关垭子隧道软弱围岩大变形机理分析

赵 亢，杨其新，蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

关垭子隧道软弱围岩大变形机理分析

赵 亢，杨其新，蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

关垭子隧道穿越极高地应力状态软岩，施工过程中发生了大变形。在工程地质勘查、现场调研、岩石力学试验及监控量测的基础上，通过分析隧道变形特征，从隧道埋深、施工方法、围岩岩性、地应力及地下水等方面研究该隧道大变形的发生机理。研究结果表明：该隧道大变形以围岩塑性变形为主，膨胀变形影响较小，并对类似隧道的设计施工进行了展望。

隧道；软弱围岩；极高地应力；大变形；变形机理

隧道在克服地形障碍、缩短空间距离等方面有着巨大的优势。近年来，随着我国基础设施建设进程的不断加快，公路隧道、铁路隧道的修建也进入了一个新的高峰。在地质条件复杂的地区修建隧道往往会不可避免地穿越软弱、高地应力围岩，这些隧道在修建过程中，往往会出现隧道衬砌变形严重、初期支护开裂、钢架扭曲，甚至出现局部坍塌或二衬开裂等现象，严重影响工程安全质量，阻碍工程进度，浪费资金资源[1-2]。

国内外许多专家学者在软弱围岩定义、大变形定义、大变形的机理以及大变形的特征方面进行了大量的研究，并在此基础上形成了针对软弱围岩变形控制的多种理论[3-11]。但由于地下工程的不可预见性使其具有唯一性，单一的理论无法应对复杂多变的地质情况。

因此，结合关垭子隧道所遇到软弱围岩大变形情况，开展监控量测和岩石力学试验，研究在极高地应力下绢云母千枚岩地层的大变形机理及其原因，以期寻求合理的预防措施来保证施工安全，为该类围岩条件下隧道工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

关垭子隧道长1 628 m，最大埋深约170 m，左右洞净距25～32 m，隧道净宽10.25 m。隧道区属于竹溪褶皱束，所涉及的地层主要为志留系，构造形式较为复杂，岩体断裂较为发育。隧道穿越Ⅴ级的软弱围岩，经室内试验鉴定岩相为绢云母千枚岩，绢云母含量在90%以上并呈鳞片状。围岩呈现薄层片状，表面具有滑腻感，开挖暴露后强度衰减很快，无自稳能力。地下水不丰富，开挖后无渗水。经试验测定该围岩单轴饱和抗压强度Rc为5.74 MPa，围岩最大主应力σmax为5.29 MPa，围岩强度应力比Rc/σmax为1.085，根据《工程岩体分级标准》得知，关垭子隧道出口段围岩为软岩类，并属于极高地应力状态，与开挖过程中出现的大变形、洞壁岩体有剥离现象相符。如图1所示。

图1 施工揭露围岩及局部塌方现象

2 隧道变形特征

根据关垭子隧道所穿越的地层情况，通过监测隧道的拱顶沉降、水平收敛值，分析隧道变形与埋深、施工方法、距掌子面距离等因素的关系，总结了关垭子隧道大变形的特征。

2.1 埋深的影响

不同埋深断面的沉降值和收敛值如图2所示。

图4 围岩变形速率

图2 隧道变形随埋深变化曲线

从图2可以看出，隧道整体变形量随埋深的增大而增大，水平收敛增大的趋势较明显，拱顶沉降增大的趋势相对缓慢。当埋深<100 m时，拱顶沉降和水平收敛的增长较为平缓，而当埋深>100 m时，拱顶沉降和水平收敛增加较为显著。造成上述现象的原因，应是关垭子隧道这种复杂软弱千枚岩地层，围岩强度较低，承载力低，开挖后深埋隧道的拱效应不显著，导致变形随埋深增加而进一步加大。

2.2 施工方法的影响

为研究隧道施工方法对隧道变形的影响，特选取了埋深两两近似相同、围岩岩性相同的4个标准断面作为对比。不同断面的数据如表1所示。

表1 不同断面隧道变形统计

由表1可以看出，采用三台阶法施工的变形量要大于CRD法。施工方法的改变，对隧道变形的影响较为明显，采用CRD法施工的断面，其拱顶沉降较三台阶法降低了24.2%～25.7%，水平收敛降低了23.4%～28%。采用CRD法施工，一定程度上控制了围岩变形发展。

