中老铁路高地应力软岩隧道大变形控制技术研究

谭忠盛，杨 旸，陈 伟，李松涛

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南 昆明 650200)

老挝位于亚欧板块中南半岛内陆区域，是由多组微地块长期碰撞演化汇聚成的复合大陆，区域内不同微地块间由多个缝合带拼接而成，地质构造极其复杂，区域水平构造应力显著[1-2]。中老铁路作为泛亚铁路中线的重要组成部分，南北向横跨老挝境内，沿线隧道施工揭示岩体软硬不均，在构造应力强烈挤压作用，部分隧道段落发生大变形现象，支护结构局部失稳破坏。

目前国内外隧道大变形案例众多，相关研究学者也针对问题提出多种行之有效的控制措施[3-9]。兰新铁路乌鞘岭隧道通过多重支护加大初支刚度，施做长锚杆加固围岩，适度增大预留变形量，超前锚管预支护，开挖导洞应力释放等方法实现对隧道大变形的控制[10-12]；兰渝铁路木寨岭隧道采用圆形断面导洞扩挖应力释放，三层套拱支护和锚杆径向注浆加固，超前预支护注浆预加固等措施控制围岩大变形[13-16]；成兰铁路杨家坪隧道采用两台阶快速开挖封闭成环，优化开挖轮廓面，长短结合的早强锚杆等支护措施，有效改善支护结构受力，控制变形增长[17-18]；成兰铁路柿子园隧道采用加强初期支护、非对称预留变形量、径向注浆等措施有效控制隧道变形[19]。目前大变形隧道控制技术根据支护理念可分为刚性支护和柔性支护两类，刚性支护理念通过提高支护结构刚度控制变形增长，例如高强度钢架支护，高强弧板支护，提早施做衬砌承载，增设长锚杆、锚索支护，注浆加固等措施。柔性支护理念则允许围岩产生一定变形，减少支护结构承受荷载，例如伸缩型拱架，超前导洞应力释放等。此外还可按控制方法分为开挖方法和支护技术两方面，按支护类型也可分为常规支护、分层支护、让压支护三大类[20]。

不同大变形隧道控制措施的选择需基于变形等级和变形特征的不同而因地制宜，合理有效的控制技术才能产生良好社会经济效益。中老铁路沿线隧道基本采用单线设计，途经板块缝合带，受多期次地质构造运动叠加作用影响，缝合带内部发育有不同大小的断裂和褶皱构造，揭示岩性多为薄层炭质板岩。单线铁路隧道瘦高“马蹄形”断面的侧墙曲率较小，不利于承受水平构造应力作用，导致支护结构挤压破坏。因此如何针对中老铁路隧道地质环境的特殊性，提出经济有效的大变形控制技术将成为中老铁路顺利建成的关键问题。

1 工程概况

中老铁路北端起于中老边境磨丁口岸，南部直至老挝首都万象市，全长414.332 km，其中隧道75座，总长度196.705 km，隧线比47.5%，设计施工均依据中国铁路建设标准。沿线80%为山地和高原，地势高低起伏较大，整体表现北高南低，隧道主要集中在北段和中段，南段多为路基桥梁。

中老铁路地处兰坪-思茅地块和南海-印支地块，属古特提斯构造域的两个重要构造单元，两地块间由琅勃拉邦缝合带连接，线路约42 km范围穿越该缝合带，缝合带西侧为景洪-素可泰火山弧次级构造单元，东侧为思茅-彭世洛次级构造单元。此外按次级构造单元划分，线路周边存在多条板块缝合带，见表1。因受多组地块边界断裂影响，沿线分布长大断裂带30余条，不完整褶皱21个，地质环境复杂多变。

表1 沿线缝合带分布情况

全线隧道采用矿山法施工，Ⅳ级和Ⅴ级围岩采用台阶法分部开挖，支护采用复合式衬砌结构，主线采用单线设计，断面形式见图1，Ⅴ级围岩标准段设计支护参数见表2。

图1 隧道初步设计断面尺寸(单位: m)

