中老鐵路會富萊隧道軟巖大變形控制技術研究

余小周

(中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100038)

隧道軟巖大變形控制是國內外隧道修建的重大技術難題[1]。過去隧道在遇軟巖大變形時，往往采取注漿、長錨桿加固等措施。由于隧道地質千變萬化，相同措施對于不同隧道的軟巖變形處理效果不盡相同。中老鐵路會富萊隧道為單線隧道，受作業面限制，不宜采用長錨桿施工，故前期采用注漿方式未能控制圍巖變形，后通過變形后拆換拱的方式解決變形問題。但這種事后處理的換拱方式既耽誤工期，又大大增加了施工成本，故需對該隧道大變形控制技術作進一步研究。

1 工程概況

中老鐵路會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦、烏多姆賽省，全長 6 969 m，為設計速度160 km/h的單線隧道。隧區屬構造剝蝕、溶蝕中高山地貌，地面高程400～1 200 m，相對高差約800 m，地形起伏大。自然橫坡15°～45°，隧道最高處為灰巖陡坎、陡壁。隧區多被第四系土層覆蓋，斜坡地帶植被較好，基巖零星出露。隧道洞身通過侏羅紀下統砂泥巖(480 m)，石炭系板巖(5 629 m)，二疊系下統灰巖(860 m)。洞身穿越會富萊1號斷層、普巴道山斷層、會富萊2號斷層、夫發南大山復向斜、班會海斷裂破碎帶。

隧區位于蘭坪-思茅地塊和南海印支地塊接合部，屬特提斯-喜馬拉雅構造域，是古特提斯洋域分布的主體地帶，總體上由大小不一的地塊和微地塊縫合、拼接而成。段內不良地質為巖溶、斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形、順層偏壓、有害氣體等。

2 隧道變形破壞特征

2.1 初期支護破壞情況

會富萊隧道施工過程中，多處段落發生圍巖變形，并導致初期支護破壞，圍巖水平收斂遠大于拱頂下沉，線路右側變形大于左側，右側邊墻錯臺鼓出，噴射混凝土剝裂，鋼拱架呈90°彎折變形。

2.2 圍巖變形特征

(1)變形量較大且初期變形快

隧道開挖后，初期圍巖變形非常強烈，變形速率較大，拱頂開挖7 d累計沉降達200 mm、平均28 mm/d，最大累計沉降量 339.7 mm；上臺階收斂累計達 554.4 mm，下臺階開挖 10 d收斂達 1 400 mm、平均 140 mm/d，累計達 1 586.3 mm。水平收斂遠大于拱頂下沉，且下臺階水平收斂大于上臺階水平收斂，存在水平擠壓特性，空間越大變形越大，變形速率快。典型斷面拱頂下沉和水平收斂位移監測曲線如圖1所示。

圖1 DK 130+335沉降觀測曲線圖

圍巖早期變形大、變形速率快，一定程度上表明圍巖壓力釋放快，擠壓強度大，隧道圍巖具有軟弱、穩定性低和自穩能力差的特性[2]。

(2)變形持續時間長

根據監測數據反映，仰拱端頭至掌子面區間的變形持續時間較長，初期變形較大，后期成線性增長，無收斂趨勢。過程中有擾動時，出現加速增長情況，直至仰拱封閉成環后才有收斂趨勢。初支封閉后仍有變形，襯砌澆筑后才有穩定趨勢，反應出圍巖具有明顯的流變性。

(3)圍巖變形在空間分布不均勻、不對稱

從隧道施工過程監測數據和隧道破壞程度上看，整個隧道變形均較嚴重，但不同里程段落變形特征不同。同時還存在線路左右變形量相差較大的情況，形成不對稱收斂。變形量中下臺階變形大于上臺階，隧道不同位置變形位移曲線如圖2所示，上臺階和下臺階收斂監測如圖3、圖4所示。

圖2 隧道不同位置變形位移曲線圖

圖3 上臺階收斂監測圖

圖4 下臺階收斂監測圖

2.3 圍巖大變形原因分析

會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦縫合帶北邊界，地質構造極其復雜，變形段位于會富萊1號斷層與普巴道山斷層銳角挾持地帶。隧道穿越地層巖性以薄層狀板巖夾炭質板巖為主，屬軟質巖，巖層受多期構造運動影響，擠壓斷裂極為嚴重，產狀十分紊亂。擠壓過程中產生的層間滑移，加劇了巖石的碎裂與糜棱化，圍巖整體表現出結構疏松、強度極低等特點。在埋深不大、地應力不高的情況下，巖體強度極低易使圍巖出現較大的塑性變形。參照國內類似工程判識標準，會福萊隧道巖體強度與地應力比達到中等～嚴重大變形程度[3]。

