软岩隧道大变形研究现状及控制对策

王哲 刘钦 刘磊 赵红宇 黄坤鹏

长安大学 建筑工程学院，西安 710061

我国西部地区多次受到扬子板块、塔里木板块、华北板块等多个板块的挤压作用［1］，地质条件相当复杂。许多深埋长大隧道不可避免穿越流变性强、地应力高以及强度低的软弱岩层。软岩大变形导致的拱顶坍塌、仰拱隆起、侧墙开裂、掌子面失稳、支护体系失效等对隧道施工安全和运营造成严重威胁。因此，系统地归纳总结软岩隧道大变形研究现状及控制对策，对隧道工程的建设成本、建设工期以及施工安全具有重要意义。本文通过梳理软岩隧道大变形既有文献，结合国内外典型软岩隧道大变形工程案例，总结软岩定义和分级方法，归纳软岩大变形的机理及控制对策，并提出软岩隧道大变形进一步研究方向。

1 软岩的定义及分级

1.1 软岩定义

1981 年东京国际软岩学术讨论会上专家们提议，软岩应包括软弱岩石和因断裂、节理裂隙发育、风化导致的强度劣化岩石。1984 年煤矿矿山压力名词术语讨论会上专家们提议，将含有膨胀黏性矿物，受强风化、岩体切割等因素影响而导致强度较低的岩层统称为松软岩层。2003 年国际岩石力学学会上专家们给出软岩的定义：单轴抗压强度介于0.5～25.0 MPa的岩石。这是目前使用最广泛的软岩定义。何满潮等［2］认为软岩的定义难以适用于实际工程实践，提出深部工程软岩的定义：在工程力作用下能产生显著塑性变形的单轴抗压强度大于25 MPa的工程岩体；并根据软岩塑性变形特征将软岩分为膨胀性软岩、高地应力软岩、节理化软岩和复合软岩。

综上所述，软岩的定义主要考虑导致岩体强度降低的因素和岩体力学性能两大方面。可把软岩定义为在高地应力、地下水侵蚀、强烈风化、节理裂隙发育、含膨胀黏性矿物等因素影响下，呈现出显著流变性并且单轴抗压强度低于25 MPa的软弱破碎岩体。

1.2 软岩分级

董方庭等［3］根据围岩松动圈的厚度对围岩等级进行了划分，并提出相应支护措施，见表1。膨胀性软岩具有膨胀可逆性，即随着干湿交替围岩会出现膨胀、干缩、崩解等问题，膨胀性是诱发软岩大变形的根本原因。崔蓬勃等［4］通过对膨胀性软岩的归纳总结，提出隧道工程膨胀性软岩分级标准，见表2。

表1 围岩等级划分方案

表2 膨胀性软岩分级标准

2 大变形的成因、分类及分级

2.1 大变形成因及分类

Terzaghi［5］最早从岩石矿物组成阐述软岩大变形成因，认为软岩中有较高含量的膨胀性矿物，遇水发生持续膨胀变形，不断地侵入洞室净空。国际岩石力学学会上专家们从力学机制阐述了软岩大变形成因，认为大变形与时间密切相关，是地下空间开挖面周边应力超出极限剪切应力而导致的一种塑性变形。这两种成因都强调了大变形与时间的相关性，但均仅考虑引起变形的单一因素。王成虎等［6］认为围岩大变形由岩体剪切破坏、结构面失稳、水化反应等造成的体积膨胀所致，并根据大变形成因将大变形分为三类，见表3。

表3 大变形类型划分

2.2 大变形分级

中交第一公路勘察设计研究院根据隧道施工过程中的大变形特征，以围岩相对变形量、地应力等为评价指标对高地应力软岩隧道大变形进行了分级。王永刚等［7］通过对木寨岭隧道监测数据的分析，建立了炭质板岩挤压型大变形分级标准，见表4。该标准综合考虑了相对收敛值、岩体挤压因子、初始地应力、侧压力系数、变形模量等多方面因素的影响，对于大变形等级的判定具有一定说服力。

表4 炭质板岩挤压型大变形分级标准

3 大变形机理及预测

3.1 大变形机理

软岩大变形机理复杂，在实际工程中大变形并非由单一因素引起，而是由高地应力、隧道埋深、围岩岩性、卸荷力学效应等多种因素共同作用所致［8-10］。按照变形机理，大变形可分为挤压型和膨胀型两种。

