高地應力軟巖大變形隧道防控關鍵技術研究

李國良，李寧，丁彥杰

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司總工程師辦公室，陜西 西安710043；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋梁隧道設計院，陜西 西安710043；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司國家軌道交通重點實驗室，陜西 西安710043）

0 引言

近年來，隨著隧道工程向“長、大、深、難”方向發展，高地應力軟巖大變形隧道不斷涌現。軟巖大變形通常表現為圍巖變形量大、變形速率高、變形持續時間長，極易發生初支變形破壞、鋼架扭曲、侵限拆換，甚至二次襯砌壓潰等現象，給設計和施工帶來極大困難。自20世紀出現首例高地應力軟巖大變形隧道后，軟巖大變形就一直是困擾地下工程的難題，解決該類問題的研究也逐漸展開［1-4］。結合工程實踐，從變形分級、變形機理、變形控制技術等方面，探討高地應力軟巖隧道相關技術問題，有利于減少工程事故，達到控制風險、減少損失的目的。

1 高地應力判定

高地應力是一個相對概念，它與巖體所受的應力歷史及巖體強度、巖體彈性模量等因素有關。對于高地應力的判定，尚無統一規定，一般采用定量法、應力比值法和強度應力比法判定，國內外常用的地應力判定劃分標準見表1。從表中可以看出，我國與國外部分國家的地應力判定劃分標準差別較大，這反映出不同國家對高地應力的定義差異較大。

實測資料表明，發生軟巖大變形時，最大主應力值多為20～25 MPa，或強度應力比＜4；在最大主應力值為10～20 MPa，或強度應力比為4～7時，也有不少軟巖大變形發生，如南昆鐵路家竹箐隧道、蘭渝鐵路兩水隧道等；當地應力＜10 MPa，或強度應力比＞7時，很少發生軟巖大變形。結合現場實踐，制定高地應力判定劃分標準（見表2）。

表1 地應力判定劃分標準

表2 高地應力判定劃分標準

2 高地應力軟巖變形分級

2.1 圍巖特征

高地應力軟巖一般為層片狀軟巖及蝕變軟巖，尤其以泥質結構或黏土礦物含量較高的巖石最為典型，常見種類有炭質泥巖、炭質頁巖、泥質頁巖、泥灰巖、凝灰巖、板巖、炭質板巖、綠泥片巖、炭質片巖、云母片巖、絹云母片巖、千枚巖、炭質千枚巖、綠泥石千枚巖、各類蝕變巖、煤系地層及其斷層破碎帶構造巖等。

巖性特點為軟硬不均、巖性交替分布，沿隧道軸向變化頻繁，總體上巖質軟、強度低。巖層以薄層、片狀為主，局部中厚層，層厚變化頻繁；巖體結構呈層狀、碎（塊）石狀、松散及角礫狀，受地質構造影響嚴重，節理裂隙發育，褶皺及小揉皺構造發育，巖體中含層間擠壓破碎帶及次生小斷層（見圖1）。

圖1 高地應力軟巖隧道典型圍巖

2.2 變形分級

高地應力軟巖是特殊環境的特殊地質問題，不能采用現行圍巖分級及支護標準，需進行特殊設計。因此，制定高地應力軟巖分級標準十分必要，其直接影響變形控制技術方案的確定。業界對變形分級展開了一定研究，并提出了變形分級的方法和標準［5-6］，但由于依托的工程項目不同、地質條件迥異，導致各方法和標準差異較大。擠壓性圍巖變形分級對照見表3。

