松潘隧道軟弱圍巖大變形特點及機理分析

劉方舒

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司 江蘇 南京 210000）

0 引言

由于我國對鐵路建設投入大量的資金，鐵路系統日趨完善。鐵路隧道技術的發展很大程度上制約著鐵路的建設，隧道工程對減少建設里程，滿足鐵路對平面線形、縱坡的要求，特別是山區地帶，隧道工程建設可以最大程度減少土方用量和減輕對生態環境的破壞。但在隧道建設時經常需要解決軟弱圍巖的大變形問題。軟弱圍巖存在于強度低、空隙率大、粘性小、因風化和構造面擠壓現象明顯的地層。眾多學者對于隧道軟弱圍巖大變形作出了理論、實驗、數學模型上的研究[1]，為工程建設的可行性和安全性增加了保障，以成蘭鐵路松潘隧道為例，從施工現場的地質學角度對隧道軟弱圍巖的變形物理特點和其機理作用進行了分析。

1 工程概況

成蘭鐵路從海拔約500m的成都平原一路爬坡至3400m的松潘草地，沿線生態脆弱，地形地質條件復雜，具有典型的“四極三高”特征，全線有多座特長大隧道，經過60條褶皺，75條斷裂，大約占線長的70%。松潘隧道位于四川省阿壩州松潘縣，全長8048m。設計為雙線隧道，最大開挖斷面方約128m2，具有“復雜的構造運動歷史、復雜的構造形跡、復雜多變的復理巖建造、復雜的地應力環境、復雜的地下水條件”等典型特征。隧道巖體成分是軟弱且松散的千枚巖、炭質板巖等，加上構造作用，大多呈現出劇烈的揉皺變形和擠壓破碎。軟巖中千枚巖占主要成分，其節理裂隙發育，巖體強度底，膨脹性小。千枚巖主要礦物成分見表1。

表1 松潘隧道軟巖（千枚巖）主要礦物成分/%

松潘隧道千枚巖水理及基本物理特性如表2所示。由表可知該線路千枚巖吸水率和自由膨脹率較低，說明膨脹性相對較小。聲波波速和抗崩解耐久性沿不同方向的特性表明了千枚巖節理發育情況明顯，具有各向異性特征。

表2 松潘隧道軟巖基本物理特性

松潘隧道千枚巖工程力學特性如表3所示。擠壓性軟隧道千枚巖強度低，粘聚力小。單軸抗壓平均強度屬于軟巖范圍。該隧道中的絹云母千晶石最低，僅為1.95 MPa。平均抗拉強度為0.26?2.59MPa。該隧道中絹云母千晶石的平均抗拉強度為0.46MPa。

表3 松潘隧道軟巖基本力學特性

2 松潘隧道大變形特點

隧道的穩定依靠圍巖和支護兩部分組成的復雜結構。在隧道施工階段因對施工環境和巖石種類復雜，產生的施工力學效應也存在差異性。隧道內部產生大變形是隧道施工效應的宏觀、綜合的現象，通過變形量的長期準確觀測和發展趨勢的預判，可以對后期施工和最終的隧道穩定提供指導[2]。隧道工程中圍巖的大變形將導致施工工期的延后，同時也會為工程和工人帶來極大的安全隱患。因此，有必要總結和總結弱圍巖的隧道變形特征。

2.1 變形量大

軟弱圍巖在開挖后會發生明顯的塑形變形，這是軟弱圍巖最有代表性的特征。松潘隧道初期支護施做后，發生了嚴重的裂縫，包括隧道的局部噴射混凝土由于裂縫而脫落，支撐結構變形和變形以及次襯砌混凝土的嚴重裂縫（見圖1）。

圖1 松潘隧道初支剝落扭曲變形圖

2.2 初期變形速度快

隧道開挖后初期變形速度與圍巖的本身屬性有關。在堅硬的圍巖環境中，隧道支護后變形量比較小，并且變形能在短時間內到達穩定狀態，變形速率小；相反在軟弱圍巖開挖后，隧道變形量和變形速率都相對要大。軟弱圍巖因本身強度弱，開挖后，力發生變化，導致應力重新分布，從而引起圍巖變形。隧道開挖后，變形將保持很長時間。它具有明顯的流變性。研究表明，圍巖壓力也一直在變化，有些學者稱之為弱圍巖的蠕變（見圖 2）。

2.3 壓力增長快

由于圍巖壓力會隨著變形時間的增加而增加，且速度快時間短。在很短的時間內，圍巖與相接觸的支護結構之間會產生相當大的壓力。當隧道施工方法選擇恰當和支護工作做的嚴格，支護封閉后變形會逐漸趨于穩定，壓力處于平衡狀態。因此，測量施工階段圍巖大變形，通過觀測數據掌握其發展規律和控制技術是保證隧道安全事故的重要保障（見圖3）。

