玉磨铁路景寨隧道软岩大变形控制方案研究

张金龙 马伟斌 郭小雄 邹文浩

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑硏究所，北京 100081）

随着经济高速发展及铁路建设向中西部倾斜，铁路隧道向长、大、深方向发展。川藏铁路长大隧道多，软岩段落长、地应力高，其软岩大变形问题较以往铁路更为突出。软岩大变形严重影响隧道施工安全、工期、成本等，已成为我国隧道建设的重大难题。

国内外隧道工作者围绕高地应力软岩隧道变形控制作了大量研究和实践，总结出应力释放、断面优化、强支护、多层支护等方法并在特定隧道中成功应用。毛羽山铁路隧道采用超前导洞释放地应力［1］，茂县铁路隧道在中等及严重大变形段采用圆形断面［2］。乌鞘岭铁路隧道断层带初期支护采用钢筋网喷射混凝土，厚度达45 cm［3］。东马场1 号公路隧道使用双层支护［4］，木寨岭铁路隧道使用三层支护［5］。法国里昂-都灵隧道采用可伸缩钢架和高度可变形的混凝土构件组成的支护系统。成兰铁路采用了“加深地质、主动控制、强化锚杆、工法配合、优化工艺”的变形控制技术［6］。

本文以玉磨铁路景寨隧道为依托，利用离散元分析软件对原设计方案进行数值模拟，进而提出优化方案。通过现场监测验证优化方案的支护效果，分析其变形控制机理。

1 工程概况

新建玉溪至磨憨铁路位于云南省南部，北起昆玉铁路玉溪西站，途经玉溪市、普洱市、西双版纳傣族自治州，经磨憨口岸至中（国）老（挝）边境。景寨隧道为新建玉溪至磨憨铁路站前工程19 标段重点控制性工程，长7 244 m。隧道开挖揭示围岩岩性为泥岩、页岩夹泥岩、板岩等软岩，节理裂隙发育，易崩解软化，呈薄层状，胶结性差，产状与隧道轴线小角度相交，岩层陡倾。隧道处于曼么小寨-加布拖断层破碎带影响范围内，断层破碎带宽约20 m，碎裂蚀变强烈，断层大角度斜交线路，严重影响施工。

隧址区最大水平地应力为5.87～14.89 MPa，最小水平地应力为4.53～9.81 MPa，垂向地应力为4.27～14.10 MPa。部分区段强度应力比小于0.15，变形潜势强烈，变形等级为三级。景寨隧道原设计采用Ⅴ级加强Ⅲ型衬砌，初期支护采用双层支护，外层为HW175型钢钢架（全环），内层为I20b型钢钢架（拱墙），钢架交错布置，纵向间距0.8 m。初期支护采用φ8 钢筋网及C25 喷射混凝土。系统锚杆与岩面大角度相交，间距为1.0 m（环向）× 0.8 m（纵向），呈梅花形布置，适当加长加密隧道右侧拱墙处锚杆。按原设计施工后初期支护变形超过预留变形量，需拆换初期支护。

2 隧道变形破坏特征

景寨隧道大变形具有以下特征：①初期变形速率快，压力增长快。开挖完即发生较大变形，变形速率达20 cm/d。②变形持续时间长。仰拱封闭成环后变形速率仍大于5 mm/d，难以施作二次衬砌。③累计变形大。施工期发生了显著塑性变形，最大累计变形超过180 cm。④变形不对称，围岩变形以水平收敛为主，且右侧变形远大于左侧。⑤变形破坏形式多样。隧道拱顶及右拱肩出现围岩溜塌、喷射混凝土开裂剥落、钢架扭曲等变形破坏现象，严重威胁着隧道施工。

