閆紅江，劉成禹，鄧志剛，羅洪林

(1.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 533307；2.福州大學(xué)，福建 福州 350108)

隨著我國(guó)鐵路、公路建設(shè)的深入推進(jìn)，在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地應(yīng)力高、圍巖軟弱的地區(qū)建設(shè)長(zhǎng)大隧道已不可避免[1-3]。在高地應(yīng)力軟弱圍巖地區(qū)修建隧道，往往會(huì)出現(xiàn)圍巖大變形問題。圍巖大變形控制已成為高地應(yīng)力、軟弱圍巖地區(qū)隧道建設(shè)面臨的最大技術(shù)難題。為此，各國(guó)學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形控制問題進(jìn)行了大量研究，并在支護(hù)設(shè)計(jì)和施工控制方面取得了豐碩的成果[4-6]。然而，目前對(duì)高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形控制的研究，主要集中在圍巖的大變形機(jī)制和施工措施等方面[7-12]，針對(duì)隧道初期支護(hù)大變形力學(xué)機(jī)制的研究鮮見報(bào)道。

隧道工程中，初期支護(hù)與圍巖密貼，圍巖大變形必然反映在初期支護(hù)上，初期支護(hù)的變形是圍巖變形的具體反映。此外，初期支護(hù)還是控制圍巖大變形的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)的變形及穩(wěn)定情況直接反映了大變形的控制效果。因此，對(duì)大變形隧道初期支護(hù)的變形、破壞特點(diǎn)、發(fā)展過(guò)程及其力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)大變形隧道的設(shè)計(jì)、施工具有重要意義。

本文以地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地應(yīng)力高、圍巖軟弱破碎的麗江至香格里拉鐵路中義隧道為工程背景，在初期支護(hù)變形、破壞過(guò)程深入觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)大變形隧道初期支護(hù)的變形、破壞特點(diǎn)，發(fā)展過(guò)程及其力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，以期對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道的設(shè)計(jì)、施工有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程概述

麗江—香格里拉鐵路中義隧道位于云南省麗江市玉龍納西族自治縣境內(nèi)，為單線鐵路隧道，全長(zhǎng)14 755 m，最大埋深1 240 m，屬Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，是麗江—香格里拉鐵路的重要控制工程。隧道2014年12月20日開工建設(shè)，從2016年年初開始，隧道進(jìn)出口和橫洞工區(qū)相續(xù)出現(xiàn)隧道大變形，最大日均變形量達(dá)34 mm，最大累計(jì)變形量達(dá)1 000 mm以上，給隧道施工進(jìn)度和安全造成了極大影響。

1.2 地質(zhì)條件

麗江—香格里拉鐵路中義隧道地處歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞、匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇斷塊的西部邊界斷裂帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。受大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈擠壓，隧址區(qū)構(gòu)造應(yīng)力大。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：隧址區(qū)地應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力，地應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平方向，且與隧道軸線接近垂直；最大水平主應(yīng)力與豎向地應(yīng)力之比的平均值為1.2，最大為1.9；實(shí)測(cè)地應(yīng)力最大值為25.09 MPa。

隧道大變形區(qū)段地層以凝灰?guī)r、片理化玄武巖為主。片理化玄武巖呈層狀、片狀互層，基本為層狀碎裂結(jié)構(gòu)，層厚1 cm～10 cm；凝灰?guī)r呈團(tuán)塊狀，裂隙發(fā)育、軟硬不均，層間擠壓變質(zhì)作用強(qiáng)烈，綠泥石、絹云母等手摸有滑膩感的軟弱夾層發(fā)育，如圖1所示。

圖1 圍巖及層間綠泥石

1.3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

中義隧道為單線鐵路隧道，斷面近似橢圓形，高跨比約1.2，邊墻曲率小于拱頂，不利于對(duì)邊墻圍巖的水平收斂控制。

中義隧道大變形嚴(yán)重的區(qū)段大多采用ⅡA型襯砌斷面(如圖2所示)，斷面形狀近似橢圓，長(zhǎng)軸長(zhǎng)1 055 cm，短軸長(zhǎng)891 cm；初期支護(hù)采用厚27 cm的C25噴射混凝土，系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)6.5 m，縱、橫向間距均為1 m，全環(huán)設(shè)置I20b工字鋼拱架，間距0.5 m～0.8 m，預(yù)留變形量40 cm。

