隧道軟弱圍巖大變形機理研究

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

隧道圍巖大變形災害主要發生軟弱破碎圍巖條件下，并且在這種地質環境中，往往存在高地應力、地下水、溫度等多場、多相耦合作用，同時還具有明顯的時空效應。在這種復雜的地質環境中，隧道圍巖不僅要承受自身的多場、多項耦合作用，而且還要承受隧道開挖、支護過程中的多次應力重分布的影響。在多種大變形影響因素的共同作用下，隧道開挖之后會引起軟弱破碎圍巖錯動、滑移，形成松動圈，巖體塑性化或吸水膨脹，從而引起隧道軟弱圍巖大變形。

二、軟弱圍巖的定義

國際上對于軟巖的定義目前尚未形成統一的意見，研究者的目的不同，給軟弱圍巖賦予的意義和標準也不同。根據《工程巖體分級標準》(GBT50218-2014)有關規定，按巖石的堅固性分類，把強度即單軸極限抗壓強度大于30MPa的巖石劃分為硬質巖石；小于30MPa的劃分為軟質巖石，其中小于5MPa的劃歸為極軟巖石。從地質學的角度出發：將強度低、孔隙率大、結構松散破碎、風化程度高切還有大量膨脹性粘土的圍巖定義為軟巖。通常按此方法定義為軟巖的巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖等巖類。從工程角度出發：軟巖是指在當前工程力的情況下會表現出顯著塑性變形等軟巖特性的圍巖。一般是指工程荷載大于巖體強度或者隧道產生變形量大于允許變形量的圍巖。

三、軟弱圍巖大變形的定義

大變形的概念是相對于正常變形來定義的，目前國內外對于大變形還沒有形成一個統一的精確標準來定義和判別大變形的發生。

徐則民從大變形的6個特征對大變形進行了概括描述；何滿潮認為大變形可分為彈性大變形和塑性大變形，但軟巖的大變形問題是一個塑性大變形問題，其區別在于與過程緊密相關；卞國忠認為圍巖變形量超過正常規定(20cm)的兩倍(即>40cm)時，可視為大變形；姜云、李天斌和王蘭生等人從工程地質的角度認為軟弱圍巖大變形定義為：隧道及地下工程圍巖的一種具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。

四、軟巖大變形機理研究

1946年，太沙基首次提出了擠出性巖石及膨脹性巖石的概念。含有較多的微觀和亞微觀云母狀礦物或者低膨脹性黏土礦物的巖石為擠出性巖石，在向隧道臨空面變形時，不會發生明顯的體積變化；而膨脹性巖石則是指礦物成分中包含有膨脹性的礦物質，侵入隧道限界的原因主要是巖石的膨脹作用，巖石體積會有明顯增大。由于深受太沙基提出的概念的影響，研究者們通常將巖石大變形機理劃分為以下兩個類型：

(1)當地下洞室開挖引起圍巖應力重分布，巖體所受地應力超過圍巖強度時，圍巖將塑性化。若圍巖的變形是瞬時產生，即為巖爆；若圍巖變形相對緩慢，則為擠出。Anagnostou指出，擠出性主要受巖體覆蓋層厚度、地應力大小和巖石強度的影響，如果相應的擠出變形條件得到滿足，原則上可以在各種巖石中發生。

(2)圍巖中富含的膨脹性礦物質，當與水發生反應時，則將引起巖體體積膨脹，發生大變形。因此，膨脹性巖體發生大變形，必須至少具備膨脹性礦物和水兩種介質。Anagnostou認為，具有膨脹性的巖體在隧道開挖時一般都具有較高的強度，膨脹性變形災害的發生通常是在隧道運營幾年之后，圍巖變形主要體現為隧道底鼓，隧道拱頂和邊墻的功能一般良好。

在圍巖大變形災害的成因中，研究者通常會對巖體的擠出和膨脹作用及其分別對大變形災害的影響程度感興趣。太沙基通過理論分析和室內試驗的研究后認為，巖體的擠出性和膨脹性是完全可以分離的：首先，巖體的擠出變形是物理變化，而膨脹變形是必須有水參與的化學變化；其次，膨脹變形災害形成的時間通常比擠出長的多。但大多數學者認為，在實際隧道圍巖大變形問題中，巖體的擠出作用和膨脹作用很難區分幵單純的擠出或膨脹性大變形很少見。一般來說，圍巖大變形產生的主要機理中，擠出性和膨脹性孰具有更重要的作用，或者說圍巖大變形機理的主要影響因素，要根據對應的隧道圍巖巖性和賦存環境等具體因素予以分析?？傮w上而言，圍巖擠出是開挖引起的應力重分布超過巖體強度時巖體屈服的結果。

在國內，同樣也有許多學者對圍巖大變形機理進行了大量的研究工作，何滿潮教授根據圍巖的變形破壞特征、特征性礦物、力學作用的特點，認為軟巖變形破壞機制與力源、深部軟巖本身分子結構的化學性質、洞室結構與巖體結構面的組合特性三個方面的因素有關，同時還按變形力學機制將深度大于500m的深部軟巖分為物化膨脹類、應力擴容類和結構變形類三類，各類中有根據引起變形的嚴重程度分為A、B、C、D四個等級，共13個亞類。陳宗基教授則認為圍巖收斂變形機理應包括塑性楔體、流動變形、膨脹變形、擴容、撓曲五個方面。

五、展望

在隧道理論研究和工程實踐中，發展了很多關于圍巖大變形的理論，也總結了大量的圍巖大變形的工程經驗，但是還存在很多不足之處。在理論研究方面，目前對于圍巖大變形還沒有一個明確的定義，研究者們僅從某個角度研究圍巖大變形，研究成果存在一定局限性，缺乏對圍巖大變形問題的系統性研究；在工程實踐方面，由于地質條件的復雜性，勘察階段對軟巖隧道的工程地質特性、變形機制和發展演化規律認識不足，導致設計階段采取的施工方法和控制技缺乏針對性，出現大變形現象，增加了施工的難度。因此，有必要對控制深埋軟巖隧道大變形的開挖和支護技術措施進行全面、系統的研究，改善和提高現有的技術水平。