丽香铁路中义隧道初期支护大变形的力学机制

闫红江，刘成禹，邓志刚，罗洪林

(1.中铁隧道集团四处有限公司，广西 南宁 533307；2.福州大学，福建 福州 350108)

随着我国铁路、公路建设的深入推进，在地质构造发育、地应力高、围岩软弱的地区建设长大隧道已不可避免[1-3]。在高地应力软弱围岩地区修建隧道，往往会出现围岩大变形问题。围岩大变形控制已成为高地应力、软弱围岩地区隧道建设面临的最大技术难题。为此，各国学者和工程技术人员对高地应力软岩大变形控制问题进行了大量研究，并在支护设计和施工控制方面取得了丰硕的成果[4-6]。然而，目前对高地应力软弱围岩隧道大变形控制的研究，主要集中在围岩的大变形机制和施工措施等方面[7-12]，针对隧道初期支护大变形力学机制的研究鲜见报道。

隧道工程中，初期支护与围岩密贴，围岩大变形必然反映在初期支护上，初期支护的变形是围岩变形的具体反映。此外，初期支护还是控制围岩大变形的关键结构，初期支护的变形及稳定情况直接反映了大变形的控制效果。因此，对大变形隧道初期支护的变形、破坏特点、发展过程及其力学机制进行研究，对大变形隧道的设计、施工具有重要意义。

本文以地质构造发育、地应力高、围岩软弱破碎的丽江至香格里拉铁路中义隧道为工程背景，在初期支护变形、破坏过程深入观察的基础上，结合现场监测资料，对大变形隧道初期支护的变形、破坏特点，发展过程及其力学机制进行研究，以期对高地应力软岩大变形隧道的设计、施工有一定的指导意义。

1 工程概况

1.1 工程概述

丽江—香格里拉铁路中义隧道位于云南省丽江市玉龙纳西族自治县境内，为单线铁路隧道，全长14 755 m，最大埋深1 240 m，属Ⅰ级高风险隧道，是丽江—香格里拉铁路的重要控制工程。隧道2014年12月20日开工建设，从2016年年初开始，隧道进出口和横洞工区相续出现隧道大变形，最大日均变形量达34 mm，最大累计变形量达1 000 mm以上，给隧道施工进度和安全造成了极大影响。

1.2 地质条件

丽江—香格里拉铁路中义隧道地处欧亚板块和印度洋板块相互碰撞、汇聚形成的青藏高原东南缘之川滇断块的西部边界断裂带内，地质构造复杂，新构造运动强烈。受大规模地质构造的强烈挤压，隧址区构造应力大。地应力测试结果表明：隧址区地应力主要为构造应力，地应力最大主应力为水平方向，且与隧道轴线接近垂直；最大水平主应力与竖向地应力之比的平均值为1.2，最大为1.9；实测地应力最大值为25.09 MPa。

隧道大变形区段地层以凝灰岩、片理化玄武岩为主。片理化玄武岩呈层状、片状互层，基本为层状碎裂结构，层厚1 cm～10 cm；凝灰岩呈团块状，裂隙发育、软硬不均，层间挤压变质作用强烈，绿泥石、绢云母等手摸有滑腻感的软弱夹层发育，如图1所示。

图1 围岩及层间绿泥石

1.3 隧道支护结构及参数

中义隧道为单线铁路隧道，断面近似椭圆形，高跨比约1.2，边墙曲率小于拱顶，不利于对边墙围岩的水平收敛控制。

中义隧道大变形严重的区段大多采用ⅡA型衬砌断面(如图2所示)，断面形状近似椭圆，长轴长1 055 cm，短轴长891 cm；初期支护采用厚27 cm的C25喷射混凝土，系统锚杆长6.5 m，纵、横向间距均为1 m，全环设置I20b工字钢拱架，间距0.5 m～0.8 m，预留变形量40 cm。

2 初期支护变形、破坏特点

2.1 初期支护变形特点

隧道现场监控量测中，在设置初期支护的区段，测点是直接布置在初期支护上的。因此，监控量测结果可反映初期支护的变形。

图2 ⅡA型衬砌断面图(单位：cm)

