高地應力軟巖大變形隧道內軌道工程接口設計探討

劉喆豐 田春香 李糧余 黎 旭

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

山區隧道埋深大、區域構造強烈、地質條件復雜，在建設和運營期間，時常發生由不良地質引起的隧底變形和無砟軌道上拱等問題[1]。本文以隧道軟巖大變形的機理為討論依據，著重分析軟巖大變形對隧道和軌道工程的影響，指出現行設計接口中存在的局限性，并提出相應的解決措施和建議。

1 軟巖大變形的定義

軟巖大變形是指在高地應力軟弱圍巖條件下，圍巖因緩慢釋放應變能造成沉降破壞并最終失穩的現象。它的破壞形式與巖爆現象形成的脆性破壞相反，是圍巖的柔性破壞。在高地應力等同的條件下，若圍巖發生脆性破壞，則基本上會導致巖爆現象的發生；若圍巖發生柔性破壞，則很大可能產生隧道大變形。一般情況下，巖爆對隧道工后變形影響較小，而發生柔性破壞的地段則可能出現工后持續變形的情況。

目前，國內外研究者對于軟巖和大變形的定義已有十余種，但尚未形成一套完整的體系，也未有一致和明確的定義[2]。何滿朝[3]教授認為大變形可分為彈性和塑性大變形，軟巖大變形是塑性大變形，與過程緊密相關。卞國忠[4]則從圍巖變形量上定義大變形，若隧道的圍巖變形量超過通常規定的2倍(即≥40 cm)，則認為變形為大變形，若圍巖變形量介于20～40 cm之間，可認為是正常變形至大變形的過渡階段。姜云等人[5]根據圍巖大變形產生的地質和環境條件變形的力學機制提出了圍巖大變形的全新定義:隧道及地下工程中，由軟弱巖體構成的圍巖，在高地應力(或相對高應力)、地下水或自身膨脹性能的作用下，其自身承載能力喪失或部分喪失，產生具有累積性和明顯時間效應的塑性變形且變形得不到有效約束的現象。它既區別于巖爆運動的脆性破壞，又區別于圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞。

2 軟巖大變形對隧道和軌道工程的影響分析

2.1 軟巖大變形對隧道工程的影響

(1)軟巖大變形地段隧道工后變形量難以量化

在大變形地質環境中往往存在高地應力、地下水、溫度等多場耦合作用，隧道圍巖不僅要承受自身的多場耦合作用，還要承受隧道開挖、支護過程中多次應力重分布的影響。在多種大變形影響因素的共同作用下，隧道開挖會引起軟弱破碎圍巖錯動、滑移，形成松動圈，巖體塑性化或吸水膨脹，即產生軟巖大變形。

根據現有施工經驗，施工中軟巖大變形地段局部具有地應力持續釋放、巖體緩慢變形的“流變”特征，工程界對上述“流變”發生機理尚無明確說法，也較難準確地判定“流變”發生段落及工后變形具體量值。因此，軟巖大變形的變形量在設計階段難以通過單一因素的影響來判斷和預測。

(2)軟巖大變形設計與施工揭示差異較大

設計階段軟巖大變形多采用地質調查法結合物探、鉆探等綜合手段進行預測，限于勘探手段和地質條件的復雜性，同時受施工中應力重分布的影響，設計階段難以十分準確地預測大變形的具體分布位置和等級。從現有的工程經驗分析，施工現場實際揭示的軟巖大變形發生段落、等級及特征與設計階段存在一定差異。

