玉磨鐵路景寨隧道軟巖大變形控制方案研究

張金龍 馬偉斌 郭小雄 鄒文浩

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑硏究所，北京 100081）

隨著經濟高速發展及鐵路建設向中西部傾斜，鐵路隧道向長、大、深方向發展。川藏鐵路長大隧道多，軟巖段落長、地應力高，其軟巖大變形問題較以往鐵路更為突出。軟巖大變形嚴重影響隧道施工安全、工期、成本等，已成為我國隧道建設的重大難題。

國內外隧道工作者圍繞高地應力軟巖隧道變形控制作了大量研究和實踐，總結出應力釋放、斷面優化、強支護、多層支護等方法并在特定隧道中成功應用。毛羽山鐵路隧道采用超前導洞釋放地應力［1］，茂縣鐵路隧道在中等及嚴重大變形段采用圓形斷面［2］。烏鞘嶺鐵路隧道斷層帶初期支護采用鋼筋網噴射混凝土，厚度達45 cm［3］。東馬場1 號公路隧道使用雙層支護［4］，木寨嶺鐵路隧道使用三層支護［5］。法國里昂-都靈隧道采用可伸縮鋼架和高度可變形的混凝土構件組成的支護系統。成蘭鐵路采用了“加深地質、主動控制、強化錨桿、工法配合、優化工藝”的變形控制技術［6］。

本文以玉磨鐵路景寨隧道為依托，利用離散元分析軟件對原設計方案進行數值模擬，進而提出優化方案。通過現場監測驗證優化方案的支護效果，分析其變形控制機理。

1 工程概況

新建玉溪至磨憨鐵路位于云南省南部，北起昆玉鐵路玉溪西站，途經玉溪市、普洱市、西雙版納傣族自治州，經磨憨口岸至中（國）老（撾）邊境。景寨隧道為新建玉溪至磨憨鐵路站前工程19 標段重點控制性工程，長7 244 m。隧道開挖揭示圍巖巖性為泥巖、頁巖夾泥巖、板巖等軟巖，節理裂隙發育，易崩解軟化，呈薄層狀，膠結性差，產狀與隧道軸線小角度相交，巖層陡傾。隧道處于曼么小寨-加布拖斷層破碎帶影響范圍內，斷層破碎帶寬約20 m，碎裂蝕變強烈，斷層大角度斜交線路，嚴重影響施工。

隧址區最大水平地應力為5.87～14.89 MPa，最小水平地應力為4.53～9.81 MPa，垂向地應力為4.27～14.10 MPa。部分區段強度應力比小于0.15，變形潛勢強烈，變形等級為三級。景寨隧道原設計采用Ⅴ級加強Ⅲ型襯砌，初期支護采用雙層支護，外層為HW175型鋼鋼架（全環），內層為I20b型鋼鋼架（拱墻），鋼架交錯布置，縱向間距0.8 m。初期支護采用φ8 鋼筋網及C25 噴射混凝土。系統錨桿與巖面大角度相交，間距為1.0 m（環向）× 0.8 m（縱向），呈梅花形布置，適當加長加密隧道右側拱墻處錨桿。按原設計施工后初期支護變形超過預留變形量，需拆換初期支護。

2 隧道變形破壞特征

景寨隧道大變形具有以下特征：①初期變形速率快，壓力增長快。開挖完即發生較大變形，變形速率達20 cm/d。②變形持續時間長。仰拱封閉成環后變形速率仍大于5 mm/d，難以施作二次襯砌。③累計變形大。施工期發生了顯著塑性變形，最大累計變形超過180 cm。④變形不對稱，圍巖變形以水平收斂為主，且右側變形遠大于左側。⑤變形破壞形式多樣。隧道拱頂及右拱肩出現圍巖溜塌、噴射混凝土開裂剝落、鋼架扭曲等變形破壞現象，嚴重威脅著隧道施工。

