高應力軟巖在鐵路隧道施工中的工程地質特性探討

王建鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

高應力軟巖在鐵路隧道施工中的工程地質特性探討

王建鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

研究隧道高應力軟巖的工程地質、變形機理、支護原理及支護結構的特性，尋求隧道設計和支護施工方案。以板巖為研究對象，通過施工編錄、室內試驗、物探PST、鉆探、地應力測試和變形測量，從其巖石、巖體特征、巖體質量、地應力、圍巖分級、施工變更、變形及破壞特點等方面進行探討?？偨Y出高地應力軟巖在隧道施工中的工程地質特點、圍巖變形、破壞規律、高應力和圍巖級別的劃分原則，明確了其地質條件的研究內容，給出解決隧道大變形、難支護問題的設計和支護對策。

鐵路隧道;高應力軟巖;工程地質特性;圍巖變形;設計;支護對策

在長大、深埋隧道修建過程中，不可避免地遇到高應力軟巖這類特殊工程地質巖組。國際上高應力軟巖研究起于20世紀70年代的公路隧道工程。我國高應力軟巖研究始于20世紀80年代，煤礦開采深度大于500 m時［1］，深井高應力軟巖普遍出現，煤炭系統首先推進了軟巖研究，并形成了“聯合支護理論”和“松動圈理論”［2］為代表的多個學派。鐵路軟巖隧道的研究于20世紀90年代中期獲得了初步成果，被引起高度關注的是1997年建成的南昆線的家竹箐隧道，之后的烏鞘嶺隧道和現在正在施工的蘭渝鐵路的多座隧道，都遇到了軟巖大變形和難支護問題。

1 鐵路高應力軟巖

1.1 鐵路高應力軟巖的概念

目前國際國內無統一的高地應力判別標準，對鐵路工程軟巖而言，國內一般巖體工程以初始應力在20～30 MPa的地應力條件為高地應力。由于不同巖石有不同的彈性模量，儲能性，按《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)［3］，圍巖地應力的評估基準為:RC/σmax＜4的硬質巖、軟質巖稱為極高初始地應力;RC/σmax=4～7的硬質巖、軟質巖稱為高初始地應力。其中，RC為巖石單軸飽和抗壓強度，MPa;σmax為最大地應力值，MPa。該最大地應力以垂直洞軸方向的最大初始地應力對隧道洞身影響最大。

1.2 鐵路工程地質軟巖

(1)地質軟巖的概念

地質軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖體的總稱。國際巖石力學學會將軟巖定義為單軸抗壓強度(σc)在0.5～25 MPa的一類巖石。

(2)工程軟巖的概念

工程軟巖是在工程力作用下能產生顯著塑性變形和流變的工程巖體。

工程軟巖［4］要滿足的條件是

式中，σ為工程荷載，MPa;［σ］為工程巖體強度，MPa;U為巖體變形，mm;［U］為允許變形，mm。

(3)鐵路工程地質軟巖

鐵路工程地質的軟巖概念涵蓋了通常意義上的地質軟巖及工程軟巖內容，具有以下4層含義。

①強度上，巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)≤30 MPa的巖石。

②巖石類型上，涵蓋了軟質巖內的較軟巖、軟巖、極軟巖等易軟化巖石，包括黏土巖、頁巖、泥質的泥灰巖、凝灰巖、大部分千枚巖、片巖、碳質板巖、蛇紋巖、石墨片巖、煤層、膨脹巖以及各種成因類型的軟弱夾層;斷層破碎帶，侵入破碎帶等機械熱動力變質形成的構造巖或破碎巖類;風化巖、鹽巖等。

③巖石一般特征上，具有強度低(承載力及抗剪強度低)、變形模量小(易產生較大沉降及不均勻變形)、水理性質差(易軟化崩解、膨脹收縮、管涌、潛蝕)、流變效應明顯、長期強度低、工程應力下巖石具可塑性和易擾動性的特點。

