冰碛层围岩稳定性及亚分级研究

王明年，王 岩，胡云鹏，吴圣智，刘大刚

（1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

川藏铁路将大面积穿过山南、林芝、折多山、海螺沟及康定等冰碛层地质聚集区，其中，已开工的拉林铁路就有6 座隧道大规模穿越冰碛层地区，未开工的雅安—康定段、康定—林芝段中，海子山隧道、折多山隧道均会穿越冰碛层地区。冰碛层在形成过程中未经风化作用，由冰川直接携带和搬运而成，其物质组成具有一定的棱角性，在冰川消融后，冰碛层含水率较高，在隧道开挖后极易发生掌子面及洞周围岩的坍塌及涌水，威胁隧道施工安全。因此，针对冰碛层隧道研究的重要性日益凸显。

由于冰碛层的特殊性，众多学者对其工程特性展开了研究。Ignatoval［1］提出了计算冰碛层强度指标的公式；Stephan Gebhardt 等［2］以德国北部冰碛层为例研究了冰碛层在不同压实状态下的物理力学性质；屈智炯、蒙进等［3-4］等研究了冰碛层微观结构特征及应力-应变-体变特性和强度演化规律，提出了改进的非线性K-G本构模型；涂国祥等［5-6］以西南某大型冰碛层为例，得到了冰碛层强度的计算公式及改进的渗透系数计算方法；李骅锦等［7］对四川理县小岐村冰碛物角砾土不同含水率及含石量对强度的影响进行了研究；木勋等［8］针对西南某机场冰碛土的颗粒、级配、强度、渗透性等特性进行研究；冯俊德等［9］进行了原状冰碛土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰碛土大型直剪试验研究。

然而这些研究主要集中在应力与应变的关系，以及本构模型、强度计算方法和各因素对冰碛层强度影响规律等工程特性方面，对冰碛层围岩稳定性及亚分级方面的研究则几乎空白。

基于此，本文以拉林铁路藏噶隧道为依托工程，采用室内土工试验和数值模拟对冰碛层围岩稳定性及亚分级进行系统研究，以期为拉林线奔中山隧道、米林隧道以及川藏线中穿越冰碛层地区的隧道施工提供参考。

1 工程概况

藏噶隧道为单线铁路隧道，隧道进口里程DK164+850，出口里程DK173+605，全长8 755 m，最大埋深为778 m。隧址位于念青唐古拉山与喜马拉雅山之间的藏南谷地高山区，地势起伏跌宕，气候极端恶劣。冰碛层主要分布于DK166+950—DK167+910 段，长 度960 m，DK173+490—DK173+605 段，长度115 m，冰碛层段隧道埋深为48.9～114.2 m，地层岩性为碎石土，其组成矿物成份以石英砂岩、花岗岩、闪长岩为主，粒径为60～150 mm。

该隧道施工采用三台阶法加临时仰拱法，支护结构按照新奥法原理设计，采用复合式衬砌结构，支护参数见表1。

表1 隧道复合式衬砌支护参数

2 冰碛层围岩力学性质室内试验

2.1 试验设备

针对藏噶隧道进行冰碛层实地取样，同时结合康定、泸定、林芝等其他共计14 个调研点（详见图1）冰碛层调研样本［10-16］进行综合分析，得到冰碛层围岩的天然密度为2 060～2 365 kg·m-3，含水率为2%～25%，曲率系数Cc为0.65～5.46，不均匀系数Cu为35.84～143.25。

图1 冰碛层样本调研点分布

为了全面探究冰碛层隧道围岩的力学性质，选取密实程度、含石量和含水率3 个主要影响因素，在室内进行冰碛层大型三轴剪切试验。试验设备选用应力路径控制大型三轴剪切试验仪，如图2所示；轴向应力、应变、周围压力等参数均由计算机自动采集，试样配置及试样破坏如图3所示。试验工况涵盖调研区内冰碛层围岩的物理指标。

图2 大型三轴剪切试验仪

图3 试样配置及试样破坏

为研究不同含石量对冰碛层力学性质的影响关系，调研目前国内外关于土石分界问题的研究，可知粗粒土内部的土与石之分是一个相对概念，因此，采用E.S.Linquist 和E.Medley 等［17-18］提出的土石分界阈值，结合本次试验仪器的限定，研究采用10 mm 为土石分界点，即粒径大于10 mm 的为石，小于10 mm的为土。

