蘭渝鐵路木寨嶺隧道長期變形監測研究

丁彥杰

中鐵第一勘察設計院集團有限公司軌道交通工程信息化國家重點實驗室，西安 710043

圍巖大變形大致可分為軟巖類、擠壓性圍巖類、膨脹性圍巖類、節理破碎性圍巖類等［1］。其中軟巖隧道在高地應力條件下開挖后，圍巖破壞并產生變形，對支護造成擠壓，圍巖位移超出正常的變形量（預留變形量），稱為大變形或擠壓變形。根據相關工程總結，高地應力軟巖具有壓密、蠕變或流變特性及時間和空間效應，容易發生大變形［2-3］。

相關學者對高低應力軟巖隧道的變形特性及控制技術進行了研究。Yang等［4］揭示了深部軟巖煤礦的破壞機理。趙福善［5］基于蘭渝鐵路兩水隧道提出了高地應力軟巖的控制措施和動態管理標準。曹小平等［6］研究表明雙層初期支護對控制高地應力軟巖隧道的大變形具有明顯優勢。何滿潮等［7］設計研發了恒阻大變形錨桿用于深部軟巖巷道的支護，發現恒阻范圍內累計變形量最大值可達100 cm。李國良等［8］提出加強支護剛度、合理預留變形量、多重支護、短錨管超前支護、中長錨桿和少量補強錨桿加固圍巖等技術措施，對軟巖隧道大變形的控制有顯著效果。

軟巖隧道由于流變效應的存在，其開挖、支護后圍巖仍然會發生持續變形，導致圍巖應力和支護荷載持續變化。根據圍巖性質不同，流變效應持續時間可達數十年［9-10］。本文對蘭渝鐵路木寨嶺隧道的流變效應進行試驗研究，并對相應關鍵斷面的支護受力進行長期監測，研究隧道長期流變對支護的影響。

1 工程特點及難點

蘭渝鐵路屬青藏高原隆升區邊緣地帶，地質環境極為復雜特殊。尤其是新生代以來印度板塊與歐亞板塊碰撞，導致青藏高原隆升及其向北東的持續擴展擠壓作用，造成本區域斷裂、褶皺發育，初始地應力狀態極其復雜，多為高~極高的地應力環境背景［11-12］。區域內的烏鞘嶺隧道、蘭新高速鐵路、蘭渝鐵路、成蘭鐵路等均位于板塊構造高地應力集中區，區域內斷裂、褶皺發育，圍巖擠壓嚴重，軟質巖流變效應明顯，多座隧道出現了嚴重擠壓性變形問題。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道是一座雙洞單線分離式特長隧道，左線長19.095 km（DK173+280—DK192+375），右 線 長19.115 km（DyK173+280—DyK192+395），洞身段線間距40 m，最大埋深約700 m，最小埋深40 m，設有石咀溝、大坪、大坪有軌、南水溝、鹿扎、大溝莊、大戰溝及馬家溝共8座斜井。

木寨嶺隧道縱斷面如圖1所示［13］。隧道洞身共發育11個斷裂，最大帶寬約1 km，總長4.5 km。隧道穿過3個背斜及2個向斜構造，屬高地應力區。隧道洞身穿越的板巖及炭質板巖區段，占全隧的45.53%，該巖石遇水易崩解軟化，圍巖穩定性極差?？傆嫺黝愜泿r段長約15.1 km，占隧道總長的84.47%，極易發生大變形甚至圍巖大滑坍，施工難度極高。

圖1 木寨嶺隧道縱斷面示意

1）隧道初期支護變形量大、變形持續時間長

實測數據表明，木寨嶺隧道斜井水平收斂最大值超過110 cm，變形劇烈，如圖2所示。

圖2 木寨嶺隧道斜井變形曲線

2）圍巖穩定性差、局部塌方風險高

蘭新高速鐵路烏鞘嶺隧道、宜萬鐵路堡鎮隧道等高地應力軟巖隧道均出現了明顯塌方。木寨嶺隧道吸取了相應經驗，塌方現象有所減少，大部分集中在上臺階掌子面，常常伴有支護體上方巖體破碎掉落。

3）嶺脊核心段地應力擠壓作用強烈

木寨嶺隧道進入嶺脊核心段后，絕大部分圍巖變形量在150~200 cm，遠大于其他區段的圍巖變形量（30~50 cm）。二次襯砌大面積出現開裂，結構破壞嚴重，嶺脊核心段有25處共計357 m產生開裂，大多產生于縱向，并伴隨拱部剝落掉塊現象。

2 軟巖變形特性研究

2.1 單軸壓縮試驗

對木寨嶺隧道炭質板巖的天然巖石試件和飽和巖石試件進行單軸壓縮試驗，其應力-應變曲線見圖3?？芍瑤r石的變形過程可分為五個階段：①壓密階段，②彈性階段，③塑性階段（屈服），④應變軟化階段，⑤殘余變形階段。

