軟巖隧道大變形研究現狀及控制對策

王哲 劉欽 劉磊 趙紅宇 黃坤鵬

長安大學 建筑工程學院，西安 710061

我國西部地區多次受到揚子板塊、塔里木板塊、華北板塊等多個板塊的擠壓作用［1］，地質條件相當復雜。許多深埋長大隧道不可避免穿越流變性強、地應力高以及強度低的軟弱巖層。軟巖大變形導致的拱頂坍塌、仰拱隆起、側墻開裂、掌子面失穩、支護體系失效等對隧道施工安全和運營造成嚴重威脅。因此，系統地歸納總結軟巖隧道大變形研究現狀及控制對策，對隧道工程的建設成本、建設工期以及施工安全具有重要意義。本文通過梳理軟巖隧道大變形既有文獻，結合國內外典型軟巖隧道大變形工程案例，總結軟巖定義和分級方法，歸納軟巖大變形的機理及控制對策，并提出軟巖隧道大變形進一步研究方向。

1 軟巖的定義及分級

1.1 軟巖定義

1981 年東京國際軟巖學術討論會上專家們提議，軟巖應包括軟弱巖石和因斷裂、節理裂隙發育、風化導致的強度劣化巖石。1984 年煤礦礦山壓力名詞術語討論會上專家們提議，將含有膨脹黏性礦物，受強風化、巖體切割等因素影響而導致強度較低的巖層統稱為松軟巖層。2003 年國際巖石力學學會上專家們給出軟巖的定義：單軸抗壓強度介于0.5～25.0 MPa的巖石。這是目前使用最廣泛的軟巖定義。何滿潮等［2］認為軟巖的定義難以適用于實際工程實踐，提出深部工程軟巖的定義：在工程力作用下能產生顯著塑性變形的單軸抗壓強度大于25 MPa的工程巖體；并根據軟巖塑性變形特征將軟巖分為膨脹性軟巖、高地應力軟巖、節理化軟巖和復合軟巖。

綜上所述，軟巖的定義主要考慮導致巖體強度降低的因素和巖體力學性能兩大方面。可把軟巖定義為在高地應力、地下水侵蝕、強烈風化、節理裂隙發育、含膨脹黏性礦物等因素影響下，呈現出顯著流變性并且單軸抗壓強度低于25 MPa的軟弱破碎巖體。

1.2 軟巖分級

董方庭等［3］根據圍巖松動圈的厚度對圍巖等級進行了劃分，并提出相應支護措施，見表1。膨脹性軟巖具有膨脹可逆性，即隨著干濕交替圍巖會出現膨脹、干縮、崩解等問題，膨脹性是誘發軟巖大變形的根本原因。崔蓬勃等［4］通過對膨脹性軟巖的歸納總結，提出隧道工程膨脹性軟巖分級標準，見表2。

表1 圍巖等級劃分方案

表2 膨脹性軟巖分級標準

2 大變形的成因、分類及分級

2.1 大變形成因及分類

Terzaghi［5］最早從巖石礦物組成闡述軟巖大變形成因，認為軟巖中有較高含量的膨脹性礦物，遇水發生持續膨脹變形，不斷地侵入洞室凈空。國際巖石力學學會上專家們從力學機制闡述了軟巖大變形成因，認為大變形與時間密切相關，是地下空間開挖面周邊應力超出極限剪切應力而導致的一種塑性變形。這兩種成因都強調了大變形與時間的相關性，但均僅考慮引起變形的單一因素。王成虎等［6］認為圍巖大變形由巖體剪切破壞、結構面失穩、水化反應等造成的體積膨脹所致，并根據大變形成因將大變形分為三類，見表3。

表3 大變形類型劃分

2.2 大變形分級

中交第一公路勘察設計研究院根據隧道施工過程中的大變形特征，以圍巖相對變形量、地應力等為評價指標對高地應力軟巖隧道大變形進行了分級。王永剛等［7］通過對木寨嶺隧道監測數據的分析，建立了炭質板巖擠壓型大變形分級標準，見表4。該標準綜合考慮了相對收斂值、巖體擠壓因子、初始地應力、側壓力系數、變形模量等多方面因素的影響，對于大變形等級的判定具有一定說服力。

表4 炭質板巖擠壓型大變形分級標準

3 大變形機理及預測

3.1 大變形機理

軟巖大變形機理復雜，在實際工程中大變形并非由單一因素引起，而是由高地應力、隧道埋深、圍巖巖性、卸荷力學效應等多種因素共同作用所致［8-10］。按照變形機理，大變形可分為擠壓型和膨脹型兩種。

