基于缝合地带软岩隧道大变形机理研究

郭相武 李 彪 肖仲红

(中铁八局集团有限公司， 成都 610036)

1 软岩大变形破坏特征

1.1 软岩的概念

软岩是一种特定环境下具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。关于软岩的定义国内外有很多种，主要有：(1)描述性定义，指松散、软弱、强度低的岩层；(2)指标化定义，1990-1993年国际岩石力学学会将软岩明确定义为单轴抗压强度Rc界于0.5～25 MPa之间的一类岩石[1]；(3)工程性定义，围岩松动圈厚度大于1.5 m的岩层；(4)综合性定义，软岩分为地质软岩和工程软岩，即强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩以及在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。根据软岩特性的差异及产生显著塑性变形的机理，按强度特性、泥质含量、结构面特点、塑性变形力学特点分为四大类，即膨胀性软岩、高地应力软岩、节理化软岩和复合型软岩[2]。

1.2 软岩大变形破坏的主要特征

软岩问题在工程领域是个老大难问题，困扰着工程建设和运营安全，国内外专家、学者及广大工程技术人员一直致力于软岩破坏特性的研究[3]。在实际工程中，软岩隧道大变形破坏不仅受围岩本身的物理力学性质影响，还在很大程度上受围岩地应力和工程因素的影响，尤其是随着隧道埋深的加大，围岩自身稳定性降低，变形破坏趋于强烈，临空面岩层出现剥落、滑移、坍塌，甚至导致初支即二衬等支护结构开裂。通常软岩隧道破坏主要有以下特点：

(1)变形破坏方式多。在隧道工程中，常见的破坏形式有拱顶下沉，边墙挤压扭曲变形，底部隆起，围岩出现片帮、剥落，局部坍塌等。

(2)变形量大。就隧道工程而言，开挖后围岩极易发生塑性变形或挤入性变形，短时间内即会出现拱顶下沉10 cm及以上，两边墙挤压变形量达80 cm或更大，底部强烈隆起等现象。

(3)变形速度快。围岩初期收敛速度快，即使在采取了喷锚支护等措施的情况下，变形收敛的速度仍很快。

(4)持续时间长。由于软岩具有低强度和强烈的流变性，开挖后围岩应力重分布持续时间长，变形的持续时间也相对较长。

(5)不同位置变形程度不同。软岩地应力强度因方向而异，不同位置的变形破坏存在较大差异，导致支护结构的受力不均。

(6)破坏范围大。因围岩强度远小于围岩地应力，开挖后支护不及时或支护强度不能足以抵抗围岩压力时，破坏范围将远远超过洞室半径，甚至更大。

2 工程概况

中老铁路位于老挝境内，是泛亚铁路的重要组成部分，线路全长414 km，为时速160 km客货混运的电气化铁路，全部采用中国技术标准建设和运营。

全线隧道分布密集，地质结构复杂，会福莱隧道为全线控制性工程之一，全长 6 969 m,地处琅勃拉邦地质缝合带，高山地貌，地形起伏较大，相对高差约 800 m，洞身最大埋深635 m。自然横坡150～450 m，斜坡地带植被较好，基岩零星裸露。

2.1 工程及水文地质特征

会福莱隧道地处兰坪-思茅地块和南海印支地块结合部，属特提斯-喜马拉雅构造域，总体上由大小不一的地块和微地块缝合、拼接而成。地表上覆第四系全新统冲洪积层粉质黏土，粗圆砾土、坡残积层粉质黏土；上更新统冲积层粉质粘土。下伏石炭系板岩、砂岩夹炭质板岩、凝灰岩、玄武岩。隧道穿过普巴道山断层(F12)、会富莱1号断层、会富莱2号断层、班会海断裂(F13)4个断层。岩层破碎、软弱，岩性复杂多变。

地表水受降雨控制明显，雨季流量大，枯水季节水量小。地下水主要为松散岩类孔隙潜水，碎屑岩类孔隙裂隙水、岩溶水、断层构造裂隙水等类型。

2.2 隧道施工组织安排

隧道分别从进口、出口、横洞、斜井4个掘进口，采用三台阶钻爆法施工，支护措施分别采用Ⅳa、Ⅴa(或Ⅴc)两种复合式衬砌支护。施工组织平面布置如图1所示。

图1 会富莱隧道施工组织平面布置图(m)

2.3 隧道收敛变形

进口端施工至D2K 130+230～D2K 130+360段时，掌子面、拱顶、边墙分别出现不同程度的挤压变形，岩层产状扭曲严重，局部挤压破坏强烈，支护结构出现开裂、剥落，钢架扭曲变形，典型断面沉降变形时程曲线如图2所示。

