中老铁路隧道软弱围岩大变形特征试验研究
中老铁路北起磨丁口岸，南至万象，全长414.3 km，为单线铁路，全线隧道75 座，隧线比达47.5%。中老铁路约有42 km的线路穿越琅勃拉邦缝合带，已探明此处包括断裂构造单元13 个及褶皱带12 条。在强烈的板块构造作用下，该缝合带水平构造应力强、岩体软弱破碎严重，在此处修建隧道会遭遇大变形问题，对工程进度和成本控制造成巨大影响，因此研究此类特殊地质环境下的软岩隧道大变形特征，是采取有效控制措施、保证隧道围岩稳定的关键前提。
近年来有关软岩隧道大变形的工程较多，已有不少学者结合具体工程，对大变形特征及机理等问题进行了探讨。陶波等［1］针对乌鞘岭隧道软弱围岩大变形现象，揭示了围岩流变变形的基本特征；ZHAO 等［2］基于矿物微观组分和现场监测试验，指出炭质板岩所含黏土矿物遇水膨胀下的围岩非对称性大变形特点；李磊等［3］探究破碎软弱围岩隧道的大变形特征，发现围岩变形以剪切破坏为主，裂隙扩容及流变特性显著；方星桦等［4］对藏噶隧道蚀变花岗岩的大变形特性进行分析，揭示出围岩变形具有变形量大、速率快以及以水平收敛为主的基本变形特征；郭健等［5］通过对隧道围岩变形进行监测，发现上台阶开挖为围岩变形的主要阶段，且围岩变形呈现非对称性特征；马腾飞等［6］和CHEN Z 等［7］研究发现，对于软弱围岩隧道非线性、非对称性大变形特点，层理节理产状对其围岩变形特征的影响不可忽略；CHEN J等［8］就层状软弱围岩大变形问题，提出剥落倾覆、弯曲张拉、剪切滑移以及屈曲破坏4种围岩变形模式；WANG H等［9］根据木寨岭大变形隧道所揭露的围岩产状，分析了不同层理节理角度条件下的炭质板岩强度破坏特征；郭小龙等［10］针对徒倾层状软岩大变形隧道以边墙收敛为主的变形特点，指出隧道开挖后围岩存在层面剪切-层面拉伸-岩石剪切的组合变形破坏模式；LI S 等［11］针对杨家坪层状地层隧道大变形问题，采用屈曲和灾变理论模型，阐释了层间错动、分离到屈曲失稳的隧道变形特征。总的来看，上述成果均从不同视角提出具有一定参考价值的研究结论，但相关研究的依托隧道工程，大多穿越相对稳定的区域构造环境，较少涉足强烈的板块构造作用，以及众多构造带多期次叠加耦合作用的软岩隧道大变形问题。
对缝合带内5 座隧道现场大量取样测试，分析围岩单轴抗压强度分布规律。所取岩样均为炭质板岩，共计取样57 组、岩样171 个。每组岩样对应1个取样里程，各隧道取样里程及试验结果如图5所示。
现行的铁路隧道大变形分级标准是以围岩强度或岩石强度以及地应力为基准，对大变形进行等级划分的［12］。由此，本文以中老铁路穿越琅勃拉邦缝合带的5座隧道工程为依托，从隧道围岩强度特征、区域地应力分布规律以及围岩松动圈范围等方面进行室内外试验研究和数值模拟，基于大量试验数据揭示穿越缝合带的5座隧道大变形特征，并提出相应的变形控制措施。
1 隧道工程概况
中老铁路所穿越的琅勃拉邦缝合带，其构造带分布如图1 所示（改自文献［13］）。此处由若干大小不一的微地块碰撞结合而成，地块之间缝合带受强烈的冲击挤压作用，主动盘和被动盘相互交错，多组不同方位断裂构造带、褶皱等复杂地质构造在区域内发育，造成区域原始构造地应力场极其复杂［14-15］。图1 中绿色区域代表地质缝合带，缝合带内分布有5 座软岩隧道组成的隧道群，沿磨丁—万象方向依次为：会富莱、相嫩三、达隆一、达隆二以及沙嫩一隧道。
图1 中老铁路构造带分布
5 座隧道均设计采用三台阶法分步开挖，施工步序如图2所示。隧道支护结构设计为复合式衬砌结构，其中V级围岩的支护参数见表1。
