随着我国经济的持续发展、综合国力的不断提升, 隧道及地下工程行业发展迅速,在地质环境恶劣、高地应力、软弱围岩地区建设的长大隧道越来越多,高地应力软岩大变形问题成为首要难题之一。尤其在我国西南地区,修建隧道易受高地应力软岩等因素影响, 出现较为严重的大变形灾害。目前许多学者对隧道大变形特征、机理及控制技术开展了研究。
哈巴雪山隧道位于云南省迪庆藏族自治州境内，紧邻金沙江，穿越哈巴雪山山脉，全长9523米，是全线最后一座贯通的隧道。由于地处青藏高原横断山脉滇西北纵谷地带，受多条断裂带长期活动影响，滑坡、岩溶等问题极为突出。哈巴雪山隧道的最大埋深达到了1155米，同时受构造挤压，隧道围岩极其破碎，使得这一隧道地应力之高，特别是隧道支护压力之大，均为国内铁路隧道建设之最。目前主要针对深埋软岩隧道工程开展研究,关于超大埋深软岩隧道大变形特征、机理及控制技术方面研究不足。哈巴雪山隧道地处青藏高原东南缘,地质构造极为复杂,隧道埋深大(最大埋深1155m)、地应力高,主要岩性为片理化玄武岩、岩性特殊,隧道施工过程中产生了极为严重的大变形问题。
工程概况
滇藏铁路丽香线哈巴雪山隧道地处云南省西北部青藏高原东南缘横断山脉中段,属高原构造剥蚀 地貌区。山体左低右高,地形起伏较大,位于冲江河 与金沙江侵蚀台地中。地面高程为2 050~3 400 m,自然横坡为15° ~ 40°,局部为陡崖, 属越岭隧道。
哈巴雪山隧道地形地貌
该隧道是滇藏铁路丽香全线重点控制性工程,为Ⅰ级高风险隧道,单线铁路隧道,设计时速为140 km, 起讫里程为DK52+183~DK61+706,全长9 523 m,最大埋深为1 155 m,在隧道里程约DK58+900处埋深最大。
哈巴雪山隧道地质纵断面图
隧址区分布第四系全新统滑坡堆积(Qdel 4 )块石 土,坡残积(Qdl+el 4 )粉质黏土、角砾土,冰碛层(Qgl 3 )角 砾土,下伏基岩为三叠系中统(T2 )白云质灰岩,下统 虎跳涧区(T1 )砂质板岩、板岩夹灰岩,下伏基岩为三 叠系(Tβ )片理化玄武岩及断层角砾(Fbr ),主要发育 南北向断裂,局部发育支断层。 哈巴雪山隧道大变形段采用短台阶开挖方法,开 挖与支护的时机根据现场实际施工情况确定。一般来说,上台阶长度为4~5 m,下台阶长度为10~25 m。本 文仅给出哈巴雪山隧道大变形ⅠA、ⅡA型支护设计,ⅠA、ⅡA型开挖跨度分别为8.11、8.91 m;初期支护 喷射混凝土设计厚度为27 cm;采用I20b工字钢,间距为0.5~0.6 m;锚杆长度设计为3.5 m,间距为1.0 m× 1.0 m(环×纵);钢筋网直径为8 mm、网格间距为 20 cm×20 cm;二次衬砌采用C35混凝土,厚45 cm;二次衬砌主筋直径为20 mm,纵向间距为200 mm,双层 布置;ⅠA、ⅡA型预留变形量分别为30、40 cm,施工中预留变形量根据监控量测结果适当调整。针对Ⅲ级及更高的大变形支护类型,考虑到施工工期、施作难度、变形特征、结构破坏速度等多方面因素,通 过现场评估后并未采用原设计方案,施工后期实行 动态设计。哈巴雪山隧道大变形分级可采用挤压性围岩隧道大变形等级划分标准,该大变形分级方法主要考虑岩体强度应力比。由于隧道较长,勘察阶段围岩强度数据有限, 难以准确地将隧道大变形分级分段,图3中大变形分 级还结合了施工阶段的围岩强度数据。
哈巴雪山隧道大变形等级判定
哈巴雪山隧道大变形特征
哈巴雪山隧道埋深大,地质构造、地应力环境复杂,新构造运动强烈,围岩以碎裂化、片理化玄武岩夹 凝灰岩为主,多被挤压呈角砾及砂土状,开挖渣样呈粉
状、碎石、角砾、砂及片状,围岩软弱松散,自稳性极差。
隧道开挖揭示围岩
