第42卷第12期铁道学报Vol.42No.12 202 0年12月JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY December2020
文章编号：1001-8360(2020)12-0171-08
谭忠盛X杨旸X陈伟2，李松涛1
(1北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044； 2.中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南昆明650200)
摘要：中老铁路是泛亚铁路中线的重要组成部分，由北向南穿越老挝境内，沿线隧道工程因受板块缝合带构造 影响，多段引发大变形问题，严重制约施工进度和安全性。缝合带区域水平构造应力显著，大变形多发于软弱围
岩隧道，整体变形特征表现为水平收敛大于拱顶沉降，大变形等级以轻微一中等为主，支护结构破坏以侧墙的屈 人民教育出版社曲破坏为主，并表现出明显的渐进过程。针对以上变形破坏特征，采用主动控制理念，从支护结构和施工方法两
方面提出软岩隧道大变形控制技术：增大单线铁路断面侧墙曲率，增设长锚杆，提高全环支护钢拱架刚度；控制台
阶长度、初期支护及时封闭成环，合理缩短仰拱与掌子面距离。通过采用以上变形控制技术，有效降低隧道变形
量，为中老铁路缝合带软岩隧道大变形安全施工提供技术支持。
关键词：板块缝合带；软岩隧道；隧道大变形；变形控制技术
中图分类号：U459.1文献标志码：A doi:10.3969/.issn1001-8360.2020.12.022
Large Deformation Control Technology of High Geostress
Soft Rock Tunnel of China-Laos Railway
TAN Zhongsheng1,YANG Yang1,CHEN Wei2,LISongtao1
(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China； 2.Kunming Railway Construction
Company of China Railway No.8Engineering Group Co.,Ltd..Kunming650200,China)
Abstract:China-Laos Railway,an important part of the central part of Trans-Asian Railway,runs through Laos from north to south.Affected by the tectonic disturbance of plate suture zone,the tunnel along the railway has caused large deformation problem in many sections,which affects the progress and safety of the construction.Due to the significant horizontal tectonic stress in suture zone,large deformation problem of the tunnel frequently occurs in soft and broken rock mass in the suture zone.The overall deformation features show that the horizontal convergence is greater than the crown settlement with the major deformation level ranging from mild to moderate level.The failure of supporting structure is mainly the buckling failure of the flank wall, showing an obvious progressive process.In view of the deformation and structure failure features,the concept ofactivesupportwasproposed.ThelargedeformationcontroltechnologyofthesoftrocktunnelofChina-Laos railway was proposed from the perspective of support structure parameters and construction method by enlargingtheflankwa l curvatureofthesingle-tracktunneloutline,adoptingthelonganchorbolts,increasing thesti f nessofthesteelarch,usingshortsteps
construction methodtoforminvertclosuredistanceofabout 16-23meters.Byusingthislargedeformationcontroltechnology,thevalueoftunnelhorizontalconvergenceis reducede f ectively.Itprovidesatechnicalsupportforthesafeconstructionoflargedeformationtunnelacross thesuturezoneofChina-Laosrailway.
