高地應力環境下隧道圍巖強度特征研究

余洪璋 馮 君 姜 波 張廣澤

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031;東北大學， 沈陽 110004)

我國西南艱險山區地形、地質條件復雜，不良地質廣布，各項工程布設困難，超長且超埋深隧道多處于高地應力地質環境，巖爆、大變形等潛在工程地質問題突出。深埋隧道在硬質巖地區易出現巖爆，在軟質巖地區則易出現大變形[1-6]。

高地應力環境下，隧道工程地質問題及相關處治措施與圍巖強度特征相關。目前勘察設計中往往只考慮到了巖石的天然強度，而實際上隧道圍巖在高地應力環境下面臨三種巖石強度，分別是天然強度、原巖強度和卸荷強度，在不同的高地應力地質環境下，三種強度所表現的工程特征不盡相同，不能統一按照一種強度進行工程特性分析。本文從高地應力環境下可能存在的地質環境變化出發，結合實際鐵路工程實例，分析隧道圍巖三種強度的工程特性。

1 高地應力環境地質特征

高地應力環境下，隧道工程往往受區域地應力場和不同類型地質構造的影響。

1.1 區域地應力場

地應力為工程建設開挖之前，天然巖體內部賦存的自然應力，地應力場的形成成因非常復雜，一般認為是巖體重力和地球板塊歷次構造運動發展的結果。實際隧道工程所處地應力場分為宏觀和微觀兩個層面，宏觀層面即為區域地應力場，微觀層面即為局部地應力場。傳統工程地質中對巖體強度特性的研究往往考慮的是局部應力場，而區域地應力場與地層巖性和局部地質構造無關，往往關乎于隧道所處的地質背景。在高地應力環境下，宏觀區域地應力場對工程設計、施工的影響至關重要。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。巖體的應力狀態是影響高邊坡巖體穩定性、地下工程圍巖穩定性、大型水電站工程壩基壩肩穩定性的重要因素，也是工程設計的重要指標之一，分析和確定地應力場的分布特征和規律已成為工程力學研究的熱點問題之一。深埋隧道穿越高地應力環境時，圍巖存在三個強度狀態，可以表述為原巖強度、天然強度和卸荷強度。

1.2 地質構造特征

巖體是巖石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，主要儲存在微裂隙呈半封閉或封閉狀態的巖體結構中，彈性勢能的高低取決于微裂隙的多少。微裂隙越多彈性勢能越高。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，其結果就是發生墜落式巖爆、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，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。以鐵路隧道實例列舉高地應力環境地質構造特征如表1所示。

表1 高地應力環境地質構造特征(鐵路隧道實例)

2 隧道圍巖強度特征

圍巖的強度包含了巖塊、巖體的結構面及層間填充物的強度，是隧道圍巖的穩定性的決定因素。傳統方法進行圍巖強度分析時，往往只考慮了巖石天然強度，而高地應力環境下，應根據不同的地質構造作用，選取適宜的巖石強度進行分析。高地應力是一個相對的概念，是相對圍巖巖體強度(Rcm)而言的。也就是說，當巖體強度與最大原位初始地應力(σmax)的比值(Rcm/σmax)達到某一水平時才可能發生大變形。研究表明，當強度應力比小于0.3～0.5時，即能產生比正常隧道大一倍以上的變形。考慮地層時代、優勢結構面產狀、巖石強度、巖層厚度、巖體完整性等諸多因素，將高地應力環境下巖石強度歸結為天然強度、原巖強度和卸荷強度三類。

2.1 天然強度

圍巖天然強度，是指成巖后天然條件下的巖體強度。巖體天然強度決定于礦物組成和內部結構，與地應力、溫度等具體賦存環境無關。在高地應力環境下，巖體天然強度也是存在的。如深切河谷在緩慢卸荷條件下，谷坡、谷底基巖強度就是天然強度。河流下切是個地質歷史概念，非常緩慢，在這個過程中巖體受到的擾動很小，幾乎可以忽略不計，于是在河谷下切過程中，谷坡、谷底基巖就能基本保持原先的礦物結構，近乎天然狀態的存在。

2.2 原巖強度

原巖強度是指巖體在隧道未開挖的初始應力狀態下的強度。按牛頓第三定律，作用力與反作用力是大小相等方向相反的一對力。反作用力只能靠巖體強度提供，可以設想，當地應力小于巖體天然強度時，原巖強度就是天然強度。若地應力逐漸加大，而巖性不變，最終巖體中的地應力就會大于巖體天然強度，這種情況下，原巖強度就會隨著地應力增加而增大。

2.3 卸荷強度

卸荷強度是指處于高地應力條件下的巖體，在應力解除后的強度。在高地應力環境鉆探，巖芯出現餅化現象，強度急劇喪失，就是原巖強度轉化為卸荷強度的實證。在隧道開挖中，初揭時圍巖強度較高，隨著時間的推移，強度逐漸喪失，甚至手掰即開，跟初揭時判若兩樣，過程中還伴隨著圍巖的顯著變形。大變形和巖爆，本質上都是應力解除導致的，可以說是高地應力環境下圍巖的卸荷現象。