2.3 掌子面距离位置的影响

为研究隧道变形与掌子面距离的关系，选取两个埋深近似相同而工法不同的标准断面进行分析。断面变形情况如图3所示。其中1号断面采用三台阶法，2号断面采用CRD法。

图3 不同断面随掌子面推进变形曲线

从图3可看出，随着掌子面的推进，隧道变形一直保持近似均速的变形速率，甚至达到2.5洞径时变形仍继续发展。表面上看，软弱围岩隧道的变形是随掌子面推进一直发展，并难以稳定，其实质是由软弱围岩的蠕变特性所导致的。

2.4 隧道变形速率

同样选取埋深、围岩岩性近似相同而工法不同的标准断面分析隧道的变形速率。具体情况如图4所示。

从图4可看出，无论采用何种工法，隧道的收敛变形速率均大于沉降变形速率，整体上呈现出缓慢下降但在长时间内不收敛的趋势，并且随着施工扰动隧道的变形速率有较大的浮动。隧道变形速率在支护1个月后仍然达到23 mm/d，施工现场显示在初期支护后2～3个月变形仍缓慢发展，严重时导致二次衬砌变形开裂掉块。如图5所示。

图5 二次衬砌开裂掉块

由以上几点可知，关垭子隧道软弱围岩的变形有以下特征。

(1)变形量大、变形速率快。隧道开挖后，围岩变形非常大，发展快。采用三台阶法开挖，拱顶下沉达到40 cm，水平收敛达到80 cm，改为CRD法后，其拱顶下沉仍然有25 cm，水平收敛63 cm。不同工法下水平收敛都远大于拱顶下沉，表明隧道处于较强的水平挤压状态下。

(2)变形时间长、有明显的蠕变性。隧道围岩变形的持续时间长，初期支护施作完成很长一段时间内，围岩变形仍持续发展，应力重分布达到平衡的时间长。甚至随着开挖的扰动，变形呈现加速发展的趋势，表现出明显的蠕变特性。因此大变形多出现于掌子面后方一定范围内，变形的处理也大大影响施工进度。

(3)变形的不对称性。监控数据表明，在隧道周边不同位置，变形破坏程度不同，反映了软岩隧道所处的地应力强度因方向而异及千枚岩的各向异性。变形后隧道轮廓线基本上不对称，同一断面上水平收敛远大于拱顶变形，上部收敛大于中下部收敛，如图6所示。变形破坏在方向上的差异性往往导致支护结构受力不均，支护结构中产生巨大的弯矩，直观表现为钢拱架的扭曲变形。

图6 隧道不同里程断面变形情况

3 岩石力学试验

根据关垭子隧道大变形段所揭示的围岩状况、地应力以及现场监控量测数据，认为软岩、高地应力是引起隧道大变形的主要因素。因此开展关垭子隧道软弱围岩的室内试验研究，对于揭示软弱围岩的变形机理和指导工程实践具有重要意义。试验岩样取自大变形段广泛分布的绢云母千枚岩，岩体强度低，胶结程度低，易风化。该绢云母千枚岩容重26.46 kN/m3，含水率0.28%，自由膨胀率0.36%，自然溶解率6.77%，岩样具有较弱的膨胀性和较强的崩解性。

3.1 单轴压缩强度试验

根据计算机自动采集的轴向荷载和轴向位移来计算单轴抗压强度。

试验结果表明，天然状态下该千枚岩单轴抗压强度为6.44 MPa，饱水状态下为5.74 MPa，根据《工程岩体分级标准》可知，该千枚岩属软岩类。

3.2 三轴压缩强度试验

试验时，对各个试件分别施加0、2、4、6、8 MPa的围压，保持围压不变，以0.1 mm/min的加载速度施加轴向荷载，直至试件破坏。轴向荷载施加方向与千枚岩层面垂直。根据极限轴向应力σ1和围压σ3，绘制σ1-σ3关系曲线，如图7所示。按式(1)计算内聚力c和内摩擦角φ。

(1)

式中 c——岩石内聚力，MPa；

最后“处决”这场戏作为影片的高潮，充满了对信任与欺骗的拷问。因为爱而信任，因为被欺骗而憎恨。这都是人们存在的种种情感问题。在无极里，满神是一个抽象化的具体存在，她决定了每个人注定的命运。在这则寓言里，每个人存在于无极之中，寻找自我是他们唯一要做的事。奴隶昆仑找到了自己的渴望，杀手鬼狼找到了自己的灵魂，北公爵无欢寻找倾城，倾城寻找爱。他们在寻找的路途之上，充满着欺骗和背叛，信任一直缺席，而且他们每一个人都不曾得到自己想要的爱情。

