張廣澤,馮 君,2,易勇進,柴春陽,強新剛,王振友

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,沈陽 110004)

隧道大變形是指在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下圍巖發(fā)生破壞并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象。由于應(yīng)變能的釋放是個緩慢過程，因此隧道發(fā)生大變形不同于巖爆的脆性破壞，而屬于在高地應(yīng)力等同條件下的柔性破壞。其實質(zhì)是圍巖產(chǎn)生剪應(yīng)力并使巖體彼此錯動、斷裂破壞，進而使圍巖喪失自承能力并迫使圍巖向開挖洞室方向擠壓產(chǎn)生大變形，發(fā)生隧道失穩(wěn)的現(xiàn)象。根據(jù)太沙基1946年提出擠出性巖石和膨脹性巖石的概念[1]，研究者們往往也將隧道大變形機理理解為巖石的擠出變形和膨脹變形。膨脹變形一般發(fā)生于膨脹性巖體，因此，對于大多數(shù)非膨脹性圍巖的大變形往往是由巖體的擠壓作用造成。

目前針對隧道大變形的定義和分級標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的認識，大變形是相對正常變形而言。在鐵路隧道工程領(lǐng)域，喻渝[2]從預(yù)留變形量出發(fā)，以預(yù)留變形量的0.8倍作為正常變形值的上限，以正常變形量的2倍作為大變形的下限，即單線隧道發(fā)生25 cm位移、雙線隧道發(fā)生50 cm的位移，則認為發(fā)生了大變形。中鐵二局[3]對鐵路擠壓型隧道，采取以圍巖變形量、相對變形量、原始地應(yīng)力及應(yīng)力比為指標(biāo)變形等級進行劃分。日本[4]采用相對應(yīng)變來判斷圍巖的擠出程度并進行等級劃分。

但大量工程實踐表明，隧道發(fā)生大變形并非由單一因素造成，往往受到區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其擠壓程度的共同影響。實際上，大變形嚴格受構(gòu)造控制，它是在最大主應(yīng)力近于水平的應(yīng)力場中，地殼運動在隧道開挖后的表現(xiàn)形式，以變形量大、變形速度快，持續(xù)時間長為特征。沒有構(gòu)造運動或地殼的長期蠕變，隧道開挖后是不會發(fā)生大變形的，理論上松動圈會迅速定形下來。深大斷裂帶、褶皺核部或轉(zhuǎn)折端是易發(fā)生大變形的部位，翼部順層、構(gòu)造節(jié)理密集帶也容易發(fā)生大變形。

本文基于地質(zhì)學(xué)方法，從區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、松動圈擴展出發(fā)，結(jié)合工程經(jīng)驗和相對變形量，分析隧道大變形的機理，并提出適應(yīng)中國隧道建設(shè)管理水平的大變形分類分級標(biāo)準(zhǔn)和寧強勿弱的預(yù)加固支護措施，有利于加快施工進度、降低費用、保障施工和運營安全。

1 隧道大變形機理

1.1 地應(yīng)力場

地應(yīng)力場分為宏觀和微觀兩個層面。宏觀應(yīng)力場就是區(qū)域應(yīng)力場，與地層巖性和局部構(gòu)造無關(guān)，只與地質(zhì)背景有關(guān)。微觀應(yīng)力場是局部應(yīng)力場，雖由區(qū)域應(yīng)力場演生，但與地層巖性和局部構(gòu)造關(guān)系密切。在相同的地質(zhì)背景下，軟巖不易積聚地應(yīng)力，而硬巖容易積聚地應(yīng)力；完整性好的巖體容易積聚地應(yīng)力，而完整性差的巖體不易積聚地應(yīng)力。

1.2 地層巖性

就區(qū)域應(yīng)力場中某一個點而言，地層巖性不同則地應(yīng)力也不同。巖體在特定應(yīng)力場中發(fā)生的變形，一是巖石密度的變化，一是結(jié)構(gòu)面的剪切擴容，后者起決定性作用。根據(jù)能量守恒定律，這個點無論巖石軟硬、巖體完整性如何，地應(yīng)力作用在該點上所積聚的勢能是相同的。

根據(jù)能量守恒定律，在區(qū)域應(yīng)力場中某一個點，巖性為軟巖則應(yīng)力小而應(yīng)變大，巖性為硬巖則應(yīng)力大而應(yīng)變小。隧道開挖解除應(yīng)力后，巖體有恢復(fù)先前狀態(tài)的趨勢，初始應(yīng)變大者工后變形量必然大，反之則小。可見，相同應(yīng)力場中的某個點，巖性為軟巖時發(fā)生大變形的可能性更大。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