圖3 炭質板巖單軸壓縮試驗應力-應變曲線

當圍巖進入塑性階段時，其應力-應變曲線呈下凹狀，應變和應變速率隨著應力的增加迅速增大，甚至出現了水平段，表現出理想塑性變形的特點，試件發生了不可逆的變形。當地應力超過峰值應力時，試件破壞，但仍具有一定的承載能力，然而應力隨著應變的增大而逐漸減小，表現出明顯的軟化現象［14］。

2.2 抗剪試驗

試驗橫洞位于木寨嶺隧道大戰溝斜井右側，處于F16斷層壓碎巖帶，Ⅴ級圍巖，埋深195 m?？辜簦〝啵┎捎闷酵品ㄖ奔粼囼灒屏Ψ较蚱叫杏谛本呦?。選取5個試件進行抗剪試驗，應力-位移曲線見圖4。可知，剪切應力-位移曲線基本呈拋物線形，屈服值均不太明顯，這表明該處巖體的抗剪斷破壞形式基本以塑性破壞為主，巖體極為破碎和軟弱。

圖4 抗剪試驗剪切應力-位移曲線

單軸壓縮試驗與抗剪試驗的結果表明，木寨嶺隧道炭質板巖在破壞初期呈現彈性狀態，其后很快進入塑性變形狀態，破壞過程以塑性破壞為主。

2.3 流變試驗

選取4個試件，施加不同等級應力對木寨嶺隧道炭質板巖進行室內流變試驗，壓縮變形曲線見圖5?？芍?，試件的加卸載歷史存在著一定的應變殘留，特別是初次加載作用下，試件內部裂隙的閉合作用十分明顯，同時試件的蠕變仍然能夠趨于穩定，部分試件表現出黏塑性應變情況。

圖5 炭質板巖流變試驗壓縮變形曲線

由于高應力和巖性較軟弱，木寨嶺隧道圍巖的破壞變形以塑性為主，且在加卸載后存在應變殘留，巖石內部裂隙產生閉合，出現蠕變形態。隧道開挖前，初始地應力較高，開挖后應力解除，巖體由靜止狀態轉化為運動狀態。隨著巖體應變能釋放的擠壓作用，圍巖向開挖凈空方向位移，擠入速度逐漸增大，圍巖進入流變狀態，洞室周邊形成蠕變區。

3 長期變形監測

3.1 監測內容及應力分級

采用壓力盒、鋼筋計、混凝土應變計（埋入式）、表面應變計等測試元件對木寨嶺隧道圍巖應力、鋼筋應力、混凝土應力等進行監測，監測部位如圖6所示，具體監測項目見表1。

圖6 木寨嶺隧道監測部位示意

表1 監測項目

測試部位按每個斷面5～7點進行設置：5點測試部位分別為拱頂、左右拱腰和左右邊墻（最大跨處）；7點則在此基礎上增加左右墻腳的測試，主要用于埋深≥500 m的大埋深情況，如圖7所示。

圖7 隧道測點布置

木寨嶺隧道采用C35混凝土進行二次襯砌施工，依據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》，襯砌支護極限強度c為32.5 MPa，鋼筋支護極限強度g為

335 MPa。

根據隧道襯砌和鋼筋應力監測結果與規范極限強度的關系，可將應力分為四個等級，并提出相應對策及措施，見表2。若監測應力小于支護極限強度的2/3，則認為圍巖應力可控，正常監測或適當加強監測即可。若監測應力大于支護極限強度的2/3，則需要綜合判斷受力發展趨勢，確保應力發展可控，應采取一些輔助措施：確認監測數據的收斂性、變化趨勢，確認其他監測系統關聯性（如圍巖壓力、接觸壓力、鋼架應力等），人工進洞檢查，加強監測。

表2 隧道應力監測數據預警值及對策

3.2 嶺脊核心段應力監測結果分析

木寨嶺隧道嶺脊核心段平均強度應力比在0.01~0.02，應力極高，變形嚴重，選取其典型斷面YK192+625的二次襯砌鋼筋應力和混凝土應力進行長期監測。2016年12月9日開始布設二次襯砌應力元件，2017年9月16日由人工監測升級為自動化監測。監測應力時程曲線見圖8?？芍孩賻X脊核心段的二次襯砌應力變化在8個月后基本保持穩定，變化不明顯，表明木寨嶺隧道嶺脊段軟巖的流變效應在8個月內較為顯著；②排除異常數據后，混凝土最大應力在右拱腳，為-20.61 MPa，鋼筋最大應力在左邊墻內側，為-172.55 MPa，均未達到極限強度的2/3以上，支護較安全，不需要采取人工洞內檢查等措施；③二次襯砌混凝土應力后期出現離散型無規律數據，經排查為儀器元件失效導致，并非圍巖應力變化所致。

圖8 嶺脊核心段應力監測時程曲線

4 結論

1）木寨嶺隧道炭質板巖以塑性破壞為主，并表現出黏彈性蠕變特性。

2）根據支護監測應力與規范極限強度的關系，可將監測應力分為四個等級，當監測應力在支護極限強度的2/3以下時，圍巖應力可控。

3）監測結果表明，木寨嶺隧道嶺脊段軟巖的流變效應在8個月內較為顯著，襯砌應力等級為3~4級，在可控范圍內。長期應力基本穩定，不再發生明顯變化。