冰磧層圍巖穩定性及亞分級研究

王明年，王 巖，胡云鵬，吳圣智，劉大剛

（1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

川藏鐵路將大面積穿過山南、林芝、折多山、海螺溝及康定等冰磧層地質聚集區，其中，已開工的拉林鐵路就有6 座隧道大規模穿越冰磧層地區，未開工的雅安—康定段、康定—林芝段中，海子山隧道、折多山隧道均會穿越冰磧層地區。冰磧層在形成過程中未經風化作用，由冰川直接攜帶和搬運而成，其物質組成具有一定的棱角性，在冰川消融后，冰磧層含水率較高，在隧道開挖后極易發生掌子面及洞周圍巖的坍塌及涌水，威脅隧道施工安全。因此，針對冰磧層隧道研究的重要性日益凸顯。

由于冰磧層的特殊性，眾多學者對其工程特性展開了研究。Ignatoval［1］提出了計算冰磧層強度指標的公式；Stephan Gebhardt 等［2］以德國北部冰磧層為例研究了冰磧層在不同壓實狀態下的物理力學性質；屈智炯、蒙進等［3-4］等研究了冰磧層微觀結構特征及應力-應變-體變特性和強度演化規律，提出了改進的非線性K-G本構模型；涂國祥等［5-6］以西南某大型冰磧層為例，得到了冰磧層強度的計算公式及改進的滲透系數計算方法；李驊錦等［7］對四川理縣小岐村冰磧物角礫土不同含水率及含石量對強度的影響進行了研究；木勛等［8］針對西南某機場冰磧土的顆粒、級配、強度、滲透性等特性進行研究；馮俊德等［9］進行了原狀冰磧土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰磧土大型直剪試驗研究。

然而這些研究主要集中在應力與應變的關系，以及本構模型、強度計算方法和各因素對冰磧層強度影響規律等工程特性方面，對冰磧層圍巖穩定性及亞分級方面的研究則幾乎空白。

基于此，本文以拉林鐵路藏噶隧道為依托工程，采用室內土工試驗和數值模擬對冰磧層圍巖穩定性及亞分級進行系統研究，以期為拉林線奔中山隧道、米林隧道以及川藏線中穿越冰磧層地區的隧道施工提供參考。

1 工程概況

藏噶隧道為單線鐵路隧道，隧道進口里程DK164+850，出口里程DK173+605，全長8 755 m，最大埋深為778 m。隧址位于念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區，地勢起伏跌宕，氣候極端惡劣。冰磧層主要分布于DK166+950—DK167+910 段，長 度960 m，DK173+490—DK173+605 段，長度115 m，冰磧層段隧道埋深為48.9～114.2 m，地層巖性為碎石土，其組成礦物成份以石英砂巖、花崗巖、閃長巖為主，粒徑為60～150 mm。

該隧道施工采用三臺階法加臨時仰拱法，支護結構按照新奧法原理設計，采用復合式襯砌結構，支護參數見表1。

表1 隧道復合式襯砌支護參數

2 冰磧層圍巖力學性質室內試驗

2.1 試驗設備

針對藏噶隧道進行冰磧層實地取樣，同時結合康定、瀘定、林芝等其他共計14 個調研點（詳見圖1）冰磧層調研樣本［10-16］進行綜合分析，得到冰磧層圍巖的天然密度為2 060～2 365 kg·m-3，含水率為2%～25%，曲率系數Cc為0.65～5.46，不均勻系數Cu為35.84～143.25。

圖1 冰磧層樣本調研點分布

為了全面探究冰磧層隧道圍巖的力學性質，選取密實程度、含石量和含水率3 個主要影響因素，在室內進行冰磧層大型三軸剪切試驗。試驗設備選用應力路徑控制大型三軸剪切試驗儀，如圖2所示；軸向應力、應變、周圍壓力等參數均由計算機自動采集，試樣配置及試樣破壞如圖3所示。試驗工況涵蓋調研區內冰磧層圍巖的物理指標。

圖2 大型三軸剪切試驗儀

圖3 試樣配置及試樣破壞

為研究不同含石量對冰磧層力學性質的影響關系，調研目前國內外關于土石分界問題的研究，可知粗粒土內部的土與石之分是一個相對概念，因此，采用E.S.Linquist 和E.Medley 等［17-18］提出的土石分界閾值，結合本次試驗儀器的限定，研究采用10 mm 為土石分界點，即粒徑大于10 mm 的為石，小于10 mm的為土。