表2 隧道初步设计支护参数

2 隧道变形及破坏特征

高地应力软岩隧道大变形是复杂地应力环境下软弱围岩因隧道施工扰动引发的支护结构持续挤压变形破坏的工程问题，具有变形速度快、变形量大、变形持续时间长、变形优势方向显著等特点。缝合带内地应力测试结果显示，侧压力系数基本超过1.5，表现出以构造应力为主的地应力特征。缝合带内线路隧道揭示围岩以板岩和炭质板岩为主，部分夹杂软泥质结构，单轴抗压强度普遍低于25 MPa，薄层状结构明显，属典型软质岩，遇水软化成泥质结构，岩体节理裂隙高度发育，围岩性状见图2。以上两点因素已构成中老铁路穿越缝合带隧道诱发大变形的客观条件。然而线路部分隧道里程穿越大埋深，活动断层，高地震烈度区等岩体破碎段，构造应力更为复杂，大变形问题严重。典型案例包括会富莱隧道、相嫩3号隧道、达隆1号隧道、达隆2号隧道、沙嫩山2号隧道，基本情况信息见表3。

表3 穿越缝合带典型软岩隧道的侧压力系数及最大变形量

图2 大变形隧道揭示围岩性状

(1)变形特征

缝合带内隧道因岩石强度特征、岩石物理性质、节理裂隙发育程度等因素差异，变形量级也有所不同，大变形多发于泥质结构或薄层状结构的软弱炭质板岩地层。隧道侧墙位置是变形发展的主要部位，表现出水平向持续往净空挤压变形，拱顶沉降相对较小，断面整体非均匀性变形特征明显。据不完全变形监测数据统计显示，最大水平收敛量达148.63 cm，平均水平收敛量38.56 cm，平均变形速率约1.23 cm/d，仰拱封闭前部分里程变形速率能达10 cm/d以上，仰拱封闭后变形速率趋于稳定，表现出变形量级大，开挖期间变形快速增长，仰拱封闭后变形速率降低，空间效应显著。大变形隧道部分断面的变形时程曲线，见图3。

图3 典型隧道大变形时程曲线

(2)支护破坏特征

隧道施工至软弱炭质板岩地层时采用表2初始支护参数后普遍出现变形侵限，支护结构破坏现象，见图4。支护破坏多发于侧墙部位，其中上、中、下台阶拱架连接板附近尤为严重。随变形发展喷射混凝土先出现不等宽的纵向和横向裂缝，裂缝宽度约0.5 cm，变形进一步增长后，喷射混凝土裂缝逐步加宽，最终发生脱落，支护拱架发生沿纵向和环向扭曲变形，部分严重段拱架发生剪断破坏。随即现场采取径向注浆加固，增设锁脚锚管，但变形破坏仍进一步加剧，控制效果不佳。

图4 隧道施工现场变形破坏情况

3 隧道大变形分级

3.1 大变形分级方法

目前隧道大变形的分级标准已提出了多种评价方法，围岩强度应力比和相对变形量是目前最常采用的两种评价方法[21-23]。围岩强度应力比分级方法是根据不同围岩强度应力比与隧道相对变形关系得出，Hoek等[24]通过计算无支护条件下围岩相对位移对应围岩强度应力比关系，提出了不同挤压变形程度的判定条件。成兰铁路隧道大变形分级标准则结合大量现场实测数据，考虑支护结构抗力，采用数值计算分析围岩相对位移与围岩强度应力比关系而建立。中老铁路隧道大变形等级判定采用现行铁路隧道设计标准[25]的软岩大变形分级标准和成兰铁路隧道大变形分级标准的围岩强度应力比进行判断，判定标准见表4。

2.光风资源。二连浩特位于蒙古高原的腹地，受海拔高度、气候环境、海陆热力性质差异及内陆高气压的影响，蒙古高原一直是光能、风能资源非常丰富的地区，在二连浩特市区南部沿公路和铁路向南延伸的方向，大批风力发电风车整齐的排列着，部分牧区居民使用太阳能发电装置，这对提高二连浩特资源利用效率、降低高污染产能使用和排放具有重大影响。

表4 隧道大变形分级标准

3.2 不同等级大变形分布

岩体为包含结构面和矿物结构体两种基本要素，受地质构造运动形成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。因岩体内部的节理裂隙破坏了岩石自身结构稳定性，导致岩体强度相较岩石强度更低，沿软弱结构面更易发生失稳破坏。Hoke和Brown根据试验结果和格里菲斯理论的分析，提出经验性的Hoek-Brown屈服准则[26-27]。该方法根据岩石单轴抗压强度、扰动参数、地质强度指标GSI相关关系，建立岩体强度换算准则。目前该方法在岩体工程中应用广泛，因此采取该方法进行隧道大变形等级判定中岩体强度计算，表达式为

