縫合帶軟巖隧道變形與支護受力現場試驗研究★

楊 鑫，王建軍，周 波，王建明

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024)

0 引言

隨著“新絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”合作倡議的提出,我國建造技術已經在新時期世界舞臺嶄露頭角,而國內外基礎設施互聯互通也使得中國隧道建設更具挑戰性[1]。板塊縫合帶間因受強烈的沖擊擠壓作用,主動盤和被動盤交錯,多組斷裂帶、褶皺等復雜地質構造發育,造成隧區構造地應力場突顯,巖體高度破碎,隧道施工極易引發大變形問題,嚴重制約施工安全和進度。

國內外隧道建設工程中已經多次引發不同程度的擠壓大變形問題,如奧地利的Arlberg隧道和Tauern隧道,日本的Enasan隧道[2],蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道[3],蘭渝鐵路的木寨嶺隧道[4],成蘭鐵路的茂縣隧道和楊家坪隧道[5-6]等。由于軟弱圍巖強度低,自穩定性差,高地應力環境和開挖擾動的多重影響下,圍巖變形發展時空效應顯著,支護結構承受極大擠壓應力后發生噴射混凝土開裂,鋼架彎曲扭折,仰拱錯臺開裂。而受初始應力方向、巖體層理結構走向發展和裂縫特征影響,隧道變形常常表現出明顯的非對稱性,結構受力特征復雜不明[7]。而目前對于軟巖隧道大變形控制則主要通過多重支護增強支護剛度,組合錨桿向深層圍巖錨固,超前導洞應力釋放及預支護等[8-11]。此外,通過改變斷面形式,增大側墻曲率,能夠優化支護受力狀態[12]。但對于隧道大變形往往由局部薄弱環節最先失效,從而導致結構整體失穩。因此根據隧道支護結構應力發展規律,明確支護薄弱環節,通過局部支護增強,形成針對性隧道大變形控制措施。以此理念能夠實現形成軟巖大變形隧道合理性和經濟性的控制技術。

本研究以磨萬鐵路的相嫩三號隧道工程為主要依托,通過開展巖石點荷載強度試驗和松動圈測試,揭示瑯勃拉邦縫合帶的炭質板巖力學特征和隧道松動圈分布規律,重點分析巖石力學特征變化對隧道變形的影響規律。結合典型隧道大變形段進行初支結構受力測試,揭示施工過程的隧道結構應力分布規律,分析說明縫合帶隧道結構薄弱環節,形成縫合帶大變形隧道的控制理念及技術,為今后類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

新建磨萬線鐵路工程北起中老邊境口岸磨丁,采用中國鐵路技術標準,是“一帶一路”戰略中泛亞鐵路中線和中老鐵路的重要組成部分。工程Ⅳ標段Ⅰ分部起訖里程DK179+520—DK225+080,全長45.56 km,占全線總長3.8%,位于老撾瑯勃拉邦省境內,與瑯勃拉邦縫合帶南源斜向相交,共計隧道14座,分布如圖1所示。

研究以重點控制性工程相嫩三號隧道為依托開展,隧道全長2 633 m,最大埋深約188 m,設計斷面采用單線布置,臺階法分部開挖,支護結構為復合式襯砌,初期支護采用噴錨網結構,支護鋼拱架為Ⅰ16型鋼,間距0.8 m～1.0 m,系統錨桿拱部和邊墻分別采用組合中空錨桿和砂漿錨桿,長度均為3.0 m。

1.2 隧區地質概況

隧道位于班獻倫斷裂(南邊界斷裂)下盤,屬于瑯勃拉邦縫合帶南緣區域,洞身段及附近次級構造發育,包括相嫩斷層,相嫩1號向斜等。隧區揭示圍巖以薄層炭質板巖為主,如圖2所示。受區域構造影響,隧道揭示圍巖破碎,節理發育,巖質軟硬不均,淺埋段穩定性差,地下水主要由第四系覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水組成。套孔應力解除法實測地應力以水平主應力為主,水平向大主應力5.4 MPa,側壓力系數1.52。

