張廣澤，鄧建輝，王 棟,，張 茹，徐正宣，張志龍，馮 君，任 利，賈哲強(qiáng),

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031；2.四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065；4.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

近年來(lái)，隨著交通、水利、能源等領(lǐng)域地下工程建設(shè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量深埋長(zhǎng)大隧道。復(fù)雜的工程地質(zhì)條件與特殊的圍巖力學(xué)性質(zhì)致使隧道圍巖大變形問(wèn)題十分突出，嚴(yán)重制約隧道工程的施工建設(shè)安全與長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。尤其是對(duì)于建設(shè)在高地應(yīng)力或新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍地區(qū)的隧道工程，圍巖大變形問(wèn)題更加凸顯，例如：奧地利Tauern隧道和Arlberg隧道、日本Hasan隧道[1]；以及中國(guó)西部山區(qū)蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道[2]，蘭渝鐵路的木寨嶺、兩水、毛羽山和新城子隧道[3-5]，麗香鐵路的中義隧道[6]，成蘭鐵路的楊家坪、平安、松潘和茂縣隧道[7-9]等鐵路隧道均出現(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形問(wèn)題，給工程安全建設(shè)與運(yùn)行帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

目前，工程界和學(xué)術(shù)界基于發(fā)生機(jī)制和破壞特征給出了圍巖大變形的定性認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為圍巖大變形是一種由極限剪應(yīng)力失穩(wěn)蠕變而導(dǎo)致的時(shí)效變形行為[10]，是一種具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性破壞，顯著區(qū)別于巖爆、圍巖坍塌、滑動(dòng)等圍巖破壞形式[11]。事實(shí)上，早在1946年，Terzaghi[12]就提出擠出性巖石和膨脹性巖石的概念；Aydan等[13]認(rèn)為巖石擠出現(xiàn)象是原巖應(yīng)力下圍巖的一種力學(xué)表現(xiàn)，而膨脹現(xiàn)象是一種化學(xué)過(guò)程；Anagnostou[14]將大變形機(jī)制分為兩類(lèi)，即開(kāi)挖后重分布應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度產(chǎn)生的塑性變形和圍巖中某些礦物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起膨脹導(dǎo)致的大變形；Aydan等[13]將大變形機(jī)制分為完全剪切破壞、彎曲破壞及剪切和滑動(dòng)破壞3類(lèi)。實(shí)際工程中，大變形通常由多種因素耦合所致。何滿潮等[15]根據(jù)圍巖的變形破壞特征、特征性礦物、力學(xué)作用與特點(diǎn)，認(rèn)為軟巖變形破壞機(jī)制與軟巖本身性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面與洞室結(jié)構(gòu)有關(guān)；陳宗基[16]認(rèn)為圍巖收斂變形機(jī)制應(yīng)包括塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲5個(gè)方面；王成虎等[10]認(rèn)為隧道圍巖大變形主要是圍巖發(fā)生剪切流變破壞所導(dǎo)致的，按成因?qū)⑵浞譃閼?yīng)力型、材料型和結(jié)構(gòu)型；李天斌等[17]提出圍巖大變形的發(fā)生機(jī)理為高地應(yīng)力、地下水或自身膨脹作用下，圍巖喪失或部分喪失自承能力，從而產(chǎn)生具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形；李永林等[1]認(rèn)為高應(yīng)力作用下的巖體剪切破壞、開(kāi)挖引起的巖體結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)和特殊巖類(lèi)發(fā)生水化學(xué)反應(yīng)造成的體積膨脹，這種變形可能會(huì)在開(kāi)挖期間停止，也可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，為采取及時(shí)、精準(zhǔn)、有效的應(yīng)對(duì)措施對(duì)圍巖大變形加以防控，研究人員根據(jù)切向應(yīng)變密度[18]、預(yù)留變形量[19-20]、相對(duì)變形量[21-23]、臨界深度[24]、強(qiáng)度應(yīng)力比[25-27]、最大變形量[28]、相對(duì)應(yīng)變[29]等單一指標(biāo)或綜合指標(biāo)[30-31]對(duì)圍巖大變形進(jìn)行了定量分級(jí)。在已有分級(jí)指標(biāo)體系中，一般認(rèn)為大于某個(gè)/某組指標(biāo)的臨界值時(shí)會(huì)發(fā)生大變形，并設(shè)置多個(gè)閾值區(qū)間對(duì)大變形的程度予以界定。