2 初期支護(hù)變形、破壞特點(diǎn)

2.1 初期支護(hù)變形特點(diǎn)

隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)中，在設(shè)置初期支護(hù)的區(qū)段，測(cè)點(diǎn)是直接布置在初期支護(hù)上的。因此，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果可反映初期支護(hù)的變形。

圖2 ⅡA型襯砌斷面圖(單位：cm)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：大變形區(qū)段，初期支護(hù)均具有水平收斂變形大于拱頂下沉，邊墻收斂變形大于拱腰的特點(diǎn)。其中，邊墻累計(jì)水平收斂變形是拱頂累計(jì)下沉的3倍～6倍，是拱腰累計(jì)水平收斂變形的2倍～3倍。

圖3、圖4為兩個(gè)大變形程度不同的典型斷面，其中DK39+710斷面變形相對(duì)較小， DK42+730斷面變形較大，這兩個(gè)斷面換拱前初期支護(hù)的變形歷時(shí)曲線如圖3、圖4所示。

圖3 DK42+710斷面初期支護(hù)變形歷時(shí)曲線

圖4 DK42+730斷面初期支護(hù)變形歷時(shí)曲線

由圖3、圖4可看出：初期支護(hù)變形均呈現(xiàn)出邊墻水平收斂變形大于拱腰，拱腰水平收斂變形大于拱頂下沉的特點(diǎn)。

2.2 初期支護(hù)破壞特點(diǎn)

中義隧道大變形區(qū)段初期支護(hù)的變形、破壞特征具有相似性。主要表現(xiàn)在：

(1) 在空間上，初期支護(hù)的變形破壞主要發(fā)生在拱頂、邊墻。破壞形式主要有拱頂噴射混凝土剝落、掉塊，邊墻拱架壓曲外鼓、噴射混凝土縱向開裂等。

(2) 在時(shí)間上，初期支護(hù)變形、破壞的歷程一般表現(xiàn)為：初期支護(hù)先發(fā)生整體收斂變形，隨著收斂變形的逐漸增大，初期支護(hù)邊墻段由向圍巖的外凸?fàn)顟B(tài)逐漸變成直立狀態(tài)，隨后向臨空面外鼓；在邊墻外鼓過(guò)程中，噴射混凝土逐漸出現(xiàn)外寬內(nèi)窄的縱向裂紋。

圖5為DK42+790斷面初期支護(hù)的變形、破壞歷程。圖5(a)為該斷面2018年9月26日的圖片，當(dāng)天測(cè)得的邊墻累計(jì)收斂變形為450.9 mm，由圖中可看出，初期支護(hù)邊墻段已由拱架架設(shè)之初的向圍巖外凸變?yōu)橹绷?；圖5(b)為該斷面2018年9月28日的圖片，當(dāng)天測(cè)得的邊墻累計(jì)收斂變形為531.8 mm，由圖中可看出，邊墻段已外鼓，噴射混凝土出現(xiàn)縱向裂紋；圖5(c)為該斷面2018年9月29日的圖片，當(dāng)天測(cè)得的邊墻累計(jì)收斂變形為577.0 mm，由圖中可看出，拱頂出現(xiàn)嚴(yán)重的噴射混凝土剝落、掉塊現(xiàn)象；圖5(d)為該斷面2018年10月7日的圖片，當(dāng)天測(cè)得的邊墻累計(jì)收斂變形為772.2 mm，邊墻拱架已出現(xiàn)明顯的壓屈、外鼓現(xiàn)象。

圖5 DK42+790斷面初期支護(hù)變形、破壞歷程

3 初期支護(hù)變形、破壞的力學(xué)機(jī)制

3.1 初期支護(hù)與圍巖間擠壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為深入研究中義隧道大變形區(qū)段隧道初期支護(hù)的變形破壞規(guī)律，本文除收集初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)的資料外，還采用新型方法對(duì)初期支護(hù)所受圍巖應(yīng)力的相對(duì)大小進(jìn)行了監(jiān)測(cè)(該方法已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利)。該方法基于巖石和混凝土在受載、變形過(guò)程中會(huì)向外釋放電磁輻射，電磁輻射強(qiáng)度與巖體和混凝土受載程度呈正相關(guān)關(guān)系的特性[13-14](即：荷載越大，電磁輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，反之亦然)，采用便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)圍巖和初期支護(hù)間因相互擠壓而產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度，以此來(lái)間接反映初期支護(hù)所受圍巖壓力的相對(duì)大小。與傳統(tǒng)方法相比，該方法雖然不能測(cè)得圍巖壓力的絕對(duì)大小，但可根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析圍巖壓力的相對(duì)大小，測(cè)試成本低，可大范圍采用。

