滇藏鐵路麗香段玉龍雪山隧道大變形特征及原因分析

王雪冰

（中國鐵路昆明局集團有限公司滇西鐵路建設指揮部，云南 大理 671000）

1 引言

隨著我國鐵路建設事業的發展，涌現了大量的大型鐵路工程，如川藏鐵路、滇藏鐵路等[1-2]。由于川滇地區位于亞歐板塊與印度洋板塊結合帶，導致地形山高坡度谷深，修建環境較為惡劣，工程出現了一大批長大埋深隧道。隧道埋深的增加帶來較大的地應力，若圍巖較軟，則會出現隧道支護變形難以控制的情況[3]，嚴重時甚至造成支護結構破壞、二襯開裂、仰拱隆起，給鐵路隧道建設帶來嚴峻挑戰。

國內外學者針對深埋隧道的大變形問題開展了大量研究，主要集中在大變形特征、機理以及控制技術[4-6]方面。曹小平[7]針對板狀軟巖地層高地應力隧道大變形問題，提出了單層初支+ 雙層二襯的隧道支護形式。結果表明，該隧道支護形式能較好地解決高地應力軟巖隧道大變形問題。馬棟[8]總結了成蘭鐵路、麗香鐵路多座高地應力軟巖隧道的施工經驗，提出預留變形量是避免發生大變形后初支侵限的重要基礎，雙層初支+ 錨桿協同支護可有效提高初支剛度，減小圍巖變形，采用合適的二襯施作時機既能有效地控制大變形又能減少二襯開裂。韓常領[9]依托連城山軟巖隧道工程，基于施工監測數據，對比分析了單層I22b 鋼拱架、單層H20b 型鋼拱架、雙層I22b 工字鋼拱架和雙層H20b 型鋼拱架4 種初期支護方案下圍巖的變形規律與支護的受力特征。結果表明，單層和雙層I22b 鋼拱架初期支護均不能控制隧道的大變形，而雙層H20b 型鋼拱架初期支護可以控制隧道圍巖變形。

各種研究成果對解決高地應力軟巖隧道大變形問題提供了一定的指導。然而，對于青藏高原隆起邊緣地帶麗香鐵路玉龍雪山隧道而言，除高地應力因素外，巖體的巖性、強度、地質構造，以及斷面形狀、初支封閉成環時間等均會影響玉龍雪山隧道的大變形情況。

2 工程概況

2.1 項目概況

麗香鐵路處于云南省西北部，全長139.686 km，南起麗江站，北至香格里拉站，為I 級單線鐵路，路段旅客列車設計行車速度140 km/h。全線新建20 座隧道，總長92 554 m，其中，最長的隧道為玉龍雪山隧道，全長14 745 m。麗香鐵路地形地質條件復雜，巖性軟弱、巖體破碎、活動性斷裂發育，具有高海拔、高地震烈度及高地應力等“三高”特征，隧道施工安全風險極大。

2.2 地質概況

麗香鐵路地處青藏高原東南邊緣川滇菱形斷塊的西部邊界金沙江-中甸斷裂帶內[10]，屬我國著名的南北向地震帶，地質構造復雜。線路通過新構造運動強烈、應力集中度高、多期巖漿侵入的地質環境，軟弱地層中存在高地應力，極易產生隧道大變形問題。本區域地質構造復雜、新構造運動強烈、地應力高，是我國大陸現今地殼構造運動最為強烈的地區。

線路內密布碎裂化與片理化玄武巖、凝灰巖、炭質板巖、千枚巖、炭質頁巖，屬于軟巖～極軟巖。巖層在構造地質作用下扭曲變形嚴重，節理裂隙發育、巖體破碎。圍巖穩定性差，存在軟巖大變形危害。

玉龍雪山隧道位于龍蟠-喬后斷層左側650～1 000 m 近平行通過，且兩穿玉龍雪山西麓斷裂（見圖1）。地下水較為發育，開挖揭示以線狀～股狀裂隙水為主。玉龍雪山隧道地層巖性復雜，以綠泥石化玄武巖、片理化玄武巖為主，局部夾凝灰巖，灰綠色、片狀構造，呈層狀、片狀互層，局部仍保留有原巖中的氣孔狀、杏仁狀及塊狀構造。巖質軟硬不均，局部較軟，易風化剝落，浸水軟化后手能掰斷，呈泥狀。隧道開挖揭示圍巖如圖2 所示。

圖1 玉龍雪山隧道線位布置圖

圖2 玉龍雪山隧道開挖揭示圍巖

3 玉龍雪山隧道大變形特征

本隧道為特殊圍巖和極端復雜地質條件下大變形，圍巖地應力高、強度應力比小、松動圈大。大變形具有變形速率快、持續時間長、累計變形量大、無規律難以預見的特點。

3.1 變形特征

為了解玉龍雪山隧道變形特征，將DK41+750、DK41+760以及DK42+770 作為變形監測斷面，采用全站儀+ 反光片的方式對隧道初期支護變形進行測量。變形監測結果如圖3～圖5 所示，監測結果統計見表1。