优秀数学教师首先应体现于对教学内容的深刻理解和对教学活动的深入思考[6]．中央民族大学何伟对中国“三区三州”深度贫困地区的212名小学和101名初中数学骨干教师和教研员分别进行了数学教学知识测试，从学科知识（一般内容知识——CCK、特殊内容知识——SCK）和教学内容知识（内容和学生知识——KCS、内容和教学知识——KCT）两个方面的测试结果发现，“三区三州”数学教师的教学知识上存在较大问题，在某些知识点上，教师的得分率甚至只有30%左右．表明当地数学教师的教学知识还比较贫乏，教学质量亟待提升．
表1 隧道初步设计支护参数
围岩等级ⅤaⅤbⅤc混凝土参数品类C25 C25 C25厚度/mm 230 230 250拱架参数型号I16 I16 I18间距/m 1.0 0.8 0.6位置拱墙全环全环锚杆参数拱部锚杆Φ22中空锚杆边墙锚杆Φ22砂浆锚杆长度/m 3.0
图2 隧道断面及施工步序（单位：m）
5 座隧道围岩岩性以炭质板岩为主，受强烈的区域地质构造作用，隧道掌子面岩体节理裂隙纵横交错，岩层产状紊乱，局部揉皱现象多见，如图3所示。根据现行铁路隧道大变形分级标准，隧道群各标段对应的围岩大变形等级以严重、中等为主。
图3 掌子面揭露岩层产状
受缝合带强烈的构造作用以及隧道软弱围岩特征影响，5 座隧道在建设初始阶段已多次显现出大变形特征，初支结构破坏严重，在拱顶和边墙位置，拱架屈曲破坏、喷射混凝土开裂剥落现象频发，对隧道的安全高效施工造成重大影响，如图4所示。因此有必要基于缝合带内的隧道宏观变形破坏现象，探究这一复杂地质构造环境下的软岩隧道大变形诱发本质，从而明确隧道围岩变形等级，制定相应变形控制措施。
根据式(1),仅有变量可对器件亚阈值斜率造成影响。考虑到在亚阈值区域,与界面态电容相比,器件的耗尽电容可忽略不计[11],因而亚阈值斜率的变化主要是由界面态电容Cit造成的。
积极推动实施流域综合规划 不断开创长江水利发展新局面——《长江流域综合规划》解读 …………………… 刘雅鸣(13.4)
图4 隧道初支结构破坏现象
2 隧道工程特性试验研究
2.1 隧道围岩强度
2.1.1 岩石单轴抗压强度
在测度基本公共服务水平的前提下，进一步计算出不均等程度的指标。对于各个省份和直辖市，同样也建立基本公共服务水平测度指标，如表2所示。
图5 各隧道岩样的单轴抗压强度
统计测得的各隧道所取岩样单轴抗压强度可知：沙嫩一隧道围岩坚硬程度和完整性较好，单轴抗压强度相对较高，平均约为18.8 MPa；会富莱隧道岩石单轴抗压强度较低，平均约为10.0 MPa；相嫩三、达隆一和达隆二隧道岩石单轴抗压强度相差不大，这3 座隧道的岩石强度均不超过12.0 MPa；综合统计5座隧道所测的57组岩石单轴抗压强度数据，其平均单轴抗压强度约为12.7 MPa，该类岩石属于软岩范畴。
2.1.2 岩体抗压强度
1.1.1 《国务院关于加强青少年体育增强青少年体质的意见》中指出：“在校学生每天的体育锻炼时间不得少于一小时。大力推进全民健身计划，构建多元化体育服务体系”。以校本课程开发为载体，深入到全校教师与学生、课程与教学、制度与文化，以深化特色创建为抓手，引领学生发展、教师发展、学校发展是课程改革的宗旨。
根据各隧道岩样单轴抗压强度，综合考虑岩体中节理裂隙、尺寸效应的影响，将常规岩石力学参数进行修正后，换算成岩体力学参数，以更好地反映隧道围岩强度。在此，为计算岩体强度，采用较为通用的广义Hoek-Brown屈服准则［16-17］为
其中，
这种复制能力与变革能力从哪里来？这就是管理要思考的首要命题。企业在小的时候，在业务模式没有起来之前，要探索可复制能力，一定要形成经验，应用到更大、更广的范围，管理首先是对经验的管理。例如：有十个业务人员，一定要将其中资历深的业务人员的成功经验形成工具、方法，复制到新人身上。经验被放大后，在一个店能做成功，也能复制到更多的店获得成功，往更大的范围去做，企业也能变得更大。