為便于與初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)應(yīng)分析，電磁輻射監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布置與初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)的對(duì)應(yīng)，分別設(shè)置拱頂、拱腰和邊墻測(cè)點(diǎn)。

3.2 初期支護(hù)受力特點(diǎn)

為探究初期支護(hù)的受力特點(diǎn)，并驗(yàn)證電磁輻射監(jiān)測(cè)初期支護(hù)所受圍巖壓力相對(duì)大小方法的可行性。選取兩個(gè)初期支護(hù)未破壞的區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 DK39+870—DK39+800段

圖7 DK42+620—DK42+720段

由圖6、圖7可看出：

(1) 初期支護(hù)各監(jiān)測(cè)斷面的電磁輻射強(qiáng)度在空間上總體呈現(xiàn)出邊墻最大、拱頂次之、拱腰最小的特點(diǎn)。這與DK41+900斷面采用土壓力盒測(cè)得的圍巖壓力分布規(guī)律(見圖8)是一致的[15]。這也說(shuō)明，采用便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行初期支護(hù)所受圍巖壓力相對(duì)大小的監(jiān)測(cè)是可行的。

(2) 初期支護(hù)未破壞區(qū)段的各監(jiān)測(cè)斷面，圍巖壓力均具有邊墻最大、拱頂次之、拱腰較小的分布特點(diǎn)，這與初期支護(hù)的變形特點(diǎn)是一致的。

圖8 DK41+990斷面圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位：kPa)

3.3 初期支護(hù)變形、破壞過(guò)程

結(jié)合前文的分析結(jié)果可知，中義隧道大變形區(qū)段，初期支護(hù)的邊墻段既是受力最大的部位，又是收斂變形最大的部位，它是初期支護(hù)變形控制的關(guān)鍵部位。因此，對(duì)初期支護(hù)大變形力學(xué)機(jī)制的研究應(yīng)該以邊墻為重點(diǎn)。

為深入探究中義隧道初期支護(hù)大變形的力學(xué)機(jī)制，闡明初期支護(hù)的變形、破壞過(guò)程。本文選取了兩個(gè)地質(zhì)條件相似，支護(hù)結(jié)構(gòu)類型、施工工藝相同的區(qū)段(保證初期支護(hù)受力和變形在縱向具備連續(xù)性，電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果在縱向也具備可比性)，結(jié)合電磁輻射監(jiān)測(cè)和隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)初期支護(hù)的變形、破壞過(guò)程進(jìn)行深入分析。監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 DK49+675—DK49+630段

由圖9可看出：

(1) 邊墻收斂變形最大的DK49+655斷面與臨近斷面相比，邊墻所受圍巖壓力不是最大，但拱頂所受圍巖壓力最大。與邊墻收斂變形最大斷面(DK49+655)臨近的DK49+650斷面，邊墻所受圍巖壓力最大，但拱頂圍巖壓力不是最大。

(2) 邊墻收斂變形小于400 mm前，邊墻所受圍巖壓力隨收斂變形的增大而增加；大于400 mm后，隨著邊墻收斂變形的增大，邊墻所受圍巖壓力不升反降。

由圖10可看出：

(1) 邊墻收斂變形小于460 mm前，邊墻所受圍巖壓力隨變形增大而增加；大于460 mm后，邊墻所受圍巖壓力隨變形的增大不升反降；邊墻收斂變形等于460 mm時(shí)圍巖壓力最大。

(2) 除仰拱開挖(使底板應(yīng)力釋放)段外，邊墻水平收斂變形大于460 mm的區(qū)段，拱頂圍巖壓力均很高。

圖10 DK42+620—DK42+695段

綜合初期支護(hù)變形及受力特點(diǎn)，以及初期支護(hù)的變形、破壞過(guò)程可看出：當(dāng)邊墻收斂變形較小時(shí)，邊墻所受圍巖壓力隨變形增大而增加，邊墻收斂變形增大到一定值以后，所受圍巖壓力隨變形的增大不升反降，但拱頂圍巖壓力很高。

