隧道大變形機(jī)理及分類分級探討

張廣澤,馮 君,2,易勇進(jìn),柴春陽,強(qiáng)新剛,王振友

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,沈陽 110004)

隧道大變形是指在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下圍巖發(fā)生破壞并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象。由于應(yīng)變能的釋放是個(gè)緩慢過程，因此隧道發(fā)生大變形不同于巖爆的脆性破壞，而屬于在高地應(yīng)力等同條件下的柔性破壞。其實(shí)質(zhì)是圍巖產(chǎn)生剪應(yīng)力并使巖體彼此錯(cuò)動(dòng)、斷裂破壞，進(jìn)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(chǎn)生大變形，發(fā)生隧道失穩(wěn)的現(xiàn)象。根據(jù)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(jī)理理解為巖石的擠出變形和膨脹變形。膨脹變形一般發(fā)生于膨脹性巖體，因此，對于大多數(shù)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(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，大變形是相對正常變形而言。在鐵路隧道工程領(lǐng)域，喻渝[2]從預(yù)留變形量出發(fā)，以預(yù)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(fā)生25 cm位移、雙線隧道發(fā)生50 cm的位移，則認(rèn)為發(fā)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(yīng)力及應(yīng)力比為指標(biāo)變形等級進(jìn)行劃分。日本[4]采用相對應(yīng)變來判斷圍巖的擠出程度并進(jìn)行等級劃分。

但大量工程實(shí)踐表明，隧道發(fā)生大變形并非由單一因素造成，往往受到區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其擠壓程度的共同影響。實(shí)際上，大變形嚴(yán)格受構(gòu)造控制，它是在最大主應(yīng)力近于水平的應(yīng)力場中，地殼運(yùn)動(dòng)在隧道開挖后的表現(xiàn)形式，以變形量大、變形速度快，持續(xù)時(shí)間長為特征。沒有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或地殼的長期蠕變，隧道開挖后是不會(huì)發(fā)生大變形的，理論上松動(dòng)圈會(huì)迅速定形下來。深大斷裂帶、褶皺核部或轉(zhuǎn)折端是易發(fā)生大變形的部位，翼部順層、構(gòu)造節(jié)理密集帶也容易發(fā)生大變形。

本文基于地質(zhì)學(xué)方法，從區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、松動(dòng)圈擴(kuò)展出發(fā)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相對變形量，分析隧道大變形的機(jī)理，并提出適應(yīng)中國隧道建設(shè)管理水平的大變形分類分級標(biāo)準(zhǔn)和寧強(qiáng)勿弱的預(yù)加固支護(hù)措施，有利于加快施工進(jìn)度、降低費(fèi)用、保障施工和運(yùn)營安全。

1 隧道大變形機(jī)理

1.1 地應(yīng)力場

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

1.2 地層巖性

就區(qū)域應(yīng)力場中某一個(gè)點(diǎn)而言，地層巖性不同則地應(yīng)力也不同。巖體在特定應(yīng)力場中發(fā)生的變形，一是巖石密度的變化，一是結(jié)構(gòu)面的剪切擴(kuò)容，后者起決定性作用。根據(jù)能量守恒定律，這個(gè)點(diǎn)無論巖石軟硬、巖體完整性如何，地應(yīng)力作用在該點(diǎn)上所積聚的勢能是相同的。

根據(jù)能量守恒定律，在區(qū)域應(yīng)力場中某一個(gè)點(diǎn)，巖性為軟巖則應(yīng)力小而應(yīng)變大，巖性為硬巖則應(yīng)力大而應(yīng)變小。隧道開挖解除應(yīng)力后，巖體有恢復(fù)先前狀態(tài)的趨勢，初始應(yīng)變大者工后變形量必然大，反之則小。可見，相同應(yīng)力場中的某個(gè)點(diǎn)，巖性為軟巖時(shí)發(fā)生大變形的可能性更大。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

巖體是巖層受構(gòu)造擠壓產(chǎn)生各種破裂面后形成的結(jié)構(gòu)體，其彈性勢能大部分儲存在巖體結(jié)構(gòu)上，只有少部分儲存在巖石晶格之間。當(dāng)巖石堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)面貫通性差時(shí)，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢能，主要儲存在裂隙呈半封閉或封閉狀態(tài)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(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，巖塊、巖屑如同子彈出堂，導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

當(dāng)巖石堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)面貫通性好時(shí)，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢能，主要儲存在結(jié)構(gòu)面相互交切的巖體“框架結(jié)構(gòu)”上，它是“框架結(jié)構(gòu)”發(fā)生變位、變形而積聚的能量。隧道開挖卸荷后，圍巖為恢復(fù)先前的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為以塊體為單元的彈性勢能的釋放。如果“框架結(jié)構(gòu)”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(gè)或多個(gè)巖塊突出、擠出的形式釋放彈性勢能，其結(jié)果就是發(fā)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(tài)，兩者之間還有中間狀態(tài)。由于中間狀態(tài)對隧道開挖影響不大，所以工程界只作為正常的圍巖支護(hù)對待。隨著完整性的降低，當(dāng)巖體呈碎裂狀時(shí)，圍巖變形大多以蠕變的方式擠出，發(fā)展為大變形。