以某深埋鐵路隧道為例，該隧道在設計階段預測各級別軟巖大變形段落總長度為2.85 km，如表1所示；施工揭示軟巖大變形段落總長度為2.199 km，如表2所示。

表1 某鐵路隧道設計階段變形情況統計表

表2 某鐵路隧道施工階段變形情況統計表

從表1、表2中可以看出，輕微、中等和嚴重大變形的預測地段和施工揭示地段均存在一定差異。

2.2 軟巖大變形對軌道結構選型的影響

與路基、橋梁、樁板等地面建筑基礎不同，在目前的技術條件下，隧道軟巖大變形的段落、等級、工后變形量都難以準確預判，軌道結構選型因此缺少了相應的前置條件和設計依據。一般情況下，在變形不易控制的地段宜采用有砟軌道，但對于一些特殊地區(如高原、高寒地區)的超長隧道，無砟軌道顯然更有利于養護維修工作，但其調整能力有限[6](一般為-4mm～+26mm)，很難適應線下基礎較大或持續的變形。

3 現行隧道與軌道接口設計存在的局限性

由于軟巖大變形地段的不確定性因素較多，就目前實行的隧道、軌道接口設計方式而言，主要存在以下幾方面的局限性。

3.1 隧底變形監測與沉降評估的局限性

(1)隧道斷面觀測點不足

現行Q/CR 9230-2016《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規程》(以下簡稱“《規程》”)規定，隧道變形監測點設置于水溝中心和隧道仰拱(底板)兩側[7]，如圖1所示。

圖1 隧道觀測標施工期間埋設示意圖

但通過對一些隧底變形病害的觀測數據分析發現，一些隧道變形突出發生在軌行區，而仰拱或底板兩側的變形量很小，如圖2所示。

由此可見，在施工觀測期有必要增加軌行區的觀測點，并納入沉降評估工作中。

(2)監測點的布置密度不足

圖2 某隧道底鼓病害橫斷面監測情況柱狀圖

《規程》規定，Ⅱ級圍巖的監測點布置間距不大于600 m，Ⅲ級不大于400 m，Ⅳ級不大于300 m，Ⅴ級不大于200 m，不良地質和復雜地質地區(地應力較大、斷裂破碎帶、膨脹土、濕陷性黃土等)應當加密。近年來的隧道病害情況表明，單段病害工點長度范圍一般在30～80 m不等[8](如圖3所示)，因此，即便是Ⅴ級圍巖的布設間距要求也無法滿足，雖然《規程》要求在不良地質區域進行加密監測，但僅為定性要求，施工階段難以有效執行。另外，根據一些在建項目的沉降評估情況，隧道監測點過于稀疏還會導致評估數據擬合困難，無法準確判斷其趨勢[9]。

圖3 某隧道隧底變形縱斷面示意圖(變形長度范圍70 m)

(3)沉降評估的時間不足

《規程》要求隧道仰拱(底板)在鋪軌前的沉降評估時間不少于3個月[10]，但從近年運營期間發生的隧底變形病害案例分析，病害發現時間多在開通后 0.5～1 a左右，大部分變形速率約為0.5～1.5 mm/月，其中還存在部分月份無變化的情況。由此可見，3個月的沉降評估觀測時間較難準確判定隧道是否存在變形，因為月平均速率1 mm以內的變形往往需要長時間的數據積累來判斷趨勢變化，否則會被誤認為是測量誤差而被忽略。《規程》同時規定在無砟軌道鋪軌后應進行3個月的觀測，但在實際操作中，反映在軌道上的一些不平順問題常通過扣件調整、線路順坡的方式進行改善，真實的原因易被忽視或掩蓋。

3.2 隧道襯砌斷面設計缺少兼容性

現行通用圖中，有砟與無砟隧道襯砌斷面存在一定差異，有砟襯砌斷面仰拱曲率更大，圬工量更大；對于軌道的結構高度預留也有所不同，以有砟軌道與雙塊式無砟軌道為例，兩者結構高度相差25 cm，有砟軌道預留的高度更大。