φ——岩石内摩擦角，(°)；

σc——曲线在纵轴上的截距；

m——拟合直线的斜率。

图7 极限轴向应力与围压最佳关系曲线

在三轴应力状态下，岩石沿着试件最薄弱面产生剪切破坏，试验测得的抗剪强度即是整个试件的抗剪强度。经测试该千枚岩的内聚力c和内摩擦角φ分别为0.153 MPa和31.8°。

3.3 岩石单轴压缩流变试验

根据千枚岩单轴抗压强度的测定值，预估施加的最大荷载值为8 MPa。试件的蠕变曲线、应力应变等时曲线如图8、图9所示(各试件蠕变曲线类似，因此只给出单个试件曲线)。

图8 单轴压缩蠕变曲线

从图9中可见曲线簇的前段近似线性，而曲线簇的后段随着时间的增大趋于平缓，根据这一变化趋势，可以绘制一条t→∞平行于横坐标的直线，该线与纵轴相交的应力值σ∞，即为该千枚岩的长期抗压强度，从图9中可以看出，该千枚岩的长期抗压强度约为8.04 MPa。因此，当该千枚岩受到的轴向压力小于8.04 MPa时，蠕变变形随时间的增长趋于某一稳定值，岩石只产生阻尼蠕变，若大于8.04 MPa时，蠕变随时间不断增长，直到破坏，产生非阻尼蠕变。

图9 应力应变等时曲线

3.4 岩石声发射试验

利用岩石的凯塞尔效应特性，测定试件在受压过程中产生的声发射信号，根据声发射信号突变点确定不同的应力分量，以此计算岩体所受地应力的情况。试件的声发射特征参数与荷载的关系如图10所示(各试件曲线类似，因此只给出单个试件的曲线图)。

图10 声发射特征参数与荷载的关系

从图10可看出，c曲线上有一个明显的起始点，即为声发射特征点。利用声发射特征点对应的荷载值计算应力分量，根据弹性力学的应力计算公式得到最大最小主应力的量值。

经计算，该千枚岩最大主应力为5.29 MPa，最小主应力为4.15 MPa，饱和单轴抗压强度Rc为5.74 MPa，得到其围岩强度应力比Rc/σmax为1.085，依据《工程岩体分级标准》可判断关垭子隧道处于极高地应力状态。

4 关垭子隧道围岩大变形机理分析

对于软岩，学者们一般把大变形机制分为两类：一是由于施工产生的应力重分布超过围岩强度而发生塑性化；二是岩石中某些矿物和水反应而发生膨胀[12-13]。根据关垭子隧道的地质条件、室内试验及监控量测结果，对其发生大变形的原因进行综合分析。

4.1 影响因素

(1)地应力条件。根据地应力场的测试结果可知，该隧道处于极高地应力场范围，是诱发其发生大变形的主要内在因素之一。由于极高地应力场的影响，关垭子隧道大部分区域的围岩变形主要由塑性流动机制所控制，通常表现为较强的塑性或蠕变性。在隧道开挖前，岩体在高围压的作用下，处于平衡状态，隧道开挖后，原有的平衡状态被打破，应力发生重分布，导致径向应力急剧降低，洞壁附近的围岩发生大变形，使其不能发挥自承能力，围岩压力非常大并直接作用于支护结构上，并随着时间的推移，软弱围岩产生一定的塑性流动，初期支护承受的荷载持续增大，当难以承受塑性区内作用于其上的围岩压力时，支护结构将产生变形破坏，即隧道围岩发生大变形。

(2)岩性条件。该绢云母千枚岩，经测试其主要成分为伊利石、绿泥石及石英，具有鳞片状变晶或长纤维状结构，强度低而软弱，易风化，抗水软化能力差，有弱膨胀性，力学性能差。由于受构造影响，节理裂隙发育，同时片理层薄、胶结程度低。岩性特征也是隧道发生大变形的内在因素之一。对于千枚岩这种层状软岩，围岩c、φ值低，易于发生塑性变形。在隧道开挖卸荷后，层状岩体在横弯或纵弯作用下发生变形，造成侧墙收敛严重，水平收敛大于拱顶下沉，呈现出典型的挤压性隧道的特征[14]。试验结果表明：该千枚岩长期抗压强度为8.04 MPa，最大主应力为5.29 MPa，隧道开挖后岩石表现出明显的阻尼蠕变，随着围岩向隧道内挤入，导致层状岩体变松散，节理裂隙进一步发展，围岩承载能力继续变差，又导致变形继续发展。