大變形的發(fā)生與巖石的軟硬沒有本質(zhì)關(guān)系，主要與巖體所遭受的構(gòu)造擠壓程度和構(gòu)造演變過程有關(guān)。如天平線關(guān)山隧道，晚古生代侵入的閃長巖，飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)81.4～108 MPa，屬極硬巖，現(xiàn)今應(yīng)力場以最大主應(yīng)力近于水平23～24 MPa，經(jīng)歷印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和熱液蝕變后，巖體具典型板片狀碎裂巖特征，結(jié)構(gòu)面多為綠泥石化且錯(cuò)動(dòng)明顯，開挖后出現(xiàn)嚴(yán)重大變形及塌方掉塊現(xiàn)象。當(dāng)然，層薄質(zhì)軟的巖層與塊狀堅(jiān)硬的巖層比較，在同一應(yīng)力場中經(jīng)歷相同的時(shí)間，前者所遭受的變形程度更為嚴(yán)重，隧道開挖后大變形的等級更高。

1.4 松動(dòng)圈擴(kuò)展

現(xiàn)代水電岸坡應(yīng)力場研究表明[5-15]，在某一特定的區(qū)域內(nèi)岸坡基巖普遍存在卸荷帶。在巖性和構(gòu)造基本相同時(shí)，區(qū)域最高夷平面與河谷岸坡上某個(gè)點(diǎn)的高差，決定著該區(qū)域這個(gè)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(zhì)構(gòu)造基本相同的段落，若區(qū)域海拔相差不大，開挖后形成的松動(dòng)圈厚度也大致相同。同河谷岸坡卸荷帶一樣，隧道松動(dòng)圈也只與區(qū)域最高夷平面與洞身高差有關(guān)，而與隧道的實(shí)際埋深關(guān)系不大。

實(shí)際上，隧道結(jié)構(gòu)所承受的力，并不與地應(yīng)力直接發(fā)生關(guān)系，而只與松動(dòng)圈的變形力有關(guān)。松動(dòng)圈越厚，其所產(chǎn)生的變形力就越大，隧道結(jié)構(gòu)所承受的力就越大。大變形是松動(dòng)圈持續(xù)發(fā)展的結(jié)果。

2 隧道大變形分類

根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)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(fā)生在區(qū)域斷層帶；碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶；順層型發(fā)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(fā)隧道底鼓。

2.1 斷層型

斷層型發(fā)生在區(qū)域斷裂帶內(nèi)。隧道開挖后應(yīng)力重分布，徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增加，圍巖發(fā)生剪切變形、破壞而持續(xù)擴(kuò)容、松弛、鼓脹，具有明顯的蠕變特征，一般要產(chǎn)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(xué)群姐德秀組下段(T3j1)碳質(zhì)絹云千枚巖為主，偶夾板巖、石英砂巖，弱風(fēng)化夾強(qiáng)風(fēng)化狀，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂縫合帶(F1-5)及靡棱巖影響帶等地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎～極破碎狀，呈角礫、碎石狀松散結(jié)構(gòu)，股狀地下水發(fā)育，由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，加之千枚巖遇水易軟化，在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力差，整體圍巖穩(wěn)定性變差。單日最大變形量66 mm，累計(jì)變形達(dá)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(gòu)造略圖

2.2 碎裂型

碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶。隧道開挖后應(yīng)力重分布，徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增加，圍巖發(fā)生剪切變形，持續(xù)擴(kuò)容、松弛、鼓脹，以追蹤既有各類結(jié)構(gòu)面為特征，新的破裂面較少。

中義隧道DK41+400～DK44+600段處于龍?bào)础獑毯髷嗔雅c玉龍雪山西麓斷裂加持的斷塊內(nèi)，線路的走向與龍?bào)础獑毯髷鄬?區(qū)域性活動(dòng)斷裂)大致平行，隧道距斷層650～1 000 m。區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為SH>Sv>Sh，屬于平移斷層應(yīng)力模式。最大水平主應(yīng)力達(dá)15.4 MPa。最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為1.5。區(qū)內(nèi)玄武巖(Pβ)經(jīng)受強(qiáng)烈的蝕變及構(gòu)造作用，表現(xiàn)出碎裂化特征，其碎裂玄武巖構(gòu)造見圖3。礦物分析結(jié)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(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場原位測試，黏聚力為220 kPa，內(nèi)摩擦角15°。受地應(yīng)力影響，隧道出現(xiàn)嚴(yán)重大變形(Ⅱ型)，水平收斂單側(cè)最大累計(jì)變形達(dá)72 cm，根據(jù)松動(dòng)圈測試資料，其平均厚度為4.3 m。