可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)圍巖大變形的發(fā)生機(jī)理和分級(jí)方法都進(jìn)行了卓有成效的探索，并取得了許多具有實(shí)踐價(jià)值的成果；同時(shí)也應(yīng)注意到，無(wú)論是大變形的內(nèi)在機(jī)制還是界定方法，還尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析各個(gè)大變形隧道地質(zhì)條件，可以發(fā)現(xiàn)：圍巖大變形常發(fā)生在斷層破碎帶、低級(jí)變質(zhì)巖、煤系地層等低強(qiáng)度軟弱圍巖中[7,32-35]，是高地應(yīng)力條件下圍巖極端變形破壞的典型體現(xiàn)，其孕育發(fā)生受地應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、水文條件和動(dòng)力擾動(dòng)等因素影響[36]。值得注意的是，無(wú)論是圍巖本身的巖性與結(jié)構(gòu)特征，還是地應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等圍巖賦存環(huán)境，均與隧址周?chē)臉?gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切[37-42]。同時(shí)，圍巖大變形具有累進(jìn)性發(fā)展、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形速度快等特征，既往研究表明洞周應(yīng)力重分布可在洞室開(kāi)挖后很短時(shí)間內(nèi)完成[43]，故僅通過(guò)研究開(kāi)挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布的力學(xué)機(jī)制尚難以完全解釋圍巖大變形的長(zhǎng)時(shí)累進(jìn)變形特征。中國(guó)西部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)的眾多隧道圍巖大變形工程實(shí)例表明，圍巖大變形均與洞周?chē)鷳?yīng)力有關(guān)。雖有研究提出圍巖內(nèi)部膨脹性礦物遇水化學(xué)膨脹會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生大變形這一觀點(diǎn)[14]，但實(shí)際工程表明在地殼運(yùn)動(dòng)微弱的地區(qū)鮮有大變形案例發(fā)生，缺乏地質(zhì)動(dòng)力的隧道圍巖出現(xiàn)膨脹大變形的實(shí)例較少。因此，可以說(shuō)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制的地應(yīng)力分布、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素是驅(qū)動(dòng)隧道圍巖大變形孕育發(fā)生的根本條件，然而以往的大變形發(fā)生機(jī)理研究并未重點(diǎn)關(guān)注這一本質(zhì)特征，也鮮有系統(tǒng)地考慮天然地質(zhì)體演化歷程、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面、圍巖結(jié)構(gòu)特征等因素影響的分級(jí)方法，導(dǎo)致實(shí)際工程現(xiàn)象并未得到完全解釋。

因此，在廣泛吸納總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)以往研究的不足，系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)造擠壓活動(dòng)、圍巖結(jié)構(gòu)特性及演化歷程等地質(zhì)背景分析，對(duì)隧道圍巖大變形的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入探索，重新定義基于構(gòu)造活動(dòng)驅(qū)動(dòng)且能更有效解釋工程現(xiàn)象的圍巖大變形概念，并對(duì)其主控因素及分類(lèi)進(jìn)行系統(tǒng)研究；在此基礎(chǔ)上，基于對(duì)現(xiàn)有圍巖大變形分級(jí)方法的總結(jié)與分析，綜合考慮地層時(shí)代、巖石強(qiáng)度、巖體完整性、巖層厚度、隧道軸線與構(gòu)造夾角等關(guān)鍵因素，提出隧道圍巖大變形分級(jí)方法，并結(jié)合國(guó)內(nèi)典型隧道工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)成果可為中國(guó)西部等艱險(xiǎn)山區(qū)長(zhǎng)大深埋隧道工程的安全建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 構(gòu)造軟巖大變形的基本概念與發(fā)生機(jī)理

1.1 大變形的界定

任何隧道開(kāi)挖后都存在圍巖變形、洞壁位移的問(wèn)題，工程中圍巖變形大、圍巖大變形和洞壁大位移3個(gè)概念容易混淆。三者在特征上都表現(xiàn)為圍巖局部或整體出現(xiàn)位移，但發(fā)生機(jī)理不完全一致，其表現(xiàn)特征和控制理念、控制方法也存在差異，實(shí)踐中必須嚴(yán)格界定。

洞壁大位移指的是圍巖在外部載荷作用下由于各處變形或位移導(dǎo)致的洞壁出現(xiàn)大的位移。洞壁大位移不等于圍巖大變形，主要區(qū)別是洞壁出現(xiàn)的大位移未必是圍巖變形導(dǎo)致的，可能是因?yàn)閲鷰r垮塌、巖塊集合體沿結(jié)構(gòu)面的整體裂化；大變形必須是圍巖自身變形導(dǎo)致的具有強(qiáng)烈時(shí)間效應(yīng)的位移不收斂。圍巖變形大指的是隧道開(kāi)挖后巖體應(yīng)力重分布會(huì)引起圍巖變形，當(dāng)圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，圍巖變形量相對(duì)較大，這類(lèi)由應(yīng)力調(diào)整發(fā)生的不具有時(shí)效性的圍巖變形稱(chēng)之為變形大。圍巖大變形指的是圍巖出現(xiàn)的具有顯著時(shí)間效應(yīng)的變形，是各處圍巖變形的累積結(jié)果。大變形不等同于圍巖變形大，其可分為兩個(gè)階段：變形初期一次形成松動(dòng)圈的階段，可以稱(chēng)為變形大；后期構(gòu)造應(yīng)力作用，使松動(dòng)圈持續(xù)擴(kuò)展的階段，稱(chēng)之為大變形。