④結合工程，考慮應力水平，確定工程應力與巖體強度的相互關系，能產生顯著塑性變形或流變的工程巖體。

1.3 鐵路高應力軟巖的主要問題

鐵路高應力軟巖在施工中的主要問題有:圍巖及支護大變形，變形持續時間長;巖質軟、巖性變化頻繁、軟硬不均;構造強烈，巖體完整性差;應力高而復雜、消散緩慢;地下水豐富而不均。這些問題嚴重影響施工進度及安全，施工過程中設計變更及措施調整量很大。

2 高應力軟巖的工程地質特性

2.1 工程地質背景

研究工程區域位于西秦嶺中山區，隧道穿越漳河與洮河的分水嶺，隧道洞身最大埋深約700 m。巖性為二疊系板巖夾砂巖及炭質板巖。構造上為秦嶺—昆侖緯向構造體系，后期被祁呂賀蘭山字型構造體系改造、復合、歸并，并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構造體系改造，由于多期次構造復合疊加作用，形成了形態各異極其復雜的褶曲與斷層束。

2.2 巖石特征

研究工程范圍內為二疊系板巖夾砂巖及炭質板巖。根據59組巖石試驗和16組點載荷試驗統計，泥質結構板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為4.15～14.3 MPa，平均值10.47 MPa，屬于軟巖;鈣質板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為16.8～37.2 MPa，平均值24.18 MPa，屬于較軟巖;炭質板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為2.09～3.12 MPa，平均2.5 MPa，屬于極軟巖;變質砂巖單軸飽和抗壓強度范圍值為34.5～104 MPa，平均70.1 MPa，屬于硬巖、極硬巖。

2.3 巖體特征

研究的工程巖體軟硬不均，巖性、層厚變化頻繁，揉皺，節理發育，地下水多呈小股狀，結構面光滑，泥質充填，局部有泥化夾層、泥膜，遇水易軟化，易滑塌失穩。

2.4 巖體質量評價

2.4.1 巖體完整性評價

根據大量勘察資料以及洞內TSP波速連續測試成果，巖體的完整性指數Kv=0.31～0.94，Jv=8～20條/m3，巖塊波速V=3 057～5 030 m/s，巖體波速Vp=2 850～5 030 m/s，巖體完整性一般為較破碎;其次，為較完整-較破碎;再次，為破碎。

2.4.2 巖體力學特性

根據工程巖體分級標準(GB50218—94)，巖體準強度與巖石強度及Kv的關系，推算巖體強度。見表1。

表1 巖石強度、巖石堅硬程度及巖體強度匯總

2.5 地應力

2.5.1 區域應力場

前蘇聯專家T.A.MapkoB對地應力長期研究［5］，認為高地應力區往往出現在區域平面的隆升帶。自元古代以來研究區一直以南北向的持續擠壓應力為主，最大主應力場方向為NE-SW向。隧道穿越區為溝谷側，原始地應力難以釋放。

2.5.2 地應力測試

二疊系板巖在295、315 m深度處分別進行了地應力測試，成功定向，測得地應力方向N34°E，最大水平主應力24.95 MPa和27.16 MPa，屬高地應力區。

定向測得的主應力方向與區域地應力方向基本一致;在另外一孔272～343 m孔深段測得最大水平主應力值為6.77～10.47 MPa，最小水平主應力值為4.53～7.52 MPa。最大水平主應力優勢方向為N35°E。洞身部位的最大水平主應力測試值為10.47 MPa，該處巖石單軸抗壓強度為20～30 MPa，根據E.HoeK法［6］中Rc/σv值為1.91～2.87，根據《工程巖體分級標準》(GB/50218—94)［7］，隧道圍巖處于極高地應力狀態。

研究區洞身不同埋深處隧道的應力狀態與洞室的關系、巖石及巖體強度應力比見表2、表3。

表2 板巖隧道不同埋深處各應力測算值

表3 板巖隧道不同埋深處高地應力、極高地應力分布情況

隧道通過區屬于高地應力-極高地應力狀態，線路 在本隧道范圍走向為N16°E，與最大主應力方向夾角約20°，小角度相交，符合規范“隧道選線宜避開高地應力區，不能避開時，洞軸宜平行最大主應力方向”的選線原則，通過定量計算及對比分析，巖體強度應力越小，圍巖自穩能力越差，變形越大;巖體強度應力比一般是巖石強度應力比的1/3～9/10。另外，一定深度內地應力隨洞室埋深增大而增加，即同一種巖石強度應力比呈遞減趨勢，不同強度巖石在不同深度處的強度應力比可以相等。

