擠壓性圍巖單線鐵路隧道受力變形分布規律研究及工程應用

田偉權

(中鐵十六局集團第三工程有限公司 浙江湖州 313000）

1 前言

隨著隧道工程建設的不斷發展，擠壓性圍巖隧道大變形問題成為困擾隧道建設者的突出難題，也是國內外隧道工程界關注的焦點和難點之一[1-9]。國際巖石力學學會于1995年給出擠壓性圍巖的定義:“一種由于極限剪切應力失穩而導致隧道開挖面周邊發生大變形的圍巖，擠壓變形是一種與時間相關的變形行為，是一種蠕變行為，這種變形可能會在開挖期間停止，也可能持續時間非常長”。國內總結了近年來擠壓性圍巖隧道經驗和特點，在《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規范》中給出出定義:“擠壓性圍巖是指在高地應力環境下，隧道周邊一定范圍內產生顯著塑性變形或流變的巖體[10]”。國內外針對擠壓性圍巖的變形機理和控制技術等開展了大量研究工作，積累了一定的經驗，但由于擠壓性圍巖一般所處地應力環境非常復雜，巖性變化頻繁，隧道結構斷面和支護措施各異，工程實踐中仍存在變形控制困難，大量支護拆換甚至坍塌事故等嚴重現象。

本文針對新建麗香鐵路工程實踐，通過計算與實測對比分析單線鐵路隧道受力變形分布規律，提出擠壓性圍巖單線鐵路隧道的變形控制措施并應用于工程實踐。

2 工程概況

麗(江）香(格里拉）鐵路是我國中長期鐵路網規劃西部路網的重要組成部分，是國家Ⅰ級單線電氣化鐵路，設計時速120 km。線路全長139.686 km，全線新建隧道共20座，隧線比66.3%。線路位于印度板塊和歐亞板塊碰撞的縫合帶附近，地跨揚子亞板塊和印度亞板塊之中甸褶皺帶及鹽源-麗江陸緣拗褶帶，區域地質構造復雜，地震活動頻繁。其中長坪隧道全長9 523 m，起訖里程DK52+183～DK61+706，最大埋深1 155 m，為麗香鐵路的重點控制工程。勘察階段該隧道區域實測最大水平主應力11.36～25.09 MPa，最大水平主應力與垂直應力比值平均1.2，最大達1.9，區域內地應力主要為構造應力，方向為N20°～62°W。隧道施工以來多處出現擠壓大變形，造成支護開裂、變形侵限、鋼架扭曲等現象。大變形區段開挖揭示的圍巖為深灰、灰黑色薄層炭質板巖、千枚巖，節理裂隙發育，局部巖體產狀紊亂，巖體松散破碎，開挖過程中拱部出現掉塊現象，地下水較發育，圍巖穩定性差[11-12]。圖1為開挖揭露的掌子面圍巖照片，圖2為鋼架扭曲變形現場照片。

圖2 鋼架扭曲變形

3 單線隧道受力變形計算結果分析

3.1 計算模型基本情況

為研究洞室形狀對擠壓性圍巖隧道受力變形分布規律的影響，采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維計算模型，模型在X、Y、Z三個方向的尺寸為100 m、50 m、100 m，模型四周及底部施加法向位移約束，頂部加自重應力。選取麗香鐵路隧道Ⅴ級軟巖標準斷面和支護參數，圍巖材料參數及初始地應力取值按麗香鐵路長坪隧道現場勘察資料選取，采用兩臺階法施工，開挖循環進尺1 m，支護封閉距離12 m。

3.2 計算位移分布規律

提取施工結束時Y=25 m斷面隧道支護位移，繪制位移沿橫斷面分布圖，如圖3所示。

由圖3可見，單線隧道受洞室形狀影響，位移以水平方向為主，水平收斂明顯大于拱頂下沉。

圖3 隧道支護位移沿橫斷面分布（單位：mm）

3.3 計算等效圍巖壓力分布規律

為尋求支護結構承受圍巖荷載情況，在支護結構外部建立薄層單位，提取薄層單元的徑向應力等效支護結構承受的圍巖壓力，以獲取圍巖壓力沿橫斷面分布情況。其計算數值大小無實際意義，但其沿橫斷面的分布規律是有意義的。圖4為等效圍巖壓力沿橫斷面分布圖。

