相对于浅部波速分别提高了21.5%和27.6%，表明4.4 m后围岩破裂程度降低，完整性提高，松动圈的边界为4.1 m～4.4 m。通过对测孔3次间隔观测，截至2017年4月20日测试值基本无明显变化。取3次测得的平均值，分别得

到两个测试断面松动圈发育厚度分别为4.27 m和4.33 m，取两个断面松动圈厚度的较大值，判断中义隧道测点处松动圈厚度为4.33 m。

由于隧道原岩强度低，裂隙广泛发育，开挖后在重分布应力作用下发生应变软化，产生松动圈。后续松动圈内岩块以滑移碎胀变形的形式进行能量释放，围岩承载能力进一步降低，导致支护体支撑压力大大升高。此次中义隧道大变形段松动圈观测为锚杆长度、注浆加固范围等支护参数的确定提供了基础数据参考。在下一步的隧道围岩稳定控制中，必须充分保持并利用松动圈内围岩的自承能力，通过布置在岩体内部的锚杆和对岩体内部的注浆对破裂区内岩体进行重点支护和加固，提高松动圈内围岩残余强度，限制有害的滑移剪胀变形，控制其软化程度。通过辅助喷层及时充填围岩表面裂隙从而避免应力集中，封闭围岩降低水和风化对围岩强度的影响。