兰渝铁路木寨岭隧道长期变形监测研究

2022-03-12丁彦杰

铁道建筑 2022年2期

丁彦杰

中铁第一勘察设计院集团有限公司轨道交通工程信息化国家重点实验室，西安 710043

围岩大变形大致可分为软岩类、挤压性围岩类、膨胀性围岩类、节理破碎性围岩类等［1］。其中软岩隧道在高地应力条件下开挖后，围岩破坏并产生变形，对支护造成挤压，围岩位移超出正常的变形量（预留变形量），称为大变形或挤压变形。根据相关工程总结，高地应力软岩具有压密、蠕变或流变特性及时间和空间效应，容易发生大变形［2-3］。

相关学者对高低应力软岩隧道的变形特性及控制技术进行了研究。Yang等［4］揭示了深部软岩煤矿的破坏机理。赵福善［5］基于兰渝铁路两水隧道提出了高地应力软岩的控制措施和动态管理标准。曹小平等［6］研究表明双层初期支护对控制高地应力软岩隧道的大变形具有明显优势。何满潮等［7］设计研发了恒阻大变形锚杆用于深部软岩巷道的支护，发现恒阻范围内累计变形量最大值可达100 cm。李国良等［8］提出加强支护刚度、合理预留变形量、多重支护、短锚管超前支护、中长锚杆和少量补强锚杆加固围岩等技术措施，对软岩隧道大变形的控制有显著效果。

软岩隧道由于流变效应的存在，其开挖、支护后围岩仍然会发生持续变形，导致围岩应力和支护荷载持续变化。根据围岩性质不同，流变效应持续时间可达数十年［9-10］。本文对兰渝铁路木寨岭隧道的流变效应进行试验研究，并对相应关键断面的支护受力进行长期监测，研究隧道长期流变对支护的影响。

1 工程特点及难点

兰渝铁路属青藏高原隆升区边缘地带，地质环境极为复杂特殊。尤其是新生代以来印度板块与欧亚板块碰撞，导致青藏高原隆升及其向北东的持续扩展挤压作用，造成本区域断裂、褶皱发育，初始地应力状态极其复杂，多为高~极高的地应力环境背景［11-12］。区域内的乌鞘岭隧道、兰新高速铁路、兰渝铁路、成兰铁路等均位于板块构造高地应力集中区，区域内断裂、褶皱发育，围岩挤压严重，软质岩流变效应明显，多座隧道出现了严重挤压性变形问题。

兰渝铁路木寨岭隧道是一座双洞单线分离式特长隧道，左线长19.095 km（DK173+280—DK192+375），右线长19.115 km（DyK173+280—DyK192+395），洞身段线间距40 m，最大埋深约700 m，最小埋深40 m，设有石咀沟、大坪、大坪有轨、南水沟、鹿扎、大沟庄、大战沟及马家沟共8座斜井。

木寨岭隧道纵断面如图1所示［13］。隧道洞身共发育11个断裂，最大带宽约1 km，总长4.5 km。隧道穿过3个背斜及2个向斜构造，属高地应力区。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区段，占全隧的45.53%，该岩石遇水易崩解软化，围岩稳定性极差。总计各类软岩段长约15.1 km，占隧道总长的84.47%，极易发生大变形甚至围岩大滑坍，施工难度极高。

图1 木寨岭隧道纵断面示意

1）隧道初期支护变形量大、变形持续时间长

实测数据表明，木寨岭隧道斜井水平收敛最大值超过110 cm，变形剧烈，如图2所示。

图2 木寨岭隧道斜井变形曲线

2）围岩稳定性差、局部塌方风险高

兰新高速铁路乌鞘岭隧道、宜万铁路堡镇隧道等高地应力软岩隧道均出现了明显塌方。木寨岭隧道吸取了相应经验，塌方现象有所减少，大部分集中在上台阶掌子面，常常伴有支护体上方岩体破碎掉落。

3）岭脊核心段地应力挤压作用强烈

木寨岭隧道进入岭脊核心段后，绝大部分围岩变形量在150~200 cm，远大于其他区段的围岩变形量（30~50 cm）。二次衬砌大面积出现开裂，结构破坏严重，岭脊核心段有25处共计357 m产生开裂，大多产生于纵向，并伴随拱部剥落掉块现象。

2 软岩变形特性研究

2.1 单轴压缩试验

对木寨岭隧道炭质板岩的天然岩石试件和饱和岩石试件进行单轴压缩试验，其应力-应变曲线见图3。可知，岩石的变形过程可分为五个阶段：①压密阶段，②弹性阶段，③塑性阶段（屈服），④应变软化阶段，⑤残余变形阶段。

