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(xué)土木與建筑工程學(xué)院，北京 100044

復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境隧道大變形一直是地下工程建設(shè)面臨的難題，特別是隧道穿越埋深大、地應(yīng)力高、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域時(shí)，大變形隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞愈發(fā)嚴(yán)重。采取有效大變形控制措施，對隧道安全高效施工至關(guān)重要。隧道開挖后，原巖應(yīng)力迅速調(diào)整，圍巖應(yīng)力集中及強(qiáng)度劣化也會加劇，從而形成沿隧道開挖面的環(huán)狀破碎帶，稱之為隧道松動(dòng)圈［1-2］。因此，可根據(jù)隧道松動(dòng)圈范圍來評價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)可將隧道松動(dòng)圈范圍作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工工藝選擇的重要依據(jù)。

國內(nèi)外對于松動(dòng)圈的理論研究和現(xiàn)場測試較多。國外主要有拉巴斯基于塑性介質(zhì)學(xué)說提出的松動(dòng)裂隙理論、Dube A K的破碎區(qū)理論和Shemyakin E I的不連續(xù)理論［3］。

國內(nèi)，董方庭等［4］通過研究開挖后巖體狀態(tài)，提出了圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論。王睿等［5］根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，采用統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則，并考慮中間主應(yīng)力的影響，給出適用于軟巖大變形隧道圍巖松動(dòng)圈的計(jì)算公式。沈才華等［6］考慮不同應(yīng)力狀態(tài)下圍巖損傷擴(kuò)容特征，提出了基于分層總和理論的松動(dòng)圈位移計(jì)算方法。趙海斌等［7］探討了聲波法在松動(dòng)圈測試中應(yīng)用的可行性。龔建伍等［8］采用聲波法與多點(diǎn)位移計(jì)法對隧道松動(dòng)圈進(jìn)行了測試分析，獲得了隧道松動(dòng)圈的分布情況，驗(yàn)證了隧道錨桿設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的合理性。徐坤等［9］采用聲波法與地質(zhì)雷達(dá)法對蘭新鐵路大梁山隧道圍巖松動(dòng)圈的深度進(jìn)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(dòng)圈發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。夏舞陽等［11］通過采用多點(diǎn)位移計(jì)法和地質(zhì)雷達(dá)法對炭質(zhì)千枚巖隧道松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測試，分析不同施工條件下炭質(zhì)千枚巖隧道圍巖松動(dòng)圈分布特征。駱建軍等［12］針對碳化泥質(zhì)板巖隧道變形大、鋼拱架破壞嚴(yán)重等問題，采用多點(diǎn)位移計(jì)法和聲波法對隧道松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測試。

既有成果對于分析大變形隧道松動(dòng)圈發(fā)展規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義，但對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，特別是對受多期次構(gòu)造作用的地質(zhì)縫合帶內(nèi)大變形隧道變形特征及松動(dòng)圈發(fā)展規(guī)律分析較少。本文以中老鐵路縫合帶內(nèi)大變形隧道為工程依托，通過對隧道松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)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(fā)，向南穿越老撾南塔、烏多姆塞、瑯勃拉邦，到達(dá)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(biāo)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(jì)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(zhì)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(qū)屬于構(gòu)造剝蝕高山地貌，發(fā)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(nèi)，穿越的地層主要為石炭系板巖夾砂巖、泥灰?guī)r。受瑯勃拉邦縫合帶和區(qū)域斷裂構(gòu)造帶雙重影響，巖層扭曲、翻轉(zhuǎn)，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(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

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(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌。支護(hù)參數(shù)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(hù)參數(shù)

1.4 變形情況

隧道施工過程中頻頻出現(xiàn)掌子面溜塌、初期支護(hù)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(xiàn)象，變形主要位于拱頂及拱腰。受巖層產(chǎn)狀、地下水等影響，圍巖自穩(wěn)能力差。

2 現(xiàn)場測試

2.1 隧道松動(dòng)圈范圍測試

2.1.1 測試方法的選擇

隧道松動(dòng)圈范圍是地質(zhì)條件、施工工藝及支護(hù)措施等因素的綜合體現(xiàn)，其值在一定程度上反映支護(hù)結(jié)構(gòu)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(dǎo)作用。隧道松動(dòng)圈范圍測試主要采用地質(zhì)雷達(dá)法、多點(diǎn)位移計(jì)法和聲波法。根據(jù)各測試方法的特點(diǎn)（表2），現(xiàn)場采用聲波法對沙嫩山隧道不同里程段松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測試。

表2 隧道松動(dòng)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(nèi)注水，同時(shí)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(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；⑤重復(fù)步驟④，獲得全鉆孔波速傳播規(guī)律；⑥可重復(fù)步驟①—⑤，確保獲得的測孔波速數(shù)據(jù)可靠。

2.1.3 測試結(jié)果分析

巖體波速沿孔深變化曲線見圖1?？芍?，線路兩側(cè)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(dòng)圈范圍分別為6.0～6.5 m、8.0～9.0 m，單線段隧道松動(dòng)圈達(dá)到凈寬8.34 m的71.90%以上，雙線段隧道松動(dòng)圈達(dá)到凈寬13.73 m的58.26%以上，說明隧道松動(dòng)圈范圍大，圍巖破碎嚴(yán)重。

圖1 巖體波速沿孔深變化曲線

2.2 圍巖變形監(jiān)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(gè)隧道斷面對圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)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(dòng)明顯，并且拱頂沉降速率的波動(dòng)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(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，并且水平收斂顯著，這一特征也是造成隧道拱腰、邊墻支護(hù)結(jié)構(gòu)率先破壞的主要原因。

3 隧道大變形控制措施

根據(jù)現(xiàn)場測試分析結(jié)果，從主動(dòng)控制隧道變形出發(fā)，考慮注漿對圍巖力學(xué)性能的改善作用，制定以下變形控制措施：

1）加強(qiáng)掌子面超前支護(hù)。單線段采用雙層小導(dǎo)管，縱向間距1.2 m/環(huán)；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(huán)，搭接長度3 m。

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

3）優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)形式。將單線段設(shè)計(jì)的馬蹄形斷面更改為近圓形斷面，以改善隧道側(cè)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

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?？紤]隧道圍巖注漿效果，錨桿施作長度取松動(dòng)圈范圍測試結(jié)果的下限。

圖3 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)施效果

工程現(xiàn)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(jiān)測斷面。采取控制措施前后4個(gè)斷面圍巖變形平均值見表3。

表3 4個(gè)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(gè)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(jié)論

本文依托中老鐵路沙嫩山隧道，基于現(xiàn)場測試結(jié)果分析了單雙線隧道松動(dòng)圈范圍、圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞特征，提出大變形控制措施。得出結(jié)論如下：

1）初期支護(hù)變形破壞和掌子面溜塌嚴(yán)重，隧道變形量大、持續(xù)時(shí)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(dòng)圈范圍分別為6.0～6.5、8.0～9.0 m，均達(dá)到隧道設(shè)計(jì)跨度的58%以上。

3）根據(jù)隧道圍巖變形破壞特征及隧道松動(dòng)圈范圍測試結(jié)果提出加強(qiáng)掌子面超前支護(hù)、提高初期支護(hù)剛度、優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)形式、施作錨桿和圍巖注漿等綜合措施。經(jīng)實(shí)施，單線段、雙線段4個(gè)監(jiān)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%。