挤压型大变形是指开挖扰动引起围岩应力重分布以及化学性质发生变化，导致围岩自身承载能力不足，岩体内部无法保持平衡而引发的塑性变形。挤压型大变形具备明显优势部位和方向，变形通常沿着岩体节理裂隙等结构面发生。与此同时，围岩塑性流变效应导致围岩内部应力状态动态变化，即使施作支护，围岩受力也难以达到平衡状态［11］。

膨胀型大变形是指富含高岭石、蒙脱石、云母等矿物的岩石遇水膨胀，强度下降甚至软化成泥。在岩体遇水膨胀的同时，较大的膨胀压力导致围岩应力升高，围岩强度下降与内应力升高共同导致软岩大变形发生。

3.2 大变形预测

大变形预测包括隧道围岩塑性区的预测、围岩变形量的预测、围岩大变形随时间的演化规律等，是后续施工开展的重要依据。预测围岩塑性区分布和洞壁径向位移，即可对隧道围岩挤压破坏部位有针对性地支护，消除隧道围岩差异性变形，降低支护成本，提高施工效率。

3.2.1 大变形理论解析

大变形理论解析是指基于软岩流变本构模型［12-13］、膨胀本构模型［14-15］和强度准则［16-17］，通过对隧道断面围岩进行弹塑性理论分析，预测塑性区半径、洞室径向相对位移、掌子面相对变形等。Ruppeneit等［18］通过弹塑性分析给出了圆形洞口围岩塑性区半径解析公式。基于此，陈超等［19］通过旋转极角和复变函数变换，得出在非对称荷载作用下非圆形洞口围岩塑性区半径及洞壁径向位移的解析公式。孙金山等［20］利用塑性应变软化模型推导了围岩塑性区半径和洞壁径向位移的近似解析公式。Hoek 等［21］通过有限元分析给出了支护压力、初始地应力作用下掌子面变形预测公式和洞室径向相对位移。陈有亮等［22］基于湿度应力场理论，推导了在膨胀应力作用下圆形隧道开挖后围岩弹性区和塑性区的应力和位移。

上述理论解析是在一定的假设下基于弹塑性分析得到，只能预测较理想条件下围岩变形的最终状态。然而由于实际工况的复杂性和变形的非线性，软岩变形预测结果与实际情况往往差异较大。

3.2.2 大变形回归预测

近年来基于回归分析和灰色理论的相关算法不断发展和完善。学者们将这些算法引入到软岩大变形预测中，依靠算法较强的非线性映射能力，根据有限监测数据模拟隧道变形随时间的演化规律，进而对软岩隧道大变形进行预测。王涛等［23］依托武广高速铁路大瑶山隧道，通过灰色预测模型绘制了隧道累计变形时程曲线，预测了围岩变形发展趋势。姚凯等［24］将广义回归神经网络算法引入软岩变形预测，并通过果蝇算法寻找最优光滑因子，建立了基于果蝇算法的广义回归神经网络模型。该模型很大程度上降低了人为因素对参数选取的干扰，提高了广义回归神经网络模型的准确性。

综上所述，软岩隧道变形预测方面的研究大多基于弹塑性理论对软岩塑性区半径、洞壁径向位移进行预测，而针对软岩变形随时间演化趋势的预测较少。面对日趋复杂的软岩隧道大变形问题，变形研究的重点应是借助于各种算法模型准确预测软岩的实时变形，为确定合理支护时机提供依据。

4 大变形控制对策

4.1 适宜的开挖工法

软岩隧道在开挖过程中会对围岩原始应力场造成扰动，破坏围岩应力平衡状态。卸荷效应引起的围岩应力重分布与时间、空间相关［25］，隧道开挖面空间效应对围岩的影响占主导地位。因此，应选择合理的隧道开挖方法，尽量减少超挖量，快速封闭成环，提升围岩承受能力。对于膨胀型大变形，在隧道开挖过程中除了拱部承受围岩压力外，边墙和底部同时还承受膨胀压力，因此膨胀性软岩开挖过程中需要控制开挖断面形状，尽量采用圆形或马蹄形等圆顺断面，避免应力集中。膨胀性软岩隧道施工过程中需要制定合理防排水方案，避免围岩开挖后长期暴露于富水环境中产生膨胀变形。

