高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性探讨

王建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性探讨

王建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

研究隧道高应力软岩的工程地质、变形机理、支护原理及支护结构的特性，寻求隧道设计和支护施工方案。以板岩为研究对象，通过施工编录、室内试验、物探PST、钻探、地应力测试和变形测量，从其岩石、岩体特征、岩体质量、地应力、围岩分级、施工变更、变形及破坏特点等方面进行探讨。总结出高地应力软岩在隧道施工中的工程地质特点、围岩变形、破坏规律、高应力和围岩级别的划分原则，明确了其地质条件的研究内容，给出解决隧道大变形、难支护问题的设计和支护对策。

铁路隧道;高应力软岩;工程地质特性;围岩变形;设计;支护对策

在长大、深埋隧道修建过程中，不可避免地遇到高应力软岩这类特殊工程地质岩组。国际上高应力软岩研究起于20世纪70年代的公路隧道工程。我国高应力软岩研究始于20世纪80年代，煤矿开采深度大于500 m时［1］，深井高应力软岩普遍出现，煤炭系统首先推进了软岩研究，并形成了“联合支护理论”和“松动圈理论”［2］为代表的多个学派。铁路软岩隧道的研究于20世纪90年代中期获得了初步成果，被引起高度关注的是1997年建成的南昆线的家竹箐隧道，之后的乌鞘岭隧道和现在正在施工的兰渝铁路的多座隧道，都遇到了软岩大变形和难支护问题。

1 铁路高应力软岩

1.1 铁路高应力软岩的概念

目前国际国内无统一的高地应力判别标准，对铁路工程软岩而言，国内一般岩体工程以初始应力在20～30 MPa的地应力条件为高地应力。由于不同岩石有不同的弹性模量，储能性，按《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)［3］，围岩地应力的评估基准为:RC/σmax＜4的硬质岩、软质岩称为极高初始地应力;RC/σmax=4～7的硬质岩、软质岩称为高初始地应力。其中，RC为岩石单轴饱和抗压强度，MPa;σmax为最大地应力值，MPa。该最大地应力以垂直洞轴方向的最大初始地应力对隧道洞身影响最大。

1.2 铁路工程地质软岩

(1)地质软岩的概念

地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩体的总称。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度(σc)在0.5～25 MPa的一类岩石。

(2)工程软岩的概念

工程软岩是在工程力作用下能产生显著塑性变形和流变的工程岩体。

工程软岩［4］要满足的条件是

式中，σ为工程荷载，MPa;［σ］为工程岩体强度，MPa;U为岩体变形，mm;［U］为允许变形，mm。

(3)铁路工程地质软岩

铁路工程地质的软岩概念涵盖了通常意义上的地质软岩及工程软岩内容，具有以下4层含义。

①强度上，岩石单轴饱和抗压强度(Rc)≤30 MPa的岩石。

②岩石类型上，涵盖了软质岩内的较软岩、软岩、极软岩等易软化岩石，包括黏土岩、页岩、泥质的泥灰岩、凝灰岩、大部分千枚岩、片岩、碳质板岩、蛇纹岩、石墨片岩、煤层、膨胀岩以及各种成因类型的软弱夹层;断层破碎带，侵入破碎带等机械热动力变质形成的构造岩或破碎岩类;风化岩、盐岩等。

③岩石一般特征上，具有强度低(承载力及抗剪强度低)、变形模量小(易产生较大沉降及不均匀变形)、水理性质差(易软化崩解、膨胀收缩、管涌、潜蚀)、流变效应明显、长期强度低、工程应力下岩石具可塑性和易扰动性的特点。

④结合工程，考虑应力水平，确定工程应力与岩体强度的相互关系，能产生显著塑性变形或流变的工程岩体。

1.3 铁路高应力软岩的主要问题

铁路高应力软岩在施工中的主要问题有:围岩及支护大变形，变形持续时间长;岩质软、岩性变化频繁、软硬不均;构造强烈，岩体完整性差;应力高而复杂、消散缓慢;地下水丰富而不均。这些问题严重影响施工进度及安全，施工过程中设计变更及措施调整量很大。