现场监控量测统计结果表明：大变形区段，初期支护均具有水平收敛变形大于拱顶下沉，边墙收敛变形大于拱腰的特点。其中，边墙累计水平收敛变形是拱顶累计下沉的3倍～6倍，是拱腰累计水平收敛变形的2倍～3倍。

图3、图4为两个大变形程度不同的典型断面，其中DK39+710断面变形相对较小， DK42+730断面变形较大，这两个断面换拱前初期支护的变形历时曲线如图3、图4所示。

图3 DK42+710断面初期支护变形历时曲线

图4 DK42+730断面初期支护变形历时曲线

由图3、图4可看出：初期支护变形均呈现出边墙水平收敛变形大于拱腰，拱腰水平收敛变形大于拱顶下沉的特点。

2.2 初期支护破坏特点

中义隧道大变形区段初期支护的变形、破坏特征具有相似性。主要表现在：

(1) 在空间上，初期支护的变形破坏主要发生在拱顶、边墙。破坏形式主要有拱顶喷射混凝土剥落、掉块，边墙拱架压曲外鼓、喷射混凝土纵向开裂等。

(2) 在时间上，初期支护变形、破坏的历程一般表现为：初期支护先发生整体收敛变形，随着收敛变形的逐渐增大，初期支护边墙段由向围岩的外凸状态逐渐变成直立状态，随后向临空面外鼓；在边墙外鼓过程中，喷射混凝土逐渐出现外宽内窄的纵向裂纹。

图5为DK42+790断面初期支护的变形、破坏历程。图5(a)为该断面2018年9月26日的图片，当天测得的边墙累计收敛变形为450.9 mm，由图中可看出，初期支护边墙段已由拱架架设之初的向围岩外凸变为直立；图5(b)为该断面2018年9月28日的图片，当天测得的边墙累计收敛变形为531.8 mm，由图中可看出，边墙段已外鼓，喷射混凝土出现纵向裂纹；图5(c)为该断面2018年9月29日的图片，当天测得的边墙累计收敛变形为577.0 mm，由图中可看出，拱顶出现严重的喷射混凝土剥落、掉块现象；图5(d)为该断面2018年10月7日的图片，当天测得的边墙累计收敛变形为772.2 mm，边墙拱架已出现明显的压屈、外鼓现象。

图5 DK42+790断面初期支护变形、破坏历程

3 初期支护变形、破坏的力学机制

3.1 初期支护与围岩间挤压应力监测

为深入研究中义隧道大变形区段隧道初期支护的变形破坏规律，本文除收集初期支护变形监测的资料外，还采用新型方法对初期支护所受围岩应力的相对大小进行了监测(该方法已申请国家发明专利)。该方法基于岩石和混凝土在受载、变形过程中会向外释放电磁辐射，电磁辐射强度与岩体和混凝土受载程度呈正相关关系的特性[13-14](即：荷载越大，电磁辐射强度越强，反之亦然)，采用便携式电磁辐射监测系统，监测围岩和初期支护间因相互挤压而产生的电磁辐射强度，以此来间接反映初期支护所受围岩压力的相对大小。与传统方法相比，该方法虽然不能测得围岩压力的绝对大小，但可根据测试结果分析围岩压力的相对大小，测试成本低，可大范围采用。

为便于与初期支护变形监测结果的对应分析，电磁辐射监测断面及测点布置与初期支护变形监测的对应，分别设置拱顶、拱腰和边墙测点。

3.2 初期支护受力特点

为探究初期支护的受力特点，并验证电磁辐射监测初期支护所受围岩压力相对大小方法的可行性。选取两个初期支护未破坏的区段进行现场测试，结果如图6、图7所示。

图6 DK39+870—DK39+800段

图7 DK42+620—DK42+720段

由图6、图7可看出：

(1) 初期支护各监测断面的电磁辐射强度在空间上总体呈现出边墙最大、拱顶次之、拱腰最小的特点。这与DK41+900断面采用土压力盒测得的围岩压力分布规律(见图8)是一致的[15]。这也说明，采用便携式电磁辐射监测系统进行初期支护所受围岩压力相对大小的监测是可行的。

(2) 初期支护未破坏区段的各监测断面，围岩压力均具有边墙最大、拱顶次之、拱腰较小的分布特点，这与初期支护的变形特点是一致的。

图8 DK41+990断面围岩压力监测结果(单位：kPa)