3 原設計方案的數值模擬

3DEC（3 Dimension Distinct Element Code）軟件采用非連續介質力學方法，充分考慮了巖塊與結構面2 個要素，對于模擬薄層狀圍巖具有顯著優勢。離散元模型尺寸為60 m（長）×60 m（寬）×32 m（高），底部施加位移約束，側面施加應力約束。巖塊采用摩爾-庫倫塑性本構模型。節理由1 組平行的優勢節理（走向與隧道同向，傾角60°）+離散裂隙網絡構成，采用接觸-庫倫滑移本構模型。噴射混凝土、鋼筋網及鋼拱架考慮等效彈性模量后采用liner 單元模擬。為簡化數值模擬，隧道采用全斷面開挖。圍巖及初期支護主要參數分別見表1、表2。

表1 圍巖力學參數

表2 初期支護參數

景寨隧道圍巖位移和塑性區分布分別見圖1、圖2。

圖1 原設計方案圍巖位移分布（單位：m）

圖2 原設計方案圍巖塑性區分布

由圖1 可知：①隧道產生彎曲變形及塊體滑移變形，以彎曲變形為主；右拱肩離層發育，向外延深7.5 m左右，隧道滑移破壞致使右邊墻至拱頂范圍塊體剝落；②變形具有非對稱性，右側變形遠大于左側，水平收斂顯著，最大位移大于1 m（發生在右拱肩處）。

由圖2可見：①圍巖以受剪為主，右拱肩附近亦受拉；②隨計算步數增加，右拱肩塑性區主要沿節理面法向發展，左拱肩、左拱腰和右邊墻塑性區沿節理面方向發展，整體呈十字交叉分布；③塑性區最大深度約1倍洞徑，超出了系統錨桿作用范圍。

綜合圖1 和圖2，淺層圍巖基本喪失自穩能力，塑性區持續向深層發展，支護時需及時保護和加固圍巖，提高圍巖的承載能力。

4 優化方案及其控制圍巖變形的效果

4.1 優化方案

根據隧道變形破壞特征和原方案數值模擬結果，從五個方面對原支護設計方案進行了優化：

1）施作徑向高預應力錨索及注漿

“噴射混凝土+砂漿錨桿+鋼架”組成的初期支護及二次襯砌通常不能直接改變圍巖性質，在開挖初期圍巖變形后才起作用，即使加強支護參數也難以遏制大變形趨勢。預應力錨桿（索）、注漿等則可以及時主動對圍巖施加較大支護力，加固圍巖，從而改善其物理力學性質及受力狀態，協助圍巖發揮自承能力。

主動支護關鍵在于確定錨桿（索）類型和支護參數。前期試驗表明，預應力系統錨桿和超前預應力錨索應用于此隧道存在錨固力不足、施工空間有限、施工時間過長等問題，對變形的控制效果不理想，因此采用徑向高預應力錨索支護。其施工要點為：①先施作短錨索加固淺層圍巖，后施作長錨索盡可能錨入彈性區，將淺層圍巖“懸吊”于深層穩定圍巖上；②對錨索施加350 kN 預應力，長短錨索組合形成群錨效應；③非對稱布置，加強圍巖薄弱部位的支護，以拱頂為分界線，右側長錨索環向間距為1 m，左側環向間距為2 m，見圖3；④錨端采用樹脂卷錨固劑錨固后立刻張拉盡快承載。

圖3 徑向高預應力錨索支護示意

注漿加固地層，在拱墻預埋φ42鋼花管，長度3.5 m，間距1.2 m（環向）×1.0 m（縱向），呈梅花形布置，初期支護施工后使用高壓水泥漿迅速凝固松散圍巖，填充圍巖裂隙。

2）優化斷面

由于該隧道水平收斂較大，應調整邊墻和仰拱的曲率，增大支護水平剛度，更好地控制水平收斂。優化方案采用更接近圓形的隧道斷面。

3）快挖快支快封閉

下臺階與仰拱一次性開挖，緊跟著施作拱墻初期支護，滯后下臺階2～3個開挖循環距離。仰拱初期支護封閉成環位置距掌子面不超過20 m，封閉時間不超過7～10 d，做到快挖、快支、快速封閉成環。