Key words:suture zone；soft rock tunnel；large deformation；deformation control technology
收稿日期:2020-04-16；修回日期:2020-10-15
基金项目：国家自然科学基金(51978041)
作者简介：谭忠盛(1963—)，男，广西梧州人，教授，博士。E-mail:zstan@vip.sina
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老挝位于亚欧板块中南半岛内陆区域，是由多组微地块长期碰撞演化汇聚成的复合大陆，区域内不同微地块间由多个缝合带拼接而成，地质构造极其复杂，区域水平构造应力显著［12］。中老铁路作为泛亚铁路
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中线的重要组成部分，南北向横跨老挝境内，沿线隧道施工揭示岩体软硬不均，在构造应力强烈挤压作用，部分隧道段落发生大变形现象，支护结构局部失稳破坏。
目前国内外隧道大变形案例众多，相关研究学者也针对问题提出多种行之有效的控制措施］「9］。兰新铁路乌鞘岭隧道通过多重支护加大初支刚度，施做长锚杆加固围岩，适度增大预留变形量，超前锚管预支护，开挖导洞应力释放等方法实现对隧道大变形的控制［1--］；兰渝铁路木寨岭隧道采用圆形断面导洞扩挖应力释放，三层套拱支护和锚杆径向注浆加固，超前预支护注浆预加固等措施控制围岩大变形］3-6］；成兰铁路杨家坪隧道采用两台阶快速开挖封闭成环，优化开挖轮廓面，长短结合的早强锚杆等支护措施，有效改善支护结构受力，控制变形增长J1-8］；成兰铁路柿子园隧道采用加强初期支护、非对称预留变形量、径向注浆等措施有效控制隧道变形［19］o目前大变形隧道控制技术根据支护理念可分为刚性支护和柔性支护两类，刚性支护理念通过提高支护结构刚度控制变形增长，例如高强度钢架支护，高强弧板支护，提早施做衬砌承载，曾设长锚杆、锚索支护，注浆加固等措施。柔性支护理念则允许围岩产生一定变形，减少支护结构承受荷载，例如伸缩型拱架，超前导洞应力释放等。此外还可按控制方法分为开挖方法和支护技术两方面，按支护类型也可分为常规支护、分层支护、让压支护三大类］0］。
不同大变形隧道控制措施的选择需基于变形等级和变形特征的不同而因地制宜，合理有效的控制技术才能产生良好社会经济效益。中老铁路沿线隧道基本采用单线设计，途经板块缝合带，受多期次地质
构造运动叠加作用影响，缝合带内部发育有不同大小的断裂和褶皱构造，揭示岩性多为薄层炭质板岩。单线铁路隧道瘦高“马蹄形”断面的侧墙曲率较小，不利于承受水平构造应力作用，导致支护结构挤压破坏。因此如何针对中老铁路隧道地质环境的特殊性，提出经济有效的大变形控制技术将成为中老铁路顺利建成的关键问题。
1工程概况
中老铁路北端起于中老边境磨丁口岸，南部直至老挝首都万象市，全长414.332km，其中隧道75座，总长度196.705km，隧线比47.5%，设计施工均依据中国铁路建设标准。沿线80%为山地和高原，地势高低起伏较大，整体表现北高南低，隧道主要集中在北段和中段，南段多为路基桥梁。
中老铁路地处兰坪-思茅地块和南海-印支地块,
属古特提斯构造域的两个重要构造单元，两地块间由琅勃拉邦缝合带连接，线路约42km范围穿越该缝合带，缝合带西侧为景洪-素可泰火山弧次级构造单元，东侧为思茅-彭世洛次级构造单元。此外按次级构造单元划分，线路周边存在多条板块缝合带，见表1。因受多组地块边界断裂影响，沿线分布长大断裂带30余 条，不完整褶皱21个，地质环境复杂多变。
表1沿线缝合带分布情况
编号缝合带名称缝合带类型线路位置关系
1哀牢山缝合带古特提斯缝合带北侧未相交
2
清迈-清迈
缝合带
古特提斯缝合带西侧未相交3
奠边府-黎府
缝合带
古特提斯缝合带东侧未相交4
琅勃拉邦
缝合带
弧后盆地缝合带相交约42km
全线隧道采用矿山法施工，级和V级围岩采用台阶法分部开挖，支护采用复合式衬砌结构，主线采用单线设计，断面形式见图1,V级围岩标准段设计支护
