王建軍

(鐵一院地質(zhì)路基處，西安 710043)

0 引言

新建蘭渝線蘭州—廣元段正線建筑長(zhǎng)度(設(shè)計(jì)起點(diǎn)至甘溪溝設(shè)計(jì)終點(diǎn))為493 km，其中隧道工程總計(jì)342.261 km，65座。線路通過(guò)甘肅省東部、南部和四川省西北部，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造體系，從北向南，經(jīng)過(guò)祁連褶皺系、秦嶺褶皺系、松潘-甘孜褶皺系、揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)4個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元。洞身通過(guò)軟巖地層包括第三系(N)砂巖，三疊系(T)、二疊系(P)板巖、炭質(zhì)板巖，志留系(S)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖及其斷層破碎帶。

目前國(guó)內(nèi)外提出的工程圍巖分類方法已經(jīng)多達(dá)百種，盡管各種分類方法都有其自己的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)圍巖的具體級(jí)別還沒(méi)有明確的說(shuō)明。由于圍巖分級(jí)方法側(cè)重點(diǎn)不同，在高地應(yīng)力地區(qū)等特殊情況下分級(jí)與實(shí)際情況相差較大，適宜性相對(duì)較差。文獻(xiàn)［1］指出現(xiàn)有規(guī)范在高地應(yīng)力等特殊地質(zhì)情況下分級(jí)的相對(duì)不適宜性，并探討分析了按規(guī)范分級(jí)時(shí)巖體質(zhì)量具有的邊緣效應(yīng)。文獻(xiàn)［2］針對(duì)公路隧道圍巖分級(jí)，采用統(tǒng)計(jì)理論、數(shù)量化理論對(duì)施工階段圍巖亞級(jí)分級(jí)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［3］將支持向量機(jī)應(yīng)用于巖體質(zhì)量等級(jí)分類中，采用工程中適用性強(qiáng)的指標(biāo)(如巖石質(zhì)量指標(biāo)、完整性系數(shù)、單軸飽和抗壓強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面摩擦因數(shù))作為判別因素，選用徑向基核函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)交叉驗(yàn)證確定最佳模型參數(shù)，建立了巖體質(zhì)量分級(jí)模型。文獻(xiàn)［4］根據(jù)廣東省惠深高速公路牛湖山隧道勘察情況，對(duì)其圍巖質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)中主要采用了可拓評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)與灰色關(guān)聯(lián)分析方法、專家經(jīng)驗(yàn)方法等評(píng)價(jià)結(jié)果相比較，得出高速公路隧道圍巖分級(jí)系統(tǒng)可拓評(píng)價(jià)體系具有科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。

在蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道施工實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)行鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范關(guān)于圍巖分級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖判定，存在圍巖級(jí)別與支護(hù)措施不相匹配，即使支護(hù)措施很強(qiáng)仍然存在變形較大甚至侵限換拱的現(xiàn)象。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形控制試驗(yàn)段及大量變形段地質(zhì)因素統(tǒng)計(jì)，探討軟巖變形機(jī)制，并初步建立高地應(yīng)力區(qū)軟巖分級(jí)體系。

1 軟巖定義

結(jié)合蘭渝鐵路工程實(shí)例，就目前巖石工程學(xué)界關(guān)于軟巖概念的分析總結(jié)，側(cè)重于從力學(xué)特性方面將巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為0.5～30 MPa、具有變形大、巖體抗剪強(qiáng)度低、彈性模量小的巖層統(tǒng)稱為軟巖［5］。包括成巖作用或膠結(jié)程度差的碎屑巖，具有膨脹作用的泥巖、頁(yè)巖等黏土巖及煤系地層，受構(gòu)造作用明顯的(炭質(zhì))片巖、云母片巖、綠泥石片巖、(炭質(zhì))板巖、(炭質(zhì))千枚巖等變質(zhì)巖類，球狀風(fēng)化嚴(yán)重的花崗巖類，亦包括上述軟質(zhì)原巖形成以散體結(jié)構(gòu)為主的斷層泥、斷層角礫、糜棱巖、壓碎巖等斷層或構(gòu)造擠壓破碎帶。

2 隧道大變形的受控條件

地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、隧道埋深、地下水以及工程因素是隧道大變形的主要受控條件［6］。

2.1 地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)