2 高应力软岩的工程地质特性

2.1 工程地质背景

研究工程区域位于西秦岭中山区，隧道穿越漳河与洮河的分水岭，隧道洞身最大埋深约700 m。岩性为二叠系板岩夹砂岩及炭质板岩。构造上为秦岭—昆仑纬向构造体系，后期被祁吕贺兰山字型构造体系改造、复合、归并，并在茶固滩一带又被茶固滩帚状构造体系改造，由于多期次构造复合叠加作用，形成了形态各异极其复杂的褶曲与断层束。

2.2 岩石特征

研究工程范围内为二叠系板岩夹砂岩及炭质板岩。根据59组岩石试验和16组点载荷试验统计，泥质结构板岩单轴饱和抗压强度范围值为4.15～14.3 MPa，平均值10.47 MPa，属于软岩;钙质板岩单轴饱和抗压强度范围值为16.8～37.2 MPa，平均值24.18 MPa，属于较软岩;炭质板岩单轴饱和抗压强度范围值为2.09～3.12 MPa，平均2.5 MPa，属于极软岩;变质砂岩单轴饱和抗压强度范围值为34.5～104 MPa，平均70.1 MPa，属于硬岩、极硬岩。

2.3 岩体特征

研究的工程岩体软硬不均，岩性、层厚变化频繁，揉皱，节理发育，地下水多呈小股状，结构面光滑，泥质充填，局部有泥化夹层、泥膜，遇水易软化，易滑塌失稳。

2.4 岩体质量评价

2.4.1 岩体完整性评价

根据大量勘察资料以及洞内TSP波速连续测试成果，岩体的完整性指数Kv=0.31～0.94，Jv=8～20条/m3，岩块波速V=3 057～5 030 m/s，岩体波速Vp=2 850～5 030 m/s，岩体完整性一般为较破碎;其次，为较完整-较破碎;再次，为破碎。

2.4.2 岩体力学特性

根据工程岩体分级标准(GB50218—94)，岩体准强度与岩石强度及Kv的关系，推算岩体强度。见表1。

表1 岩石强度、岩石坚硬程度及岩体强度汇总

2.5 地应力

2.5.1 区域应力场

前苏联专家T.A.MapkoB对地应力长期研究［5］，认为高地应力区往往出现在区域平面的隆升带。自元古代以来研究区一直以南北向的持续挤压应力为主，最大主应力场方向为NE-SW向。隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。

2.5.2 地应力测试

二叠系板岩在295、315 m深度处分别进行了地应力测试，成功定向，测得地应力方向N34°E，最大水平主应力24.95 MPa和27.16 MPa，属高地应力区。

定向测得的主应力方向与区域地应力方向基本一致;在另外一孔272～343 m孔深段测得最大水平主应力值为6.77～10.47 MPa，最小水平主应力值为4.53～7.52 MPa。最大水平主应力优势方向为N35°E。洞身部位的最大水平主应力测试值为10.47 MPa，该处岩石单轴抗压强度为20～30 MPa，根据E.HoeK法［6］中Rc/σv值为1.91～2.87，根据《工程岩体分级标准》(GB/50218—94)［7］，隧道围岩处于极高地应力状态。

研究区洞身不同埋深处隧道的应力状态与洞室的关系、岩石及岩体强度应力比见表2、表3。

表2 板岩隧道不同埋深处各应力测算值

表3 板岩隧道不同埋深处高地应力、极高地应力分布情况

隧道通过区属于高地应力-极高地应力状态，线路 在本隧道范围走向为N16°E，与最大主应力方向夹角约20°，小角度相交，符合规范“隧道选线宜避开高地应力区，不能避开时，洞轴宜平行最大主应力方向”的选线原则，通过定量计算及对比分析，岩体强度应力越小，围岩自稳能力越差，变形越大;岩体强度应力比一般是岩石强度应力比的1/3～9/10。另外，一定深度内地应力随洞室埋深增大而增加，即同一种岩石强度应力比呈递减趋势，不同强度岩石在不同深度处的强度应力比可以相等。

2.6 施工变更情况

围岩级别变更比例3.3%，但措施调整约59.9%(表4)，依据现行的铁路规范内的围岩分级标准，围岩级别的划分是基本准确的，但应用与分级相匹配的措施是难以满足隧道结构稳定的，均采取了补强措施。这是由于高地应力对软岩的特殊效应，产生了高应力软岩大变形。

