拉林铁路藏噶隧道大变形影响因素及控制措施研究

拉林铁路藏噶隧道大变形影响因素及控制措施研究

杨曾

中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南长沙，410117

【摘要】 本文依托拉林铁路藏噶隧道，分析总结了蚀变花岗岩地层围岩大变形特征，结合地质资料、数值模拟探讨了蚀变花岗岩大变形的影响因素，研究了围岩变形控制措施。结果表明：蚀变花岗岩地层变形量值较大，收敛变形显著且变形持续时间较长，支护结构无法控制围岩变形。花岗岩的蚀变作用是围岩大变形的内在原因，高地应力和支护结构高跨比是主要外在影响因素。现场采用以调整边墙曲率、加强初期支护刚度、加快支护成型、加大预留变形量为主的变形控制措施后，围岩变形得到了有效控制，施工效果良好。研究可为类似工程施工提供参考。

【关键词】单线铁路隧道；蚀变花岗岩；围岩变形；影响因素；控制措施

中图分类号：TU473      文献标志码：A

Abstract: Based on the Lhasa-Nyingchi Railway Zangga Tunnel, this paper analyzed the characteristics of large deformation of the surrounding rocks in altered granite strata, discussed the influencing factors of large deformation with geological data and numerical simulation, and studied the corresponding control measures. The results show that the altered granite has large deformation value, the convergence is more significant, and lasts for a long time. The alteration of granite is the intrinsic reason for the large deformation, while the high ground stress and high span ratio of the support structure are the main external influencing factors. After the control measures were adopted, the surrounding rock deformation was effectively controlled and the construction effect was good.

0  引  言

拉林铁路沿线地质构造运动活跃，地质条件复杂多变，沿线广泛分布强度较低的蚀变岩体。大量研究表明，较于原岩，蚀变岩体具有低密度、低强度、低弹性模量等的软弱工程特性[1,2]，隧道在此类地层施工容易出现围岩大变形、塌方、涌水等问题[3,4]，这给施工带来了极大的挑战。本文依托拉林铁路藏噶隧道，分析总结蚀变花岗岩地层围岩大变形特征，结合地质资料、数值模拟探讨了蚀变花岗岩地层围岩大变形的影响因素，研究了围岩变形控制措施。研究可为类似工程施工提供参考。

1  工程概况

拉林铁路拉林段藏噶隧道是一座设计列车速度160km/h的单线隧道，其全长8.755km，最大埋深为778m。隧址区分布多条断层破碎带，洞身穿越第三系始新统花岗岩、闪长岩等多种岩性，主要分布Ⅳ、Ⅴ级围岩，隧区的最大水平地应力为17.72MPa，最大水平主应力与垂直应力的最大比值约1.76。隧道施工共设置2座施工横洞，分隧道进、出口、1#横洞和2#横洞4个工区进行施工。

2#横洞与正洞交于DK169+000，随后隧道往大、小里程方向同时进行施工。DK168+805~DK169+140段施工揭示，受地质构造运动影响，洞身花岗岩表现出强烈的蚀变特征（图1），岩石强度低，岩体节理裂隙发育，围岩整体较破碎，自稳能力较差。该段为Ⅴ级围岩，采用台阶法开挖，支护结构主要采用高10.15m、宽8.03m的Ⅴc型复合式衬砌（图2），开挖断面高跨比约为1.22[5]。

图1  藏噶隧道蚀变花岗岩

图2  Vc型复合式衬砌（高跨比1.22）[5]

2  围岩大变形特征

2#横洞工区施工正洞DK168+874~DK168+825段和DK169+025～DK169+140段时，洞身蚀变花岗岩出现较大变形，隧道内初期支护变形超限、喷射混凝土开裂（最大裂缝宽度超过20mm）、钢拱架扭曲变形甚至断裂等现象频繁出现，具体见图3。