在软岩隧道开挖方案中，中隔壁法、交叉中隔壁法和台阶法均可有效抑制软岩大变形，但各有利弊。中隔壁法、交叉中隔壁法虽然相对安全，但工序繁多导致工期较长，对围岩扰动程度大，会很大程度降低围岩强度。台阶法能够有效缩短工期，但安全性相对较差。在开挖过程中不能一味地追求速度，还要兼顾卸荷效应对围岩应力、变形的影响，考虑隧道施工的需要，因地制宜地选择隧道开挖工法。

4.2 合理的支护理念和方案

4.2.1 支护理念

目前隧道工程中支护理念可分为刚性支护、先让后抗、边让边抗三种［11］。刚性支护理念是指在洞室开挖后短期内采用强度和刚度较大的支护或衬砌结构对隧道围岩进行大范围加固，尽早恢复围岩三向应力平衡状态，最大程度约束围岩变形；刚性支护理念适用于轻微变形。先让后抗支护理念是指加大围岩预留变形量，先释放部分形变压力，待变形达到预期值后再施作支护；该支护理念适用于常规变形。边让边抗支护理念是指在增大预留变形量的同时，增强初期支护的刚度，既释放了一部分形变压力，又不会因让得过多而产生松动压力；该支护理念适用于地应力较高或者变形量较大、对初期支护刚度有较高要求的大变形区段。

4.2.2 支护方案

传统的软岩隧道支护方案大多基于刚性支护理念，如重型钢拱架支撑、厚混凝土衬砌等。随着新奥法的出现，锚喷等柔性支护手段以良好的支护效果和较低的支护成本逐渐被采纳。伴随着现代隧道工程的发展，隧道支护方案已经由单一的锚喷支护发展为多种联合支护，如双层初期支护［26］、钢格栅混凝土核心筒支护［27］等，并且支护效果良好，对控制软岩隧道大变形具有一定借鉴意义。

孔令喜等［28］基于边让边抗的支护理念，设计了一种带有让压阻尼装置的新型让压锚杆支护体系，通过实测软岩隧道支护力和水平收敛证明了该支护体系的有效性。刘宇鹏等［1］通过对比短长锚杆联合支护与普通短锚杆支护的特征曲线后发现，联合支护具有较高支护强度，能够大幅减小隧道洞壁位移，有效控制围岩变形。何满潮等［29］基于软岩隧道支护结构的强度和刚度应耦合的思路，研发了一种恒阻大变形高预应力锚索。该锚索具有负泊松比效应和恒阻力特性，既能够释放部分围岩应力，又具有足够的刚度来限制围岩大变形。

4.3 动态的信息化施工

在施工过程中需根据现场监测情况动态调整支护方案或参数，确保隧道支护措施和围岩塑性变形相互协调。围岩的拱顶沉降、水平收敛、围岩压力、钢拱架应力、混凝土应力等变形监控数据，是对围岩变形和支护效果的反馈，也是软岩隧道变形控制措施制定和调整的依据。因此，应加强对隧道变形和应力的系统监测。

5 结语

本文基于既有研究成果，总结了软岩的定义和分级方法，归纳了大变形的成因、分类和分级方案，阐述了软岩隧道挤压型、膨胀型大变形机理，归纳了大变形预测方法，总结了软岩隧道大变形的控制对策。提出了进一步研究方向：

1）面对日趋复杂的软岩隧道大变形问题，变形预测研究的重点应是软岩变形随时间的演化趋势，可借助算法模型来预测软岩的实时变形，从而准确揭示软岩的变形特征和规律，施作与软岩变形特征相适应的支护措施。

2）采用先让后抗的支护理念时，“让”到何种程度与“抗”的准确时机尚无法明确判断，规范中给出的预留变形量似乎可以理解成“让”的上限值，但是开挖引起的围岩应力调整是个动态过程，在实际工况下预留变形量可能不足或者过大，很难准确把握“让”与“抗”的量与时机，往往达不到控制大变形的目的。因此，在支护体系设计过程中如何准确权衡“让”与“抗”，形成完整的让压支护体系，有待深入研究。