2.2 不同因素對冰磧層圍巖力學性質的影響

2.2.1 密實程度影響規律

密實程度與冰磧層圍巖抗剪強度的關系曲線如圖4所示，由圖可知，黏聚力和內摩擦角均隨密實程度的增大而增大。依據曲線變化趨勢可將曲線分為3段：當密實程度小于0.35時，黏聚力和內摩擦角增長速率較緩；當密實程度在0.35～0.67 之間時，黏聚力和內摩擦角的增長速率較大；當密實程度大于0.67，黏聚力增長速率變緩，而內摩擦角增長速率仍較大。由此，在對密實程度進行分組時，以密實程度β為0.35 和0.67 作為分界點，將其劃分為密實、中密和稍密3組。

2.2.2 含石量影響規律

圖4 密實程度與冰磧層抗剪強度的關系曲線

圖5 含石量與冰磧層抗剪強度的關系曲線

含石量與冰磧層圍巖抗剪強度的關系曲線如圖5所示，由圖可知，黏聚力和內摩擦角均隨含石量的增大而逐漸增大。依據曲線變化趨勢可將曲線分為2 段：當含石量小于30%時，黏聚力和內摩擦角增長速率較緩；當含石量大于30%，黏聚力和內摩擦角增長速率逐漸變大。由此，在對含石量進行分組時，以含石量as為30%作為分界點，將其劃分為低含石量和高含石量2組。

2.2.3 含水率影響規律

含水率與冰磧層圍巖抗剪強度的關系曲線如圖6所示，由圖可知，黏聚力和內摩擦角均隨含水率的增大呈現逐漸減小的趨勢。依據曲線變化趨勢可將曲線分為3段：當含水率小于10%時，黏聚力減小速率較緩，而內摩擦角減小速率較大，這是由于含水率在10%以內時，水的增加會給冰磧層顆粒之間增加一層水膜，起到潤滑的作用，使顆粒間的咬合力減小，從而使內摩擦角的減小速率較大；當含水率在10%～20%之間時，黏聚力和內摩擦角的減小速率均變緩；而當含水率大于20%時，黏聚力和內摩擦角的減小速率劇增，這是由于水含量的增加已經使得冰磧層土樣無法保持自穩。由此，在對含水率進行分組時，以含水率aw為10%和20%作為分界點，將其劃分為低含水率、中含水率和高含水率3組。

圖6 含水率與冰磧層抗剪強度的關系曲線

3 冰磧層圍巖穩定性數值模擬

隧道圍巖穩定性不僅包括掌子面穩定性，還包括洞身穩定性，是一個空間與時間結合的四維概念。在隧道修建過程中，圍巖的穩定性是選擇施工方式和支護型式的重要依據，也是控制隧道變形、指導隧道施工的重要基礎。目前，關于圍巖穩定性分級有2 種思路：第1 種是以洞身穩定性為依據進行分級，第2 種是以掌子面穩定性為依據進行分級［19］。本文采用第2 種思路，即以洞身穩定性為依據，采用離散元軟件PFC 進行冰磧層圍巖穩定性數值模擬，通過計算不同工況下隧道開挖后圍巖顆粒、力鏈及裂隙發展情況，得到冰磧層圍巖洞身穩定性。依據我國TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》中關于圍巖塌方類型和塌方高度的判斷標準進行判斷，即當塌方高度小于3 m 時屬于小塌方，塌方高度在3～6 m 間時屬于中塌方，塌方高度大于6 m 時屬于大塌方。在數值模型中，塌方高度等于塌方處最低點和最高點間的豎向距離。

3.1 計算工況

基于上述冰磧層圍巖抗剪強度室內試驗結果，對圍巖密實程度、含石量和含水率這3個參數的強度分組進行全組合排列，得到共計18組計算工況，詳見表2。

3.2 隧道模型

針對離散元的建模特點，依據離心機原理及相似準則，隧道開挖尺寸取實際隧道的1/10，重力加速度乘以10 倍，則可保證隧道的初始地應力與實際相同，由此建立的隧道開挖模型如圖7所示。同時，為了體現冰磧層圍巖棱角性特點，隨機選取冰磧層圍巖中20 組顆粒進行數碼拍照，采用Mat?lab 中的Candy 算法計算顆粒邊界坐標，將邊界坐標導入CAD 中得到顆粒輪廓線，在PFC 軟件中導入CAD 文件得到Clump 顆粒，部分結果如圖8所示。

3.3 細觀參數標定

采用建立的冰磧層圍巖數值標定模型（見圖9），依次對照表2中的計算工況進行細觀參數標定，將數值模擬得到的應力—應變曲線與室內大型三軸試驗得到的進行對比，當兩者的應力—應變曲線的峰值強度相差不超過5%時，則認為細觀參數標定成功。部分標定曲線如圖10所示，標定結果見表3。其中，接觸模型選用線性接觸模型，顆粒密度取2 265 kg·m-3。