3.3 初期支护变形、破坏过程

结合前文的分析结果可知，中义隧道大变形区段，初期支护的边墙段既是受力最大的部位，又是收敛变形最大的部位，它是初期支护变形控制的关键部位。因此，对初期支护大变形力学机制的研究应该以边墙为重点。

为深入探究中义隧道初期支护大变形的力学机制，阐明初期支护的变形、破坏过程。本文选取了两个地质条件相似，支护结构类型、施工工艺相同的区段(保证初期支护受力和变形在纵向具备连续性，电磁辐射监测结果在纵向也具备可比性)，结合电磁辐射监测和隧道变形监测结果，对初期支护的变形、破坏过程进行深入分析。监测结果见图9、图10。

图9 DK49+675—DK49+630段

由图9可看出：

(1) 边墙收敛变形最大的DK49+655断面与临近断面相比，边墙所受围岩压力不是最大，但拱顶所受围岩压力最大。与边墙收敛变形最大断面(DK49+655)临近的DK49+650断面，边墙所受围岩压力最大，但拱顶围岩压力不是最大。

(2) 边墙收敛变形小于400 mm前，边墙所受围岩压力随收敛变形的增大而增加；大于400 mm后，随着边墙收敛变形的增大，边墙所受围岩压力不升反降。

由图10可看出：

(1) 边墙收敛变形小于460 mm前，边墙所受围岩压力随变形增大而增加；大于460 mm后，边墙所受围岩压力随变形的增大不升反降；边墙收敛变形等于460 mm时围岩压力最大。

(2) 除仰拱开挖(使底板应力释放)段外，边墙水平收敛变形大于460 mm的区段，拱顶围岩压力均很高。

图10 DK42+620—DK42+695段

综合初期支护变形及受力特点，以及初期支护的变形、破坏过程可看出：当边墙收敛变形较小时，边墙所受围岩压力随变形增大而增加，边墙收敛变形增大到一定值以后，所受围岩压力随变形的增大不升反降，但拱顶围岩压力很高。

大变形区段初期支护出现上述受力、变形特点，究其原因，主要是因为：

(1) 边墙收敛变形较小时，初期支护边墙段受力以围岩的水平挤压为主，变形以向临空面的弯曲变形为主；随着收敛变形增大，初期支护边墙的曲率减小，初期支护挤压拱顶围岩(见图11)，从而使边墙处拱架所受轴力随收敛变形的增加而增大。

(2) 当边墙收敛变形超过一定数值后，在水平围岩压力和竖向压力的压弯共同作用下出现压屈外鼓，从而表现出收敛变形急剧增加的特点。在此过程中，由于边墙的收敛变形速率超过围岩的变形速率，所以表现出边墙所受围岩应力随变形的增加不升反降的现象。

图11 初期支护收敛变形机制简图

基于上述初期支护变形、破坏过程的测试、分析，可将中义隧道大变形最严重的边墙段初期支护变形、破坏发展过程分为下列两个阶段：

第1阶段：边墙收敛变形小于400 mm～460 mm以前，边墙受力以围岩的水平挤压应力为主，变形以水平向围岩压力作用下的弯曲变形为主。

第2阶段：边墙收敛变形大于400 mm～460 mm以后，边墙受力以竖向压力为主，变形以压弯共同作用下的压弯屈服破坏为主。

3.4 初期支护变形破坏的简化力学模型

通过上述隧道初期支护变形、破坏过程的力学分析，可将边墙初期支护变形、破坏的过程按其发展的力学机制分为2个阶段，简化的力学模型如图12所示。

图12 边墙段初期支护变形-破坏力学模型

第一阶段——水平挤压弯曲变形阶段，如图12中的第一阶段。该阶段边墙所受轴力较小，且轴力在边墙上产生的弯矩与围岩压力产生的弯矩相反，轴力对初期支护的变形控制有利。因此，边墙初期支护的受力模型可偏于保守地简化为：边墙拱架在围岩压力的水平挤压下，向临空面发生弯曲变形。该阶段下，边墙跨中部位由于围岩水平挤压而产生的最大单侧收敛变形可简化计算如下：

(1)