图3 炭质板岩单轴压缩试验应力-应变曲线

当围岩进入塑性阶段时，其应力-应变曲线呈下凹状，应变和应变速率随着应力的增加迅速增大，甚至出现了水平段，表现出理想塑性变形的特点，试件发生了不可逆的变形。当地应力超过峰值应力时，试件破坏，但仍具有一定的承载能力，然而应力随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象［14］。

2.2 抗剪试验

试验横洞位于木寨岭隧道大战沟斜井右侧，处于F16断层压碎岩带，Ⅴ级围岩，埋深195 m。抗剪（断）采用平推法直剪试验，推力方向平行于斜井走向。选取5个试件进行抗剪试验，应力-位移曲线见图4。可知，剪切应力-位移曲线基本呈抛物线形，屈服值均不太明显，这表明该处岩体的抗剪断破坏形式基本以塑性破坏为主，岩体极为破碎和软弱。

图4 抗剪试验剪切应力-位移曲线

单轴压缩试验与抗剪试验的结果表明，木寨岭隧道炭质板岩在破坏初期呈现弹性状态，其后很快进入塑性变形状态，破坏过程以塑性破坏为主。

2.3 流变试验

选取4个试件，施加不同等级应力对木寨岭隧道炭质板岩进行室内流变试验，压缩变形曲线见图5。可知，试件的加卸载历史存在着一定的应变残留，特别是初次加载作用下，试件内部裂隙的闭合作用十分明显，同时试件的蠕变仍然能够趋于稳定，部分试件表现出黏塑性应变情况。

图5 炭质板岩流变试验压缩变形曲线

由于高应力和岩性较软弱，木寨岭隧道围岩的破坏变形以塑性为主，且在加卸载后存在应变残留，岩石内部裂隙产生闭合，出现蠕变形态。隧道开挖前，初始地应力较高，开挖后应力解除，岩体由静止状态转化为运动状态。随着岩体应变能释放的挤压作用，围岩向开挖净空方向位移，挤入速度逐渐增大，围岩进入流变状态，洞室周边形成蠕变区。

3 长期变形监测

3.1 监测内容及应力分级

采用压力盒、钢筋计、混凝土应变计（埋入式）、表面应变计等测试元件对木寨岭隧道围岩应力、钢筋应力、混凝土应力等进行监测，监测部位如图6所示，具体监测项目见表1。

图6 木寨岭隧道监测部位示意

表1 监测项目

测试部位按每个断面5～7点进行设置：5点测试部位分别为拱顶、左右拱腰和左右边墙（最大跨处）；7点则在此基础上增加左右墙脚的测试，主要用于埋深≥500 m的大埋深情况，如图7所示。

图7 隧道测点布置

木寨岭隧道采用C35混凝土进行二次衬砌施工，依据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，衬砌支护极限强度c为32.5 MPa，钢筋支护极限强度g为

335 MPa。

根据隧道衬砌和钢筋应力监测结果与规范极限强度的关系，可将应力分为四个等级，并提出相应对策及措施，见表2。若监测应力小于支护极限强度的2/3，则认为围岩应力可控，正常监测或适当加强监测即可。若监测应力大于支护极限强度的2/3，则需要综合判断受力发展趋势，确保应力发展可控，应采取一些辅助措施：确认监测数据的收敛性、变化趋势，确认其他监测系统关联性（如围岩压力、接触压力、钢架应力等），人工进洞检查，加强监测。

表2 隧道应力监测数据预警值及对策

3.2 岭脊核心段应力监测结果分析

木寨岭隧道岭脊核心段平均强度应力比在0.01~0.02，应力极高，变形严重，选取其典型断面YK192+625的二次衬砌钢筋应力和混凝土应力进行长期监测。2016年12月9日开始布设二次衬砌应力元件，2017年9月16日由人工监测升级为自动化监测。监测应力时程曲线见图8。可知：①岭脊核心段的二次衬砌应力变化在8个月后基本保持稳定，变化不明显，表明木寨岭隧道岭脊段软岩的流变效应在8个月内较为显著；②排除异常数据后，混凝土最大应力在右拱脚，为-20.61 MPa，钢筋最大应力在左边墙内侧，为-172.55 MPa，均未达到极限强度的2/3以上，支护较安全，不需要采取人工洞内检查等措施；③二次衬砌混凝土应力后期出现离散型无规律数据，经排查为仪器元件失效导致，并非围岩应力变化所致。