中老鐵路沙嫩山隧道大變形區段松動圈發展規律及控制技術

劉千里 王永順 王建軍 譚忠盛

1.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024；2.中國鐵路國際有限公司老中鐵路有限公司，老撾萬象；3.北京交通大學土木與建筑工程學院，北京 100044

復雜地質環境隧道大變形一直是地下工程建設面臨的難題，特別是隧道穿越埋深大、地應力高、地質構造運動強烈區域時，大變形隧道圍巖變形及支護結構破壞愈發嚴重。采取有效大變形控制措施，對隧道安全高效施工至關重要。隧道開挖后，原巖應力迅速調整，圍巖應力集中及強度劣化也會加劇，從而形成沿隧道開挖面的環狀破碎帶，稱之為隧道松動圈［1-2］。因此，可根據隧道松動圈范圍來評價隧道圍巖穩定性，同時可將隧道松動圈范圍作為隧道支護結構參數設計及施工工藝選擇的重要依據。

國內外對于松動圈的理論研究和現場測試較多。國外主要有拉巴斯基于塑性介質學說提出的松動裂隙理論、Dube A K的破碎區理論和Shemyakin E I的不連續理論［3］。

國內，董方庭等［4］通過研究開挖后巖體狀態，提出了圍巖松動圈支護理論。王睿等［5］根據圍巖松動圈理論，采用統一強度準則，并考慮中間主應力的影響，給出適用于軟巖大變形隧道圍巖松動圈的計算公式。沈才華等［6］考慮不同應力狀態下圍巖損傷擴容特征，提出了基于分層總和理論的松動圈位移計算方法。趙海斌等［7］探討了聲波法在松動圈測試中應用的可行性。龔建伍等［8］采用聲波法與多點位移計法對隧道松動圈進行了測試分析，獲得了隧道松動圈的分布情況，驗證了隧道錨桿設計支護參數的合理性。徐坤等［9］采用聲波法與地質雷達法對蘭新鐵路大梁山隧道圍巖松動圈的深度進行了測試。劉永勝等［10］采用聲波法和鉆孔窺視法對多次爆破作用下大跨度洞室圍巖累積損傷及松動圈發展規律進行了研究。夏舞陽等［11］通過采用多點位移計法和地質雷達法對炭質千枚巖隧道松動圈范圍進行測試，分析不同施工條件下炭質千枚巖隧道圍巖松動圈分布特征。駱建軍等［12］針對碳化泥質板巖隧道變形大、鋼拱架破壞嚴重等問題，采用多點位移計法和聲波法對隧道松動圈范圍進行測試。

既有成果對于分析大變形隧道松動圈發展規律、支護結構設計具有重要意義，但對復雜地質環境，特別是對受多期次構造作用的地質縫合帶內大變形隧道變形特征及松動圈發展規律分析較少。本文以中老鐵路縫合帶內大變形隧道為工程依托，通過對隧道松動圈進行現場測試，分析圍巖及支護結構變形破壞特征，提出隧道大變形控制措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

中老鐵路從中老邊境磨丁出發，向南穿越老撾南塔、烏多姆塞、瑯勃拉邦，到達萬象，全線隧道75座。其中，由中國水利水電第三工程局承建的工程（Ⅳ標Ⅰ分部）起訖里程為DK179+520—DK225+080，全長45.56 km，此工程位于老撾瑯勃拉邦省。其中隧道長43.635 km，共計13.5座，占線路全長的95.8%；橋梁1.754 km，占線路全長的3.8%；其他部分為路基和涵洞，占線路全長的0.4%。

1.2 水文地質條件

沙嫩山隧道是中老鐵路控制性工程，隧道最大埋深200 m，全長2 090 m。出口690 m為雙線，其余為單線。隧址區屬于構造剝蝕高山地貌，發育有沙嫩山2#斷層和沙拉巴土斷層，地形起伏較大。該隧道處于瑯勃拉邦縫合帶內，穿越的地層主要為石炭系板巖夾砂巖、泥灰巖。受瑯勃拉邦縫合帶和區域斷裂構造帶雙重影響，巖層扭曲、翻轉，巖體松散破碎，具有層間滑脫、遇水軟化等特征。地表水為山間槽谷流水、楠名河水和大氣降水。地下水為第四系覆蓋層孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。

1.3 隧道支護設計參數

隧道采用新奧法施工，光面爆破。Ⅲ級圍巖全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖臺階法分部開挖，支護結構采用復合式襯砌。支護參數見表1。單、雙線隧道凈寬分別為8.34、13.73 m，凈高分別為10.01、11.24 m。

表1 單雙線隧道支護參數

1.4 變形情況

隧道施工過程中頻頻出現掌子面溜塌、初期支護坍塌破壞、拱架屈曲、邊墻噴射混凝土開裂、圍巖水平擠壓變形等現象，變形主要位于拱頂及拱腰。受巖層產狀、地下水等影響，圍巖自穩能力差。