2.6 施工變更情況

圍巖級別變更比例3.3%，但措施調整約59.9%(表4)，依據現行的鐵路規范內的圍巖分級標準，圍巖級別的劃分是基本準確的，但應用與分級相匹配的措施是難以滿足隧道結構穩定的，均采取了補強措施。這是由于高地應力對軟巖的特殊效應，產生了高應力軟巖大變形。

2.7 措施調整情況

原設計為Ⅳ級圍巖的，主要支護參數為:拱墻噴射混凝土C25厚23 cm;拱墻設φ6 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm中空錨桿，邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿，錨桿長3.0 m，環縱向間距1.2 m×1.2 m;襯砌采用C30混凝土，厚度為40 cm。采用三臺階施工法，實際開挖圍巖地質特征還是Ⅳ級特點，但最大變形速率為25～42 mm/d，且穩定時間長。措施調整后，斷面曲率采用Ⅴ級軟巖襯砌斷面，開挖預留變形量30 cm;拱部120°范圍設φ42 mm超前注漿小導管，長3.5 m，環向間距0.3 m;全環噴C30混凝土，厚度30～35 cm;全環設 H175型鋼鋼架，間距為1榀/0.8 m，每榀鋼架設12根φ42 mm注漿小導管進行鎖腳，小導管長4.0 m;每節鋼架中間增加1根φ42 mm注漿小導管，作為鋼架鎖固錨管，每榀6根，長4.5 m。拱墻設置φ8 mm鋼筋網片，網格間距20 cm×20 cm;拱墻增設φ42 mm小導管徑向注漿，長度為4.0 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱);二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻、仰拱厚45 cm;襯砌鋼筋環向采用φ22@20 cm，縱向采用φ14@25 cm，箍筋采用φ8@25 cm。

原設計為Ⅴ級的，也采用了Ⅴ級加強措施，局部間距0.6～0.8 m，C30早高強噴射混凝土厚33 cm，設φ22 mm雙層連接筋、φ8 mm雙層鋼筋網。大部分變形量控制于200～400 mm范圍內。

表4 二疊系下統圍巖變更統計

3 高應力軟巖開挖面地質特征和變形特點

3.1 開挖面工程地質特征

依據施工揭示圍巖的巖性及巖體特征、硬度、完整性及組成成分、構造等，考慮地下水，高、極高地應力的影響，圍巖級別劃分為Ⅳ級、Ⅴ級，Ⅲ級很少。

Ⅳ級圍巖的工程特征:中厚層板巖、變質砂巖，巖體較完整或較破碎，圍巖穩定性好;板巖(夾砂巖)夾炭質板巖，薄層或薄層夾中厚層，泥鈣質結構，受構造影響較重，板理清晰，節理較發育-發育，巖體較完整-較破碎，局部圍巖穩定性較差，含少量基巖裂隙水;板巖夾砂巖、炭質板巖，薄層為主，泥質結構，板狀構造，石質較軟，有揉皺現象，含泥化夾層及擠壓破碎帶，巖體較破碎，呈層狀、板狀結構或塊(石)碎(石)狀鑲嵌結構，圍巖穩定性較差，裂隙水不發育。

Ⅴ級圍巖的工程特征:以斷層角礫、壓碎巖為主，巖體破碎-極破碎，呈松散碎石狀，圍巖穩定性差，有少量滲水;板巖夾炭質板巖，或夾砂巖，薄層，石質較軟，受構造影響嚴重，節理發育，小褶皺、結構面發育，含泥化夾層或泥團，軟硬不一，層間結合差，巖體破碎-極破碎，呈碎石狀，松散結構，圍巖穩定性差，裂隙水局部出露。

