高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

李守刚

(兰州铁道设计院有限公司， 兰州 730000)

随着中国西部大开发事业的持续发展，越来越多的长大、深埋、复杂地质条件下的隧道工程在西部山岭地区修建[1]。伴随而来的诸如高地应力下的大变形问题、岩爆问题、高岩温问题也日渐凸显，严重影响隧道建设施工过程中的安全[2-3]。

在深埋高地应力地层环境的诸多问题中，大变形是一个亟待解决的突出问题[4]。隧道围岩大变形根据受控条件可以分为岩性控制型、结构构造控制型和人工采掘扰动影响型等三大类型[5]。崔光耀等[6]依托丽香铁路中义隧道，对高地应力深埋隧道断裂破碎带段的大变形控制问题进行了现场试验研究；丁远振等[7]依托柿子园隧道，对高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施进行了研究；张德华等[8]依托西成客运专线阜川隧道，研究了软岩大变形隧道双层初期支护的承载性能；李磊等[9-10]依托成兰铁路杨家坪隧道研究了高地应力陡倾千枚岩地层中隧道的大变形机制与控制措施；吴迪等[11]依托绵茂路蓝家岩隧道，对高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形的受力机制进行了研究；赵福善[12]依托兰渝铁路两水隧道，对高地应力千枚岩软岩地层的大变形控制技术进行了研究；黄明利等[13]、吕显福等[14]及刘阳等[15]依托兰渝铁路木寨岭隧道，研究了炭板岩地层中隧道的大变形机理及控制措施。

以上研究大多是围绕高地应力下软岩大变形隧道支护体系的受力特征和控制措施展开的。而天平铁路关山特长隧道处于高地应力破碎硬岩地层环境中，在隧道施工过程中出现了喷层开裂、掉块、钢架扭曲、坍塌等现象。因此，对高地应力破碎硬岩地层环境中支护结构的受力特征与变形、支护参数以及大变形控制措施的研究是非常有必要的。

1 关山隧道工程概况

1.1 工程概况

关山隧道是天平铁路的控制性工程，全长15 634 m，为全线第二长隧道，最大埋深831 m。在进口处设置了3座施工斜井，其中2号斜井的设计长度为2 230 m，位置关系如图1所示。围岩级别为Ⅲ级和Ⅳ级，主要以闪长岩为主，埋深在623～800 m之间。

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

1.2 工程地质概况

关山隧道地处六盘山褶皱带， 其中2号斜井及正洞DIK77+740～DIK77+500段通过区域为大面积华力西期侵入岩，呈巨大的岩基产出，伴随有小的岩体。岩体组成比较复杂，多为斜长角闪岩、黑云母花岗闪长岩、黑云母石英闪长岩，黑云二长花岗岩及角闪闪长岩等，以闪长岩为主，角闪岩等呈岩脉状分布。

2号斜井(R0+040～R0+504段)及正洞段(DIK77+600～+790)前期施工中，出现了喷射混凝土开裂、掉块以及钢架扭曲等现象，其中正洞初支的变形达到了519 mm，造成了部分地段侵限，且在施工中发生了三次坍塌事件，塌体均为块石，最大直径不足40 cm。图2为部分初支混凝土开裂和围岩坍塌情况。

图2 初支混凝土开裂及围岩坍塌情况Fig.2 Cracking of initial supported concrete andcollapse of surrounding rock

2 地应力与松动圈测试

2.1 地应力测试

通过现场地应力测试，隧道轴线附近三向主应力的关系为：SH>Sh>SV(SH为最大水平主应力，Sh为最小水平主应力，SV为垂直主应力)，以水平方向为主。SH的范围为23～24 MPa，Sh范围为14～15 MPa，估算SV范围为10～13 MPa。经测试钻孔岩样抗压试验，得到岩石的饱和抗压强度RC=74.1～107.8 MPa，RC/SH=3.01～4.69，根据《铁路隧道设计规范》[16]和《工程岩体分级标准》[17]，可以判定关山隧道处于高地应力或极高地应力水平。

2.2 围岩松动圈测试

对DK77+545～DK77+573范围内的围岩进行了松动圈测试，测试断面及测线位置如图3所示。每个断面均沿隧道轴线方向延伸了28 m，其中道间距为2 m，炮间距为6 m。每个断面的波速分速及解释图如图4所示。

图3 测试断面布置Fig.3 Layout of test section

图4 波速分布及解释图Fig.4 Velocity distribution and interpretation chart

从图4的波速分布图可以看出，各断面松动圈的厚度变化基本在3.5～4.4 m，局部位置较大(DK77+560左边墙附近超过了5 m)，是主要的开挖扰动与应力释放区；未扰动区的范围在自临空面向里4 m的深度，其波速接近5 000 m/s，且分布较为均匀；隧道开挖后左侧的围岩松动圈范围略大于右侧围岩松动圈范围。

3 围岩变形与衬砌结构受力测试

3.1 试验段情况

试验段采用台阶法施工，各试验段的支护参数如表1所示。

表1 各试验段支护参数Table 1 Support parameters of each test section

由于2号斜井在施工过程中多次出现了拱部、边墙及掌子面围岩脱落及坍塌，初期支护后变形较大，局部初期支护砼出现掉块，钢拱架扭曲、断裂等现象。且在斜井施工到R0+210和R0+263处时发生了塌方，塌体数日未稳定等情况，经会商采取了加大开挖断面、加强支护、对变形大的地段采取了径向注浆、增中双层套拱等措施，并在2号斜井区段天水方向按不同支护参数(按照“先强后弱”的原则)设置了试验段，试验段布置情况如图5所示。