由圖4可見:拱部圍巖壓力大于兩側邊墻，表明受單線隧道洞室形狀影響，拱部豎向位移小，圍巖釋放應力小，從而圍巖壓力較大；邊墻水平位移大，圍巖釋放應力大，從而圍巖壓力較小。

圖4 等效圍巖壓力沿橫斷面分布（單位：MPa）

3.4 計算支護應力分布規律

提取隧道支護結構主應力，計算結果表明:支護結構以受壓為主，僅在拱腰較小范圍內出現拉應力，較大壓應力發生在拱部或墻腳部位。

4 單線隧道現場測試結果分析

4.1 試驗段基本情況

4.1.1 掌子面開挖揭示圍巖情況

麗香鐵路長坪隧道正洞DK61+285～DK61+255長30 m區段設試驗段，根據開挖揭示情況，掌子面巖性為深灰、灰黑色薄層狀炭質板巖，節理裂隙發育，局部巖體產狀紊亂，扭曲變形嚴重，巖體松散破碎，開挖過程中拱部出現掉塊現象，掌子面潮濕，圍巖穩定性差，圍巖級別為Ⅴ級，存在軟巖大變形危害。

4.1.2 監測項目

試驗段監控量測項目包括:拱頂下沉、水平收斂、初期支護圍巖壓力、鋼架應力、噴射混凝土應力、二次襯砌混凝土應力、二次襯砌接觸壓力、錨桿軸力等。

4.2 現場測試隧道受力變形分布

4.2.1 變形測試結果

試驗段拱頂下沉及水平收斂量測結果如表1所示。

表1 試驗段拱頂下沉及水平收斂量測結果mm

由表1得知，單線隧道變形以水平收斂為主，與計算單線隧道位移分布規律一致，平均水平收斂297.8 mm，平均拱頂下沉64.9 mm，位移優勢方向明顯，換算單側水平位移與拱頂下沉平均比值達2.3倍。說明雖進行了斷面曲率優化，但受斷面形狀影響，水平位移仍明顯大于豎向位移，支護結構整體位移不協調，也是造成結構易產生應力集中的根源。

4.2.2 圍巖壓力測試結果

長坪隧道DK61+275斷面圍巖壓力沿橫斷面分布如圖5a所示。

由圖5a可見，實測最大初期支護承受的圍巖壓力最大值0.62 MPa，出現在拱頂部位，邊墻圍巖壓力小于拱部，與計算分布規律一致。同樣說明在較大水平構造應力作用下，高邊墻易發生水平方向位移，從而邊墻圍巖應力釋放而使邊墻支護承受較小圍巖壓力；而拱頂部位受豎向地應力作用和拱部向上位移趨勢共同作用，而產生較小豎向位移，從而拱部支護承受較大圍巖壓力。

4.2.3 支護應力測試結果

長坪隧道DK61+275斷面噴射混凝土應力及鋼架應力沿橫斷面分布分別如圖5b、圖5 c所示，其值均以受壓為正。

由圖5b、圖5c可見，噴射混凝土應力及鋼架應力均以受壓為主，這與計算分布規律一致；噴射混凝土應力最大值22.93 MPa，出現在拱頂，其值超過C25噴射混凝土極限強度，易出現噴層開裂現象，這也與計算分布規律一致；噴射混凝土僅在左側拱腰部位出現-1.40 MPa的較小拉應力，這也與計算分布規律中的拱腳出現拉應力是一致的；鋼架應力最大值578.6 MPa，出現在左側邊墻中部位，其次為拱頂481.6 MPa，超過了材料容許應力，易出現鋼架扭曲現象，說明鋼架充分發揮其抵抗變形的能力。支護應力分布呈顯著不對稱形態，這與圍巖條件、施工方法、支護時機等因素有關。

圖5 長坪隧道DK61+275初期支護受力沿橫斷面分布（單位：MPa）（受壓為正值）

4.2.4 錨桿軸力測試結果

長坪隧道DK61+275斷面錨桿軸力分布如圖6所示，其軸力值以受拉為正。

錨桿多受拉，最大錨桿拉力發生在右墻中165.5 MPa(62.9 kN），其次為左墻中148.8 MPa(56.5 kN），拱頂、拱腰及墻腳部位錨桿軸力值均較小。這與受單線隧道形狀影響以水平位移為主有關，在高地應力作用下，邊墻產生較大水平位移，牽引錨桿承受較大拉力，而充分發揮錨桿加固圍巖的作用。錨桿沿縱向局部承受較小壓力，這與錨桿局部注漿效果有關。