3 軟巖大變形控制技術

隨著隧道軟巖大變形逐漸增多，世界范圍內的隧道和地質專業人士試圖對大變形的潛勢進行有效劃分，但所有這些劃分都存在相當大的局限性，尚不具備普遍的指導意義，無法有效指導各類隧道軟巖大變形施工。會富萊隧道D2K 130+330～D2K 130+360段設計為Ⅴ級圍巖，采用Ⅴa復合襯砌，開挖揭示圍巖為板巖、炭質板巖，呈深灰、灰黑色，偶夾灰綠色玄武巖團塊。板巖、炭質板巖板狀構造，薄層狀為主，局部夾中厚層，炭質板巖含炭量高，污手，質軟，遇水易軟化；玄武巖致密塊狀，質堅硬，呈團塊狀，分布無規律。受區域構造影響，掌子面巖層產狀扭曲變形嚴重，揉皺發育，巖體擠壓破碎強烈，節理裂隙發育，巖體呈碎石、片狀，部分手掰易斷，結構面光滑，未見地下水。

鑒于掌子面開挖揭示的地質情況，將Ⅴa復合襯砌改為Ⅴ級加強Ⅲ型襯砌，設間距0.6 m的全環H175型鋼鋼架[4]，超前支護采用φ42小導管，拱墻采用長4.0 m的φ42注漿錨管，二襯采用厚45 cm的鋼筋混凝土。采用銑挖法施工，以減少爆破施工對圍巖的擾動。

該段預留變形量60 cm，最大變形量158 cm。采取措施后初支變形仍侵限，最大侵限超98 cm，表明以上措施不能控制大變形。

3.1 軟巖大變形處理措施

采用“扛、放結合，重視圍巖自承能力”的原則，軟巖大變形處理采用以下措施：

(1)改變斷面形狀，加強鋼架支護，增大邊墻及仰拱曲率，增強結構承載能力。

(2)適當加大初期支護預留變形量，釋放地應力。

(3)采用長短錨桿結合，提高圍巖自身承載能力。

(4)施工做到短進尺、弱爆破、快挖、快支、快錨、快封閉成環[5]。

3.2 優化開挖輪廓線

原設計斷面為類馬蹄形襯砌斷面，二襯厚度45 cm。本次研究了漸變形襯砌斷面(考慮二襯臺車不更換，二襯內輪廓不變)和圓形襯砌斷面，提高圍巖自穩和初支受力能力如圖5所示。其中，漸變形襯砌斷面二襯厚50～93 cm，圓形襯砌斷面二襯厚45 cm，鋼架均采用H175型鋼，噴厚25 cm的C30混凝土[6]。

圖5 三種襯砌斷面圖

3.2.1安全性分析

通過對比，3種結構承載能力均應能滿足荷載要求，各型襯砌承受軟巖變形徑向荷載的能力如表1所示。

表1 襯砌承受軟巖變形徑向荷載能力對比表

(1)會富萊隧道原設計隧道結構尺寸及輪廓按部頒參考圖辦理，采用45 cm等厚鋼筋混凝土。采用Ansys數值模擬軟件，按荷載結構法對會富萊隧道馬蹄形襯砌進行結構分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力；同時為模擬地應力，采用徑向圍壓施加于結構。經多次試算，受限于結構輪廓，原設計襯砌斷面僅能承受0.16 MPa徑向圍巖壓力。結構計算結果如圖6～圖8所示。

圖6 類馬蹄形結構彎距圖

圖7 類馬蹄形結構軸力圖

由圖6～圖8中可以看出，由于邊墻腳與仰拱相接處非圓順過渡，該處應力集中，彎矩、軸力、剪力均較大，為結構受力的控制點。同時，結構抵抗圍巖變形能力較差，僅0.16 MPa，遠小于國內大變形隧道地應力普遍水平。如仍采用原設計襯砌結構，難以抵抗隧道大變形壓力，故需調整斷面。