3 原设计方案的数值模拟

3DEC（3 Dimension Distinct Element Code）软件采用非连续介质力学方法，充分考虑了岩块与结构面2 个要素，对于模拟薄层状围岩具有显著优势。离散元模型尺寸为60 m（长）×60 m（宽）×32 m（高），底部施加位移约束，侧面施加应力约束。岩块采用摩尔-库伦塑性本构模型。节理由1 组平行的优势节理（走向与隧道同向，倾角60°）+离散裂隙网络构成，采用接触-库伦滑移本构模型。喷射混凝土、钢筋网及钢拱架考虑等效弹性模量后采用liner 单元模拟。为简化数值模拟，隧道采用全断面开挖。围岩及初期支护主要参数分别见表1、表2。

表1 围岩力学参数

表2 初期支护参数

景寨隧道围岩位移和塑性区分布分别见图1、图2。

图1 原设计方案围岩位移分布（单位：m）

图2 原设计方案围岩塑性区分布

由图1 可知：①隧道产生弯曲变形及块体滑移变形，以弯曲变形为主；右拱肩离层发育，向外延深7.5 m左右，隧道滑移破坏致使右边墙至拱顶范围块体剥落；②变形具有非对称性，右侧变形远大于左侧，水平收敛显著，最大位移大于1 m（发生在右拱肩处）。

由图2可见：①围岩以受剪为主，右拱肩附近亦受拉；②随计算步数增加，右拱肩塑性区主要沿节理面法向发展，左拱肩、左拱腰和右边墙塑性区沿节理面方向发展，整体呈十字交叉分布；③塑性区最大深度约1倍洞径，超出了系统锚杆作用范围。

综合图1 和图2，浅层围岩基本丧失自稳能力，塑性区持续向深层发展，支护时需及时保护和加固围岩，提高围岩的承载能力。

4 优化方案及其控制围岩变形的效果

4.1 优化方案

根据隧道变形破坏特征和原方案数值模拟结果，从五个方面对原支护设计方案进行了优化：

1）施作径向高预应力锚索及注浆

“喷射混凝土+砂浆锚杆+钢架”组成的初期支护及二次衬砌通常不能直接改变围岩性质，在开挖初期围岩变形后才起作用，即使加强支护参数也难以遏制大变形趋势。预应力锚杆（索）、注浆等则可以及时主动对围岩施加较大支护力，加固围岩，从而改善其物理力学性质及受力状态，协助围岩发挥自承能力。

主动支护关键在于确定锚杆（索）类型和支护参数。前期试验表明，预应力系统锚杆和超前预应力锚索应用于此隧道存在锚固力不足、施工空间有限、施工时间过长等问题，对变形的控制效果不理想，因此采用径向高预应力锚索支护。其施工要点为：①先施作短锚索加固浅层围岩，后施作长锚索尽可能锚入弹性区，将浅层围岩“悬吊”于深层稳定围岩上；②对锚索施加350 kN 预应力，长短锚索组合形成群锚效应；③非对称布置，加强围岩薄弱部位的支护，以拱顶为分界线，右侧长锚索环向间距为1 m，左侧环向间距为2 m，见图3；④锚端采用树脂卷锚固剂锚固后立刻张拉尽快承载。

图3 径向高预应力锚索支护示意

注浆加固地层，在拱墙预埋φ42钢花管，长度3.5 m，间距1.2 m（环向）×1.0 m（纵向），呈梅花形布置，初期支护施工后使用高压水泥浆迅速凝固松散围岩，填充围岩裂隙。

2）优化断面

由于该隧道水平收敛较大，应调整边墙和仰拱的曲率，增大支护水平刚度，更好地控制水平收敛。优化方案采用更接近圆形的隧道断面。

3）快挖快支快封闭

下台阶与仰拱一次性开挖，紧跟着施作拱墙初期支护，滞后下台阶2～3个开挖循环距离。仰拱初期支护封闭成环位置距掌子面不超过20 m，封闭时间不超过7～10 d，做到快挖、快支、快速封闭成环。