图1隧道初步设计断面尺寸（单位：m）
表2隧道初步设计支护参数
apec围岩等级喷混凝土
预留
支护钢架
变形量
系统锚杆V a
C25II6（拱墙）拱部：
022组厚度23cm间距1.0m
合中空锚杆，
C2516（全环）
V b
厚度23cm间距0.8m
8〜10cm长度3m；
V c
C2518（全环）
边墙：022砂浆厚度25cm间距0.6m
锚杆，长度3m
2隧道变形及破坏特征
高地应力软岩隧道大变形是复杂地应力环境下软弱围岩因隧道施工扰动引发的支护结构持续挤压变形破坏的工程问题，具有变形速度快、变形量大、变形持续时间长、变形优势方向显著等特点。
缝合带内地应
第12期谭忠盛等：中老铁路高地应力软岩隧道大变形控制技术研究
173
力测试结果显示，侧压力系数基本超过-5，表现出以 构造应力为主的地应力特征。缝合带内线路隧道揭示
围岩以板岩和炭质板岩为主，部分夹杂软泥质结构，单 轴抗压强度普遍低于25 MPa，薄层状结构明显，属典
无锡 性息型软质岩，遇水软化成泥质结构，岩体节理裂隙高度发 育，围岩性状见图2。以上两点因素已构成中老铁路 穿越缝合带隧道诱发大变形的客观条件。然而线路部 分隧道里程穿越大埋深，活动断层，高地震烈度区等岩
体破碎段，构造应力更为复杂，大变形问题严重。典型
案例包括会富莱隧道、相嫩3号隧道、达隆1号隧道、
达隆2号隧道、沙嫩山2号隧道，基本情况信息见 表3。
@)会富莱隧道
(b)相嫩3号隧道
图2大变形隧道揭示围岩性状
(1)变形特征
缝合带内隧道因岩石强度特征、岩石物理性质、节
理裂隙发育程度等因素差异，变形量级也有所不同，大
变形多发于泥质结构或薄层状结构的软弱炭质板岩地 层。隧道侧墙位置是变形发展的主要部位，表现出水 平向持续往净空挤压变形，拱顶沉降相对较小，断面整
体非均匀性变形特征明显。据不完全变形监测数据统
计显示，最大水平收敛量达148. 63 cm，平均水平收敛 量38. 56 cm，平均变形速率约1. 23 cm/d，仰拱封闭前
部分里程变形速率能达10 cm/d 以上，仰拱封闭后变 形速率趋于稳定，表现出变形量级大，开挖期间变形快 速增长，仰拱封闭后变形速率降低，空间效应显著。大 变形隧道部分断面的变形时程曲线，见图3。
(2)支护破坏特征
隧道施工至软弱炭质板岩地层时采用表2初始支
护参数后普遍出现变形侵限，支护结构破坏现象，见图
4。支护破坏多发于侧墙部位，其中上、中、下台阶拱架
连接板附近尤为严重。随变形发展喷射混凝土先出现
不等宽的纵向和横向裂缝，裂缝宽度约0. 5 cm，变形
进一步增长后，喷射混凝土裂缝逐步加宽，最终发生脱 落，支护拱架发生沿纵向和环向扭曲变形，部分严重段
拱架发生剪断破坏。随即现场采取径向注浆加固，曾
设锁脚锚管，但变形破坏仍进一步加剧，控制效果
不佳。
1 6001 4001 200
o
o o o o O
o o o o O 0 8 6 4 2*p
1 600
1 400
1 200
—拱顶沉降
水平收敛SL1水平收敛SL2图3典型隧道大变形时程曲线
10 20 300 10 20 30 400 10 20 30 400 10 20 300 10 20 30 40监测时长/d
监测时长/d 监测时长/d 监测时长/d 监测时长/d @)会福莱隧道
(b)相嫩3隧道(c)达隆1隧道(d)达隆2隧道(e)沙嫩山2隧道
表3穿越缝合带典型软岩隧道的侧压力系数及最大变形量
隧道名称
缝合带位置关系岩性描述
会富莱隧道北部板岩夹炭质板岩相嫩3号隧道中南部板岩夹炭质板岩达隆1号隧道
中南部
板岩夹砂岩、炭质板岩达隆2号隧道南部板岩夹砂岩、炭质板岩沙嫩山2号隧道
南部
板岩夹砂岩、炭质板岩
地应力
岩石单轴抗压 强度均值/MPa
测点埋深/
m 侧压力 系数
最大变形量/
cm
10.3286 1.57148.63
(水平收敛)
11.2
136
1.5267.48
（ 水 平收 敛）11.9265 1.74
88.99（ 水 平收 敛）11.4173
1.66
48.29
（ 水 平收 敛）17. 6
