破碎易泥化圍巖隧道松動圈測試研究

吳 君 李貴民

(1.中國鐵路昆明局集團有限公司滇西鐵路建設指揮部，云南 麗江 647100;2.中國中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200)

1 工程概況

地下空間開挖后，圍巖由三維原巖應力狀態轉變成為二維應力狀態，并在壓力差作用下發生破壞卸荷，產生一定范圍的破裂區，這個破裂區被稱之為松動圈。松動圈是圍巖在重分布集中應力作用下結構及強度逐漸劣化的表現，同時也是最大主應力逐步向圍巖深部遷移的原因，穩定后的松動圈厚度是圍巖強度與地應力相互作用綜合結果的客觀體現，它的大小與支護難度直接相關[1-4]。由于在現場工程中松動圈厚度可現場實測，容易取得且可靠性高，另外又可以全面綜合反映地應力、巖體性質(包括強度、結構面、軟弱夾層等)、施工和水等的影響[5]，可以為支護工程提供直接的參考，松動圈理論自20世紀80年代提出以來在圍巖穩定控制工程中得到了廣泛的應用[6,7]。

麗江至香格里拉鐵路位于云南省西北部，地處青藏高原東南緣的滇西地區，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江，經小中甸至香格里拉，全長139.686 km。全線新建隧道共20座，總長92 554 m，占線路總長的66.3%。目前開工18座隧道，其中文筆山二號、黃山哨、七達里、中義、長坪、白巖子、圓寶山、萬拉木、宗思等9座隧道自2016年春節后先后出現了較大變形，亟需開展隧道圍巖大變形段松動圈測試研究，為支護方案優化提供基礎依據。

中義隧道大變形段位于玉龍雪山西麓斷層內，滇西地區構造多幕，是我國新構造運動表現比較強烈的地區之一[8,9]，圍巖整體以壓碎巖、片理化玄武巖為主，局部為斷層角礫，巖體松散破碎，完整性較差，地下水較發育，掌子面有股狀裂隙水，圍巖穩定極差，圍巖級別為Ⅴ級。本次測點位置為：DK41+990,DK42+000，見圖1。

由于圍巖為破裂程度高，結構性差的玄武巖及斷層角礫巖，節理裂隙發育，巖體完整性較差，松散破碎，鉆孔成孔差，在利用鉆孔攝像法進行松動圈觀測過程中，攝像頭被鉆孔壁塌落巖塊卡住，無法拔出，最終連接攝像頭的推桿被拉斷，攝像頭丟棄。大變形段已經砌筑砌碹，內有鋼筋網及U型棚，地質雷達測試效果較差。綜合考慮最終使用雙孔聲波法測試大變形段圍巖松動圈。

2 測試方法

聲波在巖石中傳播，其波速會因巖體中裂隙的發育、密度的降低、聲阻抗的增大而降低；相反，如果巖體完整性較好、受作用力(應力)較大、密度也較大，那么聲波的傳播速度也應較大。因此，對同一性質圍巖巖體來說，測得的聲波波速高則圍巖完整性好，波速低說明圍巖存在裂隙區，圍巖發生了破壞。為了保證測試精度，本次測量采用跨孔測量法，反映1 m跨度范圍內圍巖的視波速。通過上述方法測出距圍巖表面不同深度的巖體波速值，做出深度和波速曲線，根據圍巖波速的衰減范圍確定被測試隧道的圍巖松動圈厚度。該方法通過波速與圍巖聲阻抗之間的對應關系，可以獲得圍巖整體完整性。測試設備選用RSM-SY6聲波測試儀。根據不同的現場情況，兩孔的凈距不大于1 m、鉆孔向下傾斜3°～5°；為預防鉆孔巖壁坍塌破壞，在鉆孔中設置φ50 mm PVC套管；將兩聲波探頭分別插入鉆孔中，鉆孔充滿水，記錄測試深度，連接設備并調試測試參數，通過編碼器或人工觸發測量，記錄測試值，依次進行所有測點的量測。

3 測點布置及測試過程

測試斷面內測點布置情況如圖2所示。左右兩側邊墻各一個測孔。

中義隧道松動圈測試時間跨度21 d，在DK41+990和DK42+000 2個測試斷面共4個測點進行測試。中義隧道DK41+990測試斷面測點兩孔的凈距位均設置為80 mm、鉆孔向下傾斜3°～5°。為預防鉆孔巖壁坍塌破壞，在鉆孔中設置φ50 mm PVC套管。測試過程中為了實現超聲波耦合傳播條件，保證測試效果，孔中灌滿清水。

4 測試結果與分析

中義隧道DK41+990測試斷面1號測點圍巖波速分布特征如圖3所示，在深度小于4.1 m時，圍巖波速在眾數2.05 km/s附近波動，大于4.1 m以后波速在眾數2.84 km/s附近波動。深度小于4.1 m范圍內波速眾數相比于深度大于4.1 m波速眾數降低了27.8%，圍巖的波速在4.1 m處會有明顯的變化，綜合現場鉆壓變化，確定測點1測得的松動圈厚度為4.1 m。同樣地，DK41+990測試斷面2號測點圍巖深度小于4.3 m時，圍巖的波速在眾數2.21 km/s附近波動(見圖4)，大于4.3 m以后波速在眾數2.86 km/s附近波動。深度小于4.3 m范圍內波速眾數相比于深度大于4.3 m波速眾數降低了22.8%，圍巖的波速在4.3 m處會有明顯的變化，故判斷測點2測得的松動圈厚度為4.3 m。

DK42+000測試斷面測得的圍巖波速分布特征如圖5，圖6所示。

DK42+000測試斷面2個測點鉆孔超聲波速分別在4.1 m和4.4 m位置發生了突增，相對于淺部波速分別提高了21.5%和27.6%，表明4.4 m后圍巖破裂程度降低，完整性提高，松動圈的邊界為4.1 m～4.4 m。通過對測孔3次間隔觀測，截至2017年4月20日測試值基本無明顯變化。取3次測得的平均值，分別得

到兩個測試斷面松動圈發育厚度分別為4.27 m和4.33 m，取兩個斷面松動圈厚度的較大值，判斷中義隧道測點處松動圈厚度為4.33 m。

由于隧道原巖強度低，裂隙廣泛發育，開挖后在重分布應力作用下發生應變軟化，產生松動圈。后續松動圈內巖塊以滑移碎脹變形的形式進行能量釋放，圍巖承載能力進一步降低，導致支護體支撐壓力大大升高。此次中義隧道大變形段松動圈觀測為錨桿長度、注漿加固范圍等支護參數的確定提供了基礎數據參考。在下一步的隧道圍巖穩定控制中，必須充分保持并利用松動圈內圍巖的自承能力，通過布置在巖體內部的錨桿和對巖體內部的注漿對破裂區內巖體進行重點支護和加固，提高松動圈內圍巖殘余強度，限制有害的滑移剪脹變形，控制其軟化程度。通過輔助噴層及時充填圍巖表面裂隙從而避免應力集中，封閉圍巖降低水和風化對圍巖強度的影響。