必須強(qiáng)調(diào)的是，圍巖位移不等同于圍巖變形。洞壁大位移也未必是巖體變形所導(dǎo)致的，在低地應(yīng)力環(huán)境下也可發(fā)生，其主要受巖體結(jié)構(gòu)控制；圍巖變形大，未必具有顯著的時(shí)間效應(yīng)。因此，洞壁大位移和圍巖變形大均與圍巖大變形不等同，實(shí)踐中必須嚴(yán)格界定。

1.2 構(gòu)造軟巖大變形的基本概念

關(guān)于圍巖大變形的概念目前還沒(méi)有形成一致的定義，在理論上有側(cè)重巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征對(duì)大變形進(jìn)行研究定義的，如軟巖大變形理論和膨脹大變形理論；也有從巖體地應(yīng)力環(huán)境、圍巖性質(zhì)、水文條件等對(duì)大變形進(jìn)行研究定義，如高地應(yīng)力大變形和擠壓性圍巖大變形。但無(wú)論是圍巖本身的巖性與結(jié)構(gòu)特征，還是圍巖賦存環(huán)境，均與隧址周?chē)臉?gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切。如蘭新鐵路烏鞘嶺隧道、拉林鐵路江木拉隧道、麗香鐵路中義隧道皆受到構(gòu)造活動(dòng)影響，呈現(xiàn)水平地應(yīng)力高、區(qū)域巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、開(kāi)挖后圍巖變形量大等特點(diǎn)。因此，本文提出將構(gòu)造作為大變形主控因素的構(gòu)造軟巖大變形概念。構(gòu)造軟巖大變形是以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主，在不同構(gòu)造類(lèi)型和部位，隧道開(kāi)挖后圍巖的顯著時(shí)效變形現(xiàn)象。構(gòu)造軟巖大變形主要出現(xiàn)在構(gòu)造活躍區(qū)，嚴(yán)格受構(gòu)造控制，是以地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、最大主應(yīng)力近水平為背景發(fā)生的隧道圍巖變形行為。

1.3 構(gòu)造軟巖大變形分類(lèi)與發(fā)生機(jī)理

基于地質(zhì)學(xué)方法，隧道構(gòu)造軟巖大變形發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境主要取決于地應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性3大因素，并嚴(yán)格受構(gòu)造控制。按構(gòu)造控制理念對(duì)隧道構(gòu)造軟巖大變形進(jìn)行分類(lèi)，分為斷層型、碎裂型和小夾角型3種類(lèi)型（圖1），其發(fā)生機(jī)理各有不同。

圖1 構(gòu)造軟巖大變形分類(lèi)示意圖Fig.1 Patterns of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnel

1）斷層型大變形

斷層型大變形主要發(fā)生在區(qū)域斷層帶，圍巖一般處于較高應(yīng)力狀態(tài)。在隧道開(kāi)挖前，斷層中破碎帶在較高圍壓的作用下緊密閉合。隧道開(kāi)挖后，斷層中破碎帶在水平構(gòu)造應(yīng)力與重力的時(shí)效作用下，發(fā)生塑性擠出、結(jié)構(gòu)流變，最終發(fā)展為斷層型大變形。

2）碎裂型大變形

碎裂型大變形是發(fā)生在構(gòu)造節(jié)理發(fā)育帶的構(gòu)造軟巖大變形，如節(jié)理密集帶、褶皺核部及轉(zhuǎn)折端。大變形發(fā)生段圍巖呈碎裂狀，在處于原巖應(yīng)力狀態(tài)時(shí)受到高圍壓的作用，整體較穩(wěn)定。隧道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，碎裂的結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滑移，圍巖整體強(qiáng)度大幅度下降，持續(xù)擴(kuò)容松弛，有顯著結(jié)構(gòu)流變體的特征，在強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力的作用下發(fā)展為大變形。

3）小夾角型大變形

小夾角型大變形是主要發(fā)生在順層和緩傾巖層中，以隧道軸線與巖層面小角度相交為特點(diǎn)的構(gòu)造軟巖大變形。隧道穿過(guò)水平狀巖體，隧道拱頂一定范圍內(nèi)的巖層在水平構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用下，產(chǎn)生拉伸屈服區(qū)。在構(gòu)造應(yīng)力的時(shí)效作用下，塑性屈服區(qū)進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致隧道頂部巖層發(fā)生撓曲破壞，頂部巖體擠出，發(fā)生大變形。

1.4 構(gòu)造軟巖大變形主要影響因素

隧道構(gòu)造軟巖大變形主要影響因素有地應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造。

1）地應(yīng)力場(chǎng)

構(gòu)造軟巖大變形主要發(fā)生于構(gòu)造活躍區(qū)。構(gòu)造活躍區(qū)強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用導(dǎo)致隧道區(qū)域原巖應(yīng)力較大且以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。隧道開(kāi)挖后，圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增加，圍巖發(fā)生剪切變形；并在水平構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用和洞壁圍巖剪切膨脹共同作用下出現(xiàn)圍巖變形，開(kāi)裂并擠壓、侵占隧道凈空。