擠壓型大變形是指開挖擾動引起圍巖應力重分布以及化學性質發生變化，導致圍巖自身承載能力不足，巖體內部無法保持平衡而引發的塑性變形。擠壓型大變形具備明顯優勢部位和方向，變形通常沿著巖體節理裂隙等結構面發生。與此同時，圍巖塑性流變效應導致圍巖內部應力狀態動態變化，即使施作支護，圍巖受力也難以達到平衡狀態［11］。

膨脹型大變形是指富含高嶺石、蒙脫石、云母等礦物的巖石遇水膨脹，強度下降甚至軟化成泥。在巖體遇水膨脹的同時，較大的膨脹壓力導致圍巖應力升高，圍巖強度下降與內應力升高共同導致軟巖大變形發生。

3.2 大變形預測

大變形預測包括隧道圍巖塑性區的預測、圍巖變形量的預測、圍巖大變形隨時間的演化規律等，是后續施工開展的重要依據。預測圍巖塑性區分布和洞壁徑向位移，即可對隧道圍巖擠壓破壞部位有針對性地支護，消除隧道圍巖差異性變形，降低支護成本，提高施工效率。

3.2.1 大變形理論解析

大變形理論解析是指基于軟巖流變本構模型［12-13］、膨脹本構模型［14-15］和強度準則［16-17］，通過對隧道斷面圍巖進行彈塑性理論分析，預測塑性區半徑、洞室徑向相對位移、掌子面相對變形等。Ruppeneit等［18］通過彈塑性分析給出了圓形洞口圍巖塑性區半徑解析公式。基于此，陳超等［19］通過旋轉極角和復變函數變換，得出在非對稱荷載作用下非圓形洞口圍巖塑性區半徑及洞壁徑向位移的解析公式。孫金山等［20］利用塑性應變軟化模型推導了圍巖塑性區半徑和洞壁徑向位移的近似解析公式。Hoek 等［21］通過有限元分析給出了支護壓力、初始地應力作用下掌子面變形預測公式和洞室徑向相對位移。陳有亮等［22］基于濕度應力場理論，推導了在膨脹應力作用下圓形隧道開挖后圍巖彈性區和塑性區的應力和位移。

上述理論解析是在一定的假設下基于彈塑性分析得到，只能預測較理想條件下圍巖變形的最終狀態。然而由于實際工況的復雜性和變形的非線性，軟巖變形預測結果與實際情況往往差異較大。

3.2.2 大變形回歸預測

近年來基于回歸分析和灰色理論的相關算法不斷發展和完善。學者們將這些算法引入到軟巖大變形預測中，依靠算法較強的非線性映射能力，根據有限監測數據模擬隧道變形隨時間的演化規律，進而對軟巖隧道大變形進行預測。王濤等［23］依托武廣高速鐵路大瑤山隧道，通過灰色預測模型繪制了隧道累計變形時程曲線，預測了圍巖變形發展趨勢。姚凱等［24］將廣義回歸神經網絡算法引入軟巖變形預測，并通過果蠅算法尋找最優光滑因子，建立了基于果蠅算法的廣義回歸神經網絡模型。該模型很大程度上降低了人為因素對參數選取的干擾，提高了廣義回歸神經網絡模型的準確性。

綜上所述，軟巖隧道變形預測方面的研究大多基于彈塑性理論對軟巖塑性區半徑、洞壁徑向位移進行預測，而針對軟巖變形隨時間演化趨勢的預測較少。面對日趨復雜的軟巖隧道大變形問題，變形研究的重點應是借助于各種算法模型準確預測軟巖的實時變形，為確定合理支護時機提供依據。

4 大變形控制對策

4.1 適宜的開挖工法

軟巖隧道在開挖過程中會對圍巖原始應力場造成擾動，破壞圍巖應力平衡狀態。卸荷效應引起的圍巖應力重分布與時間、空間相關［25］，隧道開挖面空間效應對圍巖的影響占主導地位。因此，應選擇合理的隧道開挖方法，盡量減少超挖量，快速封閉成環，提升圍巖承受能力。對于膨脹型大變形，在隧道開挖過程中除了拱部承受圍巖壓力外，邊墻和底部同時還承受膨脹壓力，因此膨脹性軟巖開挖過程中需要控制開挖斷面形狀，盡量采用圓形或馬蹄形等圓順斷面，避免應力集中。膨脹性軟巖隧道施工過程中需要制定合理防排水方案，避免圍巖開挖后長期暴露于富水環境中產生膨脹變形。