以蘭渝鐵路眾多的軟巖變形隧道為基礎(chǔ)，結(jié)合青藏鐵路關(guān)角隧道、蘭武線烏鞘嶺隧道軟巖大變形的工程實(shí)例及其物理力學(xué)試驗(yàn)，分析地層巖性條件始終是隧道較大變形產(chǎn)生的首要條件，常見(jiàn)地層包括成巖作用或膠結(jié)程度差的碎屑巖，如桃樹(shù)坪隧道、胡麻嶺隧道、哈達(dá)鋪隧道第三系成巖作用差的砂巖;木寨嶺隧道、紙坊隧道、哈達(dá)鋪隧道、馬家山隧道、同寨隧道、毛羽山隧道(炭質(zhì))板巖;兩水隧道、清水隧道(炭質(zhì))千枚巖;關(guān)角隧道片巖、紙坊隧道進(jìn)口壓碎板巖、西秦嶺壓碎千枚巖等，上述地層主要物理力學(xué)性質(zhì)及特性如下:

1)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc一般小于30 MPa。

2)部分軟巖大變形隧道洞內(nèi)原位大剪試驗(yàn)表明，變形隧道盡管圍巖巖性不同，尚有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即該類地層巖體的抗剪斷強(qiáng)度及彈性模量等參數(shù)普遍較低，如收斂變形值＞0.5m的圍巖原位大剪φ≤26°，c≤

0.18 MPa，變形模量及彈性模量等主要變形參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 軟巖巖體抗剪(斷)強(qiáng)度及變形原位試驗(yàn)成果匯總表Table 1 Results of in-situ tests on shear strength and deformation of soft rock mass

3)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)巖體或泥化夾層大多含蒙脫石、伊利石、高齡石等脹縮變形的的黏土礦物，具有膨脹性。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)條件

根據(jù)對(duì)已發(fā)生變形隧道巖體結(jié)構(gòu)條件包括層理、板理、片理、斷層面、節(jié)理裂隙、褶曲樞紐等結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析，軟質(zhì)巖層厚度及走向條件對(duì)圍巖穩(wěn)定性或變形數(shù)值的大小影響很大。

1)層厚＞5 cm，鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，石質(zhì)較堅(jiān)硬(Rc＞15 MPa)，受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，層間結(jié)合緊密，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整或較破碎，揉皺現(xiàn)象及泥化夾層不發(fā)育，含少量基巖裂隙水，巖層走向?qū)λ淼婪€(wěn)定性影響較小。

2)層厚＜5 cm，陡傾角巖層，走向與洞軸線夾角＞35°。木寨嶺隧道正洞以及天池坪隧道出口段，巖層走向與線路夾角＞35°，圍巖中也分布有層間擠壓破碎帶、揉皺及褶曲發(fā)育地段，但隧道往往近于垂直穿越此類構(gòu)造帶，一般變形較小，僅局部極其破碎、揉皺帶或地下水發(fā)育地段圍巖以塑流形變?yōu)橹鳌?/p>

3)層厚＜5 cm，陡傾角巖層，走向與洞軸線夾角＜35°。蘭渝鐵路自哈達(dá)鋪隧道進(jìn)口DK220+500至毛羽山隧道出口DK286+661段地層巖性以三疊系板巖為主，泥質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層為主夾中厚層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀近于直立，走向與洞軸線夾角＜35°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有揉皺現(xiàn)象，呈層狀、板狀、碎石狀結(jié)構(gòu)，偶見(jiàn)長(zhǎng)大節(jié)理裂隙，屬于Ⅳ級(jí)圍巖，局部受構(gòu)造活動(dòng)影響嚴(yán)重，揉皺極其發(fā)育，巖體極其破碎，呈碎石角礫含泥狀散體結(jié)構(gòu)，巖面潮濕，屬于Ⅴ級(jí)圍巖。此類巖層洞室開(kāi)挖收斂變形一般較大，巖體典型特征表現(xiàn)在沿橫斷面方向變化較大。

4)層厚＜5 cm，平緩產(chǎn)狀巖層。緩傾角巖層變形主要受巖性、巖體強(qiáng)度及地應(yīng)力的影響，常在拱部發(fā)生橫彎曲變形，在邊墻發(fā)生順結(jié)構(gòu)面蠕滑變形甚至失穩(wěn)。