表2 冰磧層圍巖計算工況

圖7 離散元隧道開挖模型（單位：m）

圖8 冰磧層圍巖Clump顆粒

圖9 冰磧層圍巖數值標定模型（單位：mm）

圖10 室內試驗與數值標定模型的應力—應變曲線對比

3.4 冰磧層圍巖穩定性計算結果

不同的隧道開挖跨度，導致圍巖產生的塌方高度和塌方類型不同，因此，采用建立的離散元隧道開挖模型（見圖7），對于上述18 種工況，逐漸增大隧道開挖跨度，數值模擬得到不同開挖跨度時的圍巖塌方高度和塌方類型。對照TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》中關于圍巖塌方類型和塌方高度的判斷標準，可將18 種工況中的塌方過程分為以下3類。

（1）類型1：隨著開挖跨度的增加，冰磧層圍巖由局部失穩，發展成小塌方，最后發展成中～大塌方。

以工況1 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例，如圖11所示，圖中，紅色為張拉破壞裂隙，綠色為剪切破壞裂隙，灰色為壓縮力鏈，紫色為張拉力鏈。由圖可知：當開挖跨度為6 m 時，隧道僅在左拱腰出現張拉破壞，產生局部坍塌，在力鏈圖中呈左拱腰脫空，右拱腰集中；當開挖跨度為8 m 時，隧道產生中塌方，上部形成錐形塌落拱，拱頂處發生張拉破壞，在力鏈圖中拱腰處出現壓應力集中現象；當開挖跨度為10 m時，隧道發生大塌方，拱頂形成橢圓形塌落拱，在力鏈圖中拱頂呈完全脫空狀態。

（2）類型2：隨著開挖跨度的增大，冰磧層圍巖由局部失穩，迅速發展成中～大塌方。

以工況7 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例，如圖12所示。由圖可知：當開挖跨度為4 m 時，隧道出現拱腰處張拉破壞，且力鏈呈局部脫空；當開挖跨度為6 m 時，隧道迅速發展為大塌方，在拱頂處形成橢圓形塌落拱，且力鏈呈橢圓形脫空。

表3 冰磧層圍巖細觀參數標定結果

圖11 工況1的顆?！严?、力鏈分布圖

圖12 工況7的顆?！严?、力鏈分布圖

（3）類型3：隨著開挖跨度的增加，冰磧層圍巖直接發展成大塌方。

以工況13 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例，如圖13所示。由圖可知：當開挖跨度為4 m 時，隧道即出現大塌方，且無法形成塌落拱，裂隙呈“蝴蝶形”分布，力鏈出現圓形脫空。

圖13 工況13的顆?！严?、力鏈分布圖

4 冰磧層圍巖亞分級

根據上述冰磧層圍巖穩定性計算結果，可得到18 種工況條件下冰磧層圍巖的自穩跨度，對照TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》中關于自穩跨度與圍巖等級之間的關系表，可得到18 種工況條件下冰磧層圍巖的亞分級結果，詳見表4，由表4可知，當選取密實程度、含石量和含水率作為分級指標時，冰磧層圍巖主要分為Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2這3 個亞級。

表4 冰磧層圍巖亞分級結果

整理各工況中密實程度、含石量和含水率的取值范圍，得到冰磧層圍巖亞分級及對應指標的取值范圍，見表5。

表5 冰磧層圍巖亞分級表

5 藏噶隧道冰磧層圍巖亞分級和加固措施

5.1 藏噶隧道冰磧層圍巖亞分級

根據上文得到的冰磧層圍巖亞分級表，結合拉林鐵路藏噶隧道地質勘察結果和現場情況，對藏噶隧道冰磧層圍巖進行亞分級。

1）Ⅳ2亞級冰磧層圍巖

隧道DK173+490—DK173+540 段，礦物成分以石英砂巖、花崗巖、閃長巖為主，密實，粒徑為60～150 mm，最大可見200 mm，約占總質量60%～65%，呈次棱角狀～棱角狀。該段含水率約為2.0%～6.4%，密實，含石量在70%以上，對照表5，可認為該段圍巖屬于Ⅳ2亞級圍巖。

2）Ⅴ1亞級冰磧層圍巖

隧道DK173+540—DK173+605 段，礦物成分以石英砂巖、花崗巖、閃長巖為主，中密，粒徑為60～150 mm，最大可見200 mm，約占總質量60%～65%，呈次棱角狀～棱角狀。該段含水率約為12.3%～16.4%，中密，含石量在70%以上，對照表5，可認為該段圍巖屬于Ⅴ1亞級圍巖。