(3)地下水条件。据设计资料及现场实际情况显示，关垭子隧道地下水并不丰富，洞内主要水来自施工用水，对未封闭部位处及掌子面的围岩有一定影响，洞中的潮气会加速暴露围岩的风化、崩解，一定程度上影响了其稳定性。试验结果显示关垭子隧道围岩属于挤出性软岩，膨胀率低，因此地下水对该类型软岩的影响程度较小。

(4)施工方法。诸多工程实例表明，施工方法、初期支护强度及闭合时间等对软弱围岩的变形有显著的影响。关垭子隧道采用三台阶法施工，初期支护闭合时间久，不能及时形成封闭的支护体系，导致隧道在拱脚处发生较大的收敛变形，甚至更换初期支护。后改为CRD法施工，每个洞室的支护结构均能及时封闭成整体的支护体系，隧道变形得到了一定的控制，但工序繁多。因此对于软弱围岩隧道，应加快施工速度，使支护结构快速封闭，尽可能地控制围岩变形发展。

4.2 变形机理

(1)塑性变形。在隧道开挖前，岩体在高围压的作用下，处于稳定状态，隧道开挖后，施工导致岩体进一步松散、破碎，围岩基本失去承载能力，因此作用于初期支护上的围岩压力将特别大，随着时间的推移，岩体发生一定的塑性流动导致初期支护所受压力越来越大，最终导致初期支护变形破坏，即发生大变形。关垭子隧道围岩有不均匀的揉皱，作用在初期支护上荷载不对称，导致围岩的塑性变形呈现出不规则状，表现为局部挤出现象。

(2)膨胀变形。试验结果表明：关垭子隧道围岩的膨胀性较弱，且隧道内地下水很少，因此关垭子隧道围岩的膨胀变形较小。

关垭子隧道的变形是由围岩的塑性变形和膨胀变形共同作用的结果，但由于围岩的膨胀变形与时间有关，且该围岩的膨胀性较弱，因此可认为隧道的大变形主要由围岩的塑性变形导致。

5 结论

结合关垭子隧道的地质条件、岩性特征、监控量测数据，分析了极高地应力下软弱千枚岩隧道发生大变形的机理，得出以下几点结论。

(1)隧道变形具有变形量大、发展快、持续时间长及不对称性，并与埋深、围岩岩性、地应力和施工方法有较大的关系。当软弱围岩隧道埋深不超过一定值时，隧道的变形随埋深的增加其增长较为缓慢，当埋深超过一定值时，变形显著增加；高地应力、围岩强度低是隧道发生大变形的内在因素，施工扰动、支护强度不足是其外在原因；对于挤出性软弱围岩，围岩发生大变形主要由塑性变形导致，膨胀变形影响程度较小。

(2)通过对关垭子隧道围岩岩性及变形的分析得出，减少施工扰动、使支护结构快速封闭是今后软弱围岩隧道设计施工的关键。而新意法作为一种全断面机械开挖的设计施工方法，具有施工速度快、对围岩扰动少、支护结构能够快速封闭等优点，可将其作为软弱围岩隧道设计施工的研究方向。

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Study on Large Deformation Mechanism of Soft Rock in Guanyazi Tunnel

ZHAO Kang， YANG Qi-xin， JIANG Ya-jun

(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Guanyazi tunnel passes through soft rock of extremely high ground stress and experiences large deformation during construction. On the basis of engineering geology investigation， on-site survey， rock mechanics experiments and monitoring measurement， this paper studies the large deformation mechanism of the tunnel by analyzing tunnel deformation characteristics in terms of construction method， surrounding rock lithology， ground stress and groundwater. The results show that the tunnel large deformation is dominated by plastic deformation with a little swelling deformation. Future design and construction of similar tunnels are also envisaged．

Tunnel; Soft rock; Extremely high ground stress; Large deformation; Deformation mechanism

2014-12-23；

2015-02-05

赵 亢(1987—)，男，硕士研究生，E-mail：zhaokang_113@163.com。

1004-2954(2015)10-0114-05

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.026