196 1. 71
65.33
174铁道学报第42卷
(a)隧道整体变形破坏(b)隧道侧墙变形破坏
图4隧道施工现场变形破坏情况
3隧道大变形分级
3.1大变形分级方法
目前隧道大变形的分级标准已提出了多种评价方
法，围岩强度应力比和相对变形量是目前最常采用的
两种评价方法［1「23］。围岩强度应力比分级方法是根
据不同围岩强度应力比与隧道相对变形关系得出,
Hoek等［4］通过计算无支护条件下围岩相对位移对应
围岩强度应力比关系，提出了不同挤压变形程度的判
定条件。成兰铁路隧道大变形分级标准则结合大量现
场实测数据，考虑支护结构抗力，采用数值计算分析围
岩相对位移与围岩强度应力比关系而建立。中老铁路
隧道大变形等级判定采用现行铁路隧道设计标准［5］
的软岩大变形分级标准和成兰铁路隧道大变形分级标
准的围岩强度应力比进行判断，判定标准见表4o
表4隧道大变形分级标准
分级标准
大变形等级
无轻微中等严重极严重无磁钢
设计
>0.50.50〜0.250.25〜0.15<0.15
规范［5］
成兰
>0.50.50〜0.250.25〜0.150.15〜0.05C0.05铁路
3.2不同等级大变形分布
岩体为包含结构面和矿物结构体两种基本要素，受地质构造运动形成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。因岩体内部的节理裂隙破坏了岩石自身结构稳定性，导致岩体强度相较岩石强度更低，沿软弱结构面更易发生失稳破坏。Hoke和Brown根据试验结果和格里菲斯理论的分析，提出经验性的Hoek-Brown屈服准则［6「27］。该方法根据岩石单轴抗压强度、扰动参数、地质强度指标GSI相关关系，建立岩体强度换算准则。目前该方法在岩体工程中应用广泛，因此采取该方法进行隧道大变形等级判定中岩体强度计算，表达式为
升a
(j1=6+几S)(1)式中:61为岩体破坏时最大主应力；6为岩体破坏时最小主应力；6为岩石试样单轴抗压强度；m b、S、a 为岩体力学经验参数，与地质强度指标GSI和施工扰动参数参数相关。
依据隧道变形情况，对上述五座隧道变形较大里程进行岩体强度换算。结果显示整体岩体强度普遍较低，其中会富莱隧道平均岩体强度0.88MPa，相嫩3号隧道平均岩体强度134MPa，达隆1号隧道平均岩体强度151MPa，达隆2号隧道平均岩体强度1.45 MPa，沙嫩山2号隧道平均岩体强度173MPa。依据区域地应力特征，计算并统计不同隧道各等级大变形里程分布见表5〜表9o
表5会富莱隧道大变形等级统计表
表6相嫩3号隧道大变形等级统计表
里程段
围岩强度
应力比
变形
等级
长度/
m D2K130+245—D2K130+3300.22中等85 D2K130+330—D2K130+3600.19中等3
D2K130+360—D2K130+4000.27轻微4
D2K130+400—D2K130+6700.38轻微27
武夷菌素D2K130+670—D2K130+7000.22中等3
D2K130+700—D2K130+7450.14严重45 D2K130+745—D2K130+7700.18中等25 D2K130+770—D2K130+8200.22中等5
里程段
围岩强度变形长度/
应力比等级m DK180+595—DK180+6450.32轻微5
DK180+745—DK180+7700.48轻微25
DK182+450—DK180+5150.19中等65
DK182+584—DK182+6340.15中等5
表7达隆1号隧道大变形等级统计表
里程段
围岩强度
应力比
变形
等级
长度/
m DK197+578—DK197+6280.32轻微5
DK197+878—DK198+9280.16中等5
DK198+178—DK198+228.2中等5
DK198+318—DK198+3680.27轻微5
DK198+629—DK198+6790.23中等5
DK2+19—DK2+690.19中等5
DK2+335—DK2+3850.23中等5
