中老铁路勐远隧道软岩大变形特征及控制措施_杨建国.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；中铁十五局集团有限公司 类科研课题（）；河南省科技厅产学研合作项目（）作者简介：杨建国（），男，吉林榆树人，高级工程师，研究方向为隧道与地下工程。通信作者：梁 斌（），男，河南洛阳人，博士，教授，博士生导师，研究方向为桥梁与隧道。文章编号：（）：中老铁路勐远隧道软岩大变形特征及控制措施杨建国，陈浩然，王凯军，梁 斌（中铁十五局集团第三工程公司，四川 成都；河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳）摘 要：为解决顺层偏压软弱围岩地层下隧道大变形问题，以中老铁路勐远隧道为工程背景，通过数值模拟与现场监测相结合的方法，对隧道围岩大变形特征进行分析，提出以小导管注浆加固为主，增设临时仰拱、锁脚锚杆等为辅的综合控制措施。结果表明：应用综合控制措施后，隧道大变形得到有效控制，围岩变形速率下降显著，拱顶沉降量降低 ，衬砌水平收敛降低 。现场试验段监测结果表明，综合控制措施能够有效控制围岩变形，降低变形速率且缩短变形持续时间，使施工安全和进度得到有效保障。关键词：铁路隧道；软弱围岩大变形；数值计算；顺层偏压；控制措施中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，；，）：，：；随着我国高速铁路建设的迅速发展，西南地区修建高速铁路数量越来越多，在高速铁路隧道修建过程中难免遇到软弱围岩、顺层偏压等情况，软弱围岩大变形问题成为隧道施工过程中的一大难点。引起围岩大变形的因素多种多样，例如顺层偏压地质条件导致的围岩大变形。当围岩位移超过预留量时，初支钢拱架受挤压变形、混凝土开裂，甚至导致支护结构破坏，进而发生塌方事故，对施工进度和质量造成不良影响。因此研究针对顺层偏压地质条件下，软弱围岩大变形的控制措施显得尤为重要。目前对于隧道软弱围岩大变形研究较多，在软弱围岩的变形特征，变形机制及变形控制措施 方面取得了较为丰富的研究成果。文献以实际工程为依托，从不同偏压角度和与既有隧道间不同净距的条件下对隧道施工过程中支护结构的变形规律进行研究，通过数值模拟和理论分析的方式对不同条件下隧道结构的变形规律进行分析，并且提出了相应的施工策略，但并未在实际工程当中进行应用，理论缺乏实践验证。文献结合实际工程，提出在隧道洞口围岩存在严重偏压的情况下，隧道进洞施工过程中需注意增加岩层结构面的抗滑力和黏聚力，并减少对洞口的开挖和增强衬砌支护强度的施工方法，并且在实际工程中进行了验证，但是该方法缺少理论方面的论证。文献通过数值模拟结合现场实测，对浅埋偏压隧道支护结构的大变形机理进行分析，提出了临时支护 增设排水沟和防水板 喷混凝土护坡 反压减载 长短锚杆组合支护的综合方案对隧道初支大变形进行控制。文献以红石河隧道工程为依托，建立有限元模型，通过现场试验与实际监控量测的对比，对浅埋偏压段破碎软岩隧道地表预注浆加固措施的效果进行了分析和验证，结果表明该加固措施效果显著，围岩强度和稳定性得到了明显提升。现阶段国内对此类问题的研究主要集中在高地应力环境下 和浅埋偏压条件下隧道围岩的大变形方面，对于顺层偏压地质条件下软弱围岩大变形的控制及力学研究相对较少，因此对于顺层偏压地质条件下软弱围岩大变形的控制措施及力学研究十分必要。本文以中老铁路勐远隧道为研究对象，通过有限元软件建立顺层偏压地质条件下软岩隧道模型，对顺层偏压条件下隧道支护结构和围岩的变形特征及规律进行模拟分析，提出以小导管注浆为主的综合控制措施，并结合现场试验和实际监测对综合控制措施进行分析，验证其合理性，为今后顺层偏压地质条件下隧道软弱围岩大变形的施工与控制提供参考。工程概况勐远隧道位于关累 勐远区间，所处地区属低中山溶蚀剥蚀地貌，雨量丰富，可见溶蚀孤峰具有典型的喀斯特地貌特征，地面高程 ，相对高差 。