(1)

式中：σ1为岩体破坏时最大主应力；σ3为岩体破坏时最小主应力；σc为岩石试样单轴抗压强度；mb、S、a为岩体力学经验参数，与地质强度指标GSI和施工扰动参数参数相关。

依据隧道变形情况，对上述五座隧道变形较大里程进行岩体强度换算。结果显示整体岩体强度普遍较低，其中会富莱隧道平均岩体强度0.88 MPa，相嫩3号隧道平均岩体强度1.34 MPa，达隆1号隧道平均岩体强度1.51 MPa，达隆2号隧道平均岩体强度1.45 MPa，沙嫩山2号隧道平均岩体强度1.73 MPa。依据区域地应力特征，计算并统计不同隧道各等级大变形里程分布见表5～表9。

表5 会富莱隧道大变形等级统计表

表6 相嫩3号隧道大变形等级统计表

表7 达隆1号隧道大变形等级统计表

表8 达隆2号隧道大变形等级统计表

表9 沙嫩山2号隧道大变形等级统计表

据不完全统计数据可以看出，隧道大变形共计1 728 m，其中轻微大变形39.2%，中等大变形58.2%，严重大变形2.6%，沿线隧道大变形等级基本属于轻微—中等大变形，仅会富莱隧道的45 m范围达到严重大变形。各隧道不同等级大变形长度统计见图5。

图5 隧道各等级大变形长度统计

4 隧道大变形控制技术

4.1 控制理念和原则

中老铁路沿线周边赋存四条板块缝合带，并与琅勃拉邦缝合带斜向交织，长期地质构造叠加运动形成水平构造应力为主的地应力特征，单线铁路隧道穿越炭质板岩段表现出侧向挤压为主，空间效应影响显著的大变形特征，大变形等级基本属轻微至中等。针对隧道大变形特征和等级，应综合考虑经济成本与控制效果同时，以主动控制为核心支护理念，遵循“优化断面，局部补强，快挖快支，尽早封闭”的支护原则，基于隧道断面、支护钢架、系统锚杆、开挖方法优化提出缝合带隧道大变形控制技术。

4.2 优化隧道断面

缝合带内隧道水平构造应力显著，区域地应力测试结果表明侧压力系数均超过1.5，隧道侧墙位置受强构造应力挤压作用影响，水平收敛变形极大。根据铁路单线隧道建筑限界标准，设计采用瘦高的“马蹄形”断面，断面由4心圆拼接而成，然而“马蹄形”断面侧向圆弧曲率小，当承受较大水平构造应力时极易产生弯曲变形破坏。圆形断面具备更好的应力传递效果，支护结构整体性更强，但采用圆形断面造成支护强度盈余，成本浪费。因此针对隧道受构造应力影响显著，通过适当增加侧墙位置圆弧曲率，改善结构受力形式，给予更大空间预留变形量。隧道断面优化前后轮廓情况见图6，两种断面轮廓基本参数见表10。

图6 隧道大变形段断面优化示意

表10 开挖断面参数

4.3 增强隧道支护刚度

隧道原设计根据不同围岩等级，支护拱架由弱至强分别采用I14、I16、I18型钢，然而对于大变形段采用此类常规支护型钢常因刚度不足而发生结构屈曲破坏。目前大变形隧道基本采用高强度支护拱架结构，达到支护主动控制变形的效果，对于轻微、中等大变形隧道采用单层支护结构已能够满足变形控制要求，对于严重变形段则需采取多层支护结构。

表11 隧道大变形段支护拱架参数

4.4 增加锚杆长度

地下洞室开挖后岩体由三向平衡应力转变为两向不稳定应力状态，因岩体强度和地应力特征不同，洞室周边体形成不同范围的松动区、塑性区、弹性区，大变形隧道中松动圈和塑性区围岩是产生挤压变形的主要范围。圆形断面均质地层，各向应力相等时形成松动圈为圆形，非均质地层松动圈范围将会因岩体强度差异产生变化[28]。因此针对铁路大变形隧道较大松动范围采用加长系统锚杆注浆加固，将使松动圈范围内软弱围岩形成组合拱结构，与初期支护拱架共同抵抗围压挤压变形。采用全长黏结型锚杆则能够通过水泥砂浆等类似黏结材料加固松动圈范围破碎围岩，实现对松动区围岩加固作用，控制变形增长梯度。