2.7 措施调整情况

原设计为Ⅳ级围岩的，主要支护参数为:拱墙喷射混凝土C25厚23 cm;拱墙设φ6 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm中空锚杆，边墙采用φ22 mm砂浆锚杆，锚杆长3.0 m，环纵向间距1.2 m×1.2 m;衬砌采用C30混凝土，厚度为40 cm。采用三台阶施工法，实际开挖围岩地质特征还是Ⅳ级特点，但最大变形速率为25～42 mm/d，且稳定时间长。措施调整后，断面曲率采用Ⅴ级软岩衬砌断面，开挖预留变形量30 cm;拱部120°范围设φ42 mm超前注浆小导管，长3.5 m，环向间距0.3 m;全环喷C30混凝土，厚度30～35 cm;全环设 H175型钢钢架，间距为1榀/0.8 m，每榀钢架设12根φ42 mm注浆小导管进行锁脚，小导管长4.0 m;每节钢架中间增加1根φ42 mm注浆小导管，作为钢架锁固锚管，每榀6根，长4.5 m。拱墙设置φ8 mm钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm;拱墙增设φ42 mm小导管径向注浆，长度为4.0 m，间距1.2 m×1.2 m(环×纵);二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙、仰拱厚45 cm;衬砌钢筋环向采用φ22@20 cm，纵向采用φ14@25 cm，箍筋采用φ8@25 cm。

原设计为Ⅴ级的，也采用了Ⅴ级加强措施，局部间距0.6～0.8 m，C30早高强喷射混凝土厚33 cm，设φ22 mm双层连接筋、φ8 mm双层钢筋网。大部分变形量控制于200～400 mm范围内。

表4 二叠系下统围岩变更统计

3 高应力软岩开挖面地质特征和变形特点

3.1 开挖面工程地质特征

依据施工揭示围岩的岩性及岩体特征、硬度、完整性及组成成分、构造等，考虑地下水，高、极高地应力的影响，围岩级别划分为Ⅳ级、Ⅴ级，Ⅲ级很少。

Ⅳ级围岩的工程特征:中厚层板岩、变质砂岩，岩体较完整或较破碎，围岩稳定性好;板岩(夹砂岩)夹炭质板岩，薄层或薄层夹中厚层，泥钙质结构，受构造影响较重，板理清晰，节理较发育-发育，岩体较完整-较破碎，局部围岩稳定性较差，含少量基岩裂隙水;板岩夹砂岩、炭质板岩，薄层为主，泥质结构，板状构造，石质较软，有揉皱现象，含泥化夹层及挤压破碎带，岩体较破碎，呈层状、板状结构或块(石)碎(石)状镶嵌结构，围岩稳定性较差，裂隙水不发育。

Ⅴ级围岩的工程特征:以断层角砾、压碎岩为主，岩体破碎-极破碎，呈松散碎石状，围岩稳定性差，有少量渗水;板岩夹炭质板岩，或夹砂岩，薄层，石质较软，受构造影响严重，节理发育，小褶皱、结构面发育，含泥化夹层或泥团，软硬不一，层间结合差，岩体破碎-极破碎，呈碎石状，松散结构，围岩稳定性差，裂隙水局部出露。

3.2 高应力软岩的围岩分级

关于高地应力对围岩分级划分的影响目前缺乏足够的依据，无法在分级标准中做出规定，而且这类问题也不是分级工作所能解决的［8］。因此，从工程地质角度出发，笔者建议以软岩的围岩分级为基础(Ⅳ级)，考虑实测地应力及地下水，降级(Ⅴ)划分，且需采取补强措施;当有结构面或破碎带同时存在时，必要时采取降级(Ⅴ～Ⅵ)或制定出特殊级别。通过试验段研究支护措施。

3.3 高应力软岩大变形特点

由于应力的方向性及不均匀，导致围岩松弛破坏带厚度不一，具有不对称性;常有塌方、掌子面鼓出、坍落;严重变形处喷混凝土大量环向、纵向开裂，掉块，支护内鼓，部分钢拱架开裂、扭曲、甚至断裂;边墙鼓胀，收敛变形较大;初期支护结构失稳，侵入衬砌净空，长范围拆换拱情况频繁发生［9］;局部二衬出现纵向开裂掉块现象;具有突然变形和连带牵动的特性，掌子面或仰拱因扰动而变形速率突变。开挖时，应力重新分布及局部集中过程中，形成深浅不一的破坏圈。