隧道在施工过程中多个段落出现了严重大变形问题,隧道大变形特征主要包括以下几个方面。
1掌子面易失稳
隧道施工过程中遭遇数次塌方,且涌土(石)量较大,掌子面稳定难以及时控制,封闭掌子面的 喷射混凝土(约45 cm)3 d内挤裂。隧道塌方的主要原因是围岩的完整性较差、强度低,且处在极高地应力环境中。
隧道掌子面塌方
2支护变形速率快、变形量大
隧道开挖后变形速率在15cm/d以上,单侧累计变形量大于2m,且仰拱隆起量最 大达1.5m以上。隧道变形大且快的主要原因是极高 地应力、极低围岩强度以及支护刚度不足。
3结构破坏严重
哈巴雪山隧道由于变形量大且难以稳定,导致施工期间结构产生严重破坏,二次衬砌大面积长段落溃 裂,长达189m。该段落隧道在开挖后初 期支护变形侵限反复更换3次,且施作二次衬砌后3个月内未见明显损伤。 另外,正洞与联络通道的三岔 口也是结构破坏严重的区域,极严重大变形段的交 叉口衬砌1 周内产生大面积裂缝,难以保证结构 安全。
隧道大变形机理
隧道产生大变形最常见的原因是较高地应力和较 低岩石强度综合导致的,因此才有“强度应力比”一说。除了地应力及岩石强度的影响,本文采用理论分 析及室内试验等手段,分别从微观、力学机制、变形过程3方面阐述隧道大变形机理。
结构破坏情况
1微观变形机理
微观上主要为位错蠕变,当应力水平超过起裂应力,岩石内部损伤不断积累,产生等速蠕变;当应力水平超过破坏应力,裂隙贯通形成裂隙群,蠕变加速,围岩产生快速碎胀扩容,宏观上表现为松动区快速发展。
岩体内部碎胀扩容
2开挖力学机制
隧道开挖打破初始应力平衡状态,围岩约束作用解除、偏应力快速增大,加快围岩强度衰减,导致围岩大范围变形破坏。
3隧道产生大变形过程
隧道变形逐渐增大,形成大范围松动圈;松动圈内 破碎岩体,扩容碎胀,进而加速向洞内变形;叠加流变作用,变形持续发展,导致隧道大变形。
隧道大变形过程
大变形隧道控制技术
1地应力超前释放技术
根据地质勘测,哈巴雪山隧道实测最大水平主应力为29.44MPa,最小岩体强度应力比为0.038,属极 高地应力。通过设置超前平行导洞(平导)与超前中导洞提前释放部分地应力,可减小隧道变形及支护 体系破坏。
（1）平导释放地应力技术
研究哈巴雪山隧道平导释放地应力技术,分析平导与正洞不同间距及平导不同超前距离下隧道的力学响应,结果表明平导与正洞合理间距应为3D~4D (D为正洞洞径),平导合理超前距离应为5D~6D,平导可以减小5%~10%的水平地应力。
（2）中导洞释放地应力技术
研究哈巴雪山隧道超前中导洞释放地应力技术,分析不同中导洞断面、位置及超前距离下隧道的力学响应,结果表明合理的中导洞断面面积应为正洞断面面积的3/5,中导洞中线应与正洞中线重合,且拱顶高差应为2.0m,施工过程中导洞合理超前距离应为 2D~3D。超前中导洞的合理设置可减小20%以上的地应力,且围岩中应力峰值向深部转移约4m,大大减小支护结构的破坏。
2长短锚杆结合的主动控制技术
哈巴雪山隧道大变形问题严重,通过常规被动支护难以抵抗隧道大变形,因此有必要采用长短锚杆结 合的主动控制技术。隧道上中台阶开挖后及时施作短 预应力锚杆,控制围岩变形及松动圈发展,使围岩形成 承载环,抑制松动圈向深部发展。下台阶开挖后施作长锚杆,进一步加固承载环,同时将部分围岩压力转移到松动圈外,实现长锚杆与承载环协同抵抗变形。
短锚杆应施加一定的预应力,预应力应结合围岩、黏结层强度特性进行设定,建议为100kN,预应力锚杆长度可设定为5m;边墙长锚杆长度宜大于12 m,预应力视情况而定,若施加长锚杆后隧道变形速率仍较 大,则建议长锚杆也施加预应力。
3注浆提升围岩强度