2 現場測試

2.1 隧道松動圈范圍測試

2.1.1 測試方法的選擇

隧道松動圈范圍是地質條件、施工工藝及支護措施等因素的綜合體現，其值在一定程度上反映支護結構所受圍巖荷載高低，對錨桿施作深度、注漿加固范圍等具有指導作用。隧道松動圈范圍測試主要采用地質雷達法、多點位移計法和聲波法。根據各測試方法的特點（表2），現場采用聲波法對沙嫩山隧道不同里程段松動圈范圍進行測試。

表2 隧道松動圈范圍測試方法對比

2.1.2 測試步驟

①確定測試斷面位置與測孔方位；②將測桿送入鉆孔，檢測鉆孔深度、角度是否符合要求；③將測試探頭緩慢推至鉆孔底部，并向孔內注水，同時用橡膠氣囊封堵測孔口；④每次將測試探頭向外拔出0.5 m，待探測波的波速穩定后記錄數據；⑤重復步驟④，獲得全鉆孔波速傳播規律；⑥可重復步驟①—⑤，確保獲得的測孔波速數據可靠。

2.1.3 測試結果分析

巖體波速沿孔深變化曲線見圖1。可知，線路兩側測試的巖體波速均從孔口向孔底不斷增大，表明巖體完整性在逐步提高。單線段、雙線段隧道松動圈范圍分別為6.0～6.5 m、8.0～9.0 m，單線段隧道松動圈達到凈寬8.34 m的71.90%以上，雙線段隧道松動圈達到凈寬13.73 m的58.26%以上，說明隧道松動圈范圍大，圍巖破碎嚴重。

圖1 巖體波速沿孔深變化曲線

2.2 圍巖變形監測

在隧道單線段（DK210+024和DK210+029）、雙線段（DK211+402和DK211+407），各選取2個隧道斷面對圍巖變形進行監測，結果見圖2。

圖2 隧道圍巖變形和變形速率曲線

由圖2可知：單、雙線段隧道圍巖變形均以水平收斂為主，單線段圍巖最大水平收斂和拱頂沉降分別為44、27 cm；雙線段圍巖最大水平收斂和拱頂沉降分別為63、19 cm。上下臺階開挖過程中對隧道圍巖的擾動明顯，并且拱頂沉降速率的波動明顯小于水平收斂速率。

綜合來看，單、雙線段隧道圍巖變形具有初期變形速率高、變形量大以及持續時間長的特點，并且水平收斂顯著，這一特征也是造成隧道拱腰、邊墻支護結構率先破壞的主要原因。

3 隧道大變形控制措施

根據現場測試分析結果，從主動控制隧道變形出發，考慮注漿對圍巖力學性能的改善作用，制定以下變形控制措施：

1）加強掌子面超前支護。單線段采用雙層小導管，縱向間距1.2 m/環；雙線段采用壁厚5 mm的?60 mm熱軋鋼花管棚，管棚長度9 m，縱向間距6 m/環，搭接長度3 m。

2）提高初期支護剛度。雙線段可采用雙層縱向連接筋與初期支護拱架搭接，在上、中、下臺階拱架接頭處增設4根鎖腳錨管、布設臨時水平橫撐或三角橫撐（圖3）。

3）優化斷面結構形式。將單線段設計的馬蹄形斷面更改為近圓形斷面，以改善隧道側墻支護結構受力狀態。

4）施作錨桿和圍巖注漿。采取徑向圍巖注漿，注漿壓力1.0～1.5 MPa。單線段、雙線段注漿范圍分別不小于2.5、4.0 m；單線段、雙線段錨桿施作長度分別為不小于6 m和不小于8 m。考慮隧道圍巖注漿效果，錨桿施作長度取松動圈范圍測試結果的下限。

圖3 臨時支護結構

4 實施效果

工程現場在單線段DK210+024和DK210+029，雙線段DK211+402和DK211+407樁號處布置了監測斷面。采取控制措施前后4個斷面圍巖變形平均值見表3。

表3 4個斷面采取控制措施前后圍巖變形平均值 mm

由表3可知：單線段、雙線段4個斷面圍巖最大水平收斂平均值降幅分別為56.1%、54.0%，最大拱頂沉降的平均值降幅分別為53.5%、55.8%。這說明單、雙線段圍巖變形均得到有效控制。

5 結論

本文依托中老鐵路沙嫩山隧道，基于現場測試結果分析了單雙線隧道松動圈范圍、圍巖和支護結構變形破壞特征，提出大變形控制措施。得出結論如下：

1）初期支護變形破壞和掌子面溜塌嚴重，隧道變形量大、持續時間長以及初期變形速率高，圍巖變形以水平收斂為主。

2）單線段、雙線段隧道松動圈范圍分別為6.0～6.5、8.0～9.0 m，均達到隧道設計跨度的58%以上。

3）根據隧道圍巖變形破壞特征及隧道松動圈范圍測試結果提出加強掌子面超前支護、提高初期支護剛度、優化斷面結構形式、施作錨桿和圍巖注漿等綜合措施。經實施，單線段、雙線段4個監測斷面圍巖最大水平收斂的平均值分別減小56.1%、54.0%；最大拱頂沉降的平均值分別減小53.5%、55.8%。