2）地質(zhì)構(gòu)造

構(gòu)造軟巖大變形通常發(fā)生于隧道中構(gòu)造發(fā)育的部位，如區(qū)域斷層帶、節(jié)理密集帶、褶皺核部及轉(zhuǎn)折端，受構(gòu)造特征影響。隧道開(kāi)挖前，巖體處于三向穩(wěn)定且較高應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；隧道開(kāi)挖后，巖體所受徑向應(yīng)力降低，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生張開(kāi)或滑移，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)流變特征。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)構(gòu)造軟巖大變形起著控制性作用。

2 構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法

2.1 現(xiàn)有分級(jí)方法及適用性

目前，針對(duì)勘察階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及施工單位提出很多大變形分級(jí)預(yù)測(cè)方法，主要基于圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比、巖體質(zhì)量等級(jí)、原始地應(yīng)力及綜合指標(biāo)等影響隧道變形的基本參數(shù)，對(duì)隧道圍巖大變形進(jìn)行分級(jí)。

基于強(qiáng)度應(yīng)力比的大變形分級(jí)方法主要根據(jù)巖石或巖體強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值劃分大變形等級(jí)界限，對(duì)于不同的分級(jí)方法，巖石抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力的取值有一定差異。例如：國(guó)外的Aydan[13]、Hoek[23]、Wood[25]、Nakano[26]、Jethwa和Singh[44]等均采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度與垂直應(yīng)力的比值（squeezing potential的概念）對(duì)隧道擠壓變形進(jìn)行預(yù)測(cè)；國(guó)內(nèi)的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2016）[27]建議高地應(yīng)力區(qū)隧道軟巖大變形采用圍巖強(qiáng)度與最大地應(yīng)力的比值作為強(qiáng)度應(yīng)力比來(lái)預(yù)測(cè)大變形等級(jí)。

也有學(xué)者采用應(yīng)力強(qiáng)度比對(duì)大變形等級(jí)進(jìn)行劃分。理論上，當(dāng)圓形隧道切向應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生擠壓變形。Barton等[45]提出采用由彈性理論計(jì)算得到的最大切向應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值判定擠壓狀況；Singh等[46]認(rèn)為當(dāng)切向應(yīng)力大于單軸抗壓強(qiáng)度（σθ>σc）時(shí)，會(huì)發(fā)生擠壓狀況。上述兩個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將擠壓變形界定為非擠壓和擠壓兩種等級(jí)，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)ISRM吸取了應(yīng)力強(qiáng)度比的思想，采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與洞壁巖體的最大切向應(yīng)力值σθ的比值，規(guī)定擠壓變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將擠壓變形分級(jí)分為高度擠壓、中度擠壓、輕度擠壓及無(wú)擠壓4個(gè)等級(jí)。

巖體質(zhì)量等級(jí)可以反映巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水狀態(tài)等參數(shù)，在一定程度上可以反映巖體在高地應(yīng)力條件下的變形狀況，因此也有學(xué)者考慮將巖體質(zhì)量等級(jí)作為隧道擠壓變形的經(jīng)驗(yàn)分級(jí)指標(biāo)。Singh等[46]基于8個(gè)工程中39個(gè)隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出基于埋深與巖體質(zhì)量等級(jí)Q系統(tǒng)，判斷擠壓變形的經(jīng)驗(yàn)方法，通過(guò)公式中的擠壓變形分界線來(lái)衡量隧道圍巖是否發(fā)生擠壓變形；但這種方法只是將圍巖變形劃分為擠壓變形和無(wú)擠壓變形兩種等級(jí)，并沒(méi)有對(duì)隧道擠壓變形程度進(jìn)行具體分級(jí)。Goel等[24]采用巖體質(zhì)量N（rock mass number）系統(tǒng)代替Q系統(tǒng)，改進(jìn)了Singh等的方法，對(duì)擠壓變形程度進(jìn)行了明確的等級(jí)劃分，可在一定程度上反映隧道圍巖的變形狀況，并給出對(duì)應(yīng)的擠壓變形等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)；不足之處在于，僅能對(duì)擠壓變形進(jìn)行分級(jí)，不能預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確的擠壓變形量。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者和施工單位采用多指標(biāo)或綜合指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。中鐵二局[28]分別以圍巖相對(duì)變形量、原始地應(yīng)力及強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)，對(duì)擠壓型隧道進(jìn)行大變形等級(jí)劃分；陳子全等[31]針對(duì)高地應(yīng)力層狀軟巖隧道提出基于隧道最大變形量與隧道強(qiáng)度應(yīng)力比的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；劉志春等[30]結(jié)合烏鞘嶺隧道工程現(xiàn)場(chǎng)變形量測(cè)結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了擠壓性圍巖隧道大變形的基本特征，采用綜合指標(biāo)判定法給出隧道在設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)階段的大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)計(jì)階段以強(qiáng)度應(yīng)力比和原始地應(yīng)力作為劃分依據(jù)；中國(guó)鐵路局[27]總結(jié)提出一整套以強(qiáng)度應(yīng)力比為基礎(chǔ)，結(jié)合原始地應(yīng)力、相對(duì)變形值的綜合隧道擠壓變形分級(jí)方法，并依據(jù)地下水及圍巖完整性對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行修正，根據(jù)地應(yīng)力方向與隧道走向交角對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行修正。