3 圍巖變形防控理念

在高地應力環境下，傳統的圍巖變形防控理念也不盡完全適用。隧道圍巖大變形尤其是高地應力下大變形問題已成為世界性的地下工程難題之一。國內外已有諸多高地應力環境下發生大變形災害的工程案例，如陶恩隧道、惠那山隧道、南昆鐵路的家竹菁隧道、蘭渝鐵路木寨嶺隧道、蘭新鐵路烏稍嶺隧道、金川有色金屬礦區巷道等[7-12]。針對隧道圍巖變形破壞的誘發機制和表現形式，國內外專家學者相繼提出了多種防控理論學說。其中較為廣泛認可的有 “新奧法”、“收斂約束法”、“軟巖工程力學支護理論”等。“新奧法”是由奧地利學者L.V.RABCEWICZ于1948年提出[9-11]的，并于上世紀60～70年代引入我國。該學說的主要思想是充分利用圍巖的自承能力，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時對圍巖進行加固，適應圍巖的變形，防止產生有害松弛變形。“收斂約束法”又稱為“圍巖支護特性曲線法”[13-15]，該方法的發展有賴于巖石力學和“新奧法”的發展。收斂約束思想最初由Fenner提出，該方法應用彈塑性理論推導出了隧道支護壓力與隧道開挖邊界位移的關系曲線，根據該曲線的基本特征，認為隧道支護壓力隨隧道邊界位移的增大而減小。該方法反映了圍巖與支護之間的相互作用機理，對于如何充分發揮圍巖的自承能力具有較大意義。“軟巖工程力學支護理論”[16-17]由何滿潮院士提出，運用工程地質學和現代大變形力學相結合的方法，通過分析軟巖變形力學機制，提出了以轉化復合型變形力學機制為核心的新的軟巖巷道支護理論。

盡管國內外學者對隧道圍巖變形破壞的防控理論進行了大量研究，并在實際的隧道工程中予以應用，解決了一些實際工程問題。但隨著我國基礎設施的快速發展，針對處于高地應力環境，且往往發生主要以構造應力為主的大變形的工程建設項目，其大變形的設計應有新的防控理念。

3.1 防控理念

大變形的本質是原巖解除應力所致，其根本原因是由于卸荷強度比原巖強度低得多，在卸荷過程中不可避免地出現顯著變形。

由于原巖的開挖卸荷，洞壁處出現應力集中，當圍巖強度足夠時，應力很快形成新的平衡，這就是圍巖自穩；但圍巖強度過低，卸荷后原巖發生破壞，無法在洞壁處形成平衡，則應力集中將向圍巖深部發展，若長時間無法形成新的平衡，則表現為圍巖的持續變形，這種變形將可能使整個洞室喪失穩定帶來不可接受的后果。因此，在隧道開挖后，要迅速采取加固措施，避免圍巖強度過度喪失。理想的辦法就是，開挖后迅速噴混凝土、實施短錨桿，先穩住圍巖，形成類似“千層底”的加固圈，然后再實施長錨桿，將“千層底”的根生到原巖中。同時架設鋼架并盡快封閉，并根據情況適當注漿，改善圍巖強度，形成良好的受力拱。為了減小對圍巖的擾動，提高卸荷強度，縮短封閉時間，還應推行機械化開挖。因為采用礦山法施工，爆破過程始終有突發性，容易造成既有結構面突然張開，卸荷強度顯著降低。

綜上所述，軟巖大變形應遵循“適度釋放、主動控制、強化支護、后注漿修復圍巖、充分調動圍巖的自承載能力，控制塑性區發展”的防控理念，即通過一定強度的支護結構，采用大型機械配套，改善開挖方法，強化錨桿，加強鋼架，以實現 “快挖、快支、快錨、快封閉”，以較小的代價實現對圍巖的保護和主動加固，最終達到變形防控目的。

3.2 工程案例

成蘭鐵路躍龍門隧道3號斜井工區埋深約 1 100 m，地層巖性為震旦系邱家河組(Zbq)炭質板巖、頁巖夾砂質板巖，巖體強度約3 MPa。施工中過程中發生了嚴重大變形，最大變形量達2 m以上，躍龍門隧道3號斜井工區正洞變形如圖1所示。

圖1 躍龍門隧道3號斜井工區正洞變形圖

根據現場圍巖變形特征，采取主動控制技術。(1)將開挖斷面調整為圓形斷面，更有利于結構受力。(2)根據變形發展特點，設計多層支護，采用長短組合錨桿主動加固圍巖。(3)配置大型機械，實現快速開挖，快速封閉成環，減少圍巖松弛。

通過上述措施，成洞變形量控制在30 cm以內，大變形得到有效防控。現場成洞效果影像如圖2所示。

圖2 現場成洞效果影像圖

4 結論

本文將高地應力地質環境及地質構造因素下的隧道圍巖強度分為三類，并結合工程實例，對以構造應力為主的軟巖大變形防控理念進行了綜合分析，得到以下結論：

(1)高地應力環境下，隧道圍巖應考慮三種巖石強度，分別是天然強度、原巖強度和卸荷強度。在不同的高地應力地質環境下，三種強度所表現的工程特征不盡相同，不能統一按照一種強度進行工程特性分析。

(2)對以構造應力為主的隧道圍巖大變形和巖爆，應著重考慮圍巖的卸荷強度。

(3)針對構造應力為主的軟巖大變形，本文提出了“千層底”加固圈的防控理念，并提出了“快挖、快支、快錨、快封閉”的主動防控設計方法。