巖體是巖層受構(gòu)造擠壓產(chǎn)生各種破裂面后形成的結(jié)構(gòu)體，其彈性勢能大部分儲存在巖體結(jié)構(gòu)上，只有少部分儲存在巖石晶格之間。當(dāng)巖石堅硬、結(jié)構(gòu)面貫通性差時，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢能，主要儲存在裂隙呈半封閉或封閉狀態(tài)的巖體中，彈性勢能的高低取決于裂隙的多少和寬度。裂隙越多越寬，彈性勢能越高。如果彈性勢能過高，隧道開挖卸荷后，勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，巖塊、巖屑如同子彈出堂，導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

當(dāng)巖石堅硬、結(jié)構(gòu)面貫通性好時，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢能，主要儲存在結(jié)構(gòu)面相互交切的巖體“框架結(jié)構(gòu)”上，它是“框架結(jié)構(gòu)”發(fā)生變位、變形而積聚的能量。隧道開挖卸荷后，圍巖為恢復(fù)先前的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為以塊體為單元的彈性勢能的釋放。如果“框架結(jié)構(gòu)”初始變形量過大，積聚的彈性勢能過高，隧道開挖卸荷后則可能以單個或多個巖塊突出、擠出的形式釋放彈性勢能，其結(jié)果就是發(fā)生巖爆、崩塌或大變形。大變形和巖爆是圍巖變形的兩種極端狀態(tài)，兩者之間還有中間狀態(tài)。由于中間狀態(tài)對隧道開挖影響不大，所以工程界只作為正常的圍巖支護對待。隨著完整性的降低，當(dāng)巖體呈碎裂狀時，圍巖變形大多以蠕變的方式擠出，發(fā)展為大變形。

大變形的發(fā)生與巖石的軟硬沒有本質(zhì)關(guān)系，主要與巖體所遭受的構(gòu)造擠壓程度和構(gòu)造演變過程有關(guān)。如天平線關(guān)山隧道，晚古生代侵入的閃長巖，飽和抗壓強度達81.4～108 MPa，屬極硬巖，現(xiàn)今應(yīng)力場以最大主應(yīng)力近于水平23～24 MPa，經(jīng)歷印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運動和熱液蝕變后，巖體具典型板片狀碎裂巖特征，結(jié)構(gòu)面多為綠泥石化且錯動明顯，開挖后出現(xiàn)嚴重大變形及塌方掉塊現(xiàn)象。當(dāng)然，層薄質(zhì)軟的巖層與塊狀堅硬的巖層比較，在同一應(yīng)力場中經(jīng)歷相同的時間，前者所遭受的變形程度更為嚴重，隧道開挖后大變形的等級更高。

1.4 松動圈擴展

現(xiàn)代水電岸坡應(yīng)力場研究表明[5-15]，在某一特定的區(qū)域內(nèi)岸坡基巖普遍存在卸荷帶。在巖性和構(gòu)造基本相同時，區(qū)域最高夷平面與河谷岸坡上某個點的高差，決定著該區(qū)域這個高程的卸荷帶厚度。由此可以推斷，某座隧道在地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造基本相同的段落，若區(qū)域海拔相差不大，開挖后形成的松動圈厚度也大致相同。同河谷岸坡卸荷帶一樣，隧道松動圈也只與區(qū)域最高夷平面與洞身高差有關(guān)，而與隧道的實際埋深關(guān)系不大。

實際上，隧道結(jié)構(gòu)所承受的力，并不與地應(yīng)力直接發(fā)生關(guān)系，而只與松動圈的變形力有關(guān)。松動圈越厚，其所產(chǎn)生的變形力就越大，隧道結(jié)構(gòu)所承受的力就越大。大變形是松動圈持續(xù)發(fā)展的結(jié)果。

2 隧道大變形分類

根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)造部位，將大變形分為斷層型、碎裂型和順層型3種。斷層型發(fā)生在區(qū)域斷層帶；碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶；順層型發(fā)生在褶皺翼部，它以隧道軸向與巖層走向小角度相交為條件。緩傾巖層是順層的特例，易發(fā)隧道底鼓。

2.1 斷層型

斷層型發(fā)生在區(qū)域斷裂帶內(nèi)。隧道開挖后應(yīng)力重分布，徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增加，圍巖發(fā)生剪切變形、破壞而持續(xù)擴容、松弛、鼓脹，具有明顯的蠕變特征，一般要產(chǎn)生新的破裂面。