由第1節(jié)圍巖大變形的發(fā)生機(jī)理和影響因素可知，隧道圍巖大變形發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境主要取決于地應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性三大因素，并嚴(yán)格受構(gòu)造控制。上述分級(jí)方法大多適用于擠壓型圍巖大變形，圍繞巖體質(zhì)量、巖石或巖體的強(qiáng)度及其所處的應(yīng)力環(huán)境制定分級(jí)指標(biāo)，未突出地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道圍巖大變形的控制作用；有的分級(jí)方法雖然考慮了地質(zhì)構(gòu)造或地層巖性等因素的影響，但是并沒(méi)有將地質(zhì)構(gòu)造作為影響大變形的主要因素進(jìn)行考慮，忽視了時(shí)間效應(yīng)及天然地質(zhì)體的演化過(guò)程，且多采用定性的描述劃分大變形等級(jí)，缺乏一定的客觀性。

2.2 本文構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法

本文提出的構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法，以巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為基礎(chǔ)，著重考慮地層時(shí)代、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石強(qiáng)度、巖層厚度、巖體完整性5個(gè)影響因素，并將各因素對(duì)構(gòu)造軟巖大變形的影響合理量化，進(jìn)而控制圍巖構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)結(jié)果，使分級(jí)結(jié)果準(zhǔn)確反映構(gòu)造對(duì)圍巖的影響程度，對(duì)隧道圍巖可能發(fā)生的大變形等級(jí)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。本方法廣泛適用于鐵路隧道的構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)預(yù)測(cè)。

此外，地質(zhì)勘察在不同階段掌握的地質(zhì)資料不盡相同，是由粗到細(xì)的過(guò)程，因此，構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法根據(jù)地質(zhì)勘察獲取地質(zhì)資料的進(jìn)程相應(yīng)地分為3個(gè)階段，不同階段采用不同詳細(xì)程度的分級(jí)方法，與隧道工程勘察設(shè)計(jì)各階段緊密聯(lián)系（圖2）。

圖2 構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)示意圖Fig.2 Procedureof classification of tectonic-induced largedeformation of soft rock tunnel

第1階段：根據(jù)獲取的地質(zhì)勘查資料，基于地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型、地層巖性和隧道穿越的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)工程地質(zhì)初步評(píng)估，判斷待研究隧道段圍巖是否可能發(fā)生構(gòu)造軟巖大變形，確定是否需要開(kāi)展構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)工作。

第2階段：地質(zhì)勘察中期，雖然掌握了一定量的地質(zhì)勘察情況，但仍缺乏詳細(xì)的地應(yīng)力資料，故依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等對(duì)隧道圍巖進(jìn)行構(gòu)造軟巖大變形初判。

第3階段：在開(kāi)展了充分的地質(zhì)勘察與分析，獲取完善的地應(yīng)力和巖石、巖體強(qiáng)度測(cè)試資料后，確定地層時(shí)代、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石天然強(qiáng)度、巖層厚度、巖體完整性等因素對(duì)構(gòu)造軟巖大變形的影響程度，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行構(gòu)造軟巖大變形等級(jí)詳判。以下將對(duì)其分級(jí)方法進(jìn)行詳述。

2.2.1 構(gòu)造軟巖大變形宏觀判斷

在勘察階段，首先判斷是否應(yīng)進(jìn)行構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)工作。收集隧道所處區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力等資料，在地質(zhì)情況滿足下列條件時(shí)，進(jìn)行構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)工作：

1）區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力為主，即水平應(yīng)力必須大于垂直應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力是誘發(fā)大變形的重要?jiǎng)恿υ?，隧道開(kāi)挖后圍巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)卸荷，構(gòu)造應(yīng)力緩慢釋放，擴(kuò)大圍巖松動(dòng)圈，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的圍巖變形。

2）巖性為極軟巖、軟巖、較軟巖、破碎的硬質(zhì)巖。巖石堅(jiān)硬和破碎程度參照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）[47]判斷。大變形主要發(fā)生在千枚巖、片巖、板巖、頁(yè)巖、斷層帶等典型軟弱或破碎圍巖，具有顯著的各向異性，層薄質(zhì)軟，隧道掘進(jìn)過(guò)程中往往由于開(kāi)挖卸荷而產(chǎn)生強(qiáng)烈的流變作用。

3）隧道穿過(guò)區(qū)域斷層帶、褶皺核部、節(jié)理密集帶、順層巖層、緩傾巖層等地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造越發(fā)育，圍巖完整性越差，越容易發(fā)生大變形。