根据隧道大变形段松动圈测试结果显示，侧墙位置松动范围基本在5.5～7 m之间，为保证系统锚杆对松动区围岩锚固效果，应使锚杆超出松动范围。综上考虑隧道全环采用4.0 m锚杆，侧墙部位采用8.0 m长全长黏结型锚杆。锚杆基本参数，见表12。

表12 隧道大变形段锚杆支护参数

4.5 及时封闭仰拱

如图7所示，隧道某断面变形时程曲线，变形发展表现出典型空间效应，施工扰动明显，仰拱封闭后变形速率降低。因此应通过缩短台阶步距，加快工序循环，减少施工阶段因隧道开挖产生的变形增长，实现“快挖快支，尽早封闭”。

图7 D2K130+355断面变形时程曲线

过度缩短台阶步距将直接影响施工组织，因此应依据施工的配套机械设备，考虑施工组织可行性，提出合理台阶步距。隧道大变形段采用弱爆破开挖，配套小型凿岩机、挖掘机、装载机、自卸车进行掌子面开挖和渣土运输处理，支护拱架和喷射混凝土分别为人工安装和混凝土湿喷机施工，设备配置见表13。

表13 隧道机械配套说明

基于机械设备尺寸及最小作业空间需要，台阶作业平台设置约5～7 m，台阶高度控制在3～4 m范围，仰拱封闭距离缩短至16～23 m范围。优化后台阶开挖尺寸见表14。

表14 大变形隧道开挖短台阶尺寸 m

4.6 变形控制效果分析

受缝合带区域构造应力和施工空间效应影响，中老铁路单线隧道侧墙范围容易发生挤压变形，由于变形量大，变形速率高，常规支护结构设计抵抗变形能力不足，因此根据不同变形诱导因素提出以上针对性变形控制措施，每项控制措施及针对问题见表15。

表15 隧道大变形控制技术针对问题

采取变形控制措施前后的某两个断面变形时程曲线见图8，由图8可知，采用上述控制技术后变形量级明显下降，平均变形速率由15.6 mm/d降至8.9 mm/d；各施工步序时间明显缩短，仰拱封闭时间由原来20 d以上降至12 d左右，累积最大水平收敛由472.5 mm降至205.1 mm。该控制技术能够达到对缝合带内大变形施工过程中的变形控制，对比各施工阶段变形速率可以看出，掌子面开挖至仰拱施工前两种方法产生的变形速率得到明显降低，水平收敛1变形速率由9.87 mm/d降至2.99 mm/d，水平收敛2变形速率由28.71 mm/d降至21.86 mm/d，改善了由空间效应引发的变形快速增长。综合评价，通过改善支护结构形式，提高支护结构强度，优化施工工法能够基本控制隧道空间效应引发的大变形问题。

图8 不同支护措施隧道大变形时程曲线对比

5 结论

基于主动控制理念，针对中老铁路隧道变形特征提出大变形控制技术，变形控制效果显著，得出以下结论：

(1)中老铁路受中南半岛多组微地块间缝合带影响，沿线地应力以水平构造应力为主，当单线隧道穿越炭质板岩为主的软弱破碎围岩段时，易发生轻微、中等大变形问题，少部分里程段达到严重大变形等级。

(2)基于中老铁路隧道水平收敛为主的大变形特征，针对侧墙支护结构的屈曲变形破坏，依据“优化断面，局部补强”支护原则，通过优化开挖断面侧墙曲率，增强支护拱架刚度，局部增设长锚杆，能够有效控制围岩侧向挤压变形量。

(3)中老铁路隧道大变形施工空间效应影响显著，依据“快挖快支，尽早封闭”为施工原则，采用短台阶施工方法，保证施工可行性同时，将台阶长度控制在5～7 m范围，仰拱封闭距离控制在16～23 m，仰拱封闭时间缩短约40%，有效控制因台阶开挖产生的变形增长。