兰渝线高地应力区隧道变形机制及分级探讨

王建军

(铁一院地质路基处，西安 710043)

0 引言

新建兰渝线兰州—广元段正线建筑长度(设计起点至甘溪沟设计终点)为493 km，其中隧道工程总计342.261 km，65座。线路通过甘肃省东部、南部和四川省西北部，地质构造十分复杂，经历了多期的构造运动，形成了多个地质构造体系，从北向南，经过祁连褶皱系、秦岭褶皱系、松潘-甘孜褶皱系、扬子准地台4个一级大地构造单元。洞身通过软岩地层包括第三系(N)砂岩，三叠系(T)、二叠系(P)板岩、炭质板岩，志留系(S)千枚岩、炭质千枚岩及其断层破碎带。

目前国内外提出的工程围岩分类方法已经多达百种，尽管各种分类方法都有其自己的标准，但对于高地应力区围岩的具体级别还没有明确的说明。由于围岩分级方法侧重点不同，在高地应力地区等特殊情况下分级与实际情况相差较大，适宜性相对较差。文献［1］指出现有规范在高地应力等特殊地质情况下分级的相对不适宜性，并探讨分析了按规范分级时岩体质量具有的边缘效应。文献［2］针对公路隧道围岩分级，采用统计理论、数量化理论对施工阶段围岩亚级分级进行研究。文献［3］将支持向量机应用于岩体质量等级分类中，采用工程中适用性强的指标(如岩石质量指标、完整性系数、单轴饱和抗压强度及结构面摩擦因数)作为判别因素，选用径向基核函数进行训练，通过交叉验证确定最佳模型参数，建立了岩体质量分级模型。文献［4］根据广东省惠深高速公路牛湖山隧道勘察情况，对其围岩质量进行分级评价中主要采用了可拓评价体系，并通过与灰色关联分析方法、专家经验方法等评价结果相比较，得出高速公路隧道围岩分级系统可拓评价体系具有科学性、合理性、经济性。

在兰渝铁路高地应力软岩隧道施工实践中发现，根据现行铁路工程地质勘察规范关于围岩分级的划分标准进行围岩判定，存在围岩级别与支护措施不相匹配，即使支护措施很强仍然存在变形较大甚至侵限换拱的现象。本文通过现场变形控制试验段及大量变形段地质因素统计，探讨软岩变形机制，并初步建立高地应力区软岩分级体系。

1 软岩定义

结合兰渝铁路工程实例，就目前岩石工程学界关于软岩概念的分析总结，侧重于从力学特性方面将岩石饱和单轴抗压强度为0.5～30 MPa、具有变形大、岩体抗剪强度低、弹性模量小的岩层统称为软岩［5］。包括成岩作用或胶结程度差的碎屑岩，具有膨胀作用的泥岩、页岩等黏土岩及煤系地层，受构造作用明显的(炭质)片岩、云母片岩、绿泥石片岩、(炭质)板岩、(炭质)千枚岩等变质岩类，球状风化严重的花岗岩类，亦包括上述软质原岩形成以散体结构为主的断层泥、断层角砾、糜棱岩、压碎岩等断层或构造挤压破碎带。

2 隧道大变形的受控条件

地层岩性及其物理力学性质、岩体结构、地应力、隧道埋深、地下水以及工程因素是隧道大变形的主要受控条件［6］。

2.1 地层岩性及其物理力学性质

以兰渝铁路众多的软岩变形隧道为基础，结合青藏铁路关角隧道、兰武线乌鞘岭隧道软岩大变形的工程实例及其物理力学试验，分析地层岩性条件始终是隧道较大变形产生的首要条件，常见地层包括成岩作用或胶结程度差的碎屑岩，如桃树坪隧道、胡麻岭隧道、哈达铺隧道第三系成岩作用差的砂岩;木寨岭隧道、纸坊隧道、哈达铺隧道、马家山隧道、同寨隧道、毛羽山隧道(炭质)板岩;两水隧道、清水隧道(炭质)千枚岩;关角隧道片岩、纸坊隧道进口压碎板岩、西秦岭压碎千枚岩等，上述地层主要物理力学性质及特性如下:

1)岩石饱和单轴抗压强度Rc一般小于30 MPa。

2)部分软岩大变形隧道洞内原位大剪试验表明，变形隧道尽管围岩岩性不同，尚有一个共同的特点，即该类地层岩体的抗剪断强度及弹性模量等参数普遍较低，如收敛变形值＞0.5m的围岩原位大剪φ≤26°，c≤

0.18 MPa，变形模量及弹性模量等主要变形参数详见表1。

表1 软岩岩体抗剪(断)强度及变形原位试验成果汇总表Table 1 Results of in-situ tests on shear strength and deformation of soft rock mass

3)泥质结构岩体或泥化夹层大多含蒙脱石、伊利石、高龄石等胀缩变形的的黏土矿物，具有膨胀性。

2.2 岩体结构条件

根据对已发生变形隧道岩体结构条件包括层理、板理、片理、断层面、节理裂隙、褶曲枢纽等结构面的统计分析，软质岩层厚度及走向条件对围岩稳定性或变形数值的大小影响很大。

1)层厚＞5 cm，钙质结构，石质较坚硬(Rc＞15 MPa)，受地质构造影响轻微，层间结合紧密，节理裂隙较发育，岩体较完整或较破碎，揉皱现象及泥化夹层不发育，含少量基岩裂隙水，岩层走向对隧道稳定性影响较小。

2)层厚＜5 cm，陡倾角岩层，走向与洞轴线夹角＞35°。木寨岭隧道正洞以及天池坪隧道出口段，岩层走向与线路夹角＞35°，围岩中也分布有层间挤压破碎带、揉皱及褶曲发育地段，但隧道往往近于垂直穿越此类构造带，一般变形较小，仅局部极其破碎、揉皱带或地下水发育地段围岩以塑流形变为主。

3)层厚＜5 cm，陡倾角岩层，走向与洞轴线夹角＜35°。兰渝铁路自哈达铺隧道进口DK220+500至毛羽山隧道出口DK286+661段地层岩性以三叠系板岩为主，泥质、钙质结构，薄层为主夹中厚层状构造，产状近于直立，走向与洞轴线夹角＜35°，节理裂隙较发育，有揉皱现象，呈层状、板状、碎石状结构，偶见长大节理裂隙，属于Ⅳ级围岩，局部受构造活动影响严重，揉皱极其发育，岩体极其破碎，呈碎石角砾含泥状散体结构，岩面潮湿，属于Ⅴ级围岩。此类岩层洞室开挖收敛变形一般较大，岩体典型特征表现在沿横断面方向变化较大。

4)层厚＜5 cm，平缓产状岩层。缓倾角岩层变形主要受岩性、岩体强度及地应力的影响，常在拱部发生横弯曲变形，在边墙发生顺结构面蠕滑变形甚至失稳。

5)散体结构岩层。包括断层泥、断层角砾、糜棱岩、压碎岩等断层破碎带，呈碎石角砾含泥状构造挤压破碎带以及产状紊乱或薄片状石质极软岩层，局部构造裂隙、基岩裂隙水发育。岩体变形受地应力环境的明显控制，当隧道开挖前处在高地应力状态时尚具有较高的强度和稳定性，当洞室开挖产生变形凌空面时，地应力重新分布，围岩应力差增大时，结构面张开或滑移，围岩整体强度和模量降低，表现出显著的结构流变特点。

2.3 地应力与隧道埋深条件

根据《甘肃省区域地质志》有关构造应力场分析，结合兰渝线实测地应力数值分析，自前元古代时期以来一直以南北向的持续挤压应力为主，根据 GB 50218—1994《工程岩体分级标准》，采用RC/SH即最大水平主应力实测值与该处岩石单轴饱和抗压强度的比值划分地应力状态，全线划分均属于高地应力-极高地应力区。