图5 试验段布置情况Fig.5 Layout of test section

每个试验段大概20 m长，监测项目有支护变形、围岩压力、钢架应力、初支混凝土应力、二衬混凝土应力等，根据监测结果反馈调整和优化支护参数。由于在试验段2开挖至DIK77+566附近时，上导初期支护混凝土开裂、剥皮、局部出现了坍塌等现象，对试验段3的支护参数和断面形式进行了调整，进入试验段3进行监测。调整前后隧道的设计断面和支护参数如图6所示。

图6 试验段1与试验段3支护参数对比Fig.6 Contrast of support parameters between test section 1 and test section 3

3.2 测点布置

在每个试验段内布置4个位移监测断面和两个应力监测断面，其监测点布置如图7所示。

图7 位移与应力监测点布置情况Fig.7 Monitoring point layout of displacement and stress

3.3 结果分析

3.3.1 初期支护变形规律分析

整理了试验段1和试验段2各监测断面的变形情况，如表2和表3所示。

从表2和表3中可以看出，试验段一拱顶沉降最大值为43.8 mm，水平收敛最大值为361 mm，在硬质岩条件下，该变形量值是相当大的。试验段3拱顶沉降最大值23.5 mm，水平收敛最大值为295.4 mm，与试验段1相比，在增大了边墙曲率之后，拱顶沉降值与试验段1相比减小了46.3%，边墙收敛值与试验段1相比减小了18.2%。可以看出，在硬质、高地应力地层中，支护结构的变形以水平收敛为主，拱顶沉降次之。增大边墙曲率可以较有效地降低硬质、高地应力地层中初期支护的变形。

表2 试验段1变形值统计Table 2 Deformation statistics of test section 1

表3 试验段3变形值统计Table 3 Deformation statistics of test section 3

3.3.2 围岩及支护结构受力现场测试分析

整理了试验段1 DIK77+585断面处和试验段3 DIK77+549断面处稳定后的围岩压力、钢拱架应力、初支混凝土应力、二衬混凝土应力进行分析，其受力分布如图8～图10所示。

图8 试验段1和试验段3围岩压力分布Fig.8 Pressure distribution of surrounding rock intest section 1 and test section 3

实线和括号内数值为拱架外翼缘应力图9 试验段1和试验段3钢拱架应力分布Fig.9 Stress distribution of steel arch intest section 1 and test section 3

图10 试验段1和试验段2初支混凝土应力分布Fig.10 Stress distribution of initial supported of concrete in test section 1 and test section 3

图11 试验段一和试验段三二衬混凝土应力分布Fig.11 Stress distribution of lining concrete intest section 1 and test section 3

图8～图10中可以看出，对于试验段1(DIK77+585断面)，在隧道开挖完成后，围岩压力的最大值为0.42 MPa，发生在左拱脚位置处；刚拱架外缘的最大应力值为310.72 MPa，发生在右拱肩位置处，内缘的最大应力为302.99 MPa，发生在拱顶位置处，且整个拱部处钢拱架受力较大；初期支护混凝土的最大应力值为30.22 MPa，发生在右拱肩位置，此处混凝土已经发生了局部破坏，同样拱部受力较大；对于二衬混凝应力受力较为均匀，且均未达到混凝土的设计强度。对于试验段3(断面DIK77+549)的受力情况，与试验段一相比，在整个衬砌断面上受力比较均匀，且数值也有明显的减小，说明增大边墙曲率对改变支护结构的受力状态有明显的改善作用。因此，在该种硬岩、高地应力地层条件下，支护结构边墙处可采用较大的曲率来降低支护结构的变形与受力。

4 高地应力破碎围岩地层隧道大变形控制措施

在天平线关山隧道高地应力破碎围岩区段施工过程中，主要采用了以下措施来保证隧道施工的顺利进行。

(1)对于高跨比较大的马蹄形衬砌，采用增大支护结构边墙曲率的方法来抑制围岩的变形和改善支护结构的受力状态，其中在隧道断面最大跨度处外扩38 cm，对抑制围岩的变形和改变衬砌受力状态效果明显。

(2)采用超前小导管注浆和径向注浆的措施来提高围岩的自承能力。其中小导管采用外径42 mm、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，注水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.5～1.0(质量比)， 水泥-水玻璃双液浆中水泥与水玻璃的比例为1∶0.5。注浆压力0.5～1.0 MPa。

(3)适当增大变形预留量以保证初支变形较大时不超限。

(4)采用三台阶法开挖施工，其中上台阶采用短台阶，长度为6 m左右，循环进尺为0.8 m，光面爆破，中台阶长度控制在15 m左右，在上、中台阶初支变形基本稳定后开挖下台阶。

(5)采用边墙长锚管分期支护结合适时注浆加固围岩可有效地控制高地应力破碎地层隧道施工中的变形。

5 结论

(1)天平铁路关山隧道围岩松动区范围为3.5～4.4 m，采用较长的系统锚杆和径向注浆可有效抑制高地应力破碎围岩的变形。

(2)高地应力破碎地层环境中，隧道开挖后引起的变形以边墙水平收敛为主，拱顶沉降次之，支护结构受力较大。

(3)单线铁路隧道边墙采用较大曲率断面可有效抑制隧道开挖引起的变形，改善支护结构的受力状态。

(4)采用先强后弱的双重初期支护、增大边墙曲率、边墙长锚管分期支护可有效地控制高地应力破碎地层隧道施工中的变形，保证施工安全。