大變形區(qū)段初期支護(hù)出現(xiàn)上述受力、變形特點(diǎn)，究其原因，主要是因?yàn)椋?/p>

(1) 邊墻收斂變形較小時(shí)，初期支護(hù)邊墻段受力以圍巖的水平擠壓為主，變形以向臨空面的彎曲變形為主；隨著收斂變形增大，初期支護(hù)邊墻的曲率減小，初期支護(hù)擠壓拱頂圍巖(見圖11)，從而使邊墻處拱架所受軸力隨收斂變形的增加而增大。

(2) 當(dāng)邊墻收斂變形超過(guò)一定數(shù)值后，在水平圍巖壓力和豎向壓力的壓彎共同作用下出現(xiàn)壓屈外鼓，從而表現(xiàn)出收斂變形急劇增加的特點(diǎn)。在此過(guò)程中，由于邊墻的收斂變形速率超過(guò)圍巖的變形速率，所以表現(xiàn)出邊墻所受圍巖應(yīng)力隨變形的增加不升反降的現(xiàn)象。

圖11 初期支護(hù)收斂變形機(jī)制簡(jiǎn)圖

基于上述初期支護(hù)變形、破壞過(guò)程的測(cè)試、分析，可將中義隧道大變形最嚴(yán)重的邊墻段初期支護(hù)變形、破壞發(fā)展過(guò)程分為下列兩個(gè)階段：

第1階段：邊墻收斂變形小于400 mm～460 mm以前，邊墻受力以圍巖的水平擠壓應(yīng)力為主，變形以水平向圍巖壓力作用下的彎曲變形為主。

第2階段：邊墻收斂變形大于400 mm～460 mm以后，邊墻受力以豎向壓力為主，變形以壓彎共同作用下的壓彎屈服破壞為主。

3.4 初期支護(hù)變形破壞的簡(jiǎn)化力學(xué)模型

通過(guò)上述隧道初期支護(hù)變形、破壞過(guò)程的力學(xué)分析，可將邊墻初期支護(hù)變形、破壞的過(guò)程按其發(fā)展的力學(xué)機(jī)制分為2個(gè)階段，簡(jiǎn)化的力學(xué)模型如圖12所示。

圖12 邊墻段初期支護(hù)變形-破壞力學(xué)模型

第一階段——水平擠壓彎曲變形階段，如圖12中的第一階段。該階段邊墻所受軸力較小，且軸力在邊墻上產(chǎn)生的彎矩與圍巖壓力產(chǎn)生的彎矩相反，軸力對(duì)初期支護(hù)的變形控制有利。因此，邊墻初期支護(hù)的受力模型可偏于保守地簡(jiǎn)化為：邊墻拱架在圍巖壓力的水平擠壓下，向臨空面發(fā)生彎曲變形。該階段下，邊墻跨中部位由于圍巖水平擠壓而產(chǎn)生的最大單側(cè)收斂變形可簡(jiǎn)化計(jì)算如下：

(1)

式中：Δ為邊墻跨中部位的單側(cè)收斂變形；q為水平向圍巖應(yīng)力；L為拱架的豎向跨度；EI為初期支護(hù)抗彎剛度。

第二階段——彎曲壓桿壓彎失穩(wěn)階段，如圖12中第二階段。該階段邊墻所受軸力和水平向圍巖應(yīng)力均很大，且因邊墻向外彎曲，軸力除在邊墻上產(chǎn)生軸向壓力外，還產(chǎn)生不利彎矩，轉(zhuǎn)化為不利荷載。因此，該階段邊墻初期支護(hù)的受力模型可簡(jiǎn)化為：發(fā)生向外彎曲的初期支護(hù)在較大的豎向力作用下壓彎組合失穩(wěn)。該階段邊墻初期支護(hù)臨界失穩(wěn)軸力可簡(jiǎn)化計(jì)算如下：

(2)

式中：Tcr為初期支護(hù)壓彎失穩(wěn)軸力臨界值；a為考慮水平向圍巖應(yīng)力(q)不利作用的折減系數(shù)(a< 1，q越大a越小)；L為拱架的豎向跨度；EI為拱架抗彎剛度。