5)散體結(jié)構(gòu)巖層。包括斷層泥、斷層角礫、糜棱巖、壓碎巖等斷層破碎帶，呈碎石角礫含泥狀構(gòu)造擠壓破碎帶以及產(chǎn)狀紊亂或薄片狀石質(zhì)極軟巖層，局部構(gòu)造裂隙、基巖裂隙水發(fā)育。巖體變形受地應(yīng)力環(huán)境的明顯控制，當(dāng)隧道開(kāi)挖前處在高地應(yīng)力狀態(tài)時(shí)尚具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，當(dāng)洞室開(kāi)挖產(chǎn)生變形凌空面時(shí)，地應(yīng)力重新分布，圍巖應(yīng)力差增大時(shí)，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)或滑移，圍巖整體強(qiáng)度和模量降低，表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)流變特點(diǎn)。

2.3 地應(yīng)力與隧道埋深條件

根據(jù)《甘肅省區(qū)域地質(zhì)志》有關(guān)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析，結(jié)合蘭渝線實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)值分析，自前元古代時(shí)期以來(lái)一直以南北向的持續(xù)擠壓應(yīng)力為主，根據(jù) GB 50218—1994《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，采用RC/SH即最大水平主應(yīng)力實(shí)測(cè)值與該處巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度的比值劃分地應(yīng)力狀態(tài)，全線劃分均屬于高地應(yīng)力-極高地應(yīng)力區(qū)。

1)主應(yīng)力與隧道埋深的關(guān)系。一定埋深范圍內(nèi)，應(yīng)力值隨深度增加呈增加的趨勢(shì)，在圍巖強(qiáng)度不變的情況下，隧道圍巖變形位移的大小也相應(yīng)增加。

2)最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向。最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向北部自黑山隧道至毛羽山隧道以NE-SW向?yàn)橹鳎喜孔蕴斐仄核淼乐聊涎律剿淼酪訬W-SE向?yàn)橹?最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)作用方向與隧道洞軸線夾角大小影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，當(dāng)最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)作用方向與隧道洞軸線方向一致時(shí)，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響最小，垂直時(shí)對(duì)隧道穩(wěn)定性影響最大。

2.4 地下水條件

軟巖隧道往往含泥質(zhì)結(jié)構(gòu)或泥化夾層等軟弱圍巖，地下水對(duì)巖體有明顯的軟化，是影響圍巖穩(wěn)定性或促進(jìn)變形發(fā)展的重要因素。

2.5 工程因素

工程因素包括隧道斷面大小及形態(tài)、相鄰單線隧道的線間距、支護(hù)措施、開(kāi)挖工法等。

1)隧道斷面大小即跨度對(duì)圍巖穩(wěn)定及變形的影響較大?？缍仍酱箝_(kāi)挖切割的巖體結(jié)構(gòu)面越多，形成的不穩(wěn)定塊體越多，圍巖易失穩(wěn)，變形越大。

2)隧道斷面形態(tài)即采用曲墻、直墻、圓形、橢圓形等，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。軟巖隧道采用直墻洞室易在夾角處形成應(yīng)力集中，即使斷面尺寸較小，變形也較大，甚至失穩(wěn);而曲墻、圓形斷面則會(huì)大大改善變形條件。

3)相鄰隧道的線間距也是影響軟巖隧道變形的一個(gè)工程因素，一般應(yīng)保持在3.5～5倍的隧道跨度，否則兩側(cè)變形相互疊加(影響)也會(huì)導(dǎo)致收斂變形數(shù)值過(guò)大，不宜控制。

4)軟巖變形隧道常用支護(hù)措施加強(qiáng)控制變形。如采用寬面板H型鋼、長(zhǎng)錨桿、徑向注漿及二次支護(hù)都是比較有效的辦法，高地應(yīng)力區(qū)也可采用超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放法掘進(jìn)。

5)開(kāi)挖工法的影響。對(duì)于軟巖大斷面隧道，因?yàn)闆](méi)有足夠時(shí)間支護(hù)，且掌子面變形不可控制，往往要預(yù)留核心土或采用臺(tái)階法等分部開(kāi)挖法，使得初期支護(hù)快速封閉成環(huán);三臺(tái)階法施工如果上、中或中下臺(tái)階鋼架接腿時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)圈累進(jìn)性擴(kuò)大及韌性剪切變形破壞。另外在軟弱圍巖隧道內(nèi)停止爆破作業(yè)，洞內(nèi)變形速率會(huì)明顯減小，采用破碎錘等機(jī)械開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)比采用爆破方法要小，圍巖的穩(wěn)定性及變形相對(duì)就小。