图2 变形区段典型断面沉降变形时程曲线图

从图2可以看出，拱顶(GD)最大沉降达 41.88 cm，上台阶(SL1)最大累计变形达68.0 cm，下台阶(SL2)最大累计变形达144.6 cm。通过对现场80d的沉降观测发现，拱顶变形及水平收敛受施工开挖影响较大，且水平收敛变形明显大于拱顶沉降。在掌子面开挖后至中台阶施工前的时间段内，拱顶沉降与上台阶的收敛速度接近；而在中台阶和下台阶施工期间，上台阶和下台阶的收敛速度明显加快，远大于拱顶沉降速度。如断面D2K 130+335，上台阶的收敛速度为37.5 mm/d，下台阶的收敛速度为113.2 mm/d，拱顶沉降约为23.7 mm/d。

3 基于大变形的机理研究

隧道施工过程中出现大变形，且变形持续加大，施工不能正常进行。为确保安全，停止了掌子面施工，对变形较大位置实施临时加固处理。开挖揭示围岩为板岩夹炭质板岩、炭质泥岩，深灰、灰黑色，弱风化，薄 层～中层状。岩层产状扭曲变形，挤压破碎强烈，节理裂隙发育，岩体呈板状、碎石状结构。炭质板岩质软，手掰可断，层面光滑，遇水易软化。围岩整体性及自稳性差，开挖时拱部易掉块或局部小溜坍，存在较大的安全风险。

为探明隧道大变形机理，将D2K 130+300～D2K 130+360作为试验段，着重对围岩的物理力学特性、地应力以及围岩松动圈等进行试验研究，为后续设计变更、支护参数调整以及施工工艺、方法的改进提供依据。

3.1 原状围岩物理力学特性

从掌子面揭示的围岩以炭质板岩为主，局部因地质构造和赋存环境的差异表现出不同的物理性状，层理结构紊乱，层间夹杂不同类型的矿物质，物理力学性质存在较大差异。结合工程的实际情况，在变形区段典型断面的不同位置现场取样，分别取得岩石含水率试件3组、岩石密度3组、岩石点荷载强度4组和单轴抗压强度1组。

3.1.1 岩石物理特性

岩石含水率采用烘干法，试件最小尺寸应大于组成岩石最大矿物颗粒直径的10倍，每个岩石试样质量控制在40～200 g，在烘箱105 ℃～110 ℃的温度下烘烤24 h，冷却至室温后称重。岩石含水率计算公式为：

(1)

式中：ω——岩石含水率(%)；

mo——烘干前的试件质量(g)；

ms——烘干后的试件质量(g)。

岩石密度测试试件的质量控制在40～200 g，在105 ℃～110 ℃的温度下烘烤24 h，强制饱水试件在水中自由吸水48 h后称重，岩石密度计算公式为：

(2)

式中：ρd——岩石块体干密度(g/cm3)；

ms——烘干后的试件质量(g);

mp——试件经强制饱和后的质量(g)；

mw——强制饱和时间在水中的质量(g)。

岩石密度、含水率试验结果如表1所示。

表1 原状岩石物理特性测试结果统计表

3.1.2 岩石点荷载强度

岩石的点荷载强度试件选择开挖的石块，大小 50 mm左右。两点加载间距与加载平均宽度之比在 0.3～0.1之间，不规则岩体的点荷载强度通过公式换算成等价岩芯直径50 mm的岩石点荷载强度。

(3)

(4)

式中：Is(50)——直径50 mm的等价岩芯点荷载强度(MPa)；

P——破坏荷载(N)；

De——等价岩芯直径(mm)；

W——通过两加载点最小截面的宽度或平均宽度(mm)；

D——加载点间距(mm)；

m——修正指数，一般取0.40～0.45。

变形区段的石块主要有两种，一种为纯黑色炭质板岩，另一种为夹杂白色填充物(类似于云母和石英)的岩石。岩石分别按以下几种试件进行点强度试验：(1)现场随机选取岩石试件2组(D1组)；(2)黑色炭质岩试件(D2组)；(3)夹杂白色填充物的岩石(D3组)。

(1)现场随机取样试件(D1组)的岩石点荷载强度

在现场开挖的石块中随机选取黑色炭质板岩和夹杂白色填充物的板岩各10块，分为2组进行岩石点荷载强度试验。试验结果显示，随机试件的岩石点荷载强度在0.05～0.2 MPa之间，极少量夹杂白色填充物的岩样强度可达1.5 MPa。

(2)黑色炭质板岩(D2组)与夹杂白色填充物(D3组)试件的岩石点荷载强度

分别选取D2组、D3组各20个试件进行点荷载强度试验，试验结果显示，夹杂白色填充物(D3组)的岩石强度明显高于黑色炭质板岩(D2组)的强度，其最高可达1.49 MPa，最低0.38 MPa，平均强度 0.86 MPa。而D2组试件的最高强度为0.2 MPa，最低0.05 MPa，平均强度0.1 MPa。