2.2 不同因素对冰碛层围岩力学性质的影响

2.2.1 密实程度影响规律

密实程度与冰碛层围岩抗剪强度的关系曲线如图4所示，由图可知，黏聚力和内摩擦角均随密实程度的增大而增大。依据曲线变化趋势可将曲线分为3段：当密实程度小于0.35时，黏聚力和内摩擦角增长速率较缓；当密实程度在0.35～0.67 之间时，黏聚力和内摩擦角的增长速率较大；当密实程度大于0.67，黏聚力增长速率变缓，而内摩擦角增长速率仍较大。由此，在对密实程度进行分组时，以密实程度β为0.35 和0.67 作为分界点，将其划分为密实、中密和稍密3组。

2.2.2 含石量影响规律

图4 密实程度与冰碛层抗剪强度的关系曲线

图5 含石量与冰碛层抗剪强度的关系曲线

含石量与冰碛层围岩抗剪强度的关系曲线如图5所示，由图可知，黏聚力和内摩擦角均随含石量的增大而逐渐增大。依据曲线变化趋势可将曲线分为2 段：当含石量小于30%时，黏聚力和内摩擦角增长速率较缓；当含石量大于30%，黏聚力和内摩擦角增长速率逐渐变大。由此，在对含石量进行分组时，以含石量as为30%作为分界点，将其划分为低含石量和高含石量2组。

2.2.3 含水率影响规律

含水率与冰碛层围岩抗剪强度的关系曲线如图6所示，由图可知，黏聚力和内摩擦角均随含水率的增大呈现逐渐减小的趋势。依据曲线变化趋势可将曲线分为3段：当含水率小于10%时，黏聚力减小速率较缓，而内摩擦角减小速率较大，这是由于含水率在10%以内时，水的增加会给冰碛层颗粒之间增加一层水膜，起到润滑的作用，使颗粒间的咬合力减小，从而使内摩擦角的减小速率较大；当含水率在10%～20%之间时，黏聚力和内摩擦角的减小速率均变缓；而当含水率大于20%时，黏聚力和内摩擦角的减小速率剧增，这是由于水含量的增加已经使得冰碛层土样无法保持自稳。由此，在对含水率进行分组时，以含水率aw为10%和20%作为分界点，将其划分为低含水率、中含水率和高含水率3组。

图6 含水率与冰碛层抗剪强度的关系曲线

3 冰碛层围岩稳定性数值模拟

隧道围岩稳定性不仅包括掌子面稳定性，还包括洞身稳定性，是一个空间与时间结合的四维概念。在隧道修建过程中，围岩的稳定性是选择施工方式和支护型式的重要依据，也是控制隧道变形、指导隧道施工的重要基础。目前，关于围岩稳定性分级有2 种思路：第1 种是以洞身稳定性为依据进行分级，第2 种是以掌子面稳定性为依据进行分级［19］。本文采用第2 种思路，即以洞身稳定性为依据，采用离散元软件PFC 进行冰碛层围岩稳定性数值模拟，通过计算不同工况下隧道开挖后围岩颗粒、力链及裂隙发展情况，得到冰碛层围岩洞身稳定性。依据我国TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》中关于围岩塌方类型和塌方高度的判断标准进行判断，即当塌方高度小于3 m 时属于小塌方，塌方高度在3～6 m 间时属于中塌方，塌方高度大于6 m 时属于大塌方。在数值模型中，塌方高度等于塌方处最低点和最高点间的竖向距离。

3.1 计算工况

基于上述冰碛层围岩抗剪强度室内试验结果，对围岩密实程度、含石量和含水率这3个参数的强度分组进行全组合排列，得到共计18组计算工况，详见表2。

3.2 隧道模型

针对离散元的建模特点，依据离心机原理及相似准则，隧道开挖尺寸取实际隧道的1/10，重力加速度乘以10 倍，则可保证隧道的初始地应力与实际相同，由此建立的隧道开挖模型如图7所示。同时，为了体现冰碛层围岩棱角性特点，随机选取冰碛层围岩中20 组颗粒进行数码拍照，采用Mat⁃lab 中的Candy 算法计算颗粒边界坐标，将边界坐标导入CAD 中得到颗粒轮廓线，在PFC 软件中导入CAD 文件得到Clump 颗粒，部分结果如图8所示。

3.3 细观参数标定

采用建立的冰碛层围岩数值标定模型（见图9），依次对照表2中的计算工况进行细观参数标定，将数值模拟得到的应力—应变曲线与室内大型三轴试验得到的进行对比，当两者的应力—应变曲线的峰值强度相差不超过5%时，则认为细观参数标定成功。部分标定曲线如图10所示，标定结果见表3。其中，接触模型选用线性接触模型，颗粒密度取2 265 kg·m-3。

