高地應力破碎圍巖隧道變形受力特征試驗研究

李守剛

(蘭州鐵道設計院有限公司， 蘭州 730000)

隨著中國西部大開發事業的持續發展，越來越多的長大、深埋、復雜地質條件下的隧道工程在西部山嶺地區修建[1]。伴隨而來的諸如高地應力下的大變形問題、巖爆問題、高巖溫問題也日漸凸顯，嚴重影響隧道建設施工過程中的安全[2-3]。

在深埋高地應力地層環境的諸多問題中，大變形是一個亟待解決的突出問題[4]。隧道圍巖大變形根據受控條件可以分為巖性控制型、結構構造控制型和人工采掘擾動影響型等三大類型[5]。崔光耀等[6]依托麗香鐵路中義隧道，對高地應力深埋隧道斷裂破碎帶段的大變形控制問題進行了現場試驗研究；丁遠振等[7]依托柿子園隧道，對高地應力斷層帶軟巖隧道變形特征與控制措施進行了研究；張德華等[8]依托西成客運專線阜川隧道，研究了軟巖大變形隧道雙層初期支護的承載性能；李磊等[9-10]依托成蘭鐵路楊家坪隧道研究了高地應力陡傾千枚巖地層中隧道的大變形機制與控制措施；吳迪等[11]依托綿茂路藍家巖隧道，對高地應力深埋層狀圍巖隧道非對稱變形的受力機制進行了研究；趙福善[12]依托蘭渝鐵路兩水隧道，對高地應力千枚巖軟巖地層的大變形控制技術進行了研究；黃明利等[13]、呂顯福等[14]及劉陽等[15]依托蘭渝鐵路木寨嶺隧道，研究了炭板巖地層中隧道的大變形機理及控制措施。

以上研究大多是圍繞高地應力下軟巖大變形隧道支護體系的受力特征和控制措施展開的。而天平鐵路關山特長隧道處于高地應力破碎硬巖地層環境中，在隧道施工過程中出現了噴層開裂、掉塊、鋼架扭曲、坍塌等現象。因此，對高地應力破碎硬巖地層環境中支護結構的受力特征與變形、支護參數以及大變形控制措施的研究是非常有必要的。

1 關山隧道工程概況

1.1 工程概況

關山隧道是天平鐵路的控制性工程，全長15 634 m，為全線第二長隧道，最大埋深831 m。在進口處設置了3座施工斜井，其中2號斜井的設計長度為2 230 m，位置關系如圖1所示。圍巖級別為Ⅲ級和Ⅳ級，主要以閃長巖為主，埋深在623～800 m之間。

圖1 關山隧道斜井布置Fig.1 Layout of inclined shaft in Guanshan tunnel

1.2 工程地質概況

關山隧道地處六盤山褶皺帶， 其中2號斜井及正洞DIK77+740～DIK77+500段通過區域為大面積華力西期侵入巖，呈巨大的巖基產出，伴隨有小的巖體。巖體組成比較復雜，多為斜長角閃巖、黑云母花崗閃長巖、黑云母石英閃長巖，黑云二長花崗巖及角閃閃長巖等，以閃長巖為主，角閃巖等呈巖脈狀分布。

2號斜井(R0+040～R0+504段)及正洞段(DIK77+600～+790)前期施工中，出現了噴射混凝土開裂、掉塊以及鋼架扭曲等現象，其中正洞初支的變形達到了519 mm，造成了部分地段侵限，且在施工中發生了三次坍塌事件，塌體均為塊石，最大直徑不足40 cm。圖2為部分初支混凝土開裂和圍巖坍塌情況。

圖2 初支混凝土開裂及圍巖坍塌情況Fig.2 Cracking of initial supported concrete andcollapse of surrounding rock