3.1.3点荷载强度与岩石饱和单轴抗压强度的换算关系

目前，国内外关于点荷载与岩石饱和单轴抗压强度间的换算关系有很多种，本文通过Broch和Franklin、铁道部第二勘察设计院以及M.Kohno给出的3种岩石点荷载强度与饱和单轴抗压强度的转换公式，对各组试验结果的平均强度进行换算[4]。换算结果如表2所示。

表2 点荷载强度与饱和单轴抗压强度的换算结果表

从表2可以看出，3种算法得出的D2组岩样的强度较低，最低值为1.6 MPa。D3组岩样的强度较高，个别试件强度可达20 MPa。

3.1.4 岩石单轴抗压强度试验

变形区段掌子面岩石层理结构紊乱，层间和岩石内部裂隙极其发育。在掌子面上取样，制成50 mm×50 mm×50 mm的立方体试件2组，进行岩石单轴抗压强度试验，试验结果如表3所示。

表3 试验岩样单轴抗压强度结果表

由表3可知，掌子面炭质板岩的单轴抗压强度极低，最大值2.52 MPa,平均值2.25 MPa。按照GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》的评定标准[5]，属于极软岩。

3.2 隧道区域地应力测试

3.2.1 测试原理与方法

为探明隧道区域的地应力构造特征，采用水压致裂地应力测试方法对周边地层的地应力进行试验测试研究，根据隧道附近的地应力测孔结果进行反演分析。地壳中任一点的应力状态可分解为三个主应力分量σH、σh、σv来表示。在一定边界条件下，水压致裂的地应力测量力学模型可简化为一个平面应力，如图3所示。通过读取试验过程的破裂压力、重张压力、闭合压力和孔隙压力，并结合弹性力学平面应力问题中圆孔外任意一点应力的计算公式，便可得出测点深度的地层初始应力。通过印模定向试验方法进行裂缝方位测定，确定最大水平主应力的方向。

图3 水压致裂应力测量力学模型图

现场共有7个不同测试深度的地应力测点，其中包含3个应力方向测点，测试范围为320～540 m。测试结果显示，最大水平主应力σH的范围为9.18～20.41 MPa，最小水平主应力σh的范围为6.69～13.01 MPa，竖向应力σv的范围为8.44～13.81 MPa。

根据试验结果计算水平应力和竖向应力比值，可得地层侧压力系数约为1.08～1.48，且随钻孔深度的增大而增大。这表明区域块地相互之间挤压运动明显，水平构造应力明显大于垂直自重应力。根据应力与深度的实测关系，可得324～533 m水平应力的线性回归方程，综合得出应力随深度的变化趋势，如图4所示。

图4 地应力随深度变化曲线图

3.2.2 数字模型的建立与分析

基于隧道区域地应力，利用设计地勘时测设的地应力数字，建立不同边界条件工况下对应测点应力值与实测值的多元线性回归关系，利用岩土工程分析软件，进行隧道区域地应力反演分析，分析岩土体破坏、大变形和峰后特性。数值模型分析拟定区域的选择须覆盖分析隧道的影响区域并包含实测点，且适当增大以降低边界效应的影响。

通过计算得出隧道轴线的水平侧压力系数变化曲线如图5所示。从图中可以看出，隧道沿线的水平侧压力系数基本大于1。隧道埋深在200 m范围内时，其水平侧压力系数基本在1.0～1.2之间，当隧道埋深在500～600 m范围时，其水平侧压力系数基本在 1.3～1.4之间。由此可知，隧道区域的地层构造应力较大。

图5 计算模型水平侧压力系数变化曲线图

3.3 隧道松动圈测试

3.3.1 测试断面的选择

测试断面选取在隧道进口掌子面，测试初期支护封闭成环后的围岩松动圈范围(测点位于拱腰和边墙两个部位(S-1))和不同施工阶段的围岩松动圈范围(测点位于边墙位置(S-2))。松动圈测试断面布置如图6所示。测试过程中同时对钻孔断面的岩体进行取样，进行岩石物理力学性质分析。

图6 松动圈测试断面布置示意图

施工采用非爆破法开挖，支护采用复合式衬砌结构，初期支护采用喷射混凝土+型钢拱架支护，衬砌结构为钢筋混凝土支护，拱架接头采用锁脚锚杆进行锚固。

3.3.2 测试结果及分析

两个掌子面累计钻孔10处，分别为进口掌子面 D2K 130+353断面4处，D2K 130+335断面2处，D2K 130+322断面2处，横洞正洞掌子面DK 131+045断面2处。每个测孔进行2次测试，取2次结果的平均波速作为测试结果，如表4所示。

