王建軍

(鐵一院地質路基處，西安 710043)

0 引言

新建蘭渝線蘭州—廣元段正線建筑長度(設計起點至甘溪溝設計終點)為493 km，其中隧道工程總計342.261 km，65座。線路通過甘肅省東部、南部和四川省西北部，地質構造十分復雜，經(jīng)歷了多期的構造運動，形成了多個地質構造體系，從北向南，經(jīng)過祁連褶皺系、秦嶺褶皺系、松潘-甘孜褶皺系、揚子準地臺4個一級大地構造單元。洞身通過軟巖地層包括第三系(N)砂巖，三疊系(T)、二疊系(P)板巖、炭質板巖，志留系(S)千枚巖、炭質千枚巖及其斷層破碎帶。

目前國內外提出的工程圍巖分類方法已經(jīng)多達百種，盡管各種分類方法都有其自己的標準，但對于高地應力區(qū)圍巖的具體級別還沒有明確的說明。由于圍巖分級方法側重點不同，在高地應力地區(qū)等特殊情況下分級與實際情況相差較大，適宜性相對較差。文獻［1］指出現(xiàn)有規(guī)范在高地應力等特殊地質情況下分級的相對不適宜性，并探討分析了按規(guī)范分級時巖體質量具有的邊緣效應。文獻［2］針對公路隧道圍巖分級，采用統(tǒng)計理論、數(shù)量化理論對施工階段圍巖亞級分級進行研究。文獻［3］將支持向量機應用于巖體質量等級分類中，采用工程中適用性強的指標(如巖石質量指標、完整性系數(shù)、單軸飽和抗壓強度及結構面摩擦因數(shù))作為判別因素，選用徑向基核函數(shù)進行訓練，通過交叉驗證確定最佳模型參數(shù)，建立了巖體質量分級模型。文獻［4］根據(jù)廣東省惠深高速公路牛湖山隧道勘察情況，對其圍巖質量進行分級評價中主要采用了可拓評價體系，并通過與灰色關聯(lián)分析方法、專家經(jīng)驗方法等評價結果相比較，得出高速公路隧道圍巖分級系統(tǒng)可拓評價體系具有科學性、合理性、經(jīng)濟性。

在蘭渝鐵路高地應力軟巖隧道施工實踐中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)行鐵路工程地質勘察規(guī)范關于圍巖分級的劃分標準進行圍巖判定，存在圍巖級別與支護措施不相匹配，即使支護措施很強仍然存在變形較大甚至侵限換拱的現(xiàn)象。本文通過現(xiàn)場變形控制試驗段及大量變形段地質因素統(tǒng)計，探討軟巖變形機制，并初步建立高地應力區(qū)軟巖分級體系。

1 軟巖定義

結合蘭渝鐵路工程實例，就目前巖石工程學界關于軟巖概念的分析總結，側重于從力學特性方面將巖石飽和單軸抗壓強度為0.5～30 MPa、具有變形大、巖體抗剪強度低、彈性模量小的巖層統(tǒng)稱為軟巖［5］。包括成巖作用或膠結程度差的碎屑巖，具有膨脹作用的泥巖、頁巖等黏土巖及煤系地層，受構造作用明顯的(炭質)片巖、云母片巖、綠泥石片巖、(炭質)板巖、(炭質)千枚巖等變質巖類，球狀風化嚴重的花崗巖類，亦包括上述軟質原巖形成以散體結構為主的斷層泥、斷層角礫、糜棱巖、壓碎巖等斷層或構造擠壓破碎帶。

2 隧道大變形的受控條件

地層巖性及其物理力學性質、巖體結構、地應力、隧道埋深、地下水以及工程因素是隧道大變形的主要受控條件［6］。

2.1 地層巖性及其物理力學性質

以蘭渝鐵路眾多的軟巖變形隧道為基礎，結合青藏鐵路關角隧道、蘭武線烏鞘嶺隧道軟巖大變形的工程實例及其物理力學試驗，分析地層巖性條件始終是隧道較大變形產(chǎn)生的首要條件，常見地層包括成巖作用或膠結程度差的碎屑巖，如桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道、哈達鋪隧道第三系成巖作用差的砂巖;木寨嶺隧道、紙坊隧道、哈達鋪隧道、馬家山隧道、同寨隧道、毛羽山隧道(炭質)板巖;兩水隧道、清水隧道(炭質)千枚巖;關角隧道片巖、紙坊隧道進口壓碎板巖、西秦嶺壓碎千枚巖等，上述地層主要物理力學性質及特性如下:

1)巖石飽和單軸抗壓強度Rc一般小于30 MPa。

2)部分軟巖大變形隧道洞內原位大剪試驗表明，變形隧道盡管圍巖巖性不同，尚有一個共同的特點，即該類地層巖體的抗剪斷強度及彈性模量等參數(shù)普遍較低，如收斂變形值＞0.5m的圍巖原位大剪φ≤26°，c≤

0.18 MPa，變形模量及彈性模量等主要變形參數(shù)詳見表1。

表1 軟巖巖體抗剪(斷)強度及變形原位試驗成果匯總表Table 1 Results of in-situ tests on shear strength and deformation of soft rock mass

3)泥質結構巖體或泥化夾層大多含蒙脫石、伊利石、高齡石等脹縮變形的的黏土礦物，具有膨脹性。

2.2 巖體結構條件

根據(jù)對已發(fā)生變形隧道巖體結構條件包括層理、板理、片理、斷層面、節(jié)理裂隙、褶曲樞紐等結構面的統(tǒng)計分析，軟質巖層厚度及走向條件對圍巖穩(wěn)定性或變形數(shù)值的大小影響很大。

1)層厚＞5 cm，鈣質結構，石質較堅硬(Rc＞15 MPa)，受地質構造影響輕微，層間結合緊密，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整或較破碎，揉皺現(xiàn)象及泥化夾層不發(fā)育，含少量基巖裂隙水，巖層走向對隧道穩(wěn)定性影響較小。

2)層厚＜5 cm，陡傾角巖層，走向與洞軸線夾角＞35°。木寨嶺隧道正洞以及天池坪隧道出口段，巖層走向與線路夾角＞35°，圍巖中也分布有層間擠壓破碎帶、揉皺及褶曲發(fā)育地段，但隧道往往近于垂直穿越此類構造帶，一般變形較小，僅局部極其破碎、揉皺帶或地下水發(fā)育地段圍巖以塑流形變?yōu)橹鳌?/p>

3)層厚＜5 cm，陡傾角巖層，走向與洞軸線夾角＜35°。蘭渝鐵路自哈達鋪隧道進口DK220+500至毛羽山隧道出口DK286+661段地層巖性以三疊系板巖為主，泥質、鈣質結構，薄層為主夾中厚層狀構造，產(chǎn)狀近于直立，走向與洞軸線夾角＜35°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有揉皺現(xiàn)象，呈層狀、板狀、碎石狀結構，偶見長大節(jié)理裂隙，屬于Ⅳ級圍巖，局部受構造活動影響嚴重，揉皺極其發(fā)育，巖體極其破碎，呈碎石角礫含泥狀散體結構，巖面潮濕，屬于Ⅴ級圍巖。此類巖層洞室開挖收斂變形一般較大，巖體典型特征表現(xiàn)在沿橫斷面方向變化較大。

4)層厚＜5 cm，平緩產(chǎn)狀巖層。緩傾角巖層變形主要受巖性、巖體強度及地應力的影響，常在拱部發(fā)生橫彎曲變形，在邊墻發(fā)生順結構面蠕滑變形甚至失穩(wěn)。

5)散體結構巖層。包括斷層泥、斷層角礫、糜棱巖、壓碎巖等斷層破碎帶，呈碎石角礫含泥狀構造擠壓破碎帶以及產(chǎn)狀紊亂或薄片狀石質極軟巖層，局部構造裂隙、基巖裂隙水發(fā)育。巖體變形受地應力環(huán)境的明顯控制，當隧道開挖前處在高地應力狀態(tài)時尚具有較高的強度和穩(wěn)定性，當洞室開挖產(chǎn)生變形凌空面時，地應力重新分布，圍巖應力差增大時，結構面張開或滑移，圍巖整體強度和模量降低，表現(xiàn)出顯著的結構流變特點。

2.3 地應力與隧道埋深條件

根據(jù)《甘肅省區(qū)域地質志》有關構造應力場分析，結合蘭渝線實測地應力數(shù)值分析，自前元古代時期以來一直以南北向的持續(xù)擠壓應力為主，根據(jù) GB 50218—1994《工程巖體分級標準》，采用RC/SH即最大水平主應力實測值與該處巖石單軸飽和抗壓強度的比值劃分地應力狀態(tài)，全線劃分均屬于高地應力-極高地應力區(qū)。