2 圍巖點荷載強度分析

選取隧道代表性里程掌子面開挖剝落的非規則巖樣進行點荷載強度試驗,試件尺寸控制在50 mm±35 mm,兩點加載間距與加載平均寬度的比值控制在0.3～1.0。試驗過程依照GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標準中的相關規程進行。未修正巖石點荷載強度Is根據式(1)計算獲得,未修正巖石點荷載強度按式(2)計算獲得等價巖芯直徑50 mm的巖石點荷載強度Is(50)。

(1)

(2)

其中,P為破壞荷載,N;De為等價巖芯直徑,mm。隧道炭質板巖點荷載強度測試結果如圖3所示。

隧區揭示炭質板巖類型可分為軟泥質結構、夾雜白色石英晶體結構、層狀結構三類。前兩類受巖性影響,層理結構紊亂,不具明顯的產狀特征,第三類層狀結構分為薄層狀和中厚層狀,強度隨巖塊層厚變化明顯。從試驗數據散點圖可以看出,試驗巖塊強度受礦物成分和結構形式影響,強度軟硬不均,離散性較高,平均點荷載強度約0.49 MPa,基本屬軟巖。對于軟質塊狀結構圍巖,隧道變形量普遍較高,對于互層狀結構炭質板巖,變形則受巖層傾向影響明顯。

3 隧道變形特征分析

3.1 隧道累積變形量分析

依據TB 10003—2016鐵路隧道設計規范的大變形分級標準,統計里程DK182+710—DK182+550段的30個斷面的變形等級如表1所示。

表1 隧道統計段大變形等級判定

可以看出,統計結果中平均拱頂沉降量9.84 cm,平均水平收斂量34.28 cm,最大水平收斂量達67.5 cm,隧道變形等級基本以輕微大變形等級為主,偶有達到中等水平。分析原因,由于受瑯勃拉邦縫合帶構造應力作用,隧道開挖卸荷后水平向圍壓發生塑性破壞,圍巖松動,持續開挖卸荷后隧道引發以水平向為主的擠壓大變形,但由于隧道埋深較淺,變形等級并不高。

3.2 隧道典型斷面變形時程曲線分析

隧道典型斷面的變形時程曲線如圖4所示。可以看出,圍巖變形明顯受施工步影響,其中上、下臺階開挖過程中隧道水平收斂變形速率快速上升。相比之下,拱頂沉降速率明顯小于水平收斂,較大的變形速率直接導致初支結構的破壞,引發隧道大變形問題。總結相嫩三號隧道的變形及支護破壞特征主要有如下幾點:

1)隧道變形表現出明顯的空間效應,臺階開挖施工時變形速率快速增長。

2)隧道發生大變形段變形量大,變形速率快。其中水平收斂速率明顯大于拱頂沉降,水平擠壓作用顯著。

3)受炭質板巖的巖體結構形式影響,變形發展是由局部變形而引起結構整體結構失穩。結構破壞由噴混凝土局部開裂到鋼架整體失穩。

3.3 隧道松動圈分布測試分析

隧道開挖卸荷導致應力重分布,圍巖由淺至深發生逐層漸進破壞,巖體應變軟化過程中伴隨剪脹和碎脹變形,形成松動圈。通過聲波法能夠測試不同深度圍巖的波速反應,揭示縫合帶隧道松動圈分布規律。現場測孔位于隧道左右側邊墻位置,測試結果如圖5所示。

可以看出,測試過程的圍巖波速存在明顯突變,左、右兩側邊墻所測波速分別在6 m,7 m位置發生明顯跳躍,表明巖體存在松動圍巖和穩定圍巖的分界點,判斷松動圈介于7 m內。

對比穩定區內圍巖波速發現,右側波速也相對左側更低,說明右側圍巖完整性更差,相同應力條件下,右側圍巖相比左側圍巖更易發生屈服。因此表明對于縫合帶隧道的非對稱變形是由于圍巖非均質分布的差異導致,表觀現象將表現為右側變形破壞比左側更嚴重,而采取控制措施也應針對性局部加強。