3 圍巖變形模式及形成機(jī)制

通過(guò)對(duì)圍巖變形隧道典型工程實(shí)例研究，圍巖變形模式及機(jī)制總體上可以歸結(jié)為變形初期形變以及后期韌性剪切滑移破壞帶。

3.1 變形初期形變

關(guān)于軟巖變形模式及形成機(jī)制討論最多的是變形初期軟巖的塑流、膨脹變形、彎曲變形、塑性楔體、累進(jìn)性松脫擴(kuò)展、沉降變形、牽引變形等［7］。

1)塑流變形。開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的調(diào)整，應(yīng)力調(diào)整引起的擴(kuò)容使巖體中原本閉合的結(jié)構(gòu)面張開(kāi)滑移，以及圍巖巖體進(jìn)一步碎裂化，在改變巖體應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度的同時(shí)，圍巖中地下水沿張開(kāi)裂隙滲流和軟化作用，導(dǎo)致塑性流動(dòng)使圍巖產(chǎn)生較大的收斂及下沉位移。

2)膨脹變形。洞室開(kāi)挖后由于爆破產(chǎn)生的裂隙、原有裂隙張開(kāi)滑移或者應(yīng)力調(diào)整過(guò)程新產(chǎn)生的裂隙均為基巖裂隙水的滲入提供了必要的通道，當(dāng)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石中含有蒙脫石、綠泥石和高嶺石一類的片狀具膨脹性的黏土礦物時(shí)，遇水即發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生膨脹力引起變形。

3)彎曲變形。對(duì)于在層狀(特別是薄層狀)巖體中的地下洞室，其變形破壞機(jī)制可以用彎曲來(lái)加以解釋。尤其在高地應(yīng)力區(qū)的卸荷條件下，巖體更易發(fā)生彎曲變形以致破壞。如陡傾巖層，走向與洞軸線近于一致，在縱彎作用下發(fā)生撓曲變形，引起洞壁側(cè)向變形，平緩巖層在橫彎作用下引起拱部彎曲下沉或底鼓。

4)塑性楔體。節(jié)理化巖體塑性變形導(dǎo)致追蹤既有結(jié)構(gòu)面而形成的滑移面，這些滑移面在洞室圍巖空間內(nèi)組成了塑性楔體并向洞內(nèi)剪切滑移。隨著主應(yīng)力方向以及側(cè)壓力系數(shù)的不同，塑性楔體可出現(xiàn)在洞周不同的部位，從而引起這些部位圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

5)累進(jìn)性松脫擴(kuò)展。高地應(yīng)力軟巖以壓碎巖、斷層角礫、斷層泥或薄片狀極軟巖等散體結(jié)構(gòu)為主時(shí)，如支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)措施不強(qiáng)，變形過(guò)大，應(yīng)力重分布會(huì)表現(xiàn)為松動(dòng)圈累進(jìn)性擴(kuò)展特點(diǎn)，甚至由于大變形反復(fù)拆換拱處理，必將引起大范圍巖體松動(dòng)，淺埋段可以一直發(fā)展到地表。

6)沉降變形。當(dāng)隧道工程通過(guò)人類采掘活動(dòng)形成的大面積采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)巖體頂板塌落、移動(dòng)逐漸引起采空區(qū)上部整個(gè)地層的破壞和向采空區(qū)移動(dòng)，以致地表產(chǎn)生變形和破壞，是一種特殊類型的圍巖大變形，當(dāng)?shù)叵虏煽障锏罏閮A斜分布時(shí)，以傾斜沉降變形為主;當(dāng)采空區(qū)巷道為近水平分布時(shí)，采空區(qū)頂板產(chǎn)生彎曲、塌落，以垂向沉降變形為主。

7)牽引變形。軟巖隧道洞口淺埋或偏壓段，由于埋深淺，洞內(nèi)開(kāi)挖發(fā)生變形會(huì)牽引坡體蠕滑開(kāi)裂，反過(guò)來(lái)坡體下滑力會(huì)對(duì)洞內(nèi)的變形產(chǎn)生加劇作用。