(a) 围岩大变形        (b) 钢拱架扭曲变形

图3  围岩大变形及隧道破坏情况

图4为藏噶隧道蚀变花岗岩地层围岩变形情况统计。可知，DK168+874~DK168+825段初支发生不同程度变形，该段拱顶沉降值为56.7~207.0mm，水平收敛值为124.3~549.3mm，最大日沉降速率和日收敛速率分别为8.3mm/d、13.6mm/d。隧道施工DK169+025～DK169+140段时出现了更严重的围岩大变形现象，该段拱顶沉降值为71~656mm，水平收敛值为245~3023mm，最大日沉降量和日收敛量值分别为27mm、128mm。其中，最大收敛变形值为3023mm，出现于DK169+122断面。可见，围岩变形呈现出量值大和收敛变形显著的特征，且多数断面围岩变形已超过预留变形量值（100mm），严重影响施工。

（a）DK168+818~DK168+860段

（b）DK169+025~DK169+136段

图4  蚀变花岗岩地层围岩变形情况

图5  DK169+070断面围岩变形曲线

由图5可知，该断面开挖后围岩变形迅速增长，虽然在下台阶开挖后围岩变形速率略有下降，但围岩变形在47天内仍持续增长，变形始终未达到稳定状态。最终，拱顶沉降值为177mm，水平收敛值达1073.5mm，围岩变形超出预留变形量100mm，这说明采用的支护结构无法有效地控制围岩变形，蚀变花岗岩呈现出变形量值大、收敛变形显著和变形持续时间较长的特征。

3  围岩大变形影响因素

3.1  地质构造影响

岩石在发生蚀变作用后，其密度、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学性质会出现显著的降低[2]。藏噶隧道2#横洞工区主要分布弱风化花岗岩，但在活跃地质构造运动影响下，花岗岩在多次岩浆侵入影响下呈现出显著的蚀变特征[6]：较于原岩而言，蚀变花岗岩强度低，节理、裂隙极为发育且层间结合性差，多有分离现象，岩体呈碎裂散体结构，围岩完整性遭受严重破坏，自稳能力较差。这是蚀变花岗岩出现围岩大变形的内在原因。

3.2 高地应力

根据隧道地勘报告等资料，建立蚀变花岗岩地层隧道施工的有限差分模型，分析侧压力系数对围岩大变形和支护结构的影响，其计算结果见图6。可知，侧压力系数0.5、1.0、1.5、2.0、2.5时的拱顶沉降值分别为106.4mm、122.3mm、92.2mm、84.0mm、81.3mm，水平收敛值为140.4mm、182.0mm、384.5mm、546.8mm、724.5mm。围岩收敛变形大于拱顶沉降变形，且随着侧压力系数增长，围岩水平收敛量值增长显著，而拱顶沉降在侧压力系数1.0后逐渐降低，这应该与支护结构整体变形与受力有关。同时，随着水平收敛变形逐渐增大，边墙处也面临着更高的破坏风险。

图6  侧压力系数对收敛变形的影响规律

根据隧区深孔地应力测试结果[5]可知，隧区地应力呈现“最大水平主应力>自重应力>最小水平主应力”的特征，表明该区域地应力以构造应力为主。其中，最大水平地应力为17.72MPa，最大水平地应力与竖向应力的最大比值为1.76。在较高的水平地应力环境中，蚀变花岗岩地层隧道施工易出现较大的收敛变形，实际施工中边墙处支护结构也多次出现了破坏情况，因此，高地应力也是蚀变花岗岩大变形的主要外在影响因素之一。

3.3支护结构高跨比影响

建立1.00、1.10、1.22三种不同隧道高跨比的数值模型（图7），探讨侧压力系数1.0条件下支护结构高跨比对围岩大变形的影响，计算结果见图8。可知，隧道高跨比1.0、1.1、1.22时的拱顶沉降值分别为142.1mm、131.2mm、122.3mm，水平收敛分别为151.3mm、167.5mm、182.0mm，隧道高跨比对于围岩变形也存在较大影响。其中，隧着高跨比增大，围岩变形呈现出拱顶沉降减小、水平收敛增大的变化趋势。

(a) 高跨比1.00   (b) 高跨比1.10   (c) 高跨比1.22

图7 不同隧道高跨比的数值模型局部网格示意图

图8  不同高跨比下围岩变形量值统计

在高地应力环境中，高跨比较大的“瘦高型”支护结构容易出现更大的收敛变形。藏噶隧道蚀变花岗岩地层采用的是高跨比1.22的Ⅴc型复合式衬砌结构，且边墙拱矢较小，该支护结构断面形状在蚀变花岗岩地层中的适应性较差，无法较好地控制围岩收敛变形。