4 隧道支護結構受力特征及控制措施優化

4.1 試驗測試方案

針對圍巖的變形發展規律,開展典型斷面的長期力學監測,試驗監測內容主要包括圍巖壓力,鋼拱架應力和噴射混凝土應力。單個測試斷面共計7測點。

4.2 圍巖壓力

根據現場圍巖壓力監測結果,繪制如圖6所示圍巖壓力時程關系曲線。

可以看出,圍巖應力釋放是隨施工過程逐步完成。當掌子面距離監測斷面一定距離后,圍巖壓力基本達到穩定。而其分布特征表現為非均勻性,且局部存在應力集中。其中拱頂圍巖壓力0.65 MPa,左側最大達到0.95 MPa,右側最大達到0.44 MPa,側向圍巖壓力約為拱部圍巖壓力的1.5倍。分析表明,受揭示圍巖性狀的影響,高構造應力環境下軟弱破碎圍巖處更易形成應力集中區,產生高圍巖壓力狀態,呈現局部偏壓的變形表征。

4.3 初支結構應力

圖7所示為監測斷面鋼架內外側應力分布示意圖,其中拱架內側表示內翼緣(貼靠圍巖),拱架外側表示外翼緣(貼靠臨空面)。圖8所示為監測斷面噴射混凝土應力分布示意圖。

可以看出,鋼拱架結構受力與圍巖壓力分布基本一致,左側受力大于右側,且拱架內外側受力相當。拱架受力以壓應力為主,最大達到162.81 MPa,仍小于鋼架屈服強度,表明鋼架仍具備承載能力。進一步說明了縫合帶高構造應力在軟弱破碎圍巖更易形成釋放空間,隨之支護結構在相應部位也將承受更高的應力作用。

相比于鋼架結構受力而言,噴射混凝土結構受力相對較大且局部達到極限強度。由于噴射混凝土早期強度較低,隨著圍巖壓力的快速釋放,最先達到屈服應力狀態,表現為噴射混凝土的開裂和脫落,而隨著應力釋放,噴射混凝土將無法承受較高應力,但鋼架承受應力仍隨之增長。由此看出支護結構的變形破壞是一個逐步發展的漸進過程。

4.4 變形控制措施優化

綜合相嫩三號隧道的圍巖強度,松動圈范圍,結構受力的試驗結果,結合現有大變形支護控制技術,遵循主動變形控制理念,對原設計支護進行局部優化,提出以下建議控制措施:

1)根據隧道松動圈范圍,優化錨桿施作長度,隧道錨桿施作長度不小于6 m,用以調動深部圍巖的承載能力。同時采用徑向圍巖注漿,提高松動圍巖的力學性能。

2)對于初支出現的嚴重變形問題,采用高強拱架,同時采用鋼筋或型鋼進行拱架間的縱向搭接。同時增加鎖腳錨管,每個臺階拱架接頭處設置4根鎖腳錨管。用于提高初支結構的整體穩定性。

3)為更好的調動深部圍巖的承載能力,將設計的瘦高馬蹄形斷面改為近似圓形斷面。

綜合采取上述措施之后,根據監控量測數據,隧道圍巖變形得到有效控制,多個斷面的隧道變形量減少,初支結構破壞程度得到顯著緩解。

5 結論

1)瑯勃拉邦縫合帶屬高構造應力區,巖體破碎且軟硬不均,水平向大主應力作用下容易產生水平向為主的擠壓大變形。由于巖體的非均勻性分布,變形破壞表現為由局部到整體的漸進過程。

2)隧道大變形是表層至深層圍巖逐層的變形累加效果。基于測試巖體軟化形成松動圈范圍,提出增長錨桿支護長度的控制措施,將錨桿穿越松動圈范圍,發揮懸吊作用,建議長度不小于6 m。

3)提出支護鋼架剛度優化和斷面形式優化的變形控制方式,首先對側向局部薄弱點變形進行針對性控制,降低支護結構的應力集中效應,進而發揮整體支護性能。