挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律研究及工程应用

田伟权

(中铁十六局集团第三工程有限公司 浙江湖州 313000）

1 前言

随着隧道工程建设的不断发展，挤压性围岩隧道大变形问题成为困扰隧道建设者的突出难题，也是国内外隧道工程界关注的焦点和难点之一[1-9]。国际岩石力学学会于1995年给出挤压性围岩的定义:“一种由于极限剪切应力失稳而导致隧道开挖面周边发生大变形的围岩，挤压变形是一种与时间相关的变形行为，是一种蠕变行为，这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续时间非常长”。国内总结了近年来挤压性围岩隧道经验和特点，在《铁路挤压性围岩隧道技术规范》中给出出定义:“挤压性围岩是指在高地应力环境下，隧道周边一定范围内产生显著塑性变形或流变的岩体[10]”。国内外针对挤压性围岩的变形机理和控制技术等开展了大量研究工作，积累了一定的经验，但由于挤压性围岩一般所处地应力环境非常复杂，岩性变化频繁，隧道结构断面和支护措施各异，工程实践中仍存在变形控制困难，大量支护拆换甚至坍塌事故等严重现象。

本文针对新建丽香铁路工程实践，通过计算与实测对比分析单线铁路隧道受力变形分布规律，提出挤压性围岩单线铁路隧道的变形控制措施并应用于工程实践。

2 工程概况

丽(江）香(格里拉）铁路是我国中长期铁路网规划西部路网的重要组成部分，是国家Ⅰ级单线电气化铁路，设计时速120 km。线路全长139.686 km，全线新建隧道共20座，隧线比66.3%。线路位于印度板块和欧亚板块碰撞的缝合带附近，地跨扬子亚板块和印度亚板块之中甸褶皱带及盐源-丽江陆缘拗褶带，区域地质构造复杂，地震活动频繁。其中长坪隧道全长9 523 m，起讫里程DK52+183～DK61+706，最大埋深1 155 m，为丽香铁路的重点控制工程。勘察阶段该隧道区域实测最大水平主应力11.36～25.09 MPa，最大水平主应力与垂直应力比值平均1.2，最大达1.9，区域内地应力主要为构造应力，方向为N20°～62°W。隧道施工以来多处出现挤压大变形，造成支护开裂、变形侵限、钢架扭曲等现象。大变形区段开挖揭示的围岩为深灰、灰黑色薄层炭质板岩、千枚岩，节理裂隙发育，局部岩体产状紊乱，岩体松散破碎，开挖过程中拱部出现掉块现象，地下水较发育，围岩稳定性差[11-12]。图1为开挖揭露的掌子面围岩照片，图2为钢架扭曲变形现场照片。

图2 钢架扭曲变形

3 单线隧道受力变形计算结果分析

3.1 计算模型基本情况

为研究洞室形状对挤压性围岩隧道受力变形分布规律的影响，采用FLAC3D有限差分软件，建立三维计算模型，模型在X、Y、Z三个方向的尺寸为100 m、50 m、100 m，模型四周及底部施加法向位移约束，顶部加自重应力。选取丽香铁路隧道Ⅴ级软岩标准断面和支护参数，围岩材料参数及初始地应力取值按丽香铁路长坪隧道现场勘察资料选取，采用两台阶法施工，开挖循环进尺1 m，支护封闭距离12 m。

3.2 计算位移分布规律

提取施工结束时Y=25 m断面隧道支护位移，绘制位移沿横断面分布图，如图3所示。

由图3可见，单线隧道受洞室形状影响，位移以水平方向为主，水平收敛明显大于拱顶下沉。

图3 隧道支护位移沿横断面分布（单位：mm）

3.3 计算等效围岩压力分布规律

为寻求支护结构承受围岩荷载情况，在支护结构外部建立薄层单位，提取薄层单元的径向应力等效支护结构承受的围岩压力，以获取围岩压力沿横断面分布情况。其计算数值大小无实际意义，但其沿横断面的分布规律是有意义的。图4为等效围岩压力沿横断面分布图。