2 地應力與松動圈測試

2.1 地應力測試

通過現場地應力測試，隧道軸線附近三向主應力的關系為：SH>Sh>SV(SH為最大水平主應力，Sh為最小水平主應力，SV為垂直主應力)，以水平方向為主。SH的范圍為23～24 MPa，Sh范圍為14～15 MPa，估算SV范圍為10～13 MPa。經測試鉆孔巖樣抗壓試驗，得到巖石的飽和抗壓強度RC=74.1～107.8 MPa，RC/SH=3.01～4.69，根據《鐵路隧道設計規范》[16]和《工程巖體分級標準》[17]，可以判定關山隧道處于高地應力或極高地應力水平。

2.2 圍巖松動圈測試

對DK77+545～DK77+573范圍內的圍巖進行了松動圈測試，測試斷面及測線位置如圖3所示。每個斷面均沿隧道軸線方向延伸了28 m，其中道間距為2 m，炮間距為6 m。每個斷面的波速分速及解釋圖如圖4所示。

圖3 測試斷面布置Fig.3 Layout of test section

圖4 波速分布及解釋圖Fig.4 Velocity distribution and interpretation chart

從圖4的波速分布圖可以看出，各斷面松動圈的厚度變化基本在3.5～4.4 m，局部位置較大(DK77+560左邊墻附近超過了5 m)，是主要的開挖擾動與應力釋放區；未擾動區的范圍在自臨空面向里4 m的深度，其波速接近5 000 m/s，且分布較為均勻；隧道開挖后左側的圍巖松動圈范圍略大于右側圍巖松動圈范圍。

3 圍巖變形與襯砌結構受力測試

3.1 試驗段情況

試驗段采用臺階法施工，各試驗段的支護參數如表1所示。

表1 各試驗段支護參數Table 1 Support parameters of each test section

由于2號斜井在施工過程中多次出現了拱部、邊墻及掌子面圍巖脫落及坍塌，初期支護后變形較大，局部初期支護砼出現掉塊，鋼拱架扭曲、斷裂等現象。且在斜井施工到R0+210和R0+263處時發生了塌方，塌體數日未穩定等情況，經會商采取了加大開挖斷面、加強支護、對變形大的地段采取了徑向注漿、增中雙層套拱等措施，并在2號斜井區段天水方向按不同支護參數(按照“先強后弱”的原則)設置了試驗段，試驗段布置情況如圖5所示。

圖5 試驗段布置情況Fig.5 Layout of test section

每個試驗段大概20 m長，監測項目有支護變形、圍巖壓力、鋼架應力、初支混凝土應力、二襯混凝土應力等，根據監測結果反饋調整和優化支護參數。由于在試驗段2開挖至DIK77+566附近時，上導初期支護混凝土開裂、剝皮、局部出現了坍塌等現象，對試驗段3的支護參數和斷面形式進行了調整，進入試驗段3進行監測。調整前后隧道的設計斷面和支護參數如圖6所示。

圖6 試驗段1與試驗段3支護參數對比Fig.6 Contrast of support parameters between test section 1 and test section 3

3.2 測點布置

在每個試驗段內布置4個位移監測斷面和兩個應力監測斷面，其監測點布置如圖7所示。

圖7 位移與應力監測點布置情況Fig.7 Monitoring point layout of displacement and stress

3.3 結果分析

3.3.1 初期支護變形規律分析

整理了試驗段1和試驗段2各監測斷面的變形情況，如表2和表3所示。

從表2和表3中可以看出，試驗段一拱頂沉降最大值為43.8 mm，水平收斂最大值為361 mm，在硬質巖條件下，該變形量值是相當大的。試驗段3拱頂沉降最大值23.5 mm，水平收斂最大值為295.4 mm，與試驗段1相比，在增大了邊墻曲率之后，拱頂沉降值與試驗段1相比減小了46.3%，邊墻收斂值與試驗段1相比減小了18.2%。可以看出，在硬質、高地應力地層中，支護結構的變形以水平收斂為主，拱頂沉降次之。增大邊墻曲率可以較有效地降低硬質、高地應力地層中初期支護的變形。