4 初期支護(hù)大變形控制措施

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果均表明：中義隧道大變形嚴(yán)重區(qū)段，初期支護(hù)的邊墻段既是受力最大的部位，又是收斂變形最大的部位，同時(shí)也是變形、破壞最嚴(yán)重的部位，它是初期支護(hù)變形控制的關(guān)鍵部位。因此，應(yīng)將初期支護(hù)的邊墻段作為大變形控制的重點(diǎn)。從上述初期支護(hù)邊墻段變形、破壞發(fā)展的簡(jiǎn)化力學(xué)模型可看出：

(1) 在初期支護(hù)邊墻變形的第一階段(水平擠壓彎曲階段)，影響初期支護(hù)彎曲變形的主要因素包括：初期支護(hù)剛度、拱架豎向跨度、水平向圍巖擠壓應(yīng)力。

(2) 在初期支護(hù)變形、破壞的第二階段(彎曲壓桿壓彎失穩(wěn)階段)，影響初期支護(hù)壓彎失穩(wěn)的主要因素包括：豎向力大小(拱頂豎向圍巖壓力)、拱架豎向跨度、初期支護(hù)剛度以及最大彎曲變形Δ。

根據(jù)上述分析結(jié)果，針對(duì)初期支護(hù)變形、破壞的主要影響因素，提出以下控制大變形的措施：

(1) 采取有效措施釋放初期支護(hù)受力、變形最大部位-邊墻段的圍巖壓力(式(1)中q)。

(2) 邊墻段適當(dāng)增加系統(tǒng)錨桿，提高圍巖自穩(wěn)能力，減小圍巖變形及其對(duì)初期支護(hù)的水平向圍巖壓力(式(1)中q)。

(3) 邊墻段增加鎖腳錨桿(管)，減小邊墻段拱架的豎向跨度(式(1)、式(2)中的L)；適當(dāng)提高初期支護(hù)的抗彎剛度(式(1)、式(2)中的EI)，從而提高邊墻抵抗水平收斂變形和豎向壓屈失穩(wěn)的能力。

(4) 優(yōu)化施工工藝，合理預(yù)留變形量，減少圍巖擾動(dòng)次數(shù)和擾動(dòng)程度；合理預(yù)留變形量可減小圍巖與初期支護(hù)的擠壓作用，延緩初期支護(hù)進(jìn)入壓彎失穩(wěn)(第二階段)的時(shí)間；采用上下臺(tái)階、下臺(tái)階帶仰拱一次開挖等開挖方式，可減少圍巖擾動(dòng)次數(shù)，減少拱架的受力薄弱環(huán)節(jié)(拱架聯(lián)結(jié)部位)。

(5) 優(yōu)化施工組織，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員組織管理；對(duì)上、下臺(tái)階，仰拱等工序，在時(shí)間、空間上進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步有序作業(yè)和平行交叉作業(yè)，確保初期支護(hù)盡早成環(huán)，減小初期支護(hù)成環(huán)前的拱架彎曲變形，防止初期支護(hù)進(jìn)入壓彎失穩(wěn)階段。

5 結(jié) 論

(1) 麗江—香格里拉鐵路中義隧道隧址區(qū)地應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平方向，且與隧道軸線垂直。此類地質(zhì)條件下，隧道初期支護(hù)表現(xiàn)出水平收斂大于拱頂下沉的特點(diǎn)，初期支護(hù)的破壞形式以拱頂噴射混凝土剝落、掉塊，邊墻拱架壓曲外鼓、噴射混凝土縱向開裂等為主。此種工程條件下，初期支護(hù)的邊墻段既是受力最大的部位，又是收斂變形最大的部位，應(yīng)將其作為初期支護(hù)變形控制的重點(diǎn)部位。

(2) 中義隧道發(fā)生大變形的區(qū)段，初期支護(hù)邊墻段的變形、破壞發(fā)展可分為兩個(gè)階段：

① 第1階段：邊墻收斂變形小于400 mm～460 mm以前，邊墻受力以圍巖的水平擠壓為主，變形以水平向圍巖壓力作用下的彎曲變形為主。

② 第2階段：邊墻收斂變形大于400 mm～460 mm以后，邊墻受力以豎向壓力為主，變形以壓彎共同作用下的屈服為主。

(3) 為提高初期支護(hù)的穩(wěn)定性，可采取下列措施：釋放邊墻段圍巖壓力，邊墻段增加鎖腳錨桿(管)并適當(dāng)增加系統(tǒng)錨桿；適當(dāng)提高初期支護(hù)的抗彎剛度；合理預(yù)留變形量。