由图4可见:拱部围岩压力大于两侧边墙，表明受单线隧道洞室形状影响，拱部竖向位移小，围岩释放应力小，从而围岩压力较大；边墙水平位移大，围岩释放应力大，从而围岩压力较小。

图4 等效围岩压力沿横断面分布（单位：MPa）

3.4 计算支护应力分布规律

提取隧道支护结构主应力，计算结果表明:支护结构以受压为主，仅在拱腰较小范围内出现拉应力，较大压应力发生在拱部或墙脚部位。

4 单线隧道现场测试结果分析

4.1 试验段基本情况

4.1.1 掌子面开挖揭示围岩情况

丽香铁路长坪隧道正洞DK61+285～DK61+255长30 m区段设试验段，根据开挖揭示情况，掌子面岩性为深灰、灰黑色薄层状炭质板岩，节理裂隙发育，局部岩体产状紊乱，扭曲变形严重，岩体松散破碎，开挖过程中拱部出现掉块现象，掌子面潮湿，围岩稳定性差，围岩级别为Ⅴ级，存在软岩大变形危害。

4.1.2 监测项目

试验段监控量测项目包括:拱顶下沉、水平收敛、初期支护围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、二次衬砌混凝土应力、二次衬砌接触压力、锚杆轴力等。

4.2 现场测试隧道受力变形分布

4.2.1 变形测试结果

试验段拱顶下沉及水平收敛量测结果如表1所示。

表1 试验段拱顶下沉及水平收敛量测结果mm

由表1得知，单线隧道变形以水平收敛为主，与计算单线隧道位移分布规律一致，平均水平收敛297.8 mm，平均拱顶下沉64.9 mm，位移优势方向明显，换算单侧水平位移与拱顶下沉平均比值达2.3倍。说明虽进行了断面曲率优化，但受断面形状影响，水平位移仍明显大于竖向位移，支护结构整体位移不协调，也是造成结构易产生应力集中的根源。

4.2.2 围岩压力测试结果

长坪隧道DK61+275断面围岩压力沿横断面分布如图5a所示。

由图5a可见，实测最大初期支护承受的围岩压力最大值0.62 MPa，出现在拱顶部位，边墙围岩压力小于拱部，与计算分布规律一致。同样说明在较大水平构造应力作用下，高边墙易发生水平方向位移，从而边墙围岩应力释放而使边墙支护承受较小围岩压力；而拱顶部位受竖向地应力作用和拱部向上位移趋势共同作用，而产生较小竖向位移，从而拱部支护承受较大围岩压力。

4.2.3 支护应力测试结果

长坪隧道DK61+275断面喷射混凝土应力及钢架应力沿横断面分布分别如图5b、图5 c所示，其值均以受压为正。

由图5b、图5c可见，喷射混凝土应力及钢架应力均以受压为主，这与计算分布规律一致；喷射混凝土应力最大值22.93 MPa，出现在拱顶，其值超过C25喷射混凝土极限强度，易出现喷层开裂现象，这也与计算分布规律一致；喷射混凝土仅在左侧拱腰部位出现-1.40 MPa的较小拉应力，这也与计算分布规律中的拱脚出现拉应力是一致的；钢架应力最大值578.6 MPa，出现在左侧边墙中部位，其次为拱顶481.6 MPa，超过了材料容许应力，易出现钢架扭曲现象，说明钢架充分发挥其抵抗变形的能力。支护应力分布呈显著不对称形态，这与围岩条件、施工方法、支护时机等因素有关。

图5 长坪隧道DK61+275初期支护受力沿横断面分布（单位：MPa）（受压为正值）

4.2.4 锚杆轴力测试结果

长坪隧道DK61+275断面锚杆轴力分布如图6所示，其轴力值以受拉为正。

锚杆多受拉，最大锚杆拉力发生在右墙中165.5 MPa(62.9 kN），其次为左墙中148.8 MPa(56.5 kN），拱顶、拱腰及墙脚部位锚杆轴力值均较小。这与受单线隧道形状影响以水平位移为主有关，在高地应力作用下，边墙产生较大水平位移，牵引锚杆承受较大拉力，而充分发挥锚杆加固围岩的作用。锚杆沿纵向局部承受较小压力，这与锚杆局部注浆效果有关。