3）Ⅴ2亞級冰磧層圍巖

隧道DK166+950—DK167+910 段，礦物成份以石英砂巖、花崗巖、閃長巖為主，稍密，粒徑為60～150 mm，最大可見200 mm，約占總質量60%～65%，呈次棱角狀～棱角狀。該段含水率普遍大于20.0%，有涌水產生，對照表5，可認為該段圍巖屬于Ⅴ2亞級圍巖。

5.2 藏噶隧道冰磧層圍巖施工方法和加固措施

針對藏噶隧道冰磧層圍巖亞分級結果，依據現場施工方法，給出如下支護措施建議，并匯總于表6。

表6 冰磧層圍巖支護措施推薦表

（1）Ⅳ2亞級冰磧層圍巖：現場采用“小斷面三臺階”工法進行開挖；依據冰磧層圍巖穩定性計算結果，其自穩跨度為5 m，推薦采用噴射混凝土和型鋼鋼架進行加固。

（2）Ⅴ1亞級冰磧層圍巖；現場采用“小斷面三臺階”工法進行開挖；依據冰磧層圍巖穩定性計算結果，其自穩跨度為3 m，推薦采用“管棚+小導管”進行超前加固，支護方式采用型鋼鋼架和管棚。

（3）Ⅴ2亞級冰磧層圍巖；現場采用“小斷面三臺階”工法進行開挖；依據冰磧層圍巖穩定性計算結果，其自穩跨度為2 m，推薦采用“帷幕注漿、管棚+小導管”進行超前加固，支護方式采用型鋼鋼架和管棚，同時為提高施工安全和施工效率可采用臨時橫撐。

現場采用上述推薦的支護措施后，對180個斷面監測30 d，統計冰磧層段沉降監測數據，其中部分斷面的監測數據如圖14所示。由圖可知：拱頂、上臺階、下臺階的累計最大沉降分別為24.5，22.1，23.7 mm，均小于100 mm，滿足隧道施工要求。因此，藏噶隧道冰磧層段施工方法和支護措施可為其他隧道提供參考。

同時，應當注意到，Ⅴ2亞級冰磧層圍巖的含水率極高，容易產生涌水，易發生細顆粒的流失，改變冰磧層圍巖的顆粒結構及膠結狀態，使冰磧層圍巖的穩定性進一步降低的危險。因此，下一步的研究重點為地下水對冰磧層顆粒流失的影響以及顆粒流失后冰磧層隧道圍巖的穩定性問題。

圖14 藏噶隧道冰磧層段累計沉降曲線

6 結 論

（1）冰磧層圍巖的抗剪強度隨密實程度和含石量的增大逐漸增大，隨含水率的增大逐漸減??；依據抗剪強度的變化趨勢可將密實程度劃分為密實、中密和稍密3 組，含石量劃分為低含石量和高含石量2 組，含水率劃分為低含水率、中含水率和高含水率3組。

（2）冰磧層圍巖塌方過程分為3 類，第1 類為隨著開挖跨度的增大，隧道先是局部失穩，再發展成小塌方，最后發展為中～大塌方；第2類為隨著開挖跨度的增大，隧道由局部失穩迅速發展成中～大塌方；第3 類為隨著開挖跨度的增大，隧道直接發展為大塌方。

（3）在選取密實程度、含石量和含水率作為分級指標時，冰磧層圍巖分為Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2共3 個亞級。當密實程度大于0.67 時，依據含石量和含水率的不同，冰磧層圍巖為Ⅳ2和Ⅴ1共2 個亞級；當密實程度在0.35～0.67 之間時，依據含石量和含水率的不同，冰磧層圍巖為Ⅴ1和Ⅴ2共2 個亞級；當密實程度小于0.35時，冰磧層圍巖為Ⅴ2亞級。

（4）藏噶隧道冰磧層圍巖主要分為Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2共3 個亞級。對應的加固措施應分別為：噴射混凝土和型鋼鋼架進行加固；采用“管棚+小導管”進行超前加固，采用型鋼鋼架和管棚進行支護；采用“帷幕注漿、管棚+小導管”進行超前加固，采用型鋼鋼架和管棚進行支護?，F場采用該加固措施后，最大沉降小于100 mm，滿足隧道施工要求。因此，藏噶隧道冰磧層段亞分級表、施工方法和施工措施可為拉林線奔中山隧道、米林隧道及川藏線中穿越冰磧層地區的隧道施工提供參考。