3.2 高應力軟巖的圍巖分級

關于高地應力對圍巖分級劃分的影響目前缺乏足夠的依據，無法在分級標準中做出規定，而且這類問題也不是分級工作所能解決的［8］。因此，從工程地質角度出發，筆者建議以軟巖的圍巖分級為基礎(Ⅳ級)，考慮實測地應力及地下水，降級(Ⅴ)劃分，且需采取補強措施;當有結構面或破碎帶同時存在時，必要時采取降級(Ⅴ～Ⅵ)或制定出特殊級別。通過試驗段研究支護措施。

3.3 高應力軟巖大變形特點

由于應力的方向性及不均勻，導致圍巖松弛破壞帶厚度不一，具有不對稱性;常有塌方、掌子面鼓出、坍落;嚴重變形處噴混凝土大量環向、縱向開裂，掉塊，支護內鼓，部分鋼拱架開裂、扭曲、甚至斷裂;邊墻鼓脹，收斂變形較大;初期支護結構失穩，侵入襯砌凈空，長范圍拆換拱情況頻繁發生［9］;局部二襯出現縱向開裂掉塊現象;具有突然變形和連帶牽動的特性，掌子面或仰拱因擾動而變形速率突變。開挖時，應力重新分布及局部集中過程中，形成深淺不一的破壞圈。

與圍巖級別相匹配的常用支護參數難以控制洞室初支變形，主要發生在邊墻、拱腰部位，變形速率39～682 mm/d，表現出非線性、非光滑的突變，多處底鼓、水平收斂，最大變形量達1 300 mm，累計套拱、拆換拱1 011 m;大斷面、大跨聯拱處拱頂下沉量大于水平收斂值，拱頂最大下沉速率達 147 m m/d，累計下沉1 712 mm［10］。正洞變形以水平收斂為主，突起的棱角及拐點處易坍塌，突變性和難穩定為主要特點，變形速率28.8～76 mm/d，最大變形量達952 mm，累計拆換拱576 m。

局部地段挖開幾分鐘或幾個小時，密閉的巖體裂隙、節理開始張開、外擠，1～2 m范圍的松動破壞圈很快形成，局部由于應力的作用伴隨有能量轉換，掌子面巖體溫度測量為27～33℃，高于中、下臺階巖體溫度6～10℃，這一點證明了巖體在力的作用下，聚集有內能，開挖后以位移和熱的方式釋放，變形持續時間長是必然的。

3.4 圍巖破壞形式

二疊系板巖，薄層狀，典型的破壞模式為板梁彎曲破壞模式，常見崩塌、滑塌彎折、張裂及折斷3種類型。如圖1所示。

圖1 圍巖破壞示意

由于局部破壞區的先期形成，導致影響隧道穩定性的洞室形態發生變化，引起應力重分布，牽引其他部位發生變形、破壞。

4 高應力軟巖的支護結構特點及對策

4.1 高應力軟巖的支護結構特點

高應力軟巖的特殊工程地質特性，要求支護結構具備以下特點，才能維持隧道結構穩定。

(1)強柔性。支護結構應當具有強烈的柔性，能允許圍巖大幅度收斂以降低支撐結構所受的圍巖壓力。

(2)可塑性。軟巖隧道變形收斂達到一個較大值時，圍巖壓力才會有明顯的降低，降至支護結構能承受的范圍，這就要求支護結構有較高的可塑性，從滿足工程使用的角度講，支護結構的可塑性最終應接近極限，發揮較好的效用。

(3)邊支邊讓。要求支護結構在支護過程中始終都能給圍巖以支撐，提供一定的支撐力，適應塑性軟化區和流動區的變形節奏，使圍巖在變形破壞過程中強度不致于有太大的降低，減小作用于支護結構上的圍巖壓力。