3.4其他原因

隧道开挖后短时间内初期支护起主要的支护作用，蚀变花岗岩地层初期支护厚度为25cm，加上支护结构高跨比较高，支护结构刚度不足也可能是围岩大变形的影响因素之一。另外，台阶法施工对围岩的多次扰动、初期支护封闭时间较长等也是围岩变形的重要影响因素。

4围岩变形控制措施

高地应力条件下软岩大变形与围岩自身属性、洞身支护时机、洞身支护刚度、超前支护相关[7]。针对蚀变花岗岩变形特征及影响因素，提出以调整边墙曲率、加强初期支护刚度、加快支护成型、调整预留变形量为主的变形控制措施。隧道采用三台阶法施工，支护结构采用ⅢB型复合式衬砌结构（图9），变形控制措施如下。

（1）上台阶开挖前于拱部进行10m长φ89管棚超前支护，辅以3.5m长φ42超前小导管，环向间距距为40cm。通过管棚+小导管+注浆方式，固结加固拱部岩体。

（2）采用双层初支，第一层采用间距0.6m全环HW175钢拱架，由长锚杆（长度由围岩松弛圈分析）与钢架连接成整体。中下台阶开挖完成后，及时施工第二层I20b钢拱架，间距0.6m。喷射混凝土标号提高至C30。当上台阶无空间施作长锚杆时，采用3m长临时锚杆，快速完成上台阶钢架整体锁定、稳固。

（3）预留变形量调整为60cm，并根据加强支护后的监测结果，进行不断优化调整。在避免变形侵限的前提下，减少扩挖。

（4）同时施工仰拱部位两层初支，每次开挖进尺约3m，加快仰拱封闭成环。

图9 ⅢB型复合式衬砌结构

采用上述变形控制措施后，藏噶隧道蚀变花岗岩地层施工效果良好，拱顶沉降和水平收敛量值都小于预留变形量，施工中也未出现围岩塌方等失稳事故，整体施工效果较好，说明上述控制措施能够较好地控制蚀变花岗岩变形。

5结  论

藏噶隧道蚀变花岗岩地层施工时出现了严重的围岩大变形现象，初期支护变形超限、钢拱架破坏等现象频繁出现，围岩变形持续时间较长且收敛变形显著。蚀变花岗岩地层围岩变形受多种因素影响，其中花岗岩蚀变作用是围岩大变形的内在原因，较高的地应力和较大的支护结构高跨比是围岩大变形的主要外在影响因素。现场采用以调整边墙曲率、加强初期支护刚度、加快支护成型、调整预留变形量为主的变形控制措施后，围岩变形得到有效控制，施工效果良好。研究可为类似工程施工提供参考。

参考文献：

[1]KHANLARI G R, NASERI F. Investigation of Physical Deterioration of Malayer Granitic Rocks Using a New Weathering Coefficient (Kr4) [J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(5): 1-14.

[2]董金玉, 石尚, 李建勇, 等. 蚀变岩工程分级与物理力学性质研究[J]. 工程地质学报, 2022, 30(03): 966-974.

[3]张永双, 李金秋, 任三绍, 等. 川藏交通廊道黏土化蚀变岩发育特征及其对大型滑坡的促滑作用[J]. 地球科学, 2022, 47(06): 1945-1956.

[4]段伟锋, 燕俊松, 杨日昌, 等. 杨房沟水电站左岸坝基断层蚀变岩蚀变特征与工程特性研究[J]. 地质灾害与环境保护, 2021, 32(04): 52-57.

[5]中铁二院工程集团有限责任公司. 新建铁路川藏线拉萨至林芝段初步设计地质(第四篇) 说明书[R]. 成都: 中铁二院工程集团有限责任公司, 2014.

[6]方星桦, 杨曾, 阳军生, 等. 高地应力隧道蚀变花岗岩地层围岩大变形特征及控制措施, 2020, 41(05): 92-101.

[7]田四明, 吴克非, 刘大刚, 等. 高原铁路极高地应力环境隧道主动支护设计方法研究[J]. 铁道学报, 2022, 44(05): 39-63.

作者简介：杨曾(1984-10)，男，中铁五局集团第一工程有限责任公司，高级工程师