高烈度地震區隧道擠壓性圍巖大變形預測及其應用

摘要：擠壓性圍巖大變形通常發生在高地應力下強度較低的可塑性軟巖中，其特征為在地應力作用下隧道圍巖進入屈服狀態，隧周收斂及掌子面變形激增，并且隨時間增加，變形達到相當大量級。依托成昆鐵路擴能改造工程峨米段長大隧道工程，運用強度應力比和隧道周邊應變的關系，對隧道可能存在的擠壓性圍巖大變形段落進行了預測。基于預測結果的擠壓性圍巖大變形控制措施預設計，在成昆鐵路擴能改造工程峨米段長大隧道工程施工實踐表明：基于強度應力比和隧道周邊應變關系進行擠壓性大變形預測，采用根據預測結果按輕微、中等和強烈三級大變形預設計控制措施，實現了隧道施工過程中的擠壓性圍巖大變形控制，為隧道順利施工提供了保障，思路方法可對同類隧道工程施工具有借鑒和參考意義。

關鍵詞：高烈度地震區; 隧道; 擠壓性圍巖; 大變形; 預測; 控制

中國分類號：U456.3+1A

［定稿日期］2022-03-31

［基金項目］四川省科技計劃項目（項目編號：2022JDJQ0017）

［作者簡介］廖煙開（1980—），男，碩士，高級工程師，主要從事隧道及地下工程修建技術以及工程地質勘查和物探新技術研究工作。

［通信作者］唐俊林（1981—），男，本科，高級工程師，主要從事鐵路建設管理工作。

0 引言

作為三類圍巖大變形（松散型圍巖大變形、膨脹性圍巖大變形和擠壓性圍巖大變形）的其中一類，高地應力環境條件下下隧道擠壓性圍巖大變形，因其常導致初期支護開裂、鋼架扭曲以及侵入凈空等災害，且其預測和控制都是亟待解決的難題，受到隧道及地下工程專業工作者的高度重視。

“大變形”中的松散型圍巖大變形，依據施工期圍巖變形監測結果，通過及時加大支護的剛度和支護與圍巖的密貼性，可以達到圍巖變形控制和避免大變形災害發生的目的。膨脹性圍巖大變形，盡管變形的持續性及較大量值，給隧道施工造成相當大困難，但膨脹巖分布范圍有限，通過加強地下水的排導還是能得到有效治理。但擠壓性圍巖大變形，盡管變形不至導致圍巖迅速塌方，但大變形或導致初支侵限，或導致初支破壞，造成侵限和破壞初支不得不進行拆換，輕者造成材料的浪費，嚴重者造成拆換過程安全事故甚至延誤施工工期，對隧道工程施工安全和工期影響極大。因此，開展高地應力軟巖擠壓型變形預測研究，對于隧道工程建設具有重要的意義。

1 擠壓性圍巖大變形特征

已有擠壓性圍巖大變形資料表明，大變形總發生在構造帶中強度較低的可塑性軟巖中，如活動斷裂帶、高烈度地震活動區的千枚巖、片麻巖、云母、石灰巖；擠壓變形容易發生在當巖石荷載達到一定量值條件時；擠壓變形意味著隧道圍巖進入屈服狀態，隧周收斂及掌子面變形激增，并且隨時間增加、達到相當大量級，活動斷層、巖層的層理及片理產狀對于大變形的發生和發展起著非常重要的作用。

擠壓變形的主要特征表現在幾個方面：

（1）變形量大。

（2）變形速率大。

（3）變形持續時間長。

（4）支護變形及破壞形式多樣。

擠壓性圍巖大變形，圍巖巖體往往發生很大變形而不塌，由于大變形巖體的連續性，作用于支護結構上的主要是形變壓力，而松弛壓力相對較小。

2 擠壓性變形預測方法的研究現狀

關于圍巖大變形相關學者做了大量的研究。國際巖石力學學會（ISRM）就圍巖大變形問題給出“擠壓變形是一種與時間相關的變形行為，通常發生在地下空間開挖面周邊，一般由于極限剪切應力失穩而導致的蠕變所造成。這種變形可能會在開挖期間停止，也有可能持續非常長的時間”的定義。

表1為國內外關于擠壓變形量預測方法及其原理。

3 應用實例

3.1 應用工程概況

新建成昆鐵路擴能改造工程起自峨眉站，經燕崗、樂山市沙灣、峨邊、金口河進入涼山州甘洛、越西、喜德、冕寧至西昌，經德昌至攀枝花市。工程往北通過成昆線成峨段連通成都樞紐，與寶成、成隧渝鐵路以及在建的成綿樂城際北段、成蘭鐵路、西成客專、成渝客專及規劃的川青、川藏等鐵路相接，通往川西和西北廣大地區和華北、東北、和華東等部分地區；往南通過攀枝花地區與規劃的昭攀麗鐵路相交，可通往麗江方向和滇東北黔西北，向南與昆明樞紐連接，通達滇、黔、桂及珠三角地區，是西南地區骨架路網的重要組成部分。

3.2 應用工程特點

新建成昆鐵路擴能改造工程，以穿越區地質質構造復雜、工程地質條件較差和長大隧道多未為主要特點。

3.2.1 地質構造復雜

線路所經過的地區地質構造復雜，斷裂等各種災害性地質問題極其發育。

（1）線路經過的牛日河、安寧河、雅礱江、金沙江和龍川江，大都是沿著大斷裂發育的構造河谷。

（2）很多斷裂的繼承性活動明顯。

（3）受新構造運動的影響，全線有500 km以上位于地震烈度7到9度的地震區，其中8到9度的有200 km以上。在這些新構造運動強烈區，連一些第四系地層都有大量的褶皺和斷裂。