(2)考慮現場實際情況，二襯內輪廓不變，襯砌拱頂仰拱厚50 cm，邊墻最厚93 cm，形成漸變形襯砌結構。采用Ansys數值模擬軟件，按荷載結構法對會富萊隧道漸變形襯砌進行結構分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力。同時為模擬地應力，參照成蘭鐵路等工點經驗，取0.58 MPa徑向圍壓施加于結構。結構計算結果如圖9～圖11所示。

圖9 漸變形結構彎矩圖

圖10 漸變形結構軸力圖

圖11 漸變形結構剪力圖

由圖9～圖11中可以看出，由于單線隧道屬瘦高性結構，邊墻彎矩明顯大于拱部和仰拱部位，調整邊墻仰拱曲率，同時增大邊墻厚度對滿足結構受力十分有利。經檢算，結構每延米鋪設5根φ25鋼筋即可滿足規范要求，安全系數最小點為邊墻腳處。

(3)采用Ansys數值模擬軟件，按荷載結構法對會富萊隧道圓形襯砌進行結構分析。大變形段落埋深較大，按深埋荷載施加圍巖壓力，圓形襯砌承載能力強，經試算最大徑向荷載可達0.85 MPa，計算結果如圖12～圖14所示。

圖12 圓形結構彎矩圖

圖13 圓形結構軸力圖

圖14 圓形結構剪力圖

3.2.2造價分析

設計對漸變形、類馬蹄形、圓形3種襯砌斷面的開挖、噴混凝土、二襯圬工等工程數量進行了估算、對比，經比較投資差異不明顯，橢圓形襯砌斷面投資最省，漸變形襯砌斷面投資最高，各斷面類型襯砌造價比較如表2所示。

表2 各斷面類型襯砌造價比較表

3.2.3選型分析

各斷面類型襯砌綜合指標比較如表3所示。結合未開挖段隧道埋深逐漸增大，圍巖受普巴道山斷層影響更加嚴重，變形程度可能加大的實際情況，初支開挖輪廓采用圓形襯砌斷面。

表3 各斷面類型襯砌綜合指標比較見表

3.3 優化開挖工藝

采用初支拱架一次性封閉成環工法。下臺階一次性挖出仰拱斷面，仰拱初支與下臺階邊墻初支一同施工，快速成環，減少圍巖變形。上臺階距離下臺階6.75 m，進尺2.25 m/d，初支封閉成環分別需要2 d、3 d，初期支護成環快，受力結構較好，極大限度地降低了安全風險，變形量較小，安全可控[7]。Ⅴ級圍巖平均進度55 m/月，平均開挖2 d 3個循環共4.5 m，每循環16 h，進尺1.5 m。除去機械設備耽誤及超前鉆孔用時等，正洞平均進度55 m/月。

3.4 強化鋼架和鎖腳錨桿施工

鋼拱架接頭部位應加強線型控制，做好工字鋼接頭焊接，確保鋼拱架的線型安全圓順[8]；加強鎖腳錨桿質量控制，嚴格斜插角度鉆鎖腳孔，采用快速凝漿液或樹脂(藥包)快速錨固[9]，宜在拱腳設2排錨桿。

3.5 強化監控量測運用

加強監控量測，實施量測報警管理，制定報警分級管理，在變形達到一定程度后，及時采取加固措施，確保施工安全；通過對監控量測數據進行分析，適當調整預留變形量[10]，本隧道開挖拱頂預留30～50 cm，單邊收斂預留40～60 cm，確保了隧道凈空要求。

4 結束語

本文通過對會富萊隧道軟巖大變形特征進行總結[11]，針對性試驗研究隧道軟巖大變形控制技術，確保了隧道凈空要求，會富萊隧道變形穩定后，拱頂沉降最大26 cm，單邊收斂最大38 cm。后期隧道開挖過程中也未出現圍巖變形超限的情況，取得了良好的效果。解決了中老鐵路難點工程工期問題，降低了施工成本，保證了作業安全，為中老鐵路順利實施提供了可靠的保障。經綜合分析和實踐證明，通過優化隧道開挖輪廓斷面，合理預留變形量，加強初期支護措施，優化開挖工法，嚴格施工工序管控，能有效遏制隧道軟巖大變形。其中隧道輪廓斷面優化控制變形效果顯著，值得進一步研究和推廣。