勐远隧道是玉磨铁路的控制性工程之一，为设计时速 的单线铁路隧道，进口里程 ，出口里程 ，全长 ，最大埋深 。隧区岩性为上覆第四系全新统冲洪积层（）粉质黏土、粗圆砾土，坡残积层（）粉质黏土等；下伏基岩为二叠系龙潭组（）泥岩、砂岩、页岩夹碳质页岩、煤线，石炭系中统（）灰岩，石炭系下新统（）泥岩加砂岩、碳质泥岩。隧道 段岩层走向与路线夹角，倾向路线右侧，视倾角，隧道洞身右侧存在顺层偏压问题。受顺层偏压因素影响，隧道在施工开挖过程中受围岩开挖扰动影响，顺层岩层间结合力降低，从而使得围岩沿顺层方向发生滑移，导致隧道支护结构承受了较大的偏压荷载，并且由于围岩结构较松散稳定性差，在偏压作用下最终出现不同程度的围岩大变形现象，钢拱架扭曲变形、喷射混凝土开裂、初支侵限变形等问题频现，因此对顺层偏压条件下围岩大变形控制措施的研究尤为重要。大变形段围岩变形特征 围岩大变形原因分析 第 卷第 期 杨建国，等：中老铁路勐远隧道软岩大变形特征及控制措施软弱围岩大变形破坏是多种因素共同影响的结果：（）隧区围岩软弱破碎整体性差，且隧道开挖后围岩应力松弛圈较大；（）隧道进口及洞身右侧存在顺层偏压问题，隧道开挖后在隧道右侧拱部易形成应力集中，造成岩体局部破坏引起右侧岩体变形，因此顺层偏压现象加剧了大变形的发生；（）隧区降雨量丰富，地下水渗入岩体结构面降低了岩层间的结合力，围岩稳定性降低导致围岩变形加剧。在地质和地形条件均较差的基础上各种因素相互作用，加之隧道开挖扰动和支护结构不合理从而引起隧道发生大变形破坏。图 段围岩累计变形 大变形段围岩整体变形对勐远隧道 大变形段进行分析，依据现场监测数据得到该段围岩变形情况如图 所示，其水平收敛监测点位于上下台阶交接处附近。由图 可知：该段围岩拱顶沉降为 ，日沉降量最大值为 （）；水平收敛量为 ，日水平收敛最大值为 （）；断面的累计沉降量和水平收敛值最大，明显超出预留变形量值（）。里程 段采用台阶法施工，其累计变形及变形速率时程曲线如图 所示。（）累计变形时程图 （）变形速率时程图图 断面围岩累计变形及变形速率 监测断面监测时间为 ，其累计拱顶沉降，累计水平收敛，围岩变形分为加速阶段和发展阶段，变形持续时间长。在围岩变形加速阶段，上台阶开挖后围岩变形迅速增长，开挖 内拱顶沉降 ，水平收敛 ，随后拱顶沉降变形以 的速率增长，开挖至 时水平收敛速率达到峰值 ，内围岩变形速率略有起伏，下降趋势不明显，后变形速率迅速下降，变形速率相差 ，变形速率趋于稳定。由图 可知，在发展阶段，围岩变形速率有所下降，但变形仍然持续增长，直至仰拱支护完成变形趋势仍未进入收敛阶段。结合图 和图 所示区段监测数据可知，段出现大变形病害，围岩变形过程发展速度快且持续时间长，支护结构施工完成后继续保持缓慢增长且 内仍未进入收敛趋势。有限元计算模型 有限元模型建立根据勐远隧道地质勘查报告，隧道围岩等级为级，围岩各项参数如表 所示。河南城建学院学报 年 月表 围岩参数围岩围岩重度（）弹性模量 泊松比 黏聚力（）摩擦角（）泥岩 砂岩 碳质页岩 依据铁路隧道设计规范选取支护参数如表 所示。表 隧道洞身支护参数名称重度（）弹性模量 泊松比 初期支护 锚杆 小导管 模型建立 为寻求适合本工程特点的隧道围岩大变形控制措施，采用数值模拟方法，对已施工段围岩既有支护结构进行分析。验证模型参数合理性后，采用相同模型参数，对围岩变形控制措施进行模拟分析，提出适合该地质条件下的以小导管注浆加固为主的综合控制措施。运用有限元分析软件 ，分别建立大变形段综合控制前后两个模型。依据围岩特征和边界条件，水平方向左右两边至隧洞中心各取 ，竖直方向自隧洞中心向下取 ，地表至隧道洞顶间距 ，开挖沿 轴方向取 。隧道大变形分析 围岩竖向位移已开挖大变形段围岩竖向位移，在综合控制前后的分布状况如图 所示。由图（）可知隧道围岩竖向位移呈非对称分布，整体向右下方偏移，且右侧变形量明显大于左侧变形量，即偏压荷载对拱顶右侧沉降影响较左侧影响显著，拱顶沉降最大位置位于拱顶右侧。由图（）可知在采用综合控制措施后，隧道围岩竖向分布较为对称，拱顶沉降最大位置仍位于拱顶中间偏右侧。