哈巴雪山岩体破碎,针对掌子面易失稳的问题,通过超前管棚、小导管对前方围岩进行注浆加固。管棚刚度不足时可在管棚内增加钢筋提高管棚的抗弯抗折能力。管棚直径不小于108 mm,小导管直 径不小于42mm;管棚和小导管长度可根据掌子面松动圈及开挖影响范围综合确定,管棚长度建议为10~ 25 m,小导管长度建议为3~5 m。针对隧道径向变形过大的问题,对周边围岩进行注浆加固,有利于形成围岩 承载环,防止产生过大变形。注浆压力应 结合围岩特性及地应力综合确定,建议超前注浆压力设 定在5 MPa以上,径向注浆压力设定在1 MPa以上。
掌子面前方注浆
4加强初期支护
哈巴雪山隧道在施工过程中衬砌结构数次加强, 由初始的ⅢA型衬砌到ⅢD型衬砌;支护参数也随之增强,第1、2层初期支护采用I25b型钢、C30早强喷 射混凝土,第3层初期支护采用钢筋喷射混凝土(正洞段)或模筑衬砌(三岔口段)。
5合理预留变形量及设置缓冲层
哈巴雪山隧道应结合隧道变形特征,分别设定不同初期支护层、不同位置的合理预留变形量。预留变形量可根据具体的隧道变形情况进一步调整。在拱墙部位的第3层支护与二次衬砌之间增设6 cm 厚缓冲层,材质为高密度闭孔橡塑海绵,置 于防水板外侧。衬砌加厚至55~85 cm。
技术应用效果
1掌子面稳定性
哈巴雪山隧道通过超前小导管、注浆、管棚等措施对掌子面进行加固,掌子面的挤出变形减小60%以上,降低了隧道掌子面坍塌的概率;隧道掌子面前方围岩松动范围减小,增强了隧道掌子面围岩的力学特性,从而提升了掌子面的稳定性。
2隧道变形
通过采取长短锚杆协同主动控制、径向注浆增强围岩强度、增设隧底抗拉锚管等措施,隧道拱顶沉降和上、下台阶水平收敛大大减小,且仰拱隆起得到了有效控制。后续研究可根据隧道变形实际 情况,进一步增强“长短锚杆”措施,实现锚杆-围岩结 构化,降低作用在初期支护的荷载,最终达到控制变形 的目的。
3结构受力
哈巴雪山隧道二次衬砌断面接触压力均小于0.1 MPa,低于衬砌设计荷载(按1.0 MPa设计),综合考虑衬砌在使用寿命期间可能承受的流变荷载,衬砌设计相对合理。二次衬砌主筋应力除左边墙外受力均较小,最大主筋应力为-152.6 MPa,出现在左边墙内 侧,为钢筋抗压强度设计值的42.39%;二次衬砌混凝 土应力均未超出混凝土强度设计值。
技术成果
哈巴雪山隧道在技术方面，从微观角度、力学机制及变形过程等方面揭示了隧道大变形机理。微观位错蠕变引起岩石内部损伤 积累,开挖破坏了岩体初始应力平衡,偏应力增大,进而加速围岩变形破坏,并伴随着松动圈形成及破碎岩 体扩容碎胀,最终导致隧道的大变形。提出了“超前应力释放+长短锚杆结合+强注 浆+多层支护”的隧道大变形控制技术,并应用于哈巴 雪山隧道工程。实践表明,哈巴雪山隧道大变形得到 了有效的控制,隧道掌子面挤出变形减小60%以上, 洞周变形减少40%以上,且仰拱隆起现象得到了有效抑制,衬砌结构受力也显著减小,围岩压力及接触压力 均小于结构设计荷载。针对类似哈巴雪山隧道极严重的大变形灾害问题,未来应综合多维度技术策略,重点关注优化地应力释放方式、提升围岩强度的有效方法以及围岩与支护 系统的匹配性增强方法。
同时,结合现代数值模拟和实时监测技术,以实现动态、精准的施工控制。新材料 的应用也将进一步推动创新解决方案的开发,为应对 隧道大变形灾害提供坚实的技术支持,确保工程的安全与顺利推进。
经过9年建设，滇藏铁路云南丽江至香格里拉段的重点控制性工程——哈巴雪山隧道道床施工于2023年7月8日完工。哈巴雪山隧道位于云南省迪庆藏族自治州，全长9523米。由于地处青藏高原横断山脉，施工经常遇到滑坡、岩溶等问题，每掘进一米都十分困难。因此，隧道工期从6年一直延续到9年。随着隧道贯通，滇藏铁路丽江至香格里拉段20座隧道全部完成施工，转入长轨铺设阶段。