（4）沿線地層，按地質年代從老到新各種地層都有出露，沉積巖、巖漿巖、變質巖三大類巖性種類齊全。

3.2.2 工程地質條件較差

本段線路大致分為構造剝蝕中高山、河谷階地2個地貌單元區。構造剝蝕中高山受川滇經向構造體系和局部受該體系與青藏高原滇緬歹字型北北西向構造體系復合的控制，西部和東部（以安寧河為界）分屬大雪山系和大涼山系，群山矗立，河流切割劇烈，高差懸殊。河谷階地主要有安寧河谷、越西河階地。

沿線不良地質主要有：巖溶、滑坡與坍滑、危巖落石及崩塌、巖堆、泥石流、人工坑洞、有害氣體及順層等；特殊巖土主要有：膨脹土、軟土及松軟土、人工填土、昔格達組地層等。

3.2.3 長大隧道多

全線長度在6 000～10 000 m隧道7座共57 021 m，10 000 m以上隧道7座96 547延長米。峨邊南至越西南段新建雙線隧道16座，共計101.755 km，占該段正線線路總長的88.48% 。本線為山區鐵路，地質多樣，地形復雜。控制工期工程、施工條件困難工程及特別復雜的工程均為橋隧工程，跨大江大河的高墩大跨橋和特大隧道群是本線橋隧工程的特點，也是工程難點和復雜之所在。

3.3 隧道擠壓性圍巖變形預測及結果

3.3.1 預測方法

TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》［13］根據Rb/σmax和圍巖變形特征，將圍巖大變形分為三級；Q/CR9512-2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規范》［14］中建議設計階段可采用巖體強度應力比Rcm/σcm指標進行變形潛勢及變形等級預測，并進行預案設計。因此本文在地質分析的基礎上，主要采用強度應力和Hoek 與 Marinos提出的隧道周邊應變與巖體強度應力比的關系對成昆鐵路峨米段可能發生擠壓性大變形隧道的變形等級和變形量值進行預測。

3.3.2 預測結果

表2～表6分別為三峨山隧道（全長10 352 m，最大埋深約800 m）、八月嶺隧道（最大埋深約1 500 m）、月直山隧道（最大埋深約1 800 m）、吉布甲隧道（最大埋深為720 m）和小相嶺隧道（最大埋深約1 300 m）分段圍巖變形擠壓等級及變形量值預測結果。

由表2～表6可知：

（1）三峨山隧道基本不存在擠壓變形。

（2）八月嶺隧道DK230+220-DK236+610（6 390 m）埋深從500 m變化到1 500 m，擠壓等級從輕微變化到強烈。

（3）月直山隧道擠壓性圍巖變形包括DK241+070-DK242+420（1 350 m）中等擠壓變形、DK242+420-DK245+410（2 990 m）強烈擠壓變形、DK245+410-DK248+250（2 840 m）強烈擠壓變形，出口DK251+100-DK254+000段可能出現局部輕微擠壓變形。

（4）吉布甲隧道擠壓性圍巖變形包括DK289+420-DK289+650（230 m）強烈擠壓變形、DK291+082-DK291+490（408 m）中等擠壓變形，以上2段落為物探異常區，初步按破碎圍巖判定。

（5）小相嶺隧道擠壓性圍巖變形包括DK349+450-DK356+840（7 390 m）、DK360+115-DK363+850（3 735 m壓）和DK363+850-DK365+183（1 333 m）強烈擠壓變形。

3.4 擠壓性軟巖大變形控制措施預設計

3.4.1 控制措施預設計原則

根據預測結論，確定成昆線隧道高地應力軟巖大變形控制施工原則為：工程類比原則；寧強勿弱原則；方便施工原則；把控質量原則；快速通過原則。預留變形量設置則遵循“寧大勿小、避免拆換”的原則。

3.4.2 控制措施

針對可能發生圍巖擠壓性大變形段，提出了包括預留變形量加大、施工工法變更、初期支護措施加強及其及時施工、二次襯砌適時施工、機械設備配置加強和監控量測工作加強等詳細的指導意見。

設計單位將圍巖擠壓大變形按輕微、中等和強烈3個級別分別進行擠壓性圍巖大變形控制措施的預設計。表7 成昆鐵路峨米段隧道擠壓性變形施工預設計措施。

3.5 控制效果

現場實際施工過程中，在預測可能存在中等和強烈擠壓變形的地段，按照預設計提前做好準備工作，時刻分析監控量測數據的變化，及時調整控制措施，因控制措施及時且有效，施工過程中為發生因變形導致的安全事故發生，目前上述長大隧道均已順利貫通。該擠壓變形預測方法和控制措施得到很好的應用和驗證。

4 結論

（1）結合地質分析，采用強度應力比和隧道周邊應變的關系完成的成昆鐵路擴能改造工程峨米段長大隧道圍巖變形擠壓等級及變形量值預測，為隧道施工圍巖擠壓性變形控制設計提供了科學的依據。

（2）成昆鐵路擴能改造工程峨米段長大隧道工程施工實踐表明，采用強度應力比和隧道周邊應變的關系進行長大隧道圍巖變形擠壓等級及變形量值預測，根據預測結果進行擠壓性圍巖大變形控制措施預設計，實現了擠壓性圍巖大變形控制，確保了隧道施工的安全和順利完成，思路及方法對類似隧道危巖擠壓大變形災害防控制具有重要的借鑒意義。

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