（）加固前工况 （）加固后工况图 围岩竖向位移 综合控制前后拱顶累计沉降变化曲线图，如图 所示。由图 可知：采用综合控制措施前累计沉降量值为 ：采用综合控制措施后累计沉降量值为 ，降幅达 。根据现场实测数据，在大变形段发生侵限问题时，个别监测点位拱顶沉降监测值达到 ，与综合控制前模拟最大值基本一致。综合控制后，典型断面实测值为 ，与模拟值略有不同，但围岩变形规律基本一致，验证了表 与表 中模型参数取值的合理性。衬砌水平收敛综合控制前后，衬砌水平收敛曲线如图 所示。由图 可知：采用综合控制措施前，衬砌水平收敛值较大，水平收敛累计值为 ；采用综合控制措施后，衬砌水平收敛量值明显下降，水平收敛累计值为 ，降幅达 ；典型断面衬砌水平收敛实测值为 ，模拟值与实测值虽然略有不同但基本一致，表明综合控制措施有效限制了衬砌的水平收敛。第 卷第 期 杨建国，等：中老铁路勐远隧道软岩大变形特征及控制措施图 拱顶沉降图 水平收敛 现场应用措施及效果结合有限元计算结果，依据施工现场实际情况，提出专项综合控制措施，对顺层偏压大变形段围岩进行加固。隧道后续施工段围岩同样以 级围岩为主（节理裂隙发育，整体性差，遇水易软化崩解），与 段围岩岩性基本相同。因此，在后续施工中选取 段作为试验段，采取针对措施开展大变形控制试验，以验证上述综合控制措施的效果。变形控制措施在已开挖大变形段，对围岩进行加固，主要包括初支加固、小导管注浆加固、侵限位置钢拱架换拱等加固措施，具体措施为：（）初支加固，对侵限段拱架进行预加固，增设 锁脚锚管，每根长 ，每榀 根，设置在拱脚上 ；（）沿隧道拱墙壁周围进行围岩径向小导管注浆加固，小导管每根长 ，间距 ；（）初支混凝土拆除完成后进行扩挖，挖至设计轮廓线外为止，预留沉降量增加至 ，扩挖后对岩面进行混凝土初喷；（）架设拱架然后喷射混凝土，采用 工字钢钢架，间距 ，共 榀，拆换后钢架接头处增设 根 锁脚锚管加强锁脚，每根长度 。（）临时支撑 （）小导管注浆图 综合控制措施现场图在未开挖试验段及后续施工段，结合已开挖大变形段围岩变形情况，仍然采用长度 的 注浆小导管作为超前支护，根据施工中监控测量成果动态调整预留变形量，使围岩应力得到合理释放，减少对支护结构的接触压力。增设部分辅助措施，如临时仰拱、锁 脚 锚 杆 等，试 验 段（），图 段围岩累计变形采用超前小导管支护，小导管直径 ，长 ，纵向成环布置，每环 根每根环向间距 ，每环纵向间距 ，并且在上台阶处增设间距 的 临时仰拱，中台阶两侧拱脚钢架 根 长 锁脚锚管。综合控制措施如图 所示。监测结果 采用综合控制措施后，已施工大变形段 围岩累计变形曲线如图 所示。由图 可知：加固后大变形段 里 程 处 断 面 拱 顶 沉 降 值 最 大 河南城建学院学报 年 月（），里程 处断面水平收敛值最大（），变形量明显低于加固前。选取 断面进行分析，断面围岩变形时程折线如图 所示。由图 可知：内 断面累计拱顶沉降 ，累计水平收敛 ，在监测时间段内，围岩变形可分为加速阶段、发展阶段、减速阶段、收敛阶段 个阶段。（）累计变形时程图 （）变形速率时程图图 断面围岩累计变形与变形速率随着施工工序的逐步进行，施工时长逐渐增加，围岩变形逐渐趋于稳定，围岩最终变形值未超出预留变形量（）。综合控制措施加固后该断面拱顶日沉降量值为 ，水平收敛单日最大值为 。结合图 和图 所示监测数据可知，在采用综合控制措施后，已施工大变形段围岩变形阶段新增减速阶段及收敛阶段，围岩的变形量和速率得到有效控制，变形持续时间缩短。变形控制效果大变形段围岩变形统计数据如表 所示。表 大变形段及试验段数据统计断面里程拱顶沉降 平均值最大值水平收敛 平均值最大值预留变形量 变形持续时间 控制前 内未见收敛趋势控制后 由表 可知，采用综合控制措施后，试验段围岩变形量值整体低于大变形段，变形量值未超过预留变形量 。围岩变形特征变化明显，采用综合控制措施前已施工段围岩变形仅经历加速、发展两阶段，围岩变形速率较快，内仍未进入收敛阶段；