DK202+678—DK202+7280.24中等5
表8达隆2号隧道大变形等级统计表
里程段
围岩强度变形长度/
应力比等级m DK24+235—DK24+2560.23中等21
DK24+445—DK24+4950.33轻微5
DK204+990—DK205+0400.21中等5
DK205+135—DK205+1850.46轻微5
DK25+435—DK25+485.2中等
5
第1-期谭忠盛等：中老铁路高地应力软岩隧道大变形控制技术研究175表9沙嫩山2号隧道大变形等级统计表
里程段围岩强度
应力比
变形
等级
长度/
m
DK209+755—DK209+8050.18中等50
DK209+905—DK210+0550.23中等150
DK210+286—DK210+3360.18中等50
DK210+905—DK210+9470.46轻微42
DK211+205—DK211+2550.41轻微50
据不完全统计数据可以看出，隧道大变形共计1728m，其中轻微大变形39.2%，中等大变形58.2%，严重大变形2.6%，沿线隧道大变形等级基本属于轻微一中等大变形，仅会富莱隧道的45m范围达到严重大变形。各隧道不同等级大变形长度统计见图5o
图5隧道各等级大变形长度统计
4隧道大变形控制技术
4.1控制理念和原则
中老铁路沿线周边赋存四条板块缝合带，并与琅勃拉邦缝合带斜向交织，长期地质构造叠加运动形成水平构造应力为主的地应力特征，单线铁路隧道穿越炭质板岩段表现出侧向挤压为主，空间效应影响显著的大变形特征，大变形等级基本属轻微至中等。针对隧道大变形特征和等级，应综合考虑经济成本与控制效果同时，以主动控制为核心支护理念，遵循“尤化断面，局部补强，快挖快支，尽早封闭”的支护原则，基于隧道断面、支护钢架、系统锚杆、开挖方法优化提出缝合带隧道大变形控制技术。
4.2优化隧道断面
缝合带内隧道水平构造应力显著，区域地应力测试结果表明侧压力系数均超过15，隧道侧墙位置受强构造应力挤压作用影响，水平收敛变形极大。根据铁路单线隧道建筑限界标准，设计采用瘦高的“马蹄形”断面，断面由4心圆拼接而成，然而“马蹄形”断面侧向圆弧曲率小，当承受较大水平构造应力时极易产生弯曲变形破坏。圆形断面具备更好的应力传递效果，支护结构整体性更强，旦采用圆形断面造
成支护强度盈余，成本浪费。因此针对隧道受构造应力影响显著，通过适当增加侧墙位置圆弧曲率，改善结构受力形式，给予更大空间预留变形量。隧道断面优化前后轮廓情况见图6，两种断面轮廓基本参数见表10o
(a)标准断面(b)优花断面
图6隧道大变形段断面优化示意
表10开挖断面参数
断面
类型
拱部边墙仰拱初支预留衬砌
曲率/曲率/曲率/厚度/变形量/厚度/
mT mT mT cm cm cm
标准断面
0.2930.1360.134258〜1045
V c
优化断面0.2890.1750.1982525〜3550 4.3增强隧道支护刚度
隧道原设计根据不同围岩等级，支护拱架由弱至强分别采用I14、I16、I18型钢，然而对于大变形段采用此类常规支护型钢常因刚度不足而发生结构屈曲破坏。目前大变形隧道基本采用高强度支护拱架结构，达到支护主动控制变形的效果，对于轻微、中等大变形隧道采用单层支护结构已能够满足变形控制要求，对于严重变形段则需采取多层支护结构。
根据缝合带隧道大变形等级判定结果，采用HW175型钢单层支护钢架能够满足支护结构承载需求，严重大变形段需采取双层I20b型钢支护。此外对于支护拱架表现出的纵向扭曲变形，采取14型钢作为纵向连接筋加强控制。隧道大变形段支护拱架主要参数，见表11o
表11隧道大变形段支护拱架参数
大变形等级支护拱架拱架间距/m纵向连接筋
轻微—中等HW1750.6I14型钢严重双层I20b0.614型钢
4.4增加锚杆长度
地下洞室开挖后岩体由三向平衡应力转变为两向不稳定应力状态，因岩体强度和地应力特征不同，洞室周边体形成不同范围的松动区、塑性区、
弹性
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