图6 长坪隧道DK61+275锚杆轴力沿横断面分布（单位：MPa）

4.2.5 测试结果综合分析

(1）长坪隧道试验段实测变形以水平收敛为主，换算单侧水平位移与拱顶下沉比达2.3倍，支护结构位移不协调是产生应力集中的主要原因，这与单线隧道计算规律一致。

(2）实测围岩压力拱部大于边墙，拱部位移小，围岩压力大，边墙位移大，围岩压力小，支护结构一定范围内，位移越大，围岩压力越小，这与单线隧道计算规律一致。

(3）实测支护应力分布不均匀，主要受围岩条件、施工方法、支护时机等因素影响；喷射混凝土拱部最大拉应力，拱腰较小拉应力的分布规律与计算规律一致；局部出现支护应力超过材料容许应力情况，与现场局部喷层开裂现象相符。

(4）实测锚杆多受拉，边墙锚杆轴力明显大于拱部，说明在高地应力作用下单线隧道较大的水平位移牵引锚杆承受较大拉力，从而充分发挥锚杆加固围岩作用。

5 工程应用

5.1 支护参数

根据大变形试验段现场测试情况，长坪隧道大变形段采取了断面优化、加长边墙系统锚杆等结构优化措施。增大了断面曲率，避免局部应力集中。加长边墙系统锚杆，重点加固边墙围岩，控制围岩变形。大变形段主要支护参数为:φ42超前注浆小导管长3.0 m，间距0.4 m； 20b钢架，0.5 m/榀；φ42 锁脚锚管长4.0 m，拱脚及边墙脚两侧各4根；φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；拱部采用φ25组合中空锚杆长4.0 m，边墙采用早强砂浆锚杆或自进式锚杆长6.5 m，间距1.0 m×1.0 m；开挖预留变形量40 cm；C25喷射混凝土厚27 cm；C35二次衬砌模筑混凝土厚45 cm。大变形段复合式衬砌断面如图7所示。

图7 长坪隧道大变形段复合式衬砌断面图（单位：cm）

5.2 施工开挖方法

为有效控制变形，及时实现支护封闭，充分发挥机械效率，长坪隧道大变形段采用两台阶法施工，台阶长度在10 m以内，开挖循环进尺0.5 m，下台阶与仰拱一次开挖，滞后2～3榀拱架施作仰拱支护，实现12 m以内的支护封闭距离。上台阶10 m长度范围保障锚杆钻机的施作空间。掌子面无法自稳时，可采取环形开挖预留核心土法，掌子喷射混凝土封闭，加密、加长超前注浆小导管等措施，稳定掌子面，减小掌子面纵向位移。两台阶法现场施工照片如图8所示。

图8 两台阶法施工现场照片

5.3 锚杆施工

为加快锚杆施工效率，选用 MC-6锚杆钻机。该钻机总质量为6 400 kg，功率为85 kW，可以实现全方位360°锚杆施工，且施工长度不受限制，向上垂直最高可施作6 m；钻孔工艺工效边墙锚杆长6.5 m，每米(2榀拱架）一环，每环11根，平均每个钻孔需要30 min；施作一环11根6.5 m长的锚杆大概在5～6 h左右。

5.4 实施效果

长坪隧道大变形段，通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施，实现了12 m以内支护快速封闭，控制了围岩变形，单侧位移控制在20 cm以内，减少了支护开裂，避免了支护侵限拆换，提高了施工效率，现场测试结果表明，隧道结构安全稳定。

6 结论

(1）单线隧道受洞室形状影响，变形以水平方向为主，围岩压力以垂直方向为主。

(2）支护结构均以受压为主，拱腰和墙脚是易产生应力集中的薄弱环节，实测锚杆多受拉，墙中锚杆轴力远大于拱部及墙脚锚杆。

(3）实测受力变形分布规律与计算结果基本一致。

(4）工程实践中通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施，有效控制了围岩变形，隧道结构安全稳定。