与围岩级别相匹配的常用支护参数难以控制洞室初支变形，主要发生在边墙、拱腰部位，变形速率39～682 mm/d，表现出非线性、非光滑的突变，多处底鼓、水平收敛，最大变形量达1 300 mm，累计套拱、拆换拱1 011 m;大断面、大跨联拱处拱顶下沉量大于水平收敛值，拱顶最大下沉速率达 147 m m/d，累计下沉1 712 mm［10］。正洞变形以水平收敛为主，突起的棱角及拐点处易坍塌，突变性和难稳定为主要特点，变形速率28.8～76 mm/d，最大变形量达952 mm，累计拆换拱576 m。

局部地段挖开几分钟或几个小时，密闭的岩体裂隙、节理开始张开、外挤，1～2 m范围的松动破坏圈很快形成，局部由于应力的作用伴随有能量转换，掌子面岩体温度测量为27～33℃，高于中、下台阶岩体温度6～10℃，这一点证明了岩体在力的作用下，聚集有内能，开挖后以位移和热的方式释放，变形持续时间长是必然的。

3.4 围岩破坏形式

二叠系板岩，薄层状，典型的破坏模式为板梁弯曲破坏模式，常见崩塌、滑塌弯折、张裂及折断3种类型。如图1所示。

图1 围岩破坏示意

由于局部破坏区的先期形成，导致影响隧道稳定性的洞室形态发生变化，引起应力重分布，牵引其他部位发生变形、破坏。

4 高应力软岩的支护结构特点及对策

4.1 高应力软岩的支护结构特点

高应力软岩的特殊工程地质特性，要求支护结构具备以下特点，才能维持隧道结构稳定。

(1)强柔性。支护结构应当具有强烈的柔性，能允许围岩大幅度收敛以降低支撑结构所受的围岩压力。

(2)可塑性。软岩隧道变形收敛达到一个较大值时，围岩压力才会有明显的降低，降至支护结构能承受的范围，这就要求支护结构有较高的可塑性，从满足工程使用的角度讲，支护结构的可塑性最终应接近极限，发挥较好的效用。

(3)边支边让。要求支护结构在支护过程中始终都能给围岩以支撑，提供一定的支撑力，适应塑性软化区和流动区的变形节奏，使围岩在变形破坏过程中强度不致于有太大的降低，减小作用于支护结构上的围岩压力。

(4)增阻性。支护结构应具有支护抗力随变形增大而增大的特性，软岩隧道破坏后，支护结构的刚度能够迅速提高，以达到完全阻止隧道变形的目的。

(5)合理的结构构造。支护结构在不均的围岩压力作用下不会产生较大的弯矩，以充分利用构件抗压性能远远高于抗拉性能的特性。

(6)考虑施工的方便性和经济上的合理性。

4.2 高应力软岩隧道支护原理

围岩的自承力是由隧道的断面形态和围岩本身的物理力学性质决定的。研究表明，塑性硬化区是围岩承载的主体，当围岩变形达到稳定时，塑性软化区和塑性流动区是实施支护的主要对象。因此，确定围岩承载单元的几何形状就决定了隧道围岩的支护范围。再结合塑性硬化区和塑性软化区对隧道支承力的贡献来决定支护结构措施。

依据软岩变形力学机制和应力状态，掌握软化路径［10］，对于高应力软岩隧道支护来讲，要允许出现稳定塑性区。严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志是最佳支护时间Ts。Ts之前的变形为稳定变形，对应的塑性区为稳定塑性区。所以，确定最佳支护时间非常重要。

隧道开挖后释放巨大的应力能，为防止岩体破坏，支护作用必须控制持续不断的变形和破坏，以预留刚柔层和预留刚缝柔层为主的支护技术是有效的。在刚性层和柔性层之间预留一定量的孔隙，使其既有足够的柔度来适应高应力软岩隧道大变形以吸收高应变能量，又在一定的时机具有足够的刚度以限制高应力软岩的破坏性变形。

4.3 高应力软岩隧道支护对策

经过试验研究，高应力软岩在新奥法基础上，可普遍采取如下措施逐步进行支护措施调整。

(1)加强边墙曲率，减少拐点，改善断面形状。

(2)多重控制措施。控制住底鼓和往侧壁的挤入，防止断面挤入，加强仰拱，对围岩开挖后变形较大地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆等加固措施。

