隧道大變形機理及分類分級探討

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任公司,成都 610031； 2.東北大學資源與土木工程學院,沈陽 110004)

隧道大變形是指在高地應力軟弱圍巖條件下圍巖發生破壞并最終導致結構失穩的現象。由于應變能的釋放是個緩慢過程，因此隧道發生大變形不同于巖爆的脆性破壞，而屬于在高地應力等同條件下的柔性破壞。其實質是圍巖產生剪應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生大變形，發生隧道失穩的現象。根據太沙基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。膨脹變形一般發生于膨脹性巖體，因此，對于大多數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準還沒有統一的認識，大變形是相對正常變形而言。在鐵路隧道工程領域，喻渝[2]從預留變形量出發，以預留變形量的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，即單線隧道發生25 cm位移、雙線隧道發生50 cm的位移，則認為發生了大變形。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、原始地應力及應力比為指標變形等級進行劃分。日本[4]采用相對應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，隧道發生大變形并非由單一因素造成，往往受到區域地應力場、地層巖性、地質構造及其擠壓程度的共同影響。實際上，大變形嚴格受構造控制，它是在最大主應力近于水平的應力場中，地殼運動在隧道開挖后的表現形式，以變形量大、變形速度快，持續時間長為特征。沒有構造運動或地殼的長期蠕變，隧道開挖后是不會發生大變形的，理論上松動圈會迅速定形下來。深大斷裂帶、褶皺核部或轉折端是易發生大變形的部位，翼部順層、構造節理密集帶也容易發生大變形。

本文基于地質學方法，從區域地應力場、地層巖性、地質構造、松動圈擴展出發，結合工程經驗和相對變形量，分析隧道大變形的機理，并提出適應中國隧道建設管理水平的大變形分類分級標準和寧強勿弱的預加固支護措施，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 地應力場

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

1.2 地層巖性

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

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

1.3 地質構造

巖體是巖層受構造擠壓產生各種破裂面后形成的結構體，其彈性勢能大部分儲存在巖體結構上，只有少部分儲存在巖石晶格之間。當巖石堅硬、結構面貫通性差時，由地應力作用產生的彈性勢能，主要儲存在裂隙呈半封閉或封閉狀態的巖體中，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，勢能轉變為動能，巖塊、巖屑如同子彈出堂，導致巖爆發生。

當巖石堅硬、結構面貫通性好時，由地應力作用產生的彈性勢能，主要儲存在結構面相互交切的巖體“框架結構”上，它是“框架結構”發生變位、變形而積聚的能量。隧道開挖卸荷后，圍巖為恢復先前的狀態，主要表現為以塊體為單元的彈性勢能的釋放。如果“框架結構”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，其結果就是發生巖爆、崩塌或大變形。大變形和巖爆是圍巖變形的兩種極端狀態，兩者之間還有中間狀態。由于中間狀態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，當巖體呈碎裂狀時，圍巖變形大多以蠕變的方式擠出，發展為大變形。

大變形的發生與巖石的軟硬沒有本質關系，主要與巖體所遭受的構造擠壓程度和構造演變過程有關。如天平線關山隧道，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，現今應力場以最大主應力近于水平23～24 MPa，經歷印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動和熱液蝕變后，巖體具典型板片狀碎裂巖特征，結構面多為綠泥石化且錯動明顯，開挖后出現嚴重大變形及塌方掉塊現象。當然，層薄質軟的巖層與塊狀堅硬的巖層比較，在同一應力場中經歷相同的時間，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

現代水電岸坡應力場研究表明[5-15]，在某一特定的區域內岸坡基巖普遍存在卸荷帶。在巖性和構造基本相同時，區域最高夷平面與河谷岸坡上某個點的高差，決定著該區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構造基本相同的段落，若區域海拔相差不大，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域最高夷平面與洞身高差有關，而與隧道的實際埋深關系不大。

實際上，隧道結構所承受的力，并不與地應力直接發生關系，而只與松動圈的變形力有關。松動圈越厚，其所產生的變形力就越大，隧道結構所承受的力就越大。大變形是松動圈持續發展的結果。

2 隧道大變形分類

根據大變形發生的構造部位，將大變形分為斷層型、碎裂型和順層型3種。斷層型發生在區域斷層帶；碎裂型發生在褶皺核部、轉折端以及構造節理密集帶；順層型發生在褶皺翼部，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，易發隧道底鼓。

2.1 斷層型

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

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群姐德秀組下段(T3j1)碳質絹云千枚巖為主，偶夾板巖、石英砂巖，弱風化夾強風化狀，受區域雅魯藏布江斷裂縫合帶(F1-5)及靡棱巖影響帶等地質構造影響極嚴重，節理很發育，巖體整體破碎～極破碎狀，呈角礫、碎石狀松散結構，股狀地下水發育，由于區域地質構造影響，加之千枚巖遇水易軟化，在地下水持續作用下，巖體軟化造成圍巖強度迅速降低，導致圍巖自穩能力差，整體圍巖穩定性變差。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 碎裂玄武巖構造略圖