式中：σc为岩石试样单轴抗压强度，MPa；σ1和σ3为岩体破坏时的最大主应力和最小主应力，MPa；mb，S，a 分别为岩体力学经验参数；IGSI为地质强度指标；D为表征开挖岩体受扰动程度参数，在岩体开挖的过程中严格地采用控制爆破和机械开挖，故D=0。
小护士不满地白西双一眼。你认为她能受得了这样的折腾？她瞅一眼吊瓶，说，得赶紧想个办法，吊针就快打完了。
因所测岩石强度为单轴抗压强度，所以σ3=0，由此式（1）可进一步简化为
按照广义Hoek-Brown 准则计算5 座隧道的岩体抗压强度，将计算结果整理见表2。由表可知，5座隧道岩体的抗压强度为0.88～3.16 MPa，平均抗压强度约为1.67 MPa，表明缝合带内5 座隧道岩体破碎严重，强度较低。
表2 基于广义Hoek-Brown准则的隧道围岩强度
隧道名称会富莱相嫩三达隆一达隆二沙嫩一取样组数/组12 9 13 10 13地质强度指标IGSI 56 62 63 63 68岩石强度范围/MPa 6.0～14.3 4.5～19.4 8.2～16.5 6.2～17.3 14.5～25.4岩体强度平均值/MPa 0.88 1.34 1.51 1.45 3.16
2.2 隧道地应力分布
缝合带所处的地应力复杂多变，地勘提供的地应力资料又相对有限，难以得到隧道围岩地应力分布规律，因此需要通过现场试验进行地应力测试。缝合带内隧道围岩比较破碎，难以采用常规的水压致裂法开展地应力测试，所以本文采用空心包体应力解除法［18-19］在隧道内测试，各隧道的地应力测点分布汇总见表3。
表3 各隧道围岩地应力测点分布
隧道名称会富莱相嫩三达隆一达隆二沙嫩一测试里程DK131+536 DK182+665 DK202+378 DK205+435 DK209+14测点埋深/m 286 136 265 173 196测孔深度/m 12 12 13 11 10
按试验流程，空心包体应力解除法可分为8 个主要步骤，按顺序依次为：大孔成孔→取芯观察→小孔成孔→洗孔→设备调试→安装包体应力计→岩芯应力解除→通过围压率定仪。采用空心包体应力解除法测定所取岩芯的力学参数，并将测得的5 座隧道的力学参数整理见表4。
从血清型来看，各地分离的猪沙门氏菌病病原体血清型很不一致，其中最为主要的有猪霍乱沙门氏菌和猪伤寒沙门氏菌。此外，鼠伤寒沙门氏菌、德尔俾沙门氏菌和肠炎沙门氏菌等也常引起本病的发生。
表4 试验段围压率定力学参数
隧道名称会富莱相嫩三达隆一达隆二沙嫩一弹性模量/GPa 33.69 24.75 16.57 27.51 28.36泊松比0.37 0.34 0.31 0.36 0.33
结合应力解除过程中得到的应变，整理得到5座隧道的应力测试结果见表5。由表可知：各测点所测的最大主应力均以水平方向为主，其中会富莱隧道和达隆一号隧道的测点埋深较大，所测应力也相应较高；5 座隧道隧线方向均与所测水平地应力方向大角度相交，隧道围岩受到水平构造应力的挤压作用；最小主应力为垂直方向，最大水平地应力与垂直地应力之比均大于1.5，区域构造作用强烈。
表5 各隧道主应力测试结果
隧道名称会富莱相嫩三达隆一达隆二沙嫩一测点编号CK1 CK2 CK3 CK4 CK5 σ1数值/MPa 12.44 5.40 12.87 8.06 9.14方向N43°E N88°E N54°E N47°E N47°E σ3数值/MPa 7.91 3.55 7.38 4.85 5.36方向N62°W N81°W N88°E N57°E N82°E σ1/σ3 1.57 1.52 1.74 1.66 1.70