4）少爆破開挖

圍巖條件允許時應使用銑挖機開挖。困難條件下上臺階可局部爆破，嚴禁中、下臺階爆破，避免劇烈震動造成塑性區擴大。

5）改良鋼架

原方案使用雙層HW175型鋼鋼架“強支硬頂”，導致鋼架過早受到較大荷載而扭曲破壞。優化方案基于變形協調及釋能讓壓理念，在鋼架外側焊接一圈由延性較好的Q235鋼筋加工而成的8字形格柵，利用格柵鋼筋的柔性實現邊支邊讓。

4.2 優化方案控制圍巖變形的效果

4.2.1 數值模擬

建立離散元模型對優化方案進行數值模擬。錨索支護包括11.3 m長錨索、5.3 m短錨索及墊板，采用cable 單元模擬。錨端采用樹脂卷錨固，施加350 kN預應力。注漿用提高圍巖材料參數來實現。優化方案圍巖位移和圍巖塑性區分布分別見圖4、圖5。

由圖4 和圖5 可知：①優化方案的變形控制效果顯著。隧道變形雖仍具有非對稱特征，但各部位位移減小，最大位移54.4 cm（發生在右拱肩處），約為原方案的51.07%；②優化方案可有效抑制塑性區發展。垂直于節理面方向塑性區范圍減小了約1/3，沿節理面方向塑性區幾乎未向深處發展。淺層圍巖多受剪和受拉屈服，深層圍巖幾乎沒有屈服或應力重分布后迅速恢復到未屈服狀態。

圖4 優化方案圍巖位移分布（單位：m）

圖5 優化方案圍巖塑性區分布

4.2.2 現場變形監測

2020年7月—10月在景寨隧道1#斜井支洞采用了優化方案施工，并進行了變形監測。在拱頂布置了沉降測點，在左右拱肩和邊墻布置了水平收斂測點。

DK409+372 斷面變形監測結果見圖6。可知：①開挖后圍巖變形迅速增長，10 d 時拱頂沉降和左右拱肩水平收斂已超過最終變形的60%，25 d 后變形基本不再發展；②隧道變形非對稱，右邊墻到拱頂范圍內變形顯著，其中右拱肩水平收斂最大，拱頂沉降次之，左拱肩與右邊墻水平收斂相當，左邊墻水平收斂最小；③隧道最大變形為50.1 cm，滿足預留變形量要求。現場監測數據與數值模擬結果吻合較好，說明優化方案對景寨隧道軟巖大變形的控制效果良好。

圖6 DK409+372斷面變形監測結果

5 變形控制機理分析

①預應力錨索注漿支護可充分發揮和提高圍巖承載力。預應力錨索可以及時、主動對圍巖施加高支護力，發揮“壓縮拱”、“組合梁”作用，協調各薄層圍巖共同承載；預應力恢復了圍巖臨空面的法向應力，使洞壁處圍巖的受力狀態由二向轉變為三向，使圍巖抵抗變形能力增強；注漿可加固破碎區，促進圍巖形成承載加固圈。②爆破開挖會顯著改變原巖應力，促進節理孕育和擴展。實行大型機械化作業，少爆破、快挖、快支護、快封閉，可減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，避免圍巖因持續劣化喪失承載力。③通過斷面優化和鋼架改良，使結構更適應圍巖變形和地應力特性，改善結構受力狀態，提高其抵抗和控制變形的能力。

綜合以上分析，優化方案通過多種手段充分保護和提高了圍巖承載力，發揮圍巖在變形控制中的主體作用，有效控制住景寨隧道軟巖大變形。

6 結論

1）景寨隧道大變形是高地應力及薄層狀軟巖共同引起的復合型非對稱大變形。

2）預應力錨索及注漿為主的優化方案有效加固了圍巖，提高錨固區圍巖承載力，促使支護和圍巖協調變形、共同承力，對景寨隧道大變形控制效果顯著。

3）主動支護關鍵在于合理的錨桿（索）選型及先短后長的施工順序、密實的注漿加固以及對變形破壞薄弱區的強化支護。

4）軟巖大變形隧道宜采用短臺階、少爆破、高度機械化施工，實現快挖、快支、快封閉以控制變形。