圖2 松潘隧道D3K244+262圍巖位移曲線圖

圖3 松潘隧道D3K244+262圍巖壓力變化曲線圖

2.4 破壞形式多樣圍巖破壞范圍大

軟弱圍巖間粘結力和強度相對比較弱，在隧道開挖后塑性區域會隨著時間的延長進行擴大，當隧道支護不及時、結構強度和剛度低時，圍巖發生破壞的程度更顯著。軟弱圍巖因巖性弱，發生破壞的形式不一，但總體表現為局部或者整體巖體破碎后冒落、塌方、噴射混凝土嚴重開裂、變形侵限、支護結構扭曲，更為嚴重的發生隧道底部上鼓、頂部坍塌等（見圖4）。

3 松潘隧道變形機理分析

隧道變形機理是由內因和外因兩方面共同作用。隧道變形的內因在于圍巖本身抵抗壓、拉、剪外力的能力。隧道變形的外部原因是由于隧道的開挖，原來的平衡狀態被破壞，巖石的應力被重新分配，其中在尋求新的平衡時巖石緩慢的大變形，被稱為擠出作用，相反，圍巖若瞬間大變形被稱為巖爆。大變形隧道按其成因可以分為高應力松動（散）型、擠壓型、結構變形型3種不同類型。

圖4 松潘隧道初支變形

3.1 松動（散）型

在破碎、層狀及塊狀巖體中巖塊強度大于30MPa的硬巖環境下，且淺埋隧道中，圍巖變形時間短暫，變形量小。當圍巖處理不及時，變形發展到一定程度時，圍巖會出現松散或坍塌，破碎巖體擺脫圍巖整體通過自重的形式將力傳遞給隧道支護結構，鋼架產生嚴重變形，變形曲線出現向上反彎或者“跳躍”的趨勢。

3.2 結構變形型

結構變形型大變形隧道穿越的地層含泥質成分很少（或幾乎不含）巖體呈現各向異性或節理發育的現象，結構面是影響巖體變形的力學機制。巖體本身強度高，屬于硬巖，但是在隧道工程施工過程中由于受到工程力的作用會發生明顯的變形，此時表現出軟巖的結構特性，產生塑性變形，其機理是在工程力的影響下，巖體結構面發生相對滑移和擴容變形。

不同類型的圍巖變形處治理念和工程措施均應有所不同。

3.3 變形機理分析

隧道大變形是由圍巖的本身屬性、破碎結構以及所在環境等多因素耦合導致，其機理較為復雜，現結合松潘隧道分析如下：

3.3.1復雜的構造應力環境

松潘隧道位于岷江斷裂帶的下盤，穿過第七滑坡體和第八變形段。在岷江斷層的影響下，巖體破裂，層間受壓嚴重，斷層和軟皺紋發育，層理行為發生很大變化。在隧道的連續開挖過程中，原本處于平衡狀態的圍巖會產生應力的重新分布。在這種作用下，應力集中可能會在周圍的巖石附件中局部存在。

3.3.2破碎的地層巖性條件

地層的巖性主要為三疊系上三疊統新都橋組（T3X）的花崗石，碳質板巖，砂巖（主要為千層石和碳質板巖），中間夾有煤線，巖層軟硬。受岷江活動斷層的影響，裂隙和微裂隙發育，巖體破碎，巖石軟硬，隧道開挖松弛圈大。

3.3.3地下水的軟化特性

松潘隧道由于圍巖的本身屬性、破碎結構以及所在環境等多因素耦合，隨著時間的推移地下水慢慢滲入巖體結構面，降低圍巖層與層之間的結合力，降低了巖體間物理力學特性，破碎巖體擺脫圍巖整體通過自重的形式將力傳遞給隧道支護結構，導致隧道穩定性不滿足實際需求，加速圍巖的變形。

4 結語

成蘭鐵路松潘隧道處于復雜構造的地應力環境場中，巖體軟硬相間，構造發育，巖體節理裂隙、微裂隙發育；層理發育，層面和隧道走向不利組合形成順層偏壓，地下水軟化作用等多種因素易引起測段大變形現象。松潘隧道可以定義為高應力作用下的松散型大變形。針對松散型大變形的特質，通過提高支護強度，整體剛度等“強支硬頂”手段控制變形。因此，在進行隧道大變形施工和整治措施時，需要通過隧道大變形相應特征，找出引起隧道大變形的內在機理，綜合多方面的因素，制定準確有效的整治措施，保證工程安全，節約工程建設成本。