李國良，李寧，丁彥杰

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司總工程師辦公室，陜西 西安710043；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁隧道設(shè)計院，陜西 西安710043；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司國家軌道交通重點實驗室，陜西 西安710043）

0 引言

近年來，隨著隧道工程向“長、大、深、難”方向發(fā)展，高地應(yīng)力軟巖大變形隧道不斷涌現(xiàn)。軟巖大變形通常表現(xiàn)為圍巖變形量大、變形速率高、變形持續(xù)時間長，極易發(fā)生初支變形破壞、鋼架扭曲、侵限拆換，甚至二次襯砌壓潰等現(xiàn)象，給設(shè)計和施工帶來極大困難。自20世紀(jì)出現(xiàn)首例高地應(yīng)力軟巖大變形隧道后，軟巖大變形就一直是困擾地下工程的難題，解決該類問題的研究也逐漸展開［1-4］。結(jié)合工程實踐，從變形分級、變形機(jī)理、變形控制技術(shù)等方面，探討高地應(yīng)力軟巖隧道相關(guān)技術(shù)問題，有利于減少工程事故，達(dá)到控制風(fēng)險、減少損失的目的。

1 高地應(yīng)力判定

高地應(yīng)力是一個相對概念，它與巖體所受的應(yīng)力歷史及巖體強(qiáng)度、巖體彈性模量等因素有關(guān)。對于高地應(yīng)力的判定，尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般采用定量法、應(yīng)力比值法和強(qiáng)度應(yīng)力比法判定，國內(nèi)外常用的地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。從表中可以看出，我國與國外部分國家的地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)差別較大，這反映出不同國家對高地應(yīng)力的定義差異較大。

實測資料表明，發(fā)生軟巖大變形時，最大主應(yīng)力值多為20～25 MPa，或強(qiáng)度應(yīng)力比＜4；在最大主應(yīng)力值為10～20 MPa，或強(qiáng)度應(yīng)力比為4～7時，也有不少軟巖大變形發(fā)生，如南昆鐵路家竹箐隧道、蘭渝鐵路兩水隧道等；當(dāng)?shù)貞?yīng)力＜10 MPa，或強(qiáng)度應(yīng)力比＞7時，很少發(fā)生軟巖大變形。結(jié)合現(xiàn)場實踐，制定高地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)（見表2）。

表1 地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 高地應(yīng)力判定劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 高地應(yīng)力軟巖變形分級

2.1 圍巖特征

高地應(yīng)力軟巖一般為層片狀軟巖及蝕變軟巖，尤其以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)或黏土礦物含量較高的巖石最為典型，常見種類有炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r、板巖、炭質(zhì)板巖、綠泥片巖、炭質(zhì)片巖、云母片巖、絹云母片巖、千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、綠泥石千枚巖、各類蝕變巖、煤系地層及其斷層破碎帶構(gòu)造巖等。

巖性特點為軟硬不均、巖性交替分布，沿隧道軸向變化頻繁，總體上巖質(zhì)軟、強(qiáng)度低。巖層以薄層、片狀為主，局部中厚層，層厚變化頻繁；巖體結(jié)構(gòu)呈層狀、碎（塊）石狀、松散及角礫狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，褶皺及小揉皺構(gòu)造發(fā)育，巖體中含層間擠壓破碎帶及次生小斷層（見圖1）。

圖1 高地應(yīng)力軟巖隧道典型圍巖

2.2 變形分級

高地應(yīng)力軟巖是特殊環(huán)境的特殊地質(zhì)問題，不能采用現(xiàn)行圍巖分級及支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行特殊設(shè)計。因此，制定高地應(yīng)力軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)十分必要，其直接影響變形控制技術(shù)方案的確定。業(yè)界對變形分級展開了一定研究，并提出了變形分級的方法和標(biāo)準(zhǔn)［5-6］，但由于依托的工程項目不同、地質(zhì)條件迥異，導(dǎo)致各方法和標(biāo)準(zhǔn)差異較大。擠壓性圍巖變形分級對照見表3。

目前，我國軟巖大變形分級主要分為3個等級，但一些特殊復(fù)雜條件下，該分級法略顯粗泛，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段圍巖強(qiáng)度應(yīng)力≤0.01，與現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的極高地應(yīng)力（Rcm∶σmax＜4）相比，處于“特極高地應(yīng)力”狀態(tài)。施工中出現(xiàn)了極嚴(yán)重擠壓性大變形，變形控制難度極大，現(xiàn)場采取放抗結(jié)合的多重支護(hù)+超前應(yīng)力釋放小導(dǎo)洞等綜合技術(shù)控制變形，其變形等級、強(qiáng)度應(yīng)力比超出該分級法中的Ⅲ級。結(jié)合烏鞘嶺隧道科研情況，以及Hoek高地應(yīng)力軟巖等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將高地應(yīng)力軟巖隧道變形等級劃分為4個等級（見表4）。由表4可知，木寨嶺隧道嶺脊核心段變形等級為Ⅳ級，由此解釋了嶺脊核心段變形極嚴(yán)重的原因。