5 座隧道的地应力测点及应力方向与主要构造关系如图6 所示，图中绿色区域代表地质缝合带，蓝色箭头为最大主应力方向。由图6 可知：所测地应力方向受缝合带区域构造环境控制，具有明显的统一优势方向，优势方向为N56°E；应力场相对不均匀，应力值偏差较大，可能与沟壑纵深、高低起伏的地势有关。
图6 各地应力测点及应力方向与构造关系
2.3 隧道围岩松动圈范围
隧道围岩松动圈范围大小，在一定程度上可以反映开挖导致的围岩破碎程度，其值对于锚杆打设深度、注浆加固范围具有指导作用［20］。采用声波法对围岩松动圈进行测试，可根据波速沿隧道径向的变化特征［21］，判断围岩松动圈范围。测试方案整理见表6。需要说明的是，沙嫩一号隧道在进行松动圈测试过程中，由于钻孔塌孔严重以及测试探头卡住等原因，并未获得对应的松动圈范围。
思雨差一点把事情都跟欣竹说出来。他好后怕，如果说出来，也许会被公司的人笑掉大牙的，也许会被公司的人误解的。那可真就是越理越乱了。
表6 各隧道松动圈测试方案
隧道名称会富莱相嫩三达隆一达隆二断面里程DK130+322 DK182+615 DK198+462 DK204+300测孔深度/m 10 10 10 10松动圈范围/m 5.5～6.5 6.0～7.0 5.5～6.0 5.5～6.0
对各隧道进行现场测试，测试结果如图7 所示，图中虚线表示围岩反射波速起伏较大位置，即围岩松动圈范围。由图7可知：随着测试探头由孔口向孔底不断延伸，岩体反射波速也在随之增大，表明岩体完整性在逐步提高；根据声波法松动圈测试原理，隧道开挖所引起围岩松动圈大致处于5.5～7.0 m 这一范围内，说明隧道围岩整体稳定性差，对隧道支护变形的控制要求相对较高。
图7 各隧道岩体波速-钻孔深度变化
3 隧道围岩变形特征
3.1 隧道典型断面变形特征
针对缝合带内的5 座软岩大变形隧道，每座隧道选择2 个典型测试断面，监测时间不少于30 d，其围岩变形时程曲线如图8 所示，图中变形量以向净空方向为正。
图8 隧道围岩变形时程曲线
由图8可知：10个监测断面围岩变形均以水平收敛变形为主、收敛变形量超过350 mm、初期收敛速率达到20 mm·d-1、持续变形时间也超过30 d，总体来说隧道变形呈现变形量大、变形速率高、持续时间长等特征；相较而言，会富莱隧道围岩变形量和变形速率较大，其最大水平收敛变形达600 mm 以上、垂直沉降也超过300 mm；变形速率甚至超过30 mm·d-1；基于10 个监测断面，可认为隧道变形特征主要与缝合带强烈的水平构造作用、软弱的层理结构特征围岩有关，而这使得隧道在开挖过程中表现出显著的水平挤压性变形，因此在对隧道变形进行控制的过程中，应以抑制隧道水平收敛变形为主，防止出现由局部大变形发展为整体的变形破坏现象，在加强初支结构、开展围岩注浆等措施的同时，应积极地调动围岩自承载能力。
3.2 数值模拟
为进一步分析现场围岩变形特点以及初支结构破坏形式，利用UDEC 离散元软件构建隧道数值模型，对围岩非线性大变形问题进行定性分析。模拟时，设断面隧道埋深200 m，模型尺寸60 m×60 m；块体模型和层理面分别采用应变软化型和库伦滑移型材料；模型左、右2 侧为简支，仅允许垂直方向位移，底部为固支，顶部为应力边界；其他物理力学参数见表7。模拟得到的围岩变形如图9所示。
表7 数值模拟物理力学参数及取值
力学参数岩体容重/(kN·m-3)侧压力系数岩体泊松比岩体内摩擦角/(°)岩体黏聚力/MPa节理法向刚度/(GPa·m-1)节理切向刚度/(GPa·m-1)节理内摩擦角/(°)节理黏聚力/MPa节理倾角/(°)节理间距/m取值2620 1.6 0.34 31.6 0.28 6.02 0.524 22.5 0.2 100 0.2