圖6 長坪隧道DK61+275錨桿軸力沿橫斷面分布（單位：MPa）

4.2.5 測試結果綜合分析

(1）長坪隧道試驗段實測變形以水平收斂為主，換算單側水平位移與拱頂下沉比達2.3倍，支護結構位移不協調是產生應力集中的主要原因，這與單線隧道計算規律一致。

(2）實測圍巖壓力拱部大于邊墻，拱部位移小，圍巖壓力大，邊墻位移大，圍巖壓力小，支護結構一定范圍內，位移越大，圍巖壓力越小，這與單線隧道計算規律一致。

(3）實測支護應力分布不均勻，主要受圍巖條件、施工方法、支護時機等因素影響；噴射混凝土拱部最大拉應力，拱腰較小拉應力的分布規律與計算規律一致；局部出現支護應力超過材料容許應力情況，與現場局部噴層開裂現象相符。

(4）實測錨桿多受拉，邊墻錨桿軸力明顯大于拱部，說明在高地應力作用下單線隧道較大的水平位移牽引錨桿承受較大拉力，從而充分發揮錨桿加固圍巖作用。

5 工程應用

5.1 支護參數

根據大變形試驗段現場測試情況，長坪隧道大變形段采取了斷面優化、加長邊墻系統錨桿等結構優化措施。增大了斷面曲率，避免局部應力集中。加長邊墻系統錨桿，重點加固邊墻圍巖，控制圍巖變形。大變形段主要支護參數為:φ42超前注漿小導管長3.0 m，間距0.4 m； 20b鋼架，0.5 m/榀；φ42 鎖腳錨管長4.0 m，拱腳及邊墻腳兩側各4根；φ8鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；拱部采用φ25組合中空錨桿長4.0 m，邊墻采用早強砂漿錨桿或自進式錨桿長6.5 m，間距1.0 m×1.0 m；開挖預留變形量40 cm；C25噴射混凝土厚27 cm；C35二次襯砌模筑混凝土厚45 cm。大變形段復合式襯砌斷面如圖7所示。

圖7 長坪隧道大變形段復合式襯砌斷面圖（單位：cm）

5.2 施工開挖方法

為有效控制變形，及時實現支護封閉，充分發揮機械效率，長坪隧道大變形段采用兩臺階法施工，臺階長度在10 m以內，開挖循環進尺0.5 m，下臺階與仰拱一次開挖，滯后2～3榀拱架施作仰拱支護，實現12 m以內的支護封閉距離。上臺階10 m長度范圍保障錨桿鉆機的施作空間。掌子面無法自穩時，可采取環形開挖預留核心土法，掌子噴射混凝土封閉，加密、加長超前注漿小導管等措施，穩定掌子面，減小掌子面縱向位移。兩臺階法現場施工照片如圖8所示。

圖8 兩臺階法施工現場照片

5.3 錨桿施工

為加快錨桿施工效率，選用 MC-6錨桿鉆機。該鉆機總質量為6 400 kg，功率為85 kW，可以實現全方位360°錨桿施工，且施工長度不受限制，向上垂直最高可施作6 m；鉆孔工藝工效邊墻錨桿長6.5 m，每米(2榀拱架）一環，每環11根，平均每個鉆孔需要30 min；施作一環11根6.5 m長的錨桿大概在5～6 h左右。

5.4 實施效果

長坪隧道大變形段，通過采取斷面曲率優化、加長邊墻系統錨桿、兩臺階法開挖、高效錨桿鉆機等措施，實現了12 m以內支護快速封閉，控制了圍巖變形，單側位移控制在20 cm以內，減少了支護開裂，避免了支護侵限拆換，提高了施工效率，現場測試結果表明，隧道結構安全穩定。

6 結論

(1）單線隧道受洞室形狀影響，變形以水平方向為主，圍巖壓力以垂直方向為主。

(2）支護結構均以受壓為主，拱腰和墻腳是易產生應力集中的薄弱環節，實測錨桿多受拉，墻中錨桿軸力遠大于拱部及墻腳錨桿。

(3）實測受力變形分布規律與計算結果基本一致。

(4）工程實踐中通過采取斷面曲率優化、加長邊墻系統錨桿、兩臺階法開挖、高效錨桿鉆機等措施，有效控制了圍巖變形，隧道結構安全穩定。