2.2 碎裂型

碎裂型發生在褶皺核部、轉折端以及構造節理密集帶。隧道開挖后應力重分布，徑向應力減小，切向應力增加，圍巖發生剪切變形，持續擴容、松弛、鼓脹，以追蹤既有各類結構面為特征，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，線路的走向與龍蟠—喬后斷層(區域性活動斷裂)大致平行，隧道距斷層650～1 000 m。區域應力狀態表現為SH>Sv>Sh，屬于平移斷層應力模式。最大水平主應力達15.4 MPa。最大水平主應力與垂直應力的比值為1.5。區內玄武巖(Pβ)經受強烈的蝕變及構造作用，表現出碎裂化特征，其碎裂玄武巖構造見圖3。礦物分析結果顯示，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，根據現場原位測試，黏聚力為220 kPa，內摩擦角15°。受地應力影響，隧道出現嚴重大變形(Ⅱ型)，水平收斂單側最大累計變形達72 cm，根據松動圈測試資料，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，巖層向臨空面持續發生彎曲變形，出現新的張裂隙；而在隧道輪廓與巖層面斜交部位，由于切向應力的作用，造成巖體沿層面持續擠出。

營盤山隧道是新建成昆復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，是目前中鐵二院設計建成的最長雙洞單線隧道，為成昆復線重點控制性工程。

隧址區由晉寧期(δo2)花崗閃長巖巖基構成核部，三疊系上統大菁組下段(T3dq1)砂、頁巖構成兩翼之背斜構造，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、炭質頁巖與粉砂巖互層夾薄煤，薄層～中厚層狀，弱風化，軟質巖為主。巖層產狀N25～40°W/10～35°SW，走向與線路夾角20°～30°，緩傾線路右側順層，分層清晰，層面較光滑，層間結合較差，巖體揉皺明顯，局部小褶曲發育，圍巖整體較破碎(Ⅳ級圍巖)，地下水總體不發育。變形段隧道最大埋深740 m，洞身實測最大主應力水平應力20.62 MPa，方向與隧道走向近垂直(89°)，屬高地應力地區。頁巖、炭質頁巖夾粉砂巖見圖4。

圖4 頁巖、炭質頁巖夾粉砂巖(右傾順層)

施工過程中出現初期支護開裂變形、掉塊及剝落現象，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

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

大變形與地應力場、地質構造、地層巖性關系密切。按變形機理，定量評價和預測大變形，主控因素有抗彎強度與彎矩之比、抗剪強度與剪應力之比、抗壓強度與最大主應力之比。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，取決于地應力場、地質構造、地層巖性，這些復雜的地質環境條件，幾乎不可能量化進入公式。目前大變形研究進入了誤區，地質工作者投入很大精力、資金用于測量地應力和巖石巖體強度，企圖定量解決大變形的預判問題，但效果卻很差，不但工程進展緩慢，安全、工期風險也難以保障。

大變形分級，應在最大主應力近于水平的前提下，根據地層巖性、地質構造、相對變形量，結合工程經驗，參考TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》以及其他相關研究成果，進行綜合預判和判定。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

應采取“強支護、預加固、快封閉”的控制設計方法。在某一特定的區域，特定的巖性和構造環境下，隧道達到一定埋深后，若區域海拔變化不大，理論上其圍巖變形潛勢是一定的。大變形比常規變形的變形量更大，持續時間更長，它是隨著隧道開挖后的應力調整，松動圈持續擴展，由表及里逐漸完成的。因此應在開挖之初，根據地層巖性和構造條件，結合區域應力場特點對大變形進行預判，采取寧強勿弱的預加固措施或快速施工工法，以限制松動圈的持續發展，加快施工進度。那種邊放邊抗的“添油”戰術，不但費時費力，而且安全風險很大。軟巖大變形的處理措施，主要有長錨桿、分層支護、加厚襯砌，必要時輔以小導洞應力釋放。但其處理措施不僅與地質條件有關，還與施工工法、工藝、組織、管理密切相關。大變形的處理，在勘察設計階段重點是對大變形進行預判并預留費用；施工階段則通過開挖揭示圍巖進行驗證，重新調整大變形分類分級，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，頻繁試驗和調整支護參數，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 結論

基于地質學方法，從區域地應力場、地層巖性、地質構造、松動圈擴展出發，分析了隧道工程中軟巖大變形的機理。根據大變形發生的構造部位，將大變形進行分類；結合實際工程經驗及相關規范標準，根據地層巖性、地質構造、相對變形量，對大變形進行了分級。得到以下結論。

(1)隧道大變形的產生不是由單一因素控制，往往受到區域地應力場、地層巖性、地質構造及其擠壓程度的共同影響。

(2)根據大變形發生的構造部位，將大變形分為斷層型、碎裂型和順層型3種。斷層型發生在區域斷層帶；碎裂型發生在褶皺核部、轉折端以及構造節理密集帶；順層型發生在褶皺翼部，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，易發隧道底鼓。

(3)不宜用強度應力比進行大變形分級，而應在最大主應力近于水平的前提下，根據地層巖性、地質構造、相對變形量，結合工程經驗，參考相應規范及其他相關研究成果，進行綜合判定。

(4)大變形應采取“強支護、預加固、快封閉”的控制理念。