鑒于軟巖大變形的特殊性，現行的一些設計原則在隧道斷面缺少兼容性的條件下執行較為困難。

以某高原鐵路項目中的一超長隧道情況為例，該隧道全長25 km，隧道洞口海拔高度約 3 500 m。根據地質預測，該隧道內大變形段落占比約41%，且分布較為零散，如圖4所示。單段長度100～1 720 m不等，各段之間間距100～1 900 m不等。若軌道結構按變形不易控制的地段采用有砟軌道的原則，則會出現同一隧道內有砟、無砟反復過渡的問題，不利于隧道排水和軌道養護維修；若按同一種軌道結構型式成段集中鋪設的原則，該隧道勢必以有砟軌道為主，則無法滿足高原、高寒地區長大隧道宜減少養護維修工作的要求；若全隧采用無砟軌道，則存在潛在變形不可調的風險。

圖4 某高原地區超長隧道內預測大變形段落分布情況圖(填充段為大變形段落)

若隧道襯砌斷面具備兼容有砟、無砟兩種軌道結構的功能，則類似工況下的軌道可通過隧道施工期間的實際揭示和沉降評估結果來綜合選取，以同一種軌道結構形式成段集中鋪設的原則，有效避免隧道、軌道各自在有砟、無砟兩種形式下反復過渡的問題。

4 隧軌接口優化設計的思路與建議

4.1 接口優化設計的思路

由于目前技術上無法在設計階段準確預判軟巖大變形段落的變形情況，因此建議隧道專業在設計階段可采用有砟襯砌斷面作為兼容性斷面，同時根據施工揭示情況和沉降評估結果動態設計，以綜合手段降低大變形工況下帶來的不確定風險。

設計階段，在全線按無砟軌道要求設計時，應根據地質預測，對存在嚴重大變形風險的隧道全隧采用有砟襯砌斷面。

施工階段，鋪軌前應根據隧底軌行區變形評估結論確定軌道類型。在不滿足無砟軌道鋪設要求的地段，應結合段落長度和養護維修需求確定有砟軌道鋪設范圍。接口設計思路如圖5所示。

圖5 接口設計思維導圖

4.2 隧道與軌道接口優化設計的建議

針對上述隧道與軌道接口設計存在的問題，結合軟巖大變形的特點，對隧道與軌道接口優化設計提出以下建議：

(1)加強和完善隧道內沉降評估工作

近年來，一些鐵路在運營后短期內即發現隧底變形病害，這與未加深沉降評估工作有著密切的關系，建議著重考慮以下幾個方面：

①增設隧道橫斷面上的觀測點，主要針對軌行區進行布點，以便掌握軌行區的變形情況。

②增加同一隧道內的觀測斷面，對于一些特殊隧道，布點距離宜加密至20～30 m。

③延長變形觀測的時間，有條件的線路可將觀測期延長至1 a，以便觀測變形受四季變化的影響。

(2)研究可兼容多種軌道結構形式的襯砌斷面

采用兼容性的斷面有利于隧道統一排水設計，同時也便于隧道與軌道專業實施動態設計，施工期間可根據隧道實際揭示情況、沉降評估指標等對應選擇軌道結構形式，而不引起斷面過渡和排水銜接等問題。

(3)加強特殊地質條件下的隧道仰拱設計

結合山區鐵路病害工點的整治經驗，建議在設計階段加強對軟巖大變形區段的隧道結構設計，選擇適合的支護參數，關鍵段落仰拱應配結構鋼筋，增加曲率，降低施工期間出現仰拱開裂等病害。

(4)研發不同調整量的新型軌道結構型式

針對軟巖大變形地段，西南山區或高原、高寒地區等的超長隧道與軌道應進行系統設計，針對線下基礎不同的變形量，應積極研發不同調整量的新型軌道結構型式，以滿足鐵路建設的需求。

5 結束語

雖然目前的理論研究和預測手段暫時無法準確預判軟巖大變形的具體量值，但通過設計中加強隧道結構設計、合理優化接口方式、提升隧道斷面的兼容性，施工中嚴格控制工程質量、高度重視并加深對軟巖大變形地段的觀測工作，鋪軌前認真做好對隧底基礎的變形評估工作，可有效降低和避免軟巖大變形對無砟軌道的影響，通過隧道和軌道系統、動態的設計滿足鐵路建設的需求。