(4)增阻性。支護結構應具有支護抗力隨變形增大而增大的特性，軟巖隧道破壞后，支護結構的剛度能夠迅速提高，以達到完全阻止隧道變形的目的。

(5)合理的結構構造。支護結構在不均的圍巖壓力作用下不會產生較大的彎矩，以充分利用構件抗壓性能遠遠高于抗拉性能的特性。

(6)考慮施工的方便性和經濟上的合理性。

4.2 高應力軟巖隧道支護原理

圍巖的自承力是由隧道的斷面形態和圍巖本身的物理力學性質決定的。研究表明，塑性硬化區是圍巖承載的主體，當圍巖變形達到穩定時，塑性軟化區和塑性流動區是實施支護的主要對象。因此，確定圍巖承載單元的幾何形狀就決定了隧道圍巖的支護范圍。再結合塑性硬化區和塑性軟化區對隧道支承力的貢獻來決定支護結構措施。

依據軟巖變形力學機制和應力狀態，掌握軟化路徑［10］，對于高應力軟巖隧道支護來講，要允許出現穩定塑性區。嚴格限制非穩定塑性區的擴展。其宏觀判別標志是最佳支護時間Ts。Ts之前的變形為穩定變形，對應的塑性區為穩定塑性區。所以，確定最佳支護時間非常重要。

隧道開挖后釋放巨大的應力能，為防止巖體破壞，支護作用必須控制持續不斷的變形和破壞，以預留剛柔層和預留剛縫柔層為主的支護技術是有效的。在剛性層和柔性層之間預留一定量的孔隙，使其既有足夠的柔度來適應高應力軟巖隧道大變形以吸收高應變能量，又在一定的時機具有足夠的剛度以限制高應力軟巖的破壞性變形。

4.3 高應力軟巖隧道支護對策

經過試驗研究，高應力軟巖在新奧法基礎上，可普遍采取如下措施逐步進行支護措施調整。

(1)加強邊墻曲率，減少拐點，改善斷面形狀。

(2)多重控制措施。控制住底鼓和往側壁的擠入，防止斷面擠入，加強仰拱，對圍巖開挖后變形較大地段，除施作長的自進式錨桿外，再采用小導管進行雙液注漿等加固措施。

(3)采用可縮式鋼架，噴射加厚混凝土(初噴20 cm，復噴15 cm，設3道縱縫)的先柔后剛、先放后抗的支護措施。

(4)提高二次襯砌的剛度，可采取雙層模注鋼纖維配筋混凝土襯砌。

(5)設立日常量測管理機制及管理基準:監測初期位移速度、最終位移值、繪制位移控制曲線、建立控制基準值，合理增大預留變形量。

(6)采取短臺階、弱爆破、雙側壁開挖等有效施工工藝。

5 結論

以巖石強度、類型、特征及地應力水平為判據，衡量巖石是否為鐵路工程地質軟巖，依據巖石強度應力比(Rc/σmax)是否小于7判定是否為高應力軟巖，4～7為高地應力，小于4時為極高地應力。當圍巖同時具有巖質軟、巖體成層差、硬度低、不完整、組成成分不均、構造裂隙發育，揉皺、地下水不均或表現為工程軟巖特性時，為典型的高應力軟巖工程地質特點。松動破壞圈厚度不均、有方向性、突變性、變形量大、穩定慢、連續變形、破壞強，最佳支護時間難以確定、初支常常開裂、二襯侵線、變形難以控制等特點是高應力軟巖的變形特點。崩坍、滑塌、張裂、錯斷及掉塊或餅化崩裂為其破壞特點。

高應力軟巖隧道累計變形量超過500 mm，初步認為屬大變形?？刂拼笞冃沃ёo的設計、支護可采取以Ⅳ級圍巖為基礎級，考慮實測地應力及地下水，Ⅴ級為通用級別，當有結構面或破碎帶同時存在時，必要時采取降級為Ⅵ級或以試驗段制定出特殊級別，專用于大變形設計施工。