2.2.2 構(gòu)造軟巖大變形初判

在勘察初期，缺少完善的地應(yīng)力資料時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行大變形等級(jí)初判，依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等綜合確定，依據(jù)表1將隧道圍巖大變形劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)或無(wú)大變形。需要指出的是：1）表1適用于構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)初判，有地應(yīng)力和巖石、巖體強(qiáng)度測(cè)試資料時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳判；2）厚層狀、塊狀完整巖層不考慮大變形，巖體完整程度參照文獻(xiàn)[47]。

表1 構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)初判Tab.1 Preliminary classification of large deformation of structural soft rock

2.2.3 構(gòu)造軟巖大變形詳判

勘察期間，采用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)或數(shù)值反演等方法獲取詳細(xì)地應(yīng)力資料，在獲得巖石、巖體強(qiáng)度測(cè)試資料后，計(jì)算巖體強(qiáng)度應(yīng)力比M，依據(jù)表2（施工期間結(jié)合相對(duì)變形量和圍巖變形特征進(jìn)行分級(jí)），對(duì)隧道圍巖進(jìn)行構(gòu)造軟巖大變形詳判。具體方法如下：

表2 構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard for large deformation of structural soft rock

表3 地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重帶巖體強(qiáng)度Tab.3 Strength of rock mass in the zone seriously affected by geological structure

當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造影響輕微至較重時(shí)，巖體強(qiáng)度應(yīng)力比M用式（2）計(jì)算：

表4 地層時(shí)代影響系數(shù)Tab.4 Influence coefficients of formation age

表5 小夾角影響系數(shù)Tab.5 Influence coefficients of small angle

表6 巖石強(qiáng)度影響系數(shù)Tab.6 Influence coefficients of rock strength

表7 巖層厚度影響系數(shù)Tab.7 Influence coefficientsof rock layer thickness

表8 巖體完整性指數(shù)Tab.8 Rock integrity index

3 工程實(shí)例分析與驗(yàn)證

3.1 隧道圍巖大變形案例分析

1）拉林線朗鎮(zhèn)二號(hào)隧道

朗鎮(zhèn)二號(hào)隧道位于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地，屬高山河谷區(qū)。隧道洞身最高處海拔3 450 m，最低點(diǎn)位于隧道出口的雅魯藏布江河谷，海拔為3 080 m，相對(duì)高差470 m；為單線隧道，最大埋深為305 m，最小埋深52 m，隧道全長(zhǎng)2 640 m。大變形發(fā)生里程段落為DK261+190～DK261+820，累計(jì)長(zhǎng)630 m（表9）。

表9 朗鎮(zhèn)二號(hào)隧道施工階段大變形實(shí)際情況Tab.9 Large deformation of LangzhenⅡtunnel in construction stage

DK261+190～DK261+820段圍巖巖性為雅魯藏布江縫合帶之復(fù)理巖套之千枚巖夾團(tuán)塊狀砂巖，弱～強(qiáng)風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，掌子面局部可見(jiàn)褶曲現(xiàn)象，巖體整體破碎～極破碎狀；宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)，且層間結(jié)合差，巖層走向與線路夾角約30°，傾角約30°～70°，手掰易斷，上臺(tái)階掌子面地下水呈點(diǎn)狀～線狀滲水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤(rùn)狀態(tài)；開(kāi)挖后線路左側(cè)拱部及拱腰，尤其是掌子面右側(cè)等處易坍塌、掉塊，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級(jí)）。

雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過(guò)線路左側(cè)，最近處距離線位僅50 m。郎鎮(zhèn)隧道橫穿堆巴斷層，與線路交于DK261+300處，夾角為58°；堆巴斷層延伸方向?yàn)镹NE-SSW，為正斷層，破碎帶寬度不明。隧道穿越區(qū)下伏基巖為雅魯藏布江縫合帶之復(fù)理巖套（fw）之千枚巖夾板巖等，圍巖全部為軟巖，巖層傾角為30°～70°，巖石強(qiáng)度低。該隧道大變形屬于斷層型大變形。

2）拉林線令達(dá)拿隧道

令達(dá)拿隧道隧址區(qū)屬藏南山原湖盆地貌區(qū)，為喜馬拉雅極高山亞區(qū)。受雅魯藏布江及其支流切割控制，區(qū)內(nèi)山地綿延不絕，山勢(shì)高峻。測(cè)區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于隧道軸線左側(cè)山脈，標(biāo)高為3 600 m；最低點(diǎn)位于隧道出口雅魯藏布江河谷地帶，標(biāo)高為3 113 m。隧道縱斷面標(biāo)高范圍為3 140～3 498 m，雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過(guò)線路左側(cè)，隧道全長(zhǎng)2 640 m，最大地應(yīng)力為8.4 MPa。大變形發(fā)生里程段落為DK241+895～DK242+135及DK241+292～DK241+785段，累計(jì)長(zhǎng)度733 m，其中，輕微大變形448 m，中等大變形145 m，嚴(yán)重大變形140 m（表10）。