(3)采用可缩式钢架，喷射加厚混凝土(初喷20 cm，复喷15 cm，设3道纵缝)的先柔后刚、先放后抗的支护措施。

(4)提高二次衬砌的刚度，可采取双层模注钢纤维配筋混凝土衬砌。

(5)设立日常量测管理机制及管理基准:监测初期位移速度、最终位移值、绘制位移控制曲线、建立控制基准值，合理增大预留变形量。

(6)采取短台阶、弱爆破、双侧壁开挖等有效施工工艺。

5 结论

以岩石强度、类型、特征及地应力水平为判据，衡量岩石是否为铁路工程地质软岩，依据岩石强度应力比(Rc/σmax)是否小于7判定是否为高应力软岩，4～7为高地应力，小于4时为极高地应力。当围岩同时具有岩质软、岩体成层差、硬度低、不完整、组成成分不均、构造裂隙发育，揉皱、地下水不均或表现为工程软岩特性时，为典型的高应力软岩工程地质特点。松动破坏圈厚度不均、有方向性、突变性、变形量大、稳定慢、连续变形、破坏强，最佳支护时间难以确定、初支常常开裂、二衬侵线、变形难以控制等特点是高应力软岩的变形特点。崩坍、滑塌、张裂、错断及掉块或饼化崩裂为其破坏特点。

高应力软岩隧道累计变形量超过500 mm，初步认为属大变形。控制大变形支护的设计、支护可采取以Ⅳ级围岩为基础级，考虑实测地应力及地下水，Ⅴ级为通用级别，当有结构面或破碎带同时存在时，必要时采取降级为Ⅵ级或以试验段制定出特殊级别，专用于大变形设计施工。

一般高应力软岩，断面曲率采用Ⅴ级软岩衬砌断面，加强边墙曲率;采用先柔后刚、先放后抗的支护措施，钢架改为可缩式或全环型钢钢架;开挖预留较大变形量(拱部40～50 cm，边墙20～30 cm);结合工程，采取多重支护控制;提高二次衬砌的刚度，可采取双层模注钢纤维配筋混凝土衬砌，确保主要受力结构和足够的安全储备。双侧壁法开挖、小振动、缩短台阶等工艺也是必要的。

在高应力软岩隧道工程设计和施工的过程中，期望在勘测阶段完全查明辅助坑道、正洞高应力软岩的状态、特性、准确预报可能引发隧道地质灾害的不良地质体的位置、规模和性状是十分困难的。都得依靠确凿的地质资料、施工中深入的超前地质预报，并采用地质调查、超前导坑、超前钻孔、地球物理勘探等方法做先导，做好变形监测、前期和开挖应力监测，详细研究隧道开挖时围岩的工程地质表现，综合围岩级别，计算最小支护荷载，结合采动压力、构造、地下水、放炮振动的影响等。再结合施工工艺，单位的施工能力，通过试验段，寻求该类地质条件下的最佳支护理论和措施方案，判断围岩和支护结构体系的稳定性和工作状态，确定完成初期支护的开始时间和结束时间、二次衬砌与开挖工作面之间的合理距离、初期支护和二衬的最佳支护时段，摸清隧道的变形机理，经过多次评估和调整，才能形成对症措施。

由此可见，高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性研究，是隧道设计与施工成败的关键，是确保初支和二衬及隧道结构稳定安全的前提。

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Discussion on Engineering Geological Features of High Stress Soft Rock during Construction of Railway Tunnel

WANG Jian-peng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Through research on the engineering geological features，deformation mechanism，supporting principle and the supporting structure for high stress soft rocks，the paper explores tunnel design and construction support schemes.Taking the slate as research object，by using constructional geological logging，laboratory test，geophysical prospecting PST，exploratory boring，ground stress testing and deformation measuring and other measures，the paper discusses several issues such as the rocks，rock features，rock mass quality，ground stress，surrounding rock classification，construction alteration，deformation and failure characteristics etc.Further，focusing on the high ground stress soft rock during tunnel construction， the paper summarizes the engineering geological features， surrounding rock deformation，failure lows，high stress and surrounding rock classification principles.Finally，after making clear the research content of other geological conditions，the paper proposes design and support solution measures for the tunnel suffering with large deformation and with difficulty on supporting measures.

railway tunnel;high stress soft rock;engineering geological features;deformation of surrounding rock;design;supporting measures

U452.1+1

A

1004-2954(2013)09-0069-06

2012-12-29;

2013-04-29

王建鹏(1968—)，男，高级工程师，工学学士，E-mail:344541195@qq.com。