表1 變形監測結果統計

圖3 DK41+750 斷面位移時間曲線

圖4 DK41+760 斷面位移時間曲線

圖5 DK41+770 斷面位移時間曲線

由圖3～圖5 及表1 可知，試驗段量測拱頂下沉314.29～360.01 mm，最大值為360.01 mm，平均值為338.36 mm；上臺階兩側相對收斂506.14～821.37 mm，最大值為821.37 mm，平均值為647.56 mm；中臺階兩側相對收斂785.56～939.62 mm，最大值為939.62 mm，平均值為845.86 mm。水平相對收斂值均大于拱頂沉降值。

3.2 初支結構破壞特征

玉龍雪山隧道大變形段初支結構破壞較為嚴重，其破壞形式主要包括初支噴混崩落、初支拱架扭曲彎折、二襯開裂及仰拱隆起開裂4 個方面。

1）在拱頂位置。初支拱架不僅承受較高的水平地應力，還受隧道直墻拱截面形式的影響，容易發生扭曲彎折，進而導致初支噴混局部受拉崩落。

2）在拱腰與邊墻交接位置。初支拱架承受較高水平和豎向地應力的共同作用，拱架拼接位置較為薄弱，在高地應力作用下，拱架接頭位置容易發生彎折破壞，進而導致拱架接頭周邊噴混受拉破壞。

3）在邊墻位置。初支結構不僅承受較高的水平地應力，還會受截面形式影響，由于初支結構抗彎性能較差，因此，邊墻位置的初支拱架容易隨側向地層擠出而發生扭曲變形，噴混隨之發生崩落掉塊。

4）在仰拱位置。受豎向地應力影響，局部仰拱發生隆起開裂。

3.3 松動圈特征

采用聲波法分別在玉龍雪山隧道DK41+990、DK42+000進行松動圈測試，每個斷面測試3 次，測試結果如圖6、圖7 及表2 所示。

表2 松動圈測試結果統計

圖6 DK41+990 松動圈測試孔1 測試結果

圖7 DK42+000 松動圈測試孔1 測試結果

根據玉龍雪山隧道DK41+990 松動圈測試孔1 結果：當測試孔深小于4.1 m 時，圍巖波速在2.05 km/s 附近波動；測試孔深大于4.1 m 以后，波速在2.84 km/s 附近波動。測試孔深度小于4.1 m 范圍內，波速相比于深度大于4.1 m 波速降低了27.8%，說明測試孔深度在4.1 m 范圍的巖體的破碎程度較大；測試孔深度超過4.1 m 后，巖體的完整性提升，破裂程度降低。圍巖的波速在測試孔深度約4.1 m 時會有明顯的變化，故斷面DK41+990 的松動圈厚度約4.1 m。

玉龍雪山隧道DK41+990、DK42+000 斷面共進行了6 次測量得到的松動圈測試匯總結果見表2。2 個測試斷面松動圈發育厚度分別為4.27 m 和4.33 m，綜合判斷玉龍雪山隧道測點處松動圈厚度約4.33 m。

4 玉龍雪山隧道大變形原因分析

通過對麗香鐵路玉龍雪山隧道圍巖變形、 初支破壞及松動圈規律進行分析、總結，玉龍雪山隧道產生大變形的原因主要在于地質構造、地應力、巖層方向、巖石強度、洞室形狀及初支封閉成環時間等多個方面。

4.1 地質構造

玉龍雪山隧道 （原中義隧道） 位于龍蟠- 喬后斷層左側650～1 000 m 近平行通過（見圖8），且小角度兩穿玉龍雪山西麓斷裂（見表3），隧道區巖體受構造影響嚴重，巖體片理化、碎裂化。

表3 玉龍雪山隧道斷層情況

圖8 龍蟠- 喬后斷層與隧道相對位置

4.2 地應力

在勘察階段，采用水壓致裂法對玉龍雪山隧道進行了地應力測試，共完成了12 孔、76 段測試成果。詳見表4。

表4 玉龍雪山隧道勘察階段地應力測試

根據勘察階段地應力測試結果統計分析，玉龍雪山隧道實測最大水平主應力為15.44 MPa（埋深約372 m 處），最大豎向主應力為12.13 MPa（埋深約459 m 處）。隧道最大水平主應力與垂直應力的比值平均為1.33，最大達1.91，方向為N14°～32°W，表明隧址區內地應力以構造應力為主。因此，構造地應力高也是造成玉龍雪山隧道產生大變形的根本原因之一。

4.3 巖層順層偏壓

玉龍雪山隧道線路走向與巖層走向大致平行，且開挖揭示巖層傾角約45°，因此，容易帶來順層偏壓問題。由于隧道兩側存在順層巖層，隧道開挖后在地應力作用下，圍巖沿著順層面發生滑移，導致隧道兩側邊墻承受的荷載不同，再加之構造地應力較大，進一步加劇了順層偏壓的程度，導致隧道邊墻極易產生變形。