1)主应力与隧道埋深的关系。一定埋深范围内，应力值随深度增加呈增加的趋势，在围岩强度不变的情况下，隧道围岩变形位移的大小也相应增加。

2)最大水平主应力的优势方向。最大主应力优势方向北部自黑山隧道至毛羽山隧道以NE-SW向为主，南部自天池坪隧道至南崖山隧道以NW-SE向为主;最大水平主应力的优势作用方向与隧道洞轴线夹角大小影响隧道围岩的稳定性，当最大水平主应力的优势作用方向与隧道洞轴线方向一致时，对隧道稳定性影响最小，垂直时对隧道稳定性影响最大。

2.4 地下水条件

软岩隧道往往含泥质结构或泥化夹层等软弱围岩，地下水对岩体有明显的软化，是影响围岩稳定性或促进变形发展的重要因素。

2.5 工程因素

工程因素包括隧道断面大小及形态、相邻单线隧道的线间距、支护措施、开挖工法等。

1)隧道断面大小即跨度对围岩稳定及变形的影响较大。跨度越大开挖切割的岩体结构面越多，形成的不稳定块体越多，围岩易失稳，变形越大。

2)隧道断面形态即采用曲墙、直墙、圆形、椭圆形等，对围岩稳定性影响较大。软岩隧道采用直墙洞室易在夹角处形成应力集中，即使断面尺寸较小，变形也较大，甚至失稳;而曲墙、圆形断面则会大大改善变形条件。

3)相邻隧道的线间距也是影响软岩隧道变形的一个工程因素，一般应保持在3.5～5倍的隧道跨度，否则两侧变形相互叠加(影响)也会导致收敛变形数值过大，不宜控制。

4)软岩变形隧道常用支护措施加强控制变形。如采用宽面板H型钢、长锚杆、径向注浆及二次支护都是比较有效的办法，高地应力区也可采用超前导洞应力释放法掘进。

5)开挖工法的影响。对于软岩大断面隧道，因为没有足够时间支护，且掌子面变形不可控制，往往要预留核心土或采用台阶法等分部开挖法，使得初期支护快速封闭成环;三台阶法施工如果上、中或中下台阶钢架接腿时间间隔过长，会产生松动圈累进性扩大及韧性剪切变形破坏。另外在软弱围岩隧道内停止爆破作业，洞内变形速率会明显减小，采用破碎锤等机械开挖对围岩的扰动比采用爆破方法要小，围岩的稳定性及变形相对就小。

3 围岩变形模式及形成机制

通过对围岩变形隧道典型工程实例研究，围岩变形模式及机制总体上可以归结为变形初期形变以及后期韧性剪切滑移破坏带。

3.1 变形初期形变

关于软岩变形模式及形成机制讨论最多的是变形初期软岩的塑流、膨胀变形、弯曲变形、塑性楔体、累进性松脱扩展、沉降变形、牵引变形等［7］。

1)塑流变形。开挖导致围岩应力的调整，应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，以及围岩岩体进一步碎裂化，在改变岩体应力状态和强度的同时，围岩中地下水沿张开裂隙渗流和软化作用，导致塑性流动使围岩产生较大的收敛及下沉位移。

2)膨胀变形。洞室开挖后由于爆破产生的裂隙、原有裂隙张开滑移或者应力调整过程新产生的裂隙均为基岩裂隙水的渗入提供了必要的通道，当泥质结构岩石中含有蒙脱石、绿泥石和高岭石一类的片状具膨胀性的黏土矿物时，遇水即发生膨胀变形，产生膨胀力引起变形。

3)弯曲变形。对于在层状(特别是薄层状)岩体中的地下洞室，其变形破坏机制可以用弯曲来加以解释。尤其在高地应力区的卸荷条件下，岩体更易发生弯曲变形以致破坏。如陡倾岩层，走向与洞轴线近于一致，在纵弯作用下发生挠曲变形，引起洞壁侧向变形，平缓岩层在横弯作用下引起拱部弯曲下沉或底鼓。

4)塑性楔体。节理化岩体塑性变形导致追踪既有结构面而形成的滑移面，这些滑移面在洞室围岩空间内组成了塑性楔体并向洞内剪切滑移。随着主应力方向以及侧压力系数的不同，塑性楔体可出现在洞周不同的部位，从而引起这些部位围岩及支护结构的破坏。