拉薩至林芝鐵路安拉隧道,全長6 770 m,出口段DK210+131～DK209+953，埋深60～130 m，開挖揭示圍巖巖性為三疊系朗杰學(xué)群姐德秀組下段(T3j1)碳質(zhì)絹云千枚巖為主，偶夾板巖、石英砂巖，弱風(fēng)化夾強風(fēng)化狀，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂縫合帶(F1-5)及靡棱巖影響帶等地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴重，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎～極破碎狀，呈角礫、碎石狀松散結(jié)構(gòu)，股狀地下水發(fā)育，由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，加之千枚巖遇水易軟化，在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強度迅速降低，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力差，整體圍巖穩(wěn)定性變差。單日最大變形量66 mm，累計變形達734 mm。安拉隧道出口平面、斷面分別見圖1、圖2。

圖1 安拉隧道出口平面

圖2 安拉隧道出口斷面

圖3 碎裂玄武巖構(gòu)造略圖

2.2 碎裂型

碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶。隧道開挖后應(yīng)力重分布，徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增加，圍巖發(fā)生剪切變形，持續(xù)擴容、松弛、鼓脹，以追蹤既有各類結(jié)構(gòu)面為特征，新的破裂面較少。

中義隧道DK41+400～DK44+600段處于龍蟠—喬后斷裂與玉龍雪山西麓斷裂加持的斷塊內(nèi)，線路的走向與龍蟠—喬后斷層(區(qū)域性活動斷裂)大致平行，隧道距斷層650～1 000 m。區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為SH>Sv>Sh，屬于平移斷層應(yīng)力模式。最大水平主應(yīng)力達15.4 MPa。最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為1.5。區(qū)內(nèi)玄武巖(Pβ)經(jīng)受強烈的蝕變及構(gòu)造作用，表現(xiàn)出碎裂化特征，其碎裂玄武巖構(gòu)造見圖3。礦物分析結(jié)果顯示，裂面有綠泥石、蒙脫石等蝕變礦物富集，呈墨綠—黑綠色，手感滑膩，極大弱化了巖體強度，根據(jù)現(xiàn)場原位測試，黏聚力為220 kPa，內(nèi)摩擦角15°。受地應(yīng)力影響，隧道出現(xiàn)嚴重大變形(Ⅱ型)，水平收斂單側(cè)最大累計變形達72 cm，根據(jù)松動圈測試資料，其平均厚度為4.3 m。

2.3 順層型

順層型發(fā)生在褶皺翼部。隧道軸向與巖層走向小角度相交時，在隧道輪廓與巖層面相切部位，巖層向臨空面持續(xù)發(fā)生彎曲變形，出現(xiàn)新的張裂隙；而在隧道輪廓與巖層面斜交部位，由于切向應(yīng)力的作用，造成巖體沿層面持續(xù)擠出。

營盤山隧道是新建成昆復(fù)線由四川盆地邊緣進入云貴高原面的含煤低瓦斯越嶺隧道，隧道長17 934 m，是目前中鐵二院設(shè)計建成的最長雙洞單線隧道，為成昆復(fù)線重點控制性工程。

隧址區(qū)由晉寧期(δo2)花崗閃長巖巖基構(gòu)成核部，三疊系上統(tǒng)大菁組下段(T3dq1)砂、頁巖構(gòu)成兩翼之背斜構(gòu)造，線路位于東翼，背斜軸線與線路近平行。變形段巖性為大菁組下段(T3dq1)頁巖、炭質(zhì)頁巖與粉砂巖互層夾薄煤，薄層～中厚層狀，弱風(fēng)化，軟質(zhì)巖為主。巖層產(chǎn)狀N25～40°W/10～35°SW，走向與線路夾角20°～30°，緩傾線路右側(cè)順層，分層清晰，層面較光滑，層間結(jié)合較差，巖體揉皺明顯，局部小褶曲發(fā)育，圍巖整體較破碎(Ⅳ級圍巖)，地下水總體不發(fā)育。變形段隧道最大埋深740 m，洞身實測最大主應(yīng)力水平應(yīng)力20.62 MPa，方向與隧道走向近垂直(89°)，屬高地應(yīng)力地區(qū)。頁巖、炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖見圖4。

圖4 頁巖、炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖(右傾順層)

施工過程中出現(xiàn)初期支護開裂變形、掉塊及剝落現(xiàn)象，以拱腰收斂變形為主(圖5)。收斂變形速率2.1～37.67 mm/d，最大52.1 mm/d，累計變形量34～450.22 mm，最大值502.0 mm，最大相對變形量約5.8%。