表10 令達(dá)拿隧道施工階段大變形實(shí)際情況Tab.10 Large deformation of Lingdana tunnel in construction stage

DK241+292～DK241+410、DK241+695～DK241+785及DK241+895～DK242+135段開(kāi)挖揭示：圍巖巖性為炭質(zhì)千枚巖，局部夾團(tuán)塊狀砂巖，圍巖與前期比較有明顯的變差跡象，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，弱風(fēng)化狀為主，掌子面褶曲現(xiàn)象普遍，巖體整體破碎狀，宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)；巖層走向與線路夾角約為20°，傾角約為70°，傾向線路左側(cè)，且層間結(jié)合差，線路左側(cè)拱腰及線路右側(cè)拱腳處巖體局部破碎～極破碎，呈碎石、角礫狀松散結(jié)構(gòu)；線路左側(cè)拱腳處小股狀地下水發(fā)育，線路右側(cè)拱頂至拱腰處地下水呈線狀滲出，其余部位為濕潤(rùn)狀態(tài)。巖體破碎加地下水的綜合作用，開(kāi)挖后拱部及線路右側(cè)拱腰處易坍塌、掉塊，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級(jí)）。

DK241+410～DK241+525及DK241+665～DK241+695段揭示圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖夾團(tuán)塊狀石英砂巖，強(qiáng)風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育；巖體整體破碎～極破碎，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，局部宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)；巖層走向與線路夾角約30°，傾角約50°，且傾向線路左側(cè)，層間結(jié)合差，軟硬不均，層理產(chǎn)狀變化頻繁；上臺(tái)階左、右兩側(cè)拱腰地下水發(fā)育狀態(tài)為線狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤(rùn)狀態(tài)。由于巖體風(fēng)化強(qiáng)烈加之千枚巖遇水易軟化，開(kāi)挖后在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強(qiáng)度降低，整體圍巖穩(wěn)定性變差，施工期發(fā)生中等大變形（Ⅱ級(jí)）。

DK241+525～DK241+665段揭示圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖夾團(tuán)塊狀石英砂巖，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）及構(gòu)造影響極嚴(yán)重，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎～極破碎，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，整體宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)，局部可見(jiàn)褶曲現(xiàn)象；巖層走向與線路夾角約30°，傾角約55°，且傾向線路左側(cè)，層間結(jié)合差，巖質(zhì)軟，層理產(chǎn)狀變化頻繁；拱部地下水發(fā)育狀態(tài)為點(diǎn)狀～線狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤(rùn)狀態(tài)。由于巖體受構(gòu)造風(fēng)化強(qiáng)烈，加之千枚巖遇水易軟化，開(kāi)挖后在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強(qiáng)度降低，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生嚴(yán)重大變形（Ⅲ級(jí)）。

由于雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過(guò)線路左側(cè)，于線路左側(cè)1.2 km平行行進(jìn)，隧道受斷裂帶影響，節(jié)理組數(shù)小于3組，間距小于0.1 m，巖體破碎～極破碎，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度極低，存在順層。發(fā)生大變形區(qū)段隧道穿越區(qū)下伏基巖為上三疊統(tǒng)的朗杰學(xué)群（T3lj）的姐德秀組二段（T3j2）炭質(zhì)絹云千枚巖、板巖與變長(zhǎng)石石英粉砂巖不等厚互層，軟硬巖比例為9∶1，巖層傾角約50°，巖石強(qiáng)度極低，屬于破碎型大變形。

3）成昆線大坪山隧道

大坪山隧道屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，大渡河、牛日河深切，到處是懸崖絕壁，地面高程710～1 500 m，自然坡度5°～35°不等。大坪山隧道起點(diǎn)里程為DK217+560，終點(diǎn)里程為DK228+904，隧道全長(zhǎng)11 344 m，最大埋深約760 m。目前，發(fā)生大變形段落埋深490～750 m，長(zhǎng)2 360 m，里程DK219+390～DK221+750（表11）。

表11 大坪山隧道施工階段大變形實(shí)際情況Tab.11 Large deformation of Dapingshan tunnel in construction stage

變形段地層巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)銅街子組（T1f+t）砂巖、泥巖；施工揭示巖性為紫紅色薄至中厚層泥巖夾淺灰色中厚層狀砂巖，產(chǎn)狀N30～40°E/10°～25°NW，傾向大里程，走向與洞身大角度相交，節(jié)理較發(fā)育至發(fā)育，呈密閉狀，無(wú)充填，主要發(fā)育2組陡傾節(jié)理及1組較緩節(jié)理；掌子面多干燥，局部濕潤(rùn)，局部有少量水浸出；巖體較破碎，呈碎石結(jié)構(gòu)，拱頂及側(cè)壁掉塊較嚴(yán)重，圍巖整體自穩(wěn)性較差；經(jīng)取樣試驗(yàn)，泥巖具有弱膨脹性。施工期最大隆起高度為680 mm，為DK219+420斷面，邊墻最大累計(jì)收斂變形為487 mm，發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級(jí)）。