在軟巖隧道開挖方案中，中隔壁法、交叉中隔壁法和臺階法均可有效抑制軟巖大變形，但各有利弊。中隔壁法、交叉中隔壁法雖然相對安全，但工序繁多導致工期較長，對圍巖擾動程度大，會很大程度降低圍巖強度。臺階法能夠有效縮短工期，但安全性相對較差。在開挖過程中不能一味地追求速度，還要兼顧卸荷效應對圍巖應力、變形的影響，考慮隧道施工的需要，因地制宜地選擇隧道開挖工法。

4.2 合理的支護理念和方案

4.2.1 支護理念

目前隧道工程中支護理念可分為剛性支護、先讓后抗、邊讓邊抗三種［11］。剛性支護理念是指在洞室開挖后短期內采用強度和剛度較大的支護或襯砌結構對隧道圍巖進行大范圍加固，盡早恢復圍巖三向應力平衡狀態，最大程度約束圍巖變形；剛性支護理念適用于輕微變形。先讓后抗支護理念是指加大圍巖預留變形量，先釋放部分形變壓力，待變形達到預期值后再施作支護；該支護理念適用于常規變形。邊讓邊抗支護理念是指在增大預留變形量的同時，增強初期支護的剛度，既釋放了一部分形變壓力，又不會因讓得過多而產生松動壓力；該支護理念適用于地應力較高或者變形量較大、對初期支護剛度有較高要求的大變形區段。

4.2.2 支護方案

傳統的軟巖隧道支護方案大多基于剛性支護理念，如重型鋼拱架支撐、厚混凝土襯砌等。隨著新奧法的出現，錨噴等柔性支護手段以良好的支護效果和較低的支護成本逐漸被采納。伴隨著現代隧道工程的發展，隧道支護方案已經由單一的錨噴支護發展為多種聯合支護，如雙層初期支護［26］、鋼格柵混凝土核心筒支護［27］等，并且支護效果良好，對控制軟巖隧道大變形具有一定借鑒意義。

孔令喜等［28］基于邊讓邊抗的支護理念，設計了一種帶有讓壓阻尼裝置的新型讓壓錨桿支護體系，通過實測軟巖隧道支護力和水平收斂證明了該支護體系的有效性。劉宇鵬等［1］通過對比短長錨桿聯合支護與普通短錨桿支護的特征曲線后發現，聯合支護具有較高支護強度，能夠大幅減小隧道洞壁位移，有效控制圍巖變形。何滿潮等［29］基于軟巖隧道支護結構的強度和剛度應耦合的思路，研發了一種恒阻大變形高預應力錨索。該錨索具有負泊松比效應和恒阻力特性，既能夠釋放部分圍巖應力，又具有足夠的剛度來限制圍巖大變形。

4.3 動態的信息化施工

在施工過程中需根據現場監測情況動態調整支護方案或參數，確保隧道支護措施和圍巖塑性變形相互協調。圍巖的拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、鋼拱架應力、混凝土應力等變形監控數據，是對圍巖變形和支護效果的反饋，也是軟巖隧道變形控制措施制定和調整的依據。因此，應加強對隧道變形和應力的系統監測。

5 結語

本文基于既有研究成果，總結了軟巖的定義和分級方法，歸納了大變形的成因、分類和分級方案，闡述了軟巖隧道擠壓型、膨脹型大變形機理，歸納了大變形預測方法，總結了軟巖隧道大變形的控制對策。提出了進一步研究方向：

1）面對日趨復雜的軟巖隧道大變形問題，變形預測研究的重點應是軟巖變形隨時間的演化趨勢，可借助算法模型來預測軟巖的實時變形，從而準確揭示軟巖的變形特征和規律，施作與軟巖變形特征相適應的支護措施。

2）采用先讓后抗的支護理念時，“讓”到何種程度與“抗”的準確時機尚無法明確判斷，規范中給出的預留變形量似乎可以理解成“讓”的上限值，但是開挖引起的圍巖應力調整是個動態過程，在實際工況下預留變形量可能不足或者過大，很難準確把握“讓”與“抗”的量與時機，往往達不到控制大變形的目的。因此，在支護體系設計過程中如何準確權衡“讓”與“抗”，形成完整的讓壓支護體系，有待深入研究。