4）少爆破开挖

围岩条件允许时应使用铣挖机开挖。困难条件下上台阶可局部爆破，严禁中、下台阶爆破，避免剧烈震动造成塑性区扩大。

5）改良钢架

原方案使用双层HW175型钢钢架“强支硬顶”，导致钢架过早受到较大荷载而扭曲破坏。优化方案基于变形协调及释能让压理念，在钢架外侧焊接一圈由延性较好的Q235钢筋加工而成的8字形格栅，利用格栅钢筋的柔性实现边支边让。

4.2 优化方案控制围岩变形的效果

4.2.1 数值模拟

建立离散元模型对优化方案进行数值模拟。锚索支护包括11.3 m长锚索、5.3 m短锚索及垫板，采用cable 单元模拟。锚端采用树脂卷锚固，施加350 kN预应力。注浆用提高围岩材料参数来实现。优化方案围岩位移和围岩塑性区分布分别见图4、图5。

由图4 和图5 可知：①优化方案的变形控制效果显著。隧道变形虽仍具有非对称特征，但各部位位移减小，最大位移54.4 cm（发生在右拱肩处），约为原方案的51.07%；②优化方案可有效抑制塑性区发展。垂直于节理面方向塑性区范围减小了约1/3，沿节理面方向塑性区几乎未向深处发展。浅层围岩多受剪和受拉屈服，深层围岩几乎没有屈服或应力重分布后迅速恢复到未屈服状态。

图4 优化方案围岩位移分布（单位：m）

图5 优化方案围岩塑性区分布

4.2.2 现场变形监测

2020年7月—10月在景寨隧道1#斜井支洞采用了优化方案施工，并进行了变形监测。在拱顶布置了沉降测点，在左右拱肩和边墙布置了水平收敛测点。

DK409+372 断面变形监测结果见图6。可知：①开挖后围岩变形迅速增长，10 d 时拱顶沉降和左右拱肩水平收敛已超过最终变形的60%，25 d 后变形基本不再发展；②隧道变形非对称，右边墙到拱顶范围内变形显著，其中右拱肩水平收敛最大，拱顶沉降次之，左拱肩与右边墙水平收敛相当，左边墙水平收敛最小；③隧道最大变形为50.1 cm，满足预留变形量要求。现场监测数据与数值模拟结果吻合较好，说明优化方案对景寨隧道软岩大变形的控制效果良好。

图6 DK409+372断面变形监测结果

5 变形控制机理分析

①预应力锚索注浆支护可充分发挥和提高围岩承载力。预应力锚索可以及时、主动对围岩施加高支护力，发挥“压缩拱”、“组合梁”作用，协调各薄层围岩共同承载；预应力恢复了围岩临空面的法向应力，使洞壁处围岩的受力状态由二向转变为三向，使围岩抵抗变形能力增强；注浆可加固破碎区，促进围岩形成承载加固圈。②爆破开挖会显著改变原岩应力，促进节理孕育和扩展。实行大型机械化作业，少爆破、快挖、快支护、快封闭，可减少对围岩的扰动，缩短围岩暴露时间，避免围岩因持续劣化丧失承载力。③通过断面优化和钢架改良，使结构更适应围岩变形和地应力特性，改善结构受力状态，提高其抵抗和控制变形的能力。

综合以上分析，优化方案通过多种手段充分保护和提高了围岩承载力，发挥围岩在变形控制中的主体作用，有效控制住景寨隧道软岩大变形。

6 结论

1）景寨隧道大变形是高地应力及薄层状软岩共同引起的复合型非对称大变形。

2）预应力锚索及注浆为主的优化方案有效加固了围岩，提高锚固区围岩承载力，促使支护和围岩协调变形、共同承力，对景寨隧道大变形控制效果显著。

3）主动支护关键在于合理的锚杆（索）选型及先短后长的施工顺序、密实的注浆加固以及对变形破坏薄弱区的强化支护。

4）软岩大变形隧道宜采用短台阶、少爆破、高度机械化施工，实现快挖、快支、快封闭以控制变形。