目前，我國軟巖大變形分級主要分為3個等級，但一些特殊復雜條件下，該分級法略顯粗泛，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段圍巖強度應力≤0.01，與現行TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》規定的極高地應力（Rcm∶σmax＜4）相比，處于“特極高地應力”狀態。施工中出現了極嚴重擠壓性大變形，變形控制難度極大，現場采取放抗結合的多重支護+超前應力釋放小導洞等綜合技術控制變形，其變形等級、強度應力比超出該分級法中的Ⅲ級。結合烏鞘嶺隧道科研情況，以及Hoek高地應力軟巖等級劃分標準，將高地應力軟巖隧道變形等級劃分為4個等級（見表4）。由表4可知，木寨嶺隧道嶺脊核心段變形等級為Ⅳ級，由此解釋了嶺脊核心段變形極嚴重的原因。

表3 擠壓性圍巖變形分級對照

鑒于高地應力軟巖大變形隧道的地質極其復雜多變，且圍巖強度和地應力數據獲取難度大，根據蘭渝鐵路、烏鞘嶺隧道等科研成果［7-12］，綜合初始地應力狀態、巖石堅硬程度、巖層厚度和巖體完整程度等4個要素，評判現場掌子面的變形等級。高地應力軟巖變形分級與圍巖特征見表5。

表4 高地應力軟巖變形等級劃分標準

表5 高地應力軟巖變形分級與圍巖特征

3 變形管理體系

高地應力隧道所處地質環境不同，以及所選洞形、支護結構設計、施工開挖方法、支護時機等不同，其所表現出的擠壓程度和變形等級也不盡相同。因此，應根據高地應力軟巖隧道具體情況，制定變形管理等級進行動態設計與施工管理，從而達到有效控制變形、避免支護侵限破壞的目的。

3.1 支護適應性評價標準

通過總結現場圍巖變形特征及初期支護破壞侵限現象，提出由變形速率（初期3～5 d平均變形速率）評價支護體系適應性的標準體系（見表6）。當變形速率達到高速（大于50 mm/d）且無收斂趨勢時，說明圍巖變形潛勢巨大，需加強支護體系或采取超前應力釋放；當變形速率在中、低速（10～50 mm/d）且漸趨收斂時，說明支護體系抗力與圍巖應變能釋放產生的擠壓應力相適應，支護基本合理，并視變形發展情況可適時補強。

表6 按初期變形速率評價支護體系適應性

對高地應力軟巖隧道而言，考慮圍巖的特殊性和復雜性，支護體系應以適當且略強為宜，即保證結構的運營安全又經濟合理?？偨Y起來，變形控制的目的就是控制圍巖的變形速度，將高速變形控制到中速及以下，將中速變形控制到收斂，以減少初期支護和二次襯砌的形變壓力，保證結構安全。

3.2 監控量測管理等級及對策

針對高地應力軟巖隧道變形量大、變形速率高、持續時間長等特點，監控量測管理采用變形位移和速率雙控指標。高地應力軟巖隧道施工變形管理等級劃分見表7，高地應力軟巖隧道變形管理對策見表8。按

表7 的管理等級和表8的對策指導施工，當實測數據已接近表中規定的數值，或混凝土表面出現明顯裂縫時，應采取立即補強措施，并改變施工方法或設計參數。

表8 高地應力軟巖隧道變形管理對策

4 結論

通過對初始地應力狀態劃分標準和擠壓大變形分級國內外現狀調研，結合高地應力軟巖隧道圍巖特征及變形機理的相關研究，提出高地應力軟巖隧道設計與施工關鍵技術，得出以下結論：

（1）采用強度應力比和地應力量值作為初始地應力狀態評價基準，相比強度應力比單一指標更科學；

（2）高地應力軟巖變形等級劃分為4個等級較3個等級更合理，操作性更強，變形等級為Ⅲ、Ⅳ級的高地應力軟巖地段宜開展先行試驗；

（3）高地應力軟巖變形控制遵循優化洞形、主動控制、適度釋放、強化支護的控制理念，控制支護的強度，選擇合理的支護時間；

（4）針對高地應力軟巖變形特點，提出大變形分級管理標準及相應防治措施，可有效控制大變形，保障隧道施工安全和結構穩定。