表2 試驗段1變形值統計Table 2 Deformation statistics of test section 1

表3 試驗段3變形值統計Table 3 Deformation statistics of test section 3

3.3.2 圍巖及支護結構受力現場測試分析

整理了試驗段1 DIK77+585斷面處和試驗段3 DIK77+549斷面處穩定后的圍巖壓力、鋼拱架應力、初支混凝土應力、二襯混凝土應力進行分析，其受力分布如圖8～圖10所示。

圖8 試驗段1和試驗段3圍巖壓力分布Fig.8 Pressure distribution of surrounding rock intest section 1 and test section 3

實線和括號內數值為拱架外翼緣應力圖9 試驗段1和試驗段3鋼拱架應力分布Fig.9 Stress distribution of steel arch intest section 1 and test section 3

圖10 試驗段1和試驗段2初支混凝土應力分布Fig.10 Stress distribution of initial supported of concrete in test section 1 and test section 3

圖11 試驗段一和試驗段三二襯混凝土應力分布Fig.11 Stress distribution of lining concrete intest section 1 and test section 3

圖8～圖10中可以看出，對于試驗段1(DIK77+585斷面)，在隧道開挖完成后，圍巖壓力的最大值為0.42 MPa，發生在左拱腳位置處；剛拱架外緣的最大應力值為310.72 MPa，發生在右拱肩位置處，內緣的最大應力為302.99 MPa，發生在拱頂位置處，且整個拱部處鋼拱架受力較大；初期支護混凝土的最大應力值為30.22 MPa，發生在右拱肩位置，此處混凝土已經發生了局部破壞，同樣拱部受力較大；對于二襯混凝應力受力較為均勻，且均未達到混凝土的設計強度。對于試驗段3(斷面DIK77+549)的受力情況，與試驗段一相比，在整個襯砌斷面上受力比較均勻，且數值也有明顯的減小，說明增大邊墻曲率對改變支護結構的受力狀態有明顯的改善作用。因此，在該種硬巖、高地應力地層條件下，支護結構邊墻處可采用較大的曲率來降低支護結構的變形與受力。

4 高地應力破碎圍巖地層隧道大變形控制措施

在天平線關山隧道高地應力破碎圍巖區段施工過程中，主要采用了以下措施來保證隧道施工的順利進行。

(1)對于高跨比較大的馬蹄形襯砌，采用增大支護結構邊墻曲率的方法來抑制圍巖的變形和改善支護結構的受力狀態，其中在隧道斷面最大跨度處外擴38 cm，對抑制圍巖的變形和改變襯砌受力狀態效果明顯。

(2)采用超前小導管注漿和徑向注漿的措施來提高圍巖的自承能力。其中小導管采用外徑42 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，注水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.5～1.0(質量比)， 水泥-水玻璃雙液漿中水泥與水玻璃的比例為1∶0.5。注漿壓力0.5～1.0 MPa。

(3)適當增大變形預留量以保證初支變形較大時不超限。

(4)采用三臺階法開挖施工，其中上臺階采用短臺階，長度為6 m左右，循環進尺為0.8 m，光面爆破，中臺階長度控制在15 m左右，在上、中臺階初支變形基本穩定后開挖下臺階。

(5)采用邊墻長錨管分期支護結合適時注漿加固圍巖可有效地控制高地應力破碎地層隧道施工中的變形。

5 結論

(1)天平鐵路關山隧道圍巖松動區范圍為3.5～4.4 m，采用較長的系統錨桿和徑向注漿可有效抑制高地應力破碎圍巖的變形。

(2)高地應力破碎地層環境中，隧道開挖后引起的變形以邊墻水平收斂為主，拱頂沉降次之，支護結構受力較大。

(3)單線鐵路隧道邊墻采用較大曲率斷面可有效抑制隧道開挖引起的變形，改善支護結構的受力狀態。

(4)采用先強后弱的雙重初期支護、增大邊墻曲率、邊墻長錨管分期支護可有效地控制高地應力破碎地層隧道施工中的變形，保證施工安全。