缝合带软岩隧道变形与支护受力现场试验研究★

杨 鑫，王建军，周 波，王建明

(中国水利水电第三工程局有限公司,陕西 西安 710024)

0 引言

随着“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”合作倡议的提出,我国建造技术已经在新时期世界舞台崭露头角,而国内外基础设施互联互通也使得中国隧道建设更具挑战性[1]。板块缝合带间因受强烈的冲击挤压作用,主动盘和被动盘交错,多组断裂带、褶皱等复杂地质构造发育,造成隧区构造地应力场突显,岩体高度破碎,隧道施工极易引发大变形问题,严重制约施工安全和进度。

国内外隧道建设工程中已经多次引发不同程度的挤压大变形问题,如奥地利的Arlberg隧道和Tauern隧道,日本的Enasan隧道[2],兰新铁路的乌鞘岭隧道[3],兰渝铁路的木寨岭隧道[4],成兰铁路的茂县隧道和杨家坪隧道[5-6]等。由于软弱围岩强度低,自稳定性差,高地应力环境和开挖扰动的多重影响下,围岩变形发展时空效应显著,支护结构承受极大挤压应力后发生喷射混凝土开裂,钢架弯曲扭折,仰拱错台开裂。而受初始应力方向、岩体层理结构走向发展和裂缝特征影响,隧道变形常常表现出明显的非对称性,结构受力特征复杂不明[7]。而目前对于软岩隧道大变形控制则主要通过多重支护增强支护刚度,组合锚杆向深层围岩锚固,超前导洞应力释放及预支护等[8-11]。此外,通过改变断面形式,增大侧墙曲率,能够优化支护受力状态[12]。但对于隧道大变形往往由局部薄弱环节最先失效,从而导致结构整体失稳。因此根据隧道支护结构应力发展规律,明确支护薄弱环节,通过局部支护增强,形成针对性隧道大变形控制措施。以此理念能够实现形成软岩大变形隧道合理性和经济性的控制技术。

本研究以磨万铁路的相嫩三号隧道工程为主要依托,通过开展岩石点荷载强度试验和松动圈测试,揭示琅勃拉邦缝合带的炭质板岩力学特征和隧道松动圈分布规律,重点分析岩石力学特征变化对隧道变形的影响规律。结合典型隧道大变形段进行初支结构受力测试,揭示施工过程的隧道结构应力分布规律,分析说明缝合带隧道结构薄弱环节,形成缝合带大变形隧道的控制理念及技术,为今后类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道概况

新建磨万线铁路工程北起中老边境口岸磨丁,采用中国铁路技术标准,是“一带一路”战略中泛亚铁路中线和中老铁路的重要组成部分。工程Ⅳ标段Ⅰ分部起讫里程DK179+520—DK225+080,全长45.56 km,占全线总长3.8%,位于老挝琅勃拉邦省境内,与琅勃拉邦缝合带南源斜向相交,共计隧道14座,分布如图1所示。

研究以重点控制性工程相嫩三号隧道为依托开展,隧道全长2 633 m,最大埋深约188 m,设计断面采用单线布置,台阶法分部开挖,支护结构为复合式衬砌,初期支护采用喷锚网结构,支护钢拱架为Ⅰ16型钢,间距0.8 m～1.0 m,系统锚杆拱部和边墙分别采用组合中空锚杆和砂浆锚杆,长度均为3.0 m。

1.2 隧区地质概况

隧道位于班献伦断裂(南边界断裂)下盘,属于琅勃拉邦缝合带南缘区域,洞身段及附近次级构造发育,包括相嫩断层,相嫩1号向斜等。隧区揭示围岩以薄层炭质板岩为主,如图2所示。受区域构造影响,隧道揭示围岩破碎,节理发育,岩质软硬不均,浅埋段稳定性差,地下水主要由第四系覆盖层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水组成。套孔应力解除法实测地应力以水平主应力为主,水平向大主应力5.4 MPa,侧压力系数1.52。

2 围岩点荷载强度分析

选取隧道代表性里程掌子面开挖剥落的非规则岩样进行点荷载强度试验,试件尺寸控制在50 mm±35 mm,两点加载间距与加载平均宽度的比值控制在0.3～1.0。试验过程依照GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准中的相关规程进行。未修正岩石点荷载强度Is根据式(1)计算获得,未修正岩石点荷载强度按式(2)计算获得等价岩芯直径50 mm的岩石点荷载强度Is(50)。

(1)

(2)

其中,P为破坏荷载,N;De为等价岩芯直径,mm。隧道炭质板岩点荷载强度测试结果如图3所示。

隧区揭示炭质板岩类型可分为软泥质结构、夹杂白色石英晶体结构、层状结构三类。前两类受岩性影响,层理结构紊乱,不具明显的产状特征,第三类层状结构分为薄层状和中厚层状,强度随岩块层厚变化明显。从试验数据散点图可以看出,试验岩块强度受矿物成分和结构形式影响,强度软硬不均,离散性较高,平均点荷载强度约0.49 MPa,基本属软岩。对于软质块状结构围岩,隧道变形量普遍较高,对于互层状结构炭质板岩,变形则受岩层倾向影响明显。

3 隧道变形特征分析

3.1 隧道累积变形量分析

依据TB 10003—2016铁路隧道设计规范的大变形分级标准,统计里程DK182+710—DK182+550段的30个断面的变形等级如表1所示。

表1 隧道统计段大变形等级判定

可以看出,统计结果中平均拱顶沉降量9.84 cm,平均水平收敛量34.28 cm,最大水平收敛量达67.5 cm,隧道变形等级基本以轻微大变形等级为主,偶有达到中等水平。分析原因,由于受琅勃拉邦缝合带构造应力作用,隧道开挖卸荷后水平向围压发生塑性破坏,围岩松动,持续开挖卸荷后隧道引发以水平向为主的挤压大变形,但由于隧道埋深较浅,变形等级并不高。