一般高應力軟巖，斷面曲率采用Ⅴ級軟巖襯砌斷面，加強邊墻曲率;采用先柔后剛、先放后抗的支護措施，鋼架改為可縮式或全環型鋼鋼架;開挖預留較大變形量(拱部40～50 cm，邊墻20～30 cm);結合工程，采取多重支護控制;提高二次襯砌的剛度，可采取雙層模注鋼纖維配筋混凝土襯砌，確保主要受力結構和足夠的安全儲備。雙側壁法開挖、小振動、縮短臺階等工藝也是必要的。

在高應力軟巖隧道工程設計和施工的過程中，期望在勘測階段完全查明輔助坑道、正洞高應力軟巖的狀態、特性、準確預報可能引發隧道地質災害的不良地質體的位置、規模和性狀是十分困難的。都得依靠確鑿的地質資料、施工中深入的超前地質預報，并采用地質調查、超前導坑、超前鉆孔、地球物理勘探等方法做先導，做好變形監測、前期和開挖應力監測，詳細研究隧道開挖時圍巖的工程地質表現，綜合圍巖級別，計算最小支護荷載，結合采動壓力、構造、地下水、放炮振動的影響等。再結合施工工藝，單位的施工能力，通過試驗段，尋求該類地質條件下的最佳支護理論和措施方案，判斷圍巖和支護結構體系的穩定性和工作狀態，確定完成初期支護的開始時間和結束時間、二次襯砌與開挖工作面之間的合理距離、初期支護和二襯的最佳支護時段，摸清隧道的變形機理，經過多次評估和調整，才能形成對癥措施。

由此可見，高應力軟巖在鐵路隧道施工中的工程地質特性研究，是隧道設計與施工成敗的關鍵，是確保初支和二襯及隧道結構穩定安全的前提。

［1］ 謝和平，周宏偉，薛東杰，王宏偉，張茹，高峰，等.煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考［J］.煤炭學報，2012，37(4):536.

［2］ 付強，李曉云，等.軟巖支護理論研究與發展［J］.礦業安全與環保，2007，34(2):71-72.

［3］ 鐵道第一勘察設計院.TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］ 何滿潮，景海河，孫曉明，等.軟巖工程力學［M］.北京:科學出版社，2002.

［5］ T，A，MapKoB.地殼上部巖石應力──應變狀態形成的新概念及其科研意義、地應力測量理論研究與應用［M］.北京:地質出版社，1987.

［6］ 廖秋林，李曉，張年學，吳建波，等.E.Hoek法在節理化巖體力學參數評價中的應用——以長江三峽庫區白衣庵滑坡為例［J］.巖土力學，2005，26(10):1641-1644.

［7］ 中華人民共和國水利部.GB/50218—94 工程巖體分級標準［S］.北京:中國計劃出版社，1994.

［8］ 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段高地應力軟巖隧道大變形及圍巖變更工程地質專題報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［9］ 劉高，張凡宇，李新召，楊重存.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(2):5521.

［10］郭健卿，浮新平，王明中.軟巖控制理論與應用［M］.北京:冶金工業出版社，2011.

Discussion on Engineering Geological Features of High Stress Soft Rock during Construction of Railway Tunnel

WANG Jian-peng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Through research on the engineering geological features，deformation mechanism，supporting principle and the supporting structure for high stress soft rocks，the paper explores tunnel design and construction support schemes.Taking the slate as research object，by using constructional geological logging，laboratory test，geophysical prospecting PST，exploratory boring，ground stress testing and deformation measuring and other measures，the paper discusses several issues such as the rocks，rock features，rock mass quality，ground stress，surrounding rock classification，construction alteration，deformation and failure characteristics etc.Further，focusing on the high ground stress soft rock during tunnel construction， the paper summarizes the engineering geological features， surrounding rock deformation，failure lows，high stress and surrounding rock classification principles.Finally，after making clear the research content of other geological conditions，the paper proposes design and support solution measures for the tunnel suffering with large deformation and with difficulty on supporting measures.

railway tunnel;high stress soft rock;engineering geological features;deformation of surrounding rock;design;supporting measures

U452.1+1

A

1004-2954(2013)09-0069-06

2012-12-29;

2013-04-29

王建鵬(1968—)，男，高級工程師，工學學士，E-mail:344541195@qq.com。