图9 隧道围岩变形模拟（单位：m）
由图9 可知：隧道围岩变形具有明显的方向性；拱部及边墙部位最为严重，存在层间错动、滑移等变形特征；临近隧洞临空面围岩局部存在明显的屈曲、弯折以及分层破坏现象，导致围岩向净空方向内挤变形突显。层理性结构围岩的这种非线性、非对称性变形特征，会进一步加剧隧道围岩大变形的发生，不利于隧道围岩稳定。此外，数值模拟所揭露的隧道宏观变形方位与现场初支结构破坏方位基本一致，也在一定程度上表明采用数值模拟方法研究隧道变形特征的合理性。
需要说明的是，本文重点在于通过多种研究手段揭示缝合带多期次地质构造作用下的隧道大变形特征及成因机制；对于围岩的层理结构特征对隧道大变形产生的影响，作者已构建地质力学理论模型进行分析并对其适用性进行了应用评价，相关研究成果可参考文献资料［11］，因篇幅原因不再赘述。
4 隧道变形应对措施
综合分析隧道变形及支护结构破坏情况可知，隧道大变形的产生主要与缝合带强烈的水平构造作用、软弱围岩以及其层理结构特征有关。受之影响，岩体节理裂隙发育，严重地降低了围岩的自承载能力，这也造成缝合带内的5 座隧道呈现出与一般的软岩隧道所不同的大变形特征：其隧道变形强度更为突显，水平变形速率及变形量更大，围岩结构也更为复杂。
为此，根据现场隧道变形情况，所采取的变形控制措施如下：①针对“廋高状”的原设计隧道断面结构形式，采取适当扩大边墙曲率，从而使断面轮廓接近于圆形，更易发挥圆形断面的优越性；②采用高强度HW175 或双层I20b 型钢，从而提高支护结构强度及稳定性；③根据岩层产状及松动圈范围，从锚杆施作角度及注浆加固深度等方面进行优化，以改变锚杆打设方位，使其尽可能垂直于岩层层理面而非隧道轮廓线，这样一来，可在充分发挥锚杆的锚固效果、调动围岩承载能力、防止层间错动或离层发生的同时，保证锚杆钻孔深度达到甚至超过松动圈范围，使锚杆锚固端处于相对稳定的岩体之中；④根据围岩变形情况，调整现场施工台阶长度，缩短初支封闭成环时间及距离；⑤还可采取非对称性、局部补强措施，如临时斜撑、横撑以及局部注浆等。
根据现场应用情况，综合采用上述控制措施之后，5 座隧道变形得到有效控制。测得水平收敛变形量减少约40%以上，变形速率降低约50%以上，同时未出现隧道初支侵线、拱架弯折以及喷射混凝土大面积剥落等破坏现象。
5 结 论
（1）缝合带内5 座隧道的炭质板岩单轴抗压强度4.5～25.4 MPa，平均约12.7 MPa，岩体抗压强度平均约1.7 MPa，隧道群岩石及岩体强度低；隧道群的最大主应力均为水平地应力，最大主应力与最小主应力之比均大于1.5，其中达隆一隧道高达1.74，隧道群受缝合带构造作用影响较大；松动圈范围5.5～7.0 m，达到隧道跨度的0.65 倍以上，围岩自稳能力差、破碎严重。
（2）由隧道支护的结构变形破坏形式并综合室内外试验结果可知，缝合带内隧道变形呈现出明显的挤压大变形特征；围岩变形以水平收敛变形为主，变形量大（最大水平变形600 mm）、变形速率高（30 mm·d-1）且持续时间长（30 d 以上）。数值模拟进一步揭示，围岩变形破坏部位以拱部及边墙为主，总体呈现明显的非线性和非对称性变形特征，而这会进一步加剧隧道围岩大变形的发生，不利于隧道围岩稳定。
（3）基于隧道变形特征和严重程度，现场应采取以调整隧道断面结构形式、改变锚杆施作方案、优化施工台阶长度及缩短初支封闭成环时间和距离为主的变形控制措施，同时还需对边墙和拱肩处，采取非对称性支护设计以及局部性补强措施，进一步提高围岩的自承载能力。
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