式中：Δ为边墙跨中部位的单侧收敛变形；q为水平向围岩应力；L为拱架的竖向跨度；EI为初期支护抗弯刚度。

第二阶段——弯曲压杆压弯失稳阶段，如图12中第二阶段。该阶段边墙所受轴力和水平向围岩应力均很大，且因边墙向外弯曲，轴力除在边墙上产生轴向压力外，还产生不利弯矩，转化为不利荷载。因此，该阶段边墙初期支护的受力模型可简化为：发生向外弯曲的初期支护在较大的竖向力作用下压弯组合失稳。该阶段边墙初期支护临界失稳轴力可简化计算如下：

(2)

式中：Tcr为初期支护压弯失稳轴力临界值；a为考虑水平向围岩应力(q)不利作用的折减系数(a< 1，q越大a越小)；L为拱架的竖向跨度；EI为拱架抗弯刚度。

4 初期支护大变形控制措施

现场调查及监控量测结果均表明：中义隧道大变形严重区段，初期支护的边墙段既是受力最大的部位，又是收敛变形最大的部位，同时也是变形、破坏最严重的部位，它是初期支护变形控制的关键部位。因此，应将初期支护的边墙段作为大变形控制的重点。从上述初期支护边墙段变形、破坏发展的简化力学模型可看出：

(1) 在初期支护边墙变形的第一阶段(水平挤压弯曲阶段)，影响初期支护弯曲变形的主要因素包括：初期支护刚度、拱架竖向跨度、水平向围岩挤压应力。

(2) 在初期支护变形、破坏的第二阶段(弯曲压杆压弯失稳阶段)，影响初期支护压弯失稳的主要因素包括：竖向力大小(拱顶竖向围岩压力)、拱架竖向跨度、初期支护刚度以及最大弯曲变形Δ。

根据上述分析结果，针对初期支护变形、破坏的主要影响因素，提出以下控制大变形的措施：

(1) 采取有效措施释放初期支护受力、变形最大部位-边墙段的围岩压力(式(1)中q)。

(2) 边墙段适当增加系统锚杆，提高围岩自稳能力，减小围岩变形及其对初期支护的水平向围岩压力(式(1)中q)。

(3) 边墙段增加锁脚锚杆(管)，减小边墙段拱架的竖向跨度(式(1)、式(2)中的L)；适当提高初期支护的抗弯刚度(式(1)、式(2)中的EI)，从而提高边墙抵抗水平收敛变形和竖向压屈失稳的能力。

(4) 优化施工工艺，合理预留变形量，减少围岩扰动次数和扰动程度；合理预留变形量可减小围岩与初期支护的挤压作用，延缓初期支护进入压弯失稳(第二阶段)的时间；采用上下台阶、下台阶带仰拱一次开挖等开挖方式，可减少围岩扰动次数，减少拱架的受力薄弱环节(拱架联结部位)。

(5) 优化施工组织，加强现场施工人员组织管理；对上、下台阶，仰拱等工序，在时间、空间上进行优化组合，实现稳步有序作业和平行交叉作业，确保初期支护尽早成环，减小初期支护成环前的拱架弯曲变形，防止初期支护进入压弯失稳阶段。

5 结 论

(1) 丽江—香格里拉铁路中义隧道隧址区地应力最大主应力为水平方向，且与隧道轴线垂直。此类地质条件下，隧道初期支护表现出水平收敛大于拱顶下沉的特点，初期支护的破坏形式以拱顶喷射混凝土剥落、掉块，边墙拱架压曲外鼓、喷射混凝土纵向开裂等为主。此种工程条件下，初期支护的边墙段既是受力最大的部位，又是收敛变形最大的部位，应将其作为初期支护变形控制的重点部位。

(2) 中义隧道发生大变形的区段，初期支护边墙段的变形、破坏发展可分为两个阶段：

① 第1阶段：边墙收敛变形小于400 mm～460 mm以前，边墙受力以围岩的水平挤压为主，变形以水平向围岩压力作用下的弯曲变形为主。

② 第2阶段：边墙收敛变形大于400 mm～460 mm以后，边墙受力以竖向压力为主，变形以压弯共同作用下的屈服为主。

(3) 为提高初期支护的稳定性，可采取下列措施：释放边墙段围岩压力，边墙段增加锁脚锚杆(管)并适当增加系统锚杆；适当提高初期支护的抗弯刚度；合理预留变形量。