1)主應力與隧道埋深的關系。一定埋深范圍內，應力值隨深度增加呈增加的趨勢，在圍巖強度不變的情況下，隧道圍巖變形位移的大小也相應增加。

2)最大水平主應力的優(yōu)勢方向。最大主應力優(yōu)勢方向北部自黑山隧道至毛羽山隧道以NE-SW向為主，南部自天池坪隧道至南崖山隧道以NW-SE向為主;最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向與隧道洞軸線夾角大小影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，當最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向與隧道洞軸線方向一致時，對隧道穩(wěn)定性影響最小，垂直時對隧道穩(wěn)定性影響最大。

2.4 地下水條件

軟巖隧道往往含泥質結構或泥化夾層等軟弱圍巖，地下水對巖體有明顯的軟化，是影響圍巖穩(wěn)定性或促進變形發(fā)展的重要因素。

2.5 工程因素

工程因素包括隧道斷面大小及形態(tài)、相鄰單線隧道的線間距、支護措施、開挖工法等。

1)隧道斷面大小即跨度對圍巖穩(wěn)定及變形的影響較大?？缍仍酱箝_挖切割的巖體結構面越多，形成的不穩(wěn)定塊體越多，圍巖易失穩(wěn)，變形越大。

2)隧道斷面形態(tài)即采用曲墻、直墻、圓形、橢圓形等，對圍巖穩(wěn)定性影響較大。軟巖隧道采用直墻洞室易在夾角處形成應力集中，即使斷面尺寸較小，變形也較大，甚至失穩(wěn);而曲墻、圓形斷面則會大大改善變形條件。

3)相鄰隧道的線間距也是影響軟巖隧道變形的一個工程因素，一般應保持在3.5～5倍的隧道跨度，否則兩側變形相互疊加(影響)也會導致收斂變形數(shù)值過大，不宜控制。

4)軟巖變形隧道常用支護措施加強控制變形。如采用寬面板H型鋼、長錨桿、徑向注漿及二次支護都是比較有效的辦法，高地應力區(qū)也可采用超前導洞應力釋放法掘進。

5)開挖工法的影響。對于軟巖大斷面隧道，因為沒有足夠時間支護，且掌子面變形不可控制，往往要預留核心土或采用臺階法等分部開挖法，使得初期支護快速封閉成環(huán);三臺階法施工如果上、中或中下臺階鋼架接腿時間間隔過長，會產(chǎn)生松動圈累進性擴大及韌性剪切變形破壞。另外在軟弱圍巖隧道內停止爆破作業(yè)，洞內變形速率會明顯減小，采用破碎錘等機械開挖對圍巖的擾動比采用爆破方法要小，圍巖的穩(wěn)定性及變形相對就小。

3 圍巖變形模式及形成機制

通過對圍巖變形隧道典型工程實例研究，圍巖變形模式及機制總體上可以歸結為變形初期形變以及后期韌性剪切滑移破壞帶。

3.1 變形初期形變

關于軟巖變形模式及形成機制討論最多的是變形初期軟巖的塑流、膨脹變形、彎曲變形、塑性楔體、累進性松脫擴展、沉降變形、牽引變形等［7］。

1)塑流變形。開挖導致圍巖應力的調整，應力調整引起的擴容使巖體中原本閉合的結構面張開滑移，以及圍巖巖體進一步碎裂化，在改變巖體應力狀態(tài)和強度的同時，圍巖中地下水沿張開裂隙滲流和軟化作用，導致塑性流動使圍巖產(chǎn)生較大的收斂及下沉位移。

2)膨脹變形。洞室開挖后由于爆破產(chǎn)生的裂隙、原有裂隙張開滑移或者應力調整過程新產(chǎn)生的裂隙均為基巖裂隙水的滲入提供了必要的通道，當泥質結構巖石中含有蒙脫石、綠泥石和高嶺石一類的片狀具膨脹性的黏土礦物時，遇水即發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生膨脹力引起變形。

3)彎曲變形。對于在層狀(特別是薄層狀)巖體中的地下洞室，其變形破壞機制可以用彎曲來加以解釋。尤其在高地應力區(qū)的卸荷條件下，巖體更易發(fā)生彎曲變形以致破壞。如陡傾巖層，走向與洞軸線近于一致，在縱彎作用下發(fā)生撓曲變形，引起洞壁側向變形，平緩巖層在橫彎作用下引起拱部彎曲下沉或底鼓。

4)塑性楔體。節(jié)理化巖體塑性變形導致追蹤既有結構面而形成的滑移面，這些滑移面在洞室圍巖空間內組成了塑性楔體并向洞內剪切滑移。隨著主應力方向以及側壓力系數(shù)的不同，塑性楔體可出現(xiàn)在洞周不同的部位，從而引起這些部位圍巖及支護結構的破壞。