2.3 順層型

順層型發(fā)生在褶皺翼部。隧道軸向與巖層走向小角度相交時(shí)，在隧道輪廓與巖層面相切部位，巖層向臨空面持續(xù)發(fā)生彎曲變形，出現(xiàn)新的張裂隙；而在隧道輪廓與巖層面斜交部位，由于切向應(yīng)力的作用，造成巖體沿層面持續(xù)擠出。

營盤山隧道是新建成昆復(fù)線由四川盆地邊緣進(jìn)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(shè)計(jì)建成的最長雙洞單線隧道，為成昆復(fù)線重點(diǎn)控制性工程。

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

圖4 頁巖、炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖(右傾順層)

施工過程中出現(xiàn)初期支護(hù)開裂變形、掉塊及剝落現(xiàn)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(jì)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(hù)開裂變形、掉塊及剝落

3 隧道大變形分級

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

大變形與地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性關(guān)系密切。按變形機(jī)理，定量評價(jià)和預(yù)測大變形，主控因素有抗彎強(qiáng)度與彎矩之比、抗剪強(qiáng)度與剪應(yīng)力之比、抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)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(gè)比值的獲得，取決于地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性，這些復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件，幾乎不可能量化進(jìn)入公式。目前大變形研究進(jìn)入了誤區(qū)，地質(zhì)工作者投入很大精力、資金用于測量地應(yīng)力和巖石巖體強(qiáng)度，企圖定量解決大變形的預(yù)判問題，但效果卻很差，不但工程進(jìn)展緩慢，安全、工期風(fēng)險(xiǎn)也難以保障。

大變形分級，應(yīng)在最大主應(yīng)力近于水平的前提下，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，參考TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》以及其他相關(guān)研究成果，進(jìn)行綜合預(yù)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(yīng)采取“強(qiáng)支護(hù)、預(yù)加固、快封閉”的控制設(shè)計(jì)方法。在某一特定的區(qū)域，特定的巖性和構(gòu)造環(huán)境下，隧道達(dá)到一定埋深后，若區(qū)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(guī)變形的變形量更大，持續(xù)時(shí)間更長，它是隨著隧道開挖后的應(yīng)力調(diào)整，松動(dòng)圈持續(xù)擴(kuò)展，由表及里逐漸完成的。因此應(yīng)在開挖之初，根據(jù)地層巖性和構(gòu)造條件，結(jié)合區(qū)域應(yīng)力場特點(diǎn)對大變形進(jìn)行預(yù)判，采取寧強(qiáng)勿弱的預(yù)加固措施或快速施工工法，以限制松動(dòng)圈的持續(xù)發(fā)展，加快施工進(jìn)度。那種邊放邊抗的“添油”戰(zhàn)術(shù)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且安全風(fēng)險(xiǎn)很大。軟巖大變形的處理措施，主要有長錨桿、分層支護(hù)、加厚襯砌，必要時(shí)輔以小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放。但其處理措施不僅與地質(zhì)條件有關(guān)，還與施工工法、工藝、組織、管理密切相關(guān)。大變形的處理，在勘察設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)是對大變形進(jìn)行預(yù)判并預(yù)留費(fèi)用；施工階段則通過開挖揭示圍巖進(jìn)行驗(yàn)證，重新調(diào)整大變形分類分級，采取寧強(qiáng)勿弱的支護(hù)措施，并通過試驗(yàn)段確定其有效性。實(shí)踐表明，頻繁試驗(yàn)和調(diào)整支護(hù)參數(shù)，希望找到費(fèi)用最省的支護(hù)措施，在實(shí)踐中是行不通的，不但影響工期，也難保障施工和運(yùn)營安全。

5 結(jié)論

基于地質(zhì)學(xué)方法，從區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、松動(dòng)圈擴(kuò)展出發(fā)，分析了隧道工程中軟巖大變形的機(jī)理。根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)造部位，將大變形進(jìn)行分類；結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，對大變形進(jìn)行了分級。得到以下結(jié)論。

(1)隧道大變形的產(chǎn)生不是由單一因素控制，往往受到區(qū)域地應(yīng)力場、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其擠壓程度的共同影響。

(2)根據(jù)大變形發(fā)生的構(gòu)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(fā)生在區(qū)域斷層帶；碎裂型發(fā)生在褶皺核部、轉(zhuǎn)折端以及構(gòu)造節(jié)理密集帶；順層型發(fā)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(fā)隧道底鼓。

(3)不宜用強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行大變形分級，而應(yīng)在最大主應(yīng)力近于水平的前提下，根據(jù)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、相對變形量，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，參考相應(yīng)規(guī)范及其他相關(guān)研究成果，進(jìn)行綜合判定。

(4)大變形應(yīng)采取“強(qiáng)支護(hù)、預(yù)加固、快封閉”的控制理念。