4.4 巖體夾層軟弱

玉龍雪山隧道巖石定名為深灰綠色杏仁狀橄欖玄武巖，標本巖石具斑狀結構，斑晶含量約35%～40%，粒徑多在0.2～6 mm，基質具顯微晶質結構。

礦物成分及含量如下。

橄欖石（約30%～35%）：呈斑晶產出，多呈較自形短柱狀、粒狀，部分切面呈長六邊形狀，裂紋較為發育，礦物顆粒大小不等，粒徑最大可達約6 mm，蝕變強烈，只保留假象，多發生包林皂石化，可見蝕變的蒙脫石—綠泥石集合體；

輝石（約30%～35%）：其中約5%呈斑晶產出，呈無色短柱狀或粒狀，部分較自形的顆?？梢娸x石式解理和簡單雙晶，較新鮮無蝕變，裂紋發育，約25%～30%呈細小微晶產出，為巖石中基質組成，呈較自形細小短柱狀、粒狀較均勻分布；

斜長石微晶（約3%～6%）：呈較自形細小長柱狀微晶產出，為巖石基質組成，光性微弱，邊緣模糊；

隱晶質成分（約30%）：分布在基質中的微晶間，呈灰褐色，分布不均勻，局部含量相對較高。此外，可見極少量金屬礦物呈黑色等軸粒狀，多被蝕變橄欖石包裹或半包裹。薄片中可見面積比約3%的杏仁體，部分呈不規則狀，部分呈近圓狀，多充填淺黃綠色綠泥石。巖石中還可見細小綠泥石脈體產出。

礦物分析結果顯示，隧道大變形段的玄武巖結構面有綠泥石、蒙脫石等蝕變礦物富集，極大弱化了巖體的強度。凝灰巖巖質極軟，多呈土狀，且分布規律較差，多成團狀分布。凝灰巖的存在降低了片理化玄武巖的強度，導致巖體強度降低，加劇了隧道大變形的產生。

4.5 圍巖原位強度低

玉龍雪山隧道大變形段位于玉龍雪山西麓斷層內，以壓碎巖、片理化玄武巖為主，局部為斷層角礫，巖體松散破碎，掌子面有股狀裂隙水，圍巖穩定性極差，圍巖級別為Ⅴ級。圍巖原位強度測試共測試4 個測點，左右邊墻各布置2 個。圍巖原位強度測試采用RBST 巖石鉆孔剪切測試系統[11]。測試結果如表5 及圖9 所示。

表5 原位強度測試結果

圖9 法向力與剪切力關系

由表5 及圖9 可知，玉龍雪山隧道圍巖測點處原位強度內聚力約220 kPa，內摩擦角約15°。該段施工揭示的圍巖主要為片理化玄武巖，圍巖整體性差，圍巖原位強度低?，F場工程巖體由巖塊與節理組合而成，其強度主要取決于結構面的強度、數量和組合形式。滇西地區新生代構造運動劇烈且多期，這些構造運動產生的結構面大大降低了圍巖整體強度，進而造成玉龍雪山隧道產生大變形。

4.6 斷面形式

麗香鐵路為單線鐵路，隧道斷面采用直墻拱形（見圖10），隧道高跨比大，約為1.4，均不利于水平收斂控制。據監控量測成果數據分析（見圖3～圖5），隧道洞內初期支護變形特點表現為水平收斂較大，拱頂下沉量較小，因此，直墻拱形斷面加劇了玉龍雪山隧道大變形的程度。

圖10 麗香線大變形段隧道斷面

4.7 初支封閉成環時間

現場試驗結果表明，初支封閉成環前的變形速率約為3～5 cm/d，初支封閉成環后的變形速率約為1～2 cm/d，封閉成環成速率逐漸降低趨于穩定。經統計表明，初支封閉成環時間控制在10～15 d 內，現場變形均較為可控。

5 結語

本文依托麗香鐵路玉龍雪山隧道，總結了玉龍雪山隧道大變形的變形、 破壞及松動圈特征，分析了隧道大變形的原因，主要得以下結論：

1）試驗段量測拱頂下沉平均值338.36 mm，上臺階收斂平均值647.56 mm，中臺階收斂平均值845.86 mm，水平收斂均大于拱頂沉降值。

2）初支結構破壞形式主要包括初支噴混崩落、初支拱架扭曲彎折和仰拱隆起開裂，其中，拱頂和邊墻破壞最為嚴重。

3）監測斷面松動圈基本穩定，測點處松動圈厚度為4.33 m，約1/2 倍隧道跨度。

4）隧道區巖體受構造影響嚴重，巖體片理化、碎裂化，圍巖原位強度較低，地下水較發育，軟弱夾層巖性是導致隧道大變形的原因之一。

5）巖層順層問題較為突出，容易導致偏壓，對邊墻穩定不利，隧道穿越區內的地應力水平較高，再加上隧道高跨比較大，不利于控制水平收斂，這是導致隧道大變形的另一個重要原因。

6）除以上地質原因外，隧道結構斷面形狀曲率、初支鋼架封閉成環時間均對大變形的發生有重要影響。