5)累进性松脱扩展。高地应力软岩以压碎岩、断层角砾、断层泥或薄片状极软岩等散体结构为主时，如支护不及时或支护措施不强，变形过大，应力重分布会表现为松动圈累进性扩展特点，甚至由于大变形反复拆换拱处理，必将引起大范围岩体松动，浅埋段可以一直发展到地表。

6)沉降变形。当隧道工程通过人类采掘活动形成的大面积采空区时，采空区岩体顶板塌落、移动逐渐引起采空区上部整个地层的破坏和向采空区移动，以致地表产生变形和破坏，是一种特殊类型的围岩大变形，当地下采空巷道为倾斜分布时，以倾斜沉降变形为主;当采空区巷道为近水平分布时，采空区顶板产生弯曲、塌落，以垂向沉降变形为主。

7)牵引变形。软岩隧道洞口浅埋或偏压段，由于埋深浅，洞内开挖发生变形会牵引坡体蠕滑开裂，反过来坡体下滑力会对洞内的变形产生加剧作用。

3.2 韧性剪切滑移带

软岩隧道围岩一般石质软、剪切强度低、弹性模量小，如果控制变形措施不力(比如注浆效果不好、锚杆措施不到位)，后期变形数值过大，往往会在拱墙以外至少松动圈范围由于变形速率差异形成韧性剪切滑移带。韧性剪切滑移带是指软岩岩体在变形过程中由于相邻2个部分变形速率差异较大而产生明显位移，在结合部形成的带状剪切滑移带，是岩体的破坏变形，宽度一般小于单侧收敛变形值0.5 m，其形成部位及倾角与岩体或加固后岩体的均质(或软硬)程度、剪切强度、结构面、断面形态及与施工工法等有关［8］。

相邻2部分岩体变形速率差异分为3种情况［9］:一是均质岩层在洞室开挖后地应力大、应力重分布形成的剪切变形，其形成部位一般受岩体强度和断面形态的影响较大，常形成于应力集中处;二是抵抗变形的岩体强度差异，如软硬岩接触带、断层两盘与破碎带之间、完整性或强度差异较大的2部分岩体之间，属于抵抗岩体变形的能力不同导致2部分变形速率差异较大形成韧性剪切滑移;三是其中一部分岩体变形受限，如受三台阶施工工法控制形成的韧性剪切破坏带形成机制见图1。上台阶先期开挖最先收敛变形，中台阶变形受限，此时如果地应力高、控制变形措施不强或中台阶开挖迟缓，待上台阶持续变形数值过大时再开挖中台阶一般会在拱脚形成韧性剪切滑移带①，同样中下台阶开挖也能形成韧性剪切带②，一旦形成韧性剪切破坏带，围岩整体稳定性就会很大程度降低，容易发生突变失稳［10］。

图1 软岩韧性剪切破坏带的形成机制示意图Fig.1 Mechanisms of forming of malleable shear failure of soft rock mass

受施工工法控制的变形破坏通过改进施工组织是可以避免的，如在先期开挖的台阶收敛变形数值较小时能及时进行下一台阶开挖与支护，加强拱架锁固锚杆与径向注浆措施，基本保持拱墙低速率同步变形就不会形成韧性剪切带，这就要求三台阶同步推进快速掘进，使初期支护及时封闭成环。

4 高地应力软岩初步分级围岩特征

见表2。

表2 高地应力软岩初步分级围岩特征Table 2 Primary classification of soft rock mass with high ground stress

5 结论与讨论

针对高地应力软岩隧道围岩分级，通过分析隧道大变形的受控条件以及围岩的主要变形模式、软岩变形的形成机制等，对高地应力区围岩的分级进行了研究。认为高地应力软岩可按照单轴抗压强度和围岩周边环境分为4级，即高软Ⅰ级～高软Ⅳ级，并对高软Ⅰ级～高软Ⅳ级的围岩状况分别描述。通过对新建兰渝铁路线各个隧道的地质情况进行调研，对典型隧道依照高软Ⅰ级～高软Ⅳ级进行了分类。

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