向斜核部與線路平面相交于DK220+510附近，向斜核部走向近南北向，西翼產(chǎn)狀為N15°W/25°NE，東翼產(chǎn)狀為N10°E/25°NW，隧道范圍內(nèi)核部出露地層為三疊系上統(tǒng)跨洪洞組及中統(tǒng)雷口坡組（T3k+T2l）。軟硬巖比例為7∶3，巖層傾角約5°～25°，巖石強(qiáng)度低，該隧道大變形屬于小夾角型大變形。

江木拉隧道、朗鎮(zhèn)二號(hào)隧道、令達(dá)拿隧道的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、大變形等級(jí)與類(lèi)型等的綜合分析結(jié)果表明，構(gòu)造對(duì)隧道圍巖大變形有顯著影響。

3.2 構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法的驗(yàn)證

以川藏鐵路拉林段朗鎮(zhèn)二號(hào)隧道為例，該隧道有地應(yīng)力、巖石和巖體強(qiáng)度等測(cè)試資料，因此其構(gòu)造軟巖大變形等級(jí)初判應(yīng)依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、巖石強(qiáng)度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等綜合確定。根據(jù)表4、5、6、7、8，依次確定a1、a2、a3、a4、Kv的取值。

考慮地層時(shí)代的影響，隧道穿越區(qū)下伏基巖為雅魯藏布江縫合帶之復(fù)理巖套（fw）之千枚巖夾板巖等，屬于第三紀(jì)至侏羅紀(jì)，地層時(shí)代影響系數(shù)a1取1.1；考慮優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與隧道軸夾角的影響，巖層傾角為30°～70°，為保證隧道安全，小夾角影響系數(shù)a2取0.88；考慮巖石強(qiáng)度的影響，根據(jù)巖性描述，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2016），按照巖石堅(jiān)硬程度對(duì)鐵路隧道圍巖級(jí)別的劃分，可將該隧道巖石級(jí)別定為極軟巖，此時(shí)，Rc≤5 MPa，故巖石強(qiáng)度影響系數(shù)a3取0.9；考慮巖層厚度的影響，堆巴斷層與線路交于DK261+300處，為正斷層，斷層厚度約為0.03～0.09 m，巖層厚度影響系數(shù)a4取0.75；考慮隧道橫穿堆巴斷層，巖體破碎，巖體完整性指數(shù)Kv取0.45。

根據(jù)式（2）可知：強(qiáng)度應(yīng)力比M≤a1a2a3a4KvRc/σmax=1.1×0.88×0.9×0.75×0.45×5/8.4=0.18。根據(jù)本文構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法的初判和詳判（表1和2），判斷郎鎮(zhèn)二號(hào)隧道可能發(fā)生Ⅱ、Ⅲ級(jí)大變形。

此外，本文還收集了18個(gè)隧道大變形案例（表12），從地層時(shí)代、巖石強(qiáng)度、巖體完整性等因素，對(duì)本文提出的構(gòu)造軟巖大變形分級(jí)方法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本文的分級(jí)方法能有效地判別所有可能發(fā)生大變形的隧道，且有12個(gè)隧道的詳判分級(jí)結(jié)果與施工中實(shí)際發(fā)生的大變形等級(jí)一致。

表12 本文大變形新分級(jí)方法驗(yàn)證Tab.12 Verification of the proposed method for large deformation classification

4 結(jié) 論

在廣泛吸納前人研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)造擠壓活動(dòng)、圍巖結(jié)構(gòu)特性、演化歷程等地質(zhì)背景及大量工程實(shí)例，對(duì)構(gòu)造軟巖大變形發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出大變形應(yīng)該嚴(yán)格受構(gòu)造控制的觀點(diǎn)，并重新定義了構(gòu)造軟巖大變形的概念。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)已有圍巖大變形分級(jí)方法，分析大量工程經(jīng)驗(yàn)，確立了一種基于巖石強(qiáng)度應(yīng)力比，著重考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖層厚度等因素對(duì)構(gòu)造軟巖大變形進(jìn)行分級(jí)的方法。最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)18個(gè)典型大變形工程案例，對(duì)本文提出的分級(jí)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了本文提出的分級(jí)方法的有效性和準(zhǔn)確性。

本文構(gòu)造軟巖大變形定義及分級(jí)方法的提出，對(duì)大變形發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)、大變形等級(jí)的界定及大變形災(zāi)害工程對(duì)策的制定具有重要意義。但不同類(lèi)型構(gòu)造軟巖大變形的控制技術(shù)體系是一個(gè)開(kāi)放性課題；另外，提出的方法對(duì)地下水環(huán)境甚至包含溫度在內(nèi)的多場(chǎng)耦合環(huán)境暫未全面考慮，相關(guān)研究仍待進(jìn)一步突破。