表2 冰碛层围岩计算工况

图7 离散元隧道开挖模型（单位：m）

图8 冰碛层围岩Clump颗粒

图9 冰碛层围岩数值标定模型（单位：mm）

图10 室内试验与数值标定模型的应力—应变曲线对比

3.4 冰碛层围岩稳定性计算结果

不同的隧道开挖跨度，导致围岩产生的塌方高度和塌方类型不同，因此，采用建立的离散元隧道开挖模型（见图7），对于上述18 种工况，逐渐增大隧道开挖跨度，数值模拟得到不同开挖跨度时的围岩塌方高度和塌方类型。对照TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》中关于围岩塌方类型和塌方高度的判断标准，可将18 种工况中的塌方过程分为以下3类。

（1）类型1：随着开挖跨度的增加，冰碛层围岩由局部失稳，发展成小塌方，最后发展成中～大塌方。

以工况1 的颗粒、裂隙、力链分布图为例，如图11所示，图中，红色为张拉破坏裂隙，绿色为剪切破坏裂隙，灰色为压缩力链，紫色为张拉力链。由图可知：当开挖跨度为6 m 时，隧道仅在左拱腰出现张拉破坏，产生局部坍塌，在力链图中呈左拱腰脱空，右拱腰集中；当开挖跨度为8 m 时，隧道产生中塌方，上部形成锥形塌落拱，拱顶处发生张拉破坏，在力链图中拱腰处出现压应力集中现象；当开挖跨度为10 m时，隧道发生大塌方，拱顶形成椭圆形塌落拱，在力链图中拱顶呈完全脱空状态。

（2）类型2：随着开挖跨度的增大，冰碛层围岩由局部失稳，迅速发展成中～大塌方。

以工况7 的颗粒、裂隙、力链分布图为例，如图12所示。由图可知：当开挖跨度为4 m 时，隧道出现拱腰处张拉破坏，且力链呈局部脱空；当开挖跨度为6 m 时，隧道迅速发展为大塌方，在拱顶处形成椭圆形塌落拱，且力链呈椭圆形脱空。

表3 冰碛层围岩细观参数标定结果

图11 工况1的颗粒—裂隙、力链分布图

图12 工况7的颗粒—裂隙、力链分布图

（3）类型3：随着开挖跨度的增加，冰碛层围岩直接发展成大塌方。

以工况13 的颗粒、裂隙、力链分布图为例，如图13所示。由图可知：当开挖跨度为4 m 时，隧道即出现大塌方，且无法形成塌落拱，裂隙呈“蝴蝶形”分布，力链出现圆形脱空。

图13 工况13的颗粒—裂隙、力链分布图

4 冰碛层围岩亚分级

根据上述冰碛层围岩稳定性计算结果，可得到18 种工况条件下冰碛层围岩的自稳跨度，对照TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》中关于自稳跨度与围岩等级之间的关系表，可得到18 种工况条件下冰碛层围岩的亚分级结果，详见表4，由表4可知，当选取密实程度、含石量和含水率作为分级指标时，冰碛层围岩主要分为Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2这3 个亚级。

表4 冰碛层围岩亚分级结果

整理各工况中密实程度、含石量和含水率的取值范围，得到冰碛层围岩亚分级及对应指标的取值范围，见表5。

表5 冰碛层围岩亚分级表

5 藏噶隧道冰碛层围岩亚分级和加固措施

5.1 藏噶隧道冰碛层围岩亚分级

根据上文得到的冰碛层围岩亚分级表，结合拉林铁路藏噶隧道地质勘察结果和现场情况，对藏噶隧道冰碛层围岩进行亚分级。

1）Ⅳ2亚级冰碛层围岩

隧道DK173+490—DK173+540 段，矿物成分以石英砂岩、花岗岩、闪长岩为主，密实，粒径为60～150 mm，最大可见200 mm，约占总质量60%～65%，呈次棱角状～棱角状。该段含水率约为2.0%～6.4%，密实，含石量在70%以上，对照表5，可认为该段围岩属于Ⅳ2亚级围岩。

2）Ⅴ1亚级冰碛层围岩

隧道DK173+540—DK173+605 段，矿物成分以石英砂岩、花岗岩、闪长岩为主，中密，粒径为60～150 mm，最大可见200 mm，约占总质量60%～65%，呈次棱角状～棱角状。该段含水率约为12.3%～16.4%，中密，含石量在70%以上，对照表5，可认为该段围岩属于Ⅴ1亚级围岩。