圖5 順層軟巖初期支護開裂變形、掉塊及剝落

3 隧道大變形分級

現(xiàn)代水電岸坡應(yīng)力場研究表明[5-6]，峽谷應(yīng)力場的特征是，岸坡淺表屬卸荷應(yīng)力場，巖體強度大于地應(yīng)力；往山體內(nèi)不遠則出現(xiàn)應(yīng)力集中的“駝峰”；“駝峰”段過后，峽谷應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場漸趨一致，隨著埋深的加大，應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)大于某一埋深后，巖體強度則與地應(yīng)力恒等，即地應(yīng)力有多大，巖體就有多強。由此可見，不宜用強度應(yīng)力比判定大變形。

大變形與地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性關(guān)系密切。按變形機理，定量評價和預(yù)測大變形，主控因素有抗彎強度與彎矩之比、抗剪強度與剪應(yīng)力之比、抗壓強度與最大主應(yīng)力之比。從變形特征觀察，前兩者影響更大。以上抗彎、抗剪、抗壓3個比值的獲得，取決于地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性，這些復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件，幾乎不可能量化進入公式。目前大變形研究進入了誤區(qū)，地質(zhì)工作者投入很大精力、資金用于測量地應(yīng)力和巖石巖體強度，企圖定量解決大變形的預(yù)判問題，但效果卻很差，不但工程進展緩慢，安全、工期風(fēng)險也難以保障。

大變形分級，應(yīng)在最大主應(yīng)力近于水平的前提下，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，結(jié)合工程經(jīng)驗，參考TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》以及其他相關(guān)研究成果，進行綜合預(yù)判和判定。大變形分級確定如表1所示。

表1 隧道大變形分級

4 大變形控制理念

應(yīng)采取“強支護、預(yù)加固、快封閉”的控制設(shè)計方法。在某一特定的區(qū)域，特定的巖性和構(gòu)造環(huán)境下，隧道達到一定埋深后，若區(qū)域海拔變化不大，理論上其圍巖變形潛勢是一定的。大變形比常規(guī)變形的變形量更大，持續(xù)時間更長，它是隨著隧道開挖后的應(yīng)力調(diào)整，松動圈持續(xù)擴展，由表及里逐漸完成的。因此應(yīng)在開挖之初，根據(jù)地層巖性和構(gòu)造條件，結(jié)合區(qū)域應(yīng)力場特點對大變形進行預(yù)判，采取寧強勿弱的預(yù)加固措施或快速施工工法，以限制松動圈的持續(xù)發(fā)展，加快施工進度。那種邊放邊抗的“添油”戰(zhàn)術(shù)，不但費時費力，而且安全風(fēng)險很大。軟巖大變形的處理措施，主要有長錨桿、分層支護、加厚襯砌，必要時輔以小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放。但其處理措施不僅與地質(zhì)條件有關(guān)，還與施工工法、工藝、組織、管理密切相關(guān)。大變形的處理，在勘察設(shè)計階段重點是對大變形進行預(yù)判并預(yù)留費用；施工階段則通過開挖揭示圍巖進行驗證，重新調(diào)整大變形分類分級，采取寧強勿弱的支護措施，并通過試驗段確定其有效性。實踐表明，頻繁試驗和調(diào)整支護參數(shù)，希望找到費用最省的支護措施，在實踐中是行不通的，不但影響工期，也難保障施工和運營安全。

5 結(jié)論

基于地質(zhì)學(xué)方法，從區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、松動圈擴展出發(fā)，分析了隧道工程中軟巖大變形的機理。根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)造部位，將大變形進行分類；結(jié)合實際工程經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，對大變形進行了分級。得到以下結(jié)論。

(1)隧道大變形的產(chǎn)生不是由單一因素控制，往往受到區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其擠壓程度的共同影響。

(2)根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)造部位，將大變形分為斷層型、碎裂型和順層型3種。斷層型發(fā)生在區(qū)域斷層帶；碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶；順層型發(fā)生在褶皺翼部，它以隧道軸向與巖層走向小角度相交為條件。緩傾巖層是順層的特例，易發(fā)隧道底鼓。

(3)不宜用強度應(yīng)力比進行大變形分級，而應(yīng)在最大主應(yīng)力近于水平的前提下，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，結(jié)合工程經(jīng)驗，參考相應(yīng)規(guī)范及其他相關(guān)研究成果，進行綜合判定。

(4)大變形應(yīng)采取“強支護、預(yù)加固、快封閉”的控制理念。