3.2 韌性剪切滑移帶

軟巖隧道圍巖一般石質(zhì)軟、剪切強(qiáng)度低、彈性模量小，如果控制變形措施不力(比如注漿效果不好、錨桿措施不到位)，后期變形數(shù)值過(guò)大，往往會(huì)在拱墻以外至少松動(dòng)圈范圍由于變形速率差異形成韌性剪切滑移帶。韌性剪切滑移帶是指軟巖巖體在變形過(guò)程中由于相鄰2個(gè)部分變形速率差異較大而產(chǎn)生明顯位移，在結(jié)合部形成的帶狀剪切滑移帶，是巖體的破壞變形，寬度一般小于單側(cè)收斂變形值0.5 m，其形成部位及傾角與巖體或加固后巖體的均質(zhì)(或軟硬)程度、剪切強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面、斷面形態(tài)及與施工工法等有關(guān)［8］。

相鄰2部分巖體變形速率差異分為3種情況［9］:一是均質(zhì)巖層在洞室開(kāi)挖后地應(yīng)力大、應(yīng)力重分布形成的剪切變形，其形成部位一般受巖體強(qiáng)度和斷面形態(tài)的影響較大，常形成于應(yīng)力集中處;二是抵抗變形的巖體強(qiáng)度差異，如軟硬巖接觸帶、斷層兩盤與破碎帶之間、完整性或強(qiáng)度差異較大的2部分巖體之間，屬于抵抗巖體變形的能力不同導(dǎo)致2部分變形速率差異較大形成韌性剪切滑移;三是其中一部分巖體變形受限，如受三臺(tái)階施工工法控制形成的韌性剪切破壞帶形成機(jī)制見(jiàn)圖1。上臺(tái)階先期開(kāi)挖最先收斂變形，中臺(tái)階變形受限，此時(shí)如果地應(yīng)力高、控制變形措施不強(qiáng)或中臺(tái)階開(kāi)挖遲緩，待上臺(tái)階持續(xù)變形數(shù)值過(guò)大時(shí)再開(kāi)挖中臺(tái)階一般會(huì)在拱腳形成韌性剪切滑移帶①，同樣中下臺(tái)階開(kāi)挖也能形成韌性剪切帶②，一旦形成韌性剪切破壞帶，圍巖整體穩(wěn)定性就會(huì)很大程度降低，容易發(fā)生突變失穩(wěn)［10］。

圖1 軟巖韌性剪切破壞帶的形成機(jī)制示意圖Fig.1 Mechanisms of forming of malleable shear failure of soft rock mass

受施工工法控制的變形破壞通過(guò)改進(jìn)施工組織是可以避免的，如在先期開(kāi)挖的臺(tái)階收斂變形數(shù)值較小時(shí)能及時(shí)進(jìn)行下一臺(tái)階開(kāi)挖與支護(hù)，加強(qiáng)拱架鎖固錨桿與徑向注漿措施，基本保持拱墻低速率同步變形就不會(huì)形成韌性剪切帶，這就要求三臺(tái)階同步推進(jìn)快速掘進(jìn)，使初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)。

4 高地應(yīng)力軟巖初步分級(jí)圍巖特征

見(jiàn)表2。

表2 高地應(yīng)力軟巖初步分級(jí)圍巖特征Table 2 Primary classification of soft rock mass with high ground stress

5 結(jié)論與討論

針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分級(jí)，通過(guò)分析隧道大變形的受控條件以及圍巖的主要變形模式、軟巖變形的形成機(jī)制等，對(duì)高地應(yīng)力區(qū)圍巖的分級(jí)進(jìn)行了研究。認(rèn)為高地應(yīng)力軟巖可按照單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖周邊環(huán)境分為4級(jí)，即高軟Ⅰ級(jí)～高軟Ⅳ級(jí)，并對(duì)高軟Ⅰ級(jí)～高軟Ⅳ級(jí)的圍巖狀況分別描述。通過(guò)對(duì)新建蘭渝鐵路線各個(gè)隧道的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研，對(duì)典型隧道依照高軟Ⅰ級(jí)～高軟Ⅳ級(jí)進(jìn)行了分類。

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