5)累進性松脫擴展。高地應力軟巖以壓碎巖、斷層角礫、斷層泥或薄片狀極軟巖等散體結構為主時，如支護不及時或支護措施不強，變形過大，應力重分布會表現(xiàn)為松動圈累進性擴展特點，甚至由于大變形反復拆換拱處理，必將引起大范圍巖體松動，淺埋段可以一直發(fā)展到地表。

6)沉降變形。當隧道工程通過人類采掘活動形成的大面積采空區(qū)時，采空區(qū)巖體頂板塌落、移動逐漸引起采空區(qū)上部整個地層的破壞和向采空區(qū)移動，以致地表產(chǎn)生變形和破壞，是一種特殊類型的圍巖大變形，當?shù)叵虏煽障锏罏閮A斜分布時，以傾斜沉降變形為主;當采空區(qū)巷道為近水平分布時，采空區(qū)頂板產(chǎn)生彎曲、塌落，以垂向沉降變形為主。

7)牽引變形。軟巖隧道洞口淺埋或偏壓段，由于埋深淺，洞內開挖發(fā)生變形會牽引坡體蠕滑開裂，反過來坡體下滑力會對洞內的變形產(chǎn)生加劇作用。

3.2 韌性剪切滑移帶

軟巖隧道圍巖一般石質軟、剪切強度低、彈性模量小，如果控制變形措施不力(比如注漿效果不好、錨桿措施不到位)，后期變形數(shù)值過大，往往會在拱墻以外至少松動圈范圍由于變形速率差異形成韌性剪切滑移帶。韌性剪切滑移帶是指軟巖巖體在變形過程中由于相鄰2個部分變形速率差異較大而產(chǎn)生明顯位移，在結合部形成的帶狀剪切滑移帶，是巖體的破壞變形，寬度一般小于單側收斂變形值0.5 m，其形成部位及傾角與巖體或加固后巖體的均質(或軟硬)程度、剪切強度、結構面、斷面形態(tài)及與施工工法等有關［8］。

相鄰2部分巖體變形速率差異分為3種情況［9］:一是均質巖層在洞室開挖后地應力大、應力重分布形成的剪切變形，其形成部位一般受巖體強度和斷面形態(tài)的影響較大，常形成于應力集中處;二是抵抗變形的巖體強度差異，如軟硬巖接觸帶、斷層兩盤與破碎帶之間、完整性或強度差異較大的2部分巖體之間，屬于抵抗巖體變形的能力不同導致2部分變形速率差異較大形成韌性剪切滑移;三是其中一部分巖體變形受限，如受三臺階施工工法控制形成的韌性剪切破壞帶形成機制見圖1。上臺階先期開挖最先收斂變形，中臺階變形受限，此時如果地應力高、控制變形措施不強或中臺階開挖遲緩，待上臺階持續(xù)變形數(shù)值過大時再開挖中臺階一般會在拱腳形成韌性剪切滑移帶①，同樣中下臺階開挖也能形成韌性剪切帶②，一旦形成韌性剪切破壞帶，圍巖整體穩(wěn)定性就會很大程度降低，容易發(fā)生突變失穩(wěn)［10］。

圖1 軟巖韌性剪切破壞帶的形成機制示意圖Fig.1 Mechanisms of forming of malleable shear failure of soft rock mass

受施工工法控制的變形破壞通過改進施工組織是可以避免的，如在先期開挖的臺階收斂變形數(shù)值較小時能及時進行下一臺階開挖與支護，加強拱架鎖固錨桿與徑向注漿措施，基本保持拱墻低速率同步變形就不會形成韌性剪切帶，這就要求三臺階同步推進快速掘進，使初期支護及時封閉成環(huán)。

4 高地應力軟巖初步分級圍巖特征

見表2。

表2 高地應力軟巖初步分級圍巖特征Table 2 Primary classification of soft rock mass with high ground stress

5 結論與討論

針對高地應力軟巖隧道圍巖分級，通過分析隧道大變形的受控條件以及圍巖的主要變形模式、軟巖變形的形成機制等，對高地應力區(qū)圍巖的分級進行了研究。認為高地應力軟巖可按照單軸抗壓強度和圍巖周邊環(huán)境分為4級，即高軟Ⅰ級～高軟Ⅳ級，并對高軟Ⅰ級～高軟Ⅳ級的圍巖狀況分別描述。通過對新建蘭渝鐵路線各個隧道的地質情況進行調研，對典型隧道依照高軟Ⅰ級～高軟Ⅳ級進行了分類。

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