3.2 隧道典型断面变形时程曲线分析

隧道典型断面的变形时程曲线如图4所示。可以看出,围岩变形明显受施工步影响,其中上、下台阶开挖过程中隧道水平收敛变形速率快速上升。相比之下,拱顶沉降速率明显小于水平收敛,较大的变形速率直接导致初支结构的破坏,引发隧道大变形问题。总结相嫩三号隧道的变形及支护破坏特征主要有如下几点:

1)隧道变形表现出明显的空间效应,台阶开挖施工时变形速率快速增长。

2)隧道发生大变形段变形量大,变形速率快。其中水平收敛速率明显大于拱顶沉降,水平挤压作用显著。

3)受炭质板岩的岩体结构形式影响,变形发展是由局部变形而引起结构整体结构失稳。结构破坏由喷混凝土局部开裂到钢架整体失稳。

3.3 隧道松动圈分布测试分析

隧道开挖卸荷导致应力重分布,围岩由浅至深发生逐层渐进破坏,岩体应变软化过程中伴随剪胀和碎胀变形,形成松动圈。通过声波法能够测试不同深度围岩的波速反应,揭示缝合带隧道松动圈分布规律。现场测孔位于隧道左右侧边墙位置,测试结果如图5所示。

可以看出,测试过程的围岩波速存在明显突变,左、右两侧边墙所测波速分别在6 m,7 m位置发生明显跳跃,表明岩体存在松动围岩和稳定围岩的分界点,判断松动圈介于7 m内。

对比稳定区内围岩波速发现,右侧波速也相对左侧更低,说明右侧围岩完整性更差,相同应力条件下,右侧围岩相比左侧围岩更易发生屈服。因此表明对于缝合带隧道的非对称变形是由于围岩非均质分布的差异导致,表观现象将表现为右侧变形破坏比左侧更严重,而采取控制措施也应针对性局部加强。

4 隧道支护结构受力特征及控制措施优化

4.1 试验测试方案

针对围岩的变形发展规律,开展典型断面的长期力学监测,试验监测内容主要包括围岩压力,钢拱架应力和喷射混凝土应力。单个测试断面共计7测点。

4.2 围岩压力

根据现场围岩压力监测结果,绘制如图6所示围岩压力时程关系曲线。

可以看出,围岩应力释放是随施工过程逐步完成。当掌子面距离监测断面一定距离后,围岩压力基本达到稳定。而其分布特征表现为非均匀性,且局部存在应力集中。其中拱顶围岩压力0.65 MPa,左侧最大达到0.95 MPa,右侧最大达到0.44 MPa,侧向围岩压力约为拱部围岩压力的1.5倍。分析表明,受揭示围岩性状的影响,高构造应力环境下软弱破碎围岩处更易形成应力集中区,产生高围岩压力状态,呈现局部偏压的变形表征。

4.3 初支结构应力

图7所示为监测断面钢架内外侧应力分布示意图,其中拱架内侧表示内翼缘(贴靠围岩),拱架外侧表示外翼缘(贴靠临空面)。图8所示为监测断面喷射混凝土应力分布示意图。

可以看出,钢拱架结构受力与围岩压力分布基本一致,左侧受力大于右侧,且拱架内外侧受力相当。拱架受力以压应力为主,最大达到162.81 MPa,仍小于钢架屈服强度,表明钢架仍具备承载能力。进一步说明了缝合带高构造应力在软弱破碎围岩更易形成释放空间,随之支护结构在相应部位也将承受更高的应力作用。

相比于钢架结构受力而言,喷射混凝土结构受力相对较大且局部达到极限强度。由于喷射混凝土早期强度较低,随着围岩压力的快速释放,最先达到屈服应力状态,表现为喷射混凝土的开裂和脱落,而随着应力释放,喷射混凝土将无法承受较高应力,但钢架承受应力仍随之增长。由此看出支护结构的变形破坏是一个逐步发展的渐进过程。

4.4 变形控制措施优化

综合相嫩三号隧道的围岩强度,松动圈范围,结构受力的试验结果,结合现有大变形支护控制技术,遵循主动变形控制理念,对原设计支护进行局部优化,提出以下建议控制措施:

1)根据隧道松动圈范围,优化锚杆施作长度,隧道锚杆施作长度不小于6 m,用以调动深部围岩的承载能力。同时采用径向围岩注浆,提高松动围岩的力学性能。

2)对于初支出现的严重变形问题,采用高强拱架,同时采用钢筋或型钢进行拱架间的纵向搭接。同时增加锁脚锚管,每个台阶拱架接头处设置4根锁脚锚管。用于提高初支结构的整体稳定性。

3)为更好的调动深部围岩的承载能力,将设计的瘦高马蹄形断面改为近似圆形断面。

综合采取上述措施之后,根据监控量测数据,隧道围岩变形得到有效控制,多个断面的隧道变形量减少,初支结构破坏程度得到显著缓解。

5 结论

1)琅勃拉邦缝合带属高构造应力区,岩体破碎且软硬不均,水平向大主应力作用下容易产生水平向为主的挤压大变形。由于岩体的非均匀性分布,变形破坏表现为由局部到整体的渐进过程。

2)隧道大变形是表层至深层围岩逐层的变形累加效果。基于测试岩体软化形成松动圈范围,提出增长锚杆支护长度的控制措施,将锚杆穿越松动圈范围,发挥悬吊作用,建议长度不小于6 m。

3)提出支护钢架刚度优化和断面形式优化的变形控制方式,首先对侧向局部薄弱点变形进行针对性控制,降低支护结构的应力集中效应,进而发挥整体支护性能。