表3 擠壓性圍巖變形分級對照

鑒于高地應(yīng)力軟巖大變形隧道的地質(zhì)極其復(fù)雜多變，且圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力數(shù)據(jù)獲取難度大，根據(jù)蘭渝鐵路、烏鞘嶺隧道等科研成果［7-12］，綜合初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖石堅硬程度、巖層厚度和巖體完整程度等4個要素，評判現(xiàn)場掌子面的變形等級。高地應(yīng)力軟巖變形分級與圍巖特征見表5。

表4 高地應(yīng)力軟巖變形等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表5 高地應(yīng)力軟巖變形分級與圍巖特征

3 變形管理體系

高地應(yīng)力隧道所處地質(zhì)環(huán)境不同，以及所選洞形、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工開挖方法、支護(hù)時機(jī)等不同，其所表現(xiàn)出的擠壓程度和變形等級也不盡相同。因此，應(yīng)根據(jù)高地應(yīng)力軟巖隧道具體情況，制定變形管理等級進(jìn)行動態(tài)設(shè)計與施工管理，從而達(dá)到有效控制變形、避免支護(hù)侵限破壞的目的。

3.1 支護(hù)適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)

通過總結(jié)現(xiàn)場圍巖變形特征及初期支護(hù)破壞侵限現(xiàn)象，提出由變形速率（初期3～5 d平均變形速率）評價支護(hù)體系適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)體系（見表6）。當(dāng)變形速率達(dá)到高速（大于50 mm/d）且無收斂趨勢時，說明圍巖變形潛勢巨大，需加強(qiáng)支護(hù)體系或采取超前應(yīng)力釋放；當(dāng)變形速率在中、低速（10～50 mm/d）且漸趨收斂時，說明支護(hù)體系抗力與圍巖應(yīng)變能釋放產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力相適應(yīng)，支護(hù)基本合理，并視變形發(fā)展情況可適時補(bǔ)強(qiáng)。

表6 按初期變形速率評價支護(hù)體系適應(yīng)性

對高地應(yīng)力軟巖隧道而言，考慮圍巖的特殊性和復(fù)雜性，支護(hù)體系應(yīng)以適當(dāng)且略強(qiáng)為宜，即保證結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全又經(jīng)濟(jì)合理?？偨Y(jié)起來，變形控制的目的就是控制圍巖的變形速度，將高速變形控制到中速及以下，將中速變形控制到收斂，以減少初期支護(hù)和二次襯砌的形變壓力，保證結(jié)構(gòu)安全。

3.2 監(jiān)控量測管理等級及對策

針對高地應(yīng)力軟巖隧道變形量大、變形速率高、持續(xù)時間長等特點，監(jiān)控量測管理采用變形位移和速率雙控指標(biāo)。高地應(yīng)力軟巖隧道施工變形管理等級劃分見表7，高地應(yīng)力軟巖隧道變形管理對策見表8。按

表7 的管理等級和表8的對策指導(dǎo)施工，當(dāng)實測數(shù)據(jù)已接近表中規(guī)定的數(shù)值，或混凝土表面出現(xiàn)明顯裂縫時，應(yīng)采取立即補(bǔ)強(qiáng)措施，并改變施工方法或設(shè)計參數(shù)。

表8 高地應(yīng)力軟巖隧道變形管理對策

4 結(jié)論

通過對初始地應(yīng)力狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)和擠壓大變形分級國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)合高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖特征及變形機(jī)理的相關(guān)研究，提出高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）采用強(qiáng)度應(yīng)力比和地應(yīng)力量值作為初始地應(yīng)力狀態(tài)評價基準(zhǔn)，相比強(qiáng)度應(yīng)力比單一指標(biāo)更科學(xué)；

（2）高地應(yīng)力軟巖變形等級劃分為4個等級較3個等級更合理，操作性更強(qiáng)，變形等級為Ⅲ、Ⅳ級的高地應(yīng)力軟巖地段宜開展先行試驗；

（3）高地應(yīng)力軟巖變形控制遵循優(yōu)化洞形、主動控制、適度釋放、強(qiáng)化支護(hù)的控制理念，控制支護(hù)的強(qiáng)度，選擇合理的支護(hù)時間；

（4）針對高地應(yīng)力軟巖變形特點，提出大變形分級管理標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)防治措施，可有效控制大變形，保障隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。