表4 试验测试结果表

施工对岩石结构产生扰动，导致临空面岩石在一定范围内的松动，不同工况条件下，松动圈范围存在明显差异。从测试结果可以看出，进口掌子面松动圈范围基本在5.5～6.5 m内，进口掌子面D2K 130+353中台阶施工时，左侧拱腰处测孔松动圈范围为5 m，右侧拱腰处测孔松动圈范围为5.5 m；仰拱封闭后，左侧拱腰测孔松动圈范围增至5.5 m，右侧拱腰测孔松动圈范围增至6.0 m，初支封闭成环松动圈扩大约10%左右。

3.4 软岩大变形等级判定

较大地应力是隧道产生大变形的内在因素，施工对变形的影响也较大。根据 D2K 130+230～D2K 130+360里程段的围岩强度应力比和相对变形量，按照《铁路隧道设计规范》判定标准，判定该段软岩变形等级为Ⅱ级、Ⅲ级[6]，如表5所示。

表5 D2K 130+230～D2K 130+360软岩大变形等级表

由此可见，要有效控制隧道大变形，必须优化设计，调整支护参数，改善衬砌结构的受力状态，改进施工工艺和工法。

4 改进措施

4.1 优化设计与支护参数[7-8]

(1)调整开挖轮廓线，把原设计的马蹄形断面边墙曲率优化为椭圆形断面，加大变形位置边墙和仰拱的曲率，改善受力结构。考虑现场实际情况，二衬内轮廓不变。

(2)加强初期型钢支护，将钢架支护由I18调整为HW175型钢，间距0.6 m。

(3)钢架内外测均增加纵向连接钢筋的数量，并在上台阶拱脚处增设I14工字钢作为连接型钢。

(4)系统锚杆采用长短结合的方式主动加强支护，短锚杆长4 m，采用φ22速凝药包锚杆；长锚杆长8 m，采用φ32自进式锚杆，快凝早强浆液。

(5)采用小导管超前支护，拱部140°范围内设φ42小导管超前支护，环向间距0.4 m，每环27根，每根长4.5 m，纵向2.4 m/环。

(6)提高喷射混凝土强度，将喷射混凝土标号由C25调整为C30。

(7)加强钢架连接板接头连接质量，M20×65高强螺栓由4颗调整为6颗，三面满焊钢架连接板，以增强钢架整体性。

(8)采用双锁脚，每个台阶处在原设计基础上均增设1道锁脚。

4.2 改进施工工艺与工法

(1)三台阶快速封闭

结合单线隧道机械设备难以施展，利用率较低，开挖、运输难度大的情况，研究出了一种适合单线隧道三台阶不留核心土的快速封闭施工方法，做到上、中、下各台阶同时掘进。各台阶长度不超过6 m，仰拱初支不超过6 m，封闭成环后再次回填，达到仰拱初支7～8 d内封闭成环。初支封闭成环距掌子面不超过15 m，仰拱初支成环18 m后及时施作仰拱衬砌，开挖工艺、工法如图7所示。

(2)非爆破开挖

在试验过程中，把钻爆法开挖改为机械法开挖，即采用铣挖机开挖以减小钻爆法开挖对围岩的扰动。开挖效果良好，但工效低，成本高，最后仍采用钻爆法施工。

(3)采用快速注浆

在打钻和立架工序时，施作径向注浆及锁脚锚管注浆，以提高施工效率，减少工序用时。

图7 开挖工艺、工法示意图(cm)

4.3 加强施工管理

(1)加强超前地质预报，及时探明地质情况。

(2)加强监控量测，及时评定变形收敛测结果。

(3)加强工序管理，做到“快挖、快支、快封闭”，严格施工过程控制，并根据变形情况合理确定施作二衬时间。

4.4 效果对比分析

以D2K 130+437～D2K 130+452段进行效果对比分析，采用钻爆法施工，预留变形量为40 cm，封闭成环时间8～12 d。该段采用上述措施后，变形得到有效的控制，断面D2K 130+445拱顶(GD)累计沉降147.7 mm，上台阶(SL-1)累计收敛210.34 mm，下台阶(SL-2)累计收敛269.47 mm。其沉降观测数据和变形趋势如图8所示。

图8 断面D2K 130+445沉降观测数据和变形趋势图

5 结束语

本文针对中老铁路会富莱软岩隧道施工中的大变形问题，从分析变形区段围岩的物理力学性质、区域地应力、围岩松动圈等着手，分析判定了隧道软岩的特性和大变形等级。然后结合现场实际施工情况，通过改善结构受力、调整支护参数，改进施工工艺和工法，加强施工管理等措施，有效控制了围岩变形，确保了后续施工的顺利进行，可为同类工程的施工提供借鉴参考。