3）Ⅴ2亚级冰碛层围岩

隧道DK166+950—DK167+910 段，矿物成份以石英砂岩、花岗岩、闪长岩为主，稍密，粒径为60～150 mm，最大可见200 mm，约占总质量60%～65%，呈次棱角状～棱角状。该段含水率普遍大于20.0%，有涌水产生，对照表5，可认为该段围岩属于Ⅴ2亚级围岩。

5.2 藏噶隧道冰碛层围岩施工方法和加固措施

针对藏噶隧道冰碛层围岩亚分级结果，依据现场施工方法，给出如下支护措施建议，并汇总于表6。

表6 冰碛层围岩支护措施推荐表

（1）Ⅳ2亚级冰碛层围岩：现场采用“小断面三台阶”工法进行开挖；依据冰碛层围岩稳定性计算结果，其自稳跨度为5 m，推荐采用喷射混凝土和型钢钢架进行加固。

（2）Ⅴ1亚级冰碛层围岩；现场采用“小断面三台阶”工法进行开挖；依据冰碛层围岩稳定性计算结果，其自稳跨度为3 m，推荐采用“管棚+小导管”进行超前加固，支护方式采用型钢钢架和管棚。

（3）Ⅴ2亚级冰碛层围岩；现场采用“小断面三台阶”工法进行开挖；依据冰碛层围岩稳定性计算结果，其自稳跨度为2 m，推荐采用“帷幕注浆、管棚+小导管”进行超前加固，支护方式采用型钢钢架和管棚，同时为提高施工安全和施工效率可采用临时横撑。

现场采用上述推荐的支护措施后，对180个断面监测30 d，统计冰碛层段沉降监测数据，其中部分断面的监测数据如图14所示。由图可知：拱顶、上台阶、下台阶的累计最大沉降分别为24.5，22.1，23.7 mm，均小于100 mm，满足隧道施工要求。因此，藏噶隧道冰碛层段施工方法和支护措施可为其他隧道提供参考。

同时，应当注意到，Ⅴ2亚级冰碛层围岩的含水率极高，容易产生涌水，易发生细颗粒的流失，改变冰碛层围岩的颗粒结构及胶结状态，使冰碛层围岩的稳定性进一步降低的危险。因此，下一步的研究重点为地下水对冰碛层颗粒流失的影响以及颗粒流失后冰碛层隧道围岩的稳定性问题。

图14 藏噶隧道冰碛层段累计沉降曲线

6 结 论

（1）冰碛层围岩的抗剪强度随密实程度和含石量的增大逐渐增大，随含水率的增大逐渐减小；依据抗剪强度的变化趋势可将密实程度划分为密实、中密和稍密3 组，含石量划分为低含石量和高含石量2 组，含水率划分为低含水率、中含水率和高含水率3组。

（2）冰碛层围岩塌方过程分为3 类，第1 类为随着开挖跨度的增大，隧道先是局部失稳，再发展成小塌方，最后发展为中～大塌方；第2类为随着开挖跨度的增大，隧道由局部失稳迅速发展成中～大塌方；第3 类为随着开挖跨度的增大，隧道直接发展为大塌方。

（3）在选取密实程度、含石量和含水率作为分级指标时，冰碛层围岩分为Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2共3 个亚级。当密实程度大于0.67 时，依据含石量和含水率的不同，冰碛层围岩为Ⅳ2和Ⅴ1共2 个亚级；当密实程度在0.35～0.67 之间时，依据含石量和含水率的不同，冰碛层围岩为Ⅴ1和Ⅴ2共2 个亚级；当密实程度小于0.35时，冰碛层围岩为Ⅴ2亚级。

（4）藏噶隧道冰碛层围岩主要分为Ⅳ2，Ⅴ1和Ⅴ2共3 个亚级。对应的加固措施应分别为：喷射混凝土和型钢钢架进行加固；采用“管棚+小导管”进行超前加固，采用型钢钢架和管棚进行支护；采用“帷幕注浆、管棚+小导管”进行超前加固，采用型钢钢架和管棚进行支护。现场采用该加固措施后，最大沉降小于100 mm，满足隧道施工要求。因此，藏噶隧道冰碛层段亚分级表、施工方法和施工措施可为拉林线奔中山隧道、米林隧道及川藏线中穿越冰碛层地区的隧道施工提供参考。