浅谈隧道软弱围岩大变形的特征与处治措施

摘 要：通过对软弱围岩大变形控制技术的研究现状、形成机理、软弱围岩变形的特征进行研究，提出了在隧道软弱围岩大变形控制中应遵循“合理变形，刚柔相济”的总体设计原则及实行“超前预加固，超短台阶开挖，多重支护，加强二次衬砌，勤测量”的施工控制技术，对软弱围岩隧道的设计、施工具有指导意义。

关键词：软弱围岩；大变形；长锚杆

近年来，中国的基础设施建设迅速发展，地下空间的开发利用正在向新的深度和广度发展，许多具有长、大、深、群特点的隧道工程纷纷上马。隧道工程在穿越高地应力区及软弱围岩体时，常产生软弱围岩大变形等地质灾害，给工程建设造成了极大的困难。因此，探讨软弱围岩大变形的特征与处治措施，对隧道工程的顺利建设有重要意义。

1 围岩大变形控制技术的研究现状

在隧道工程建设过程中，软弱围岩大变形对其产生严重的影响。国内外关于软弱围岩隧道施工技术的研究十分盛行，这些研究主要集中在：（1）变形原因、机制、变形特征、变形预测；支护结构的变形及受力情况，支护结构与围岩的相互作用；大变形控制、防治措施，支护结构，形式、施工工序等。（2）从大变形隧道的各个方面进行研究。主要研究方面在高地应力下大变形的施工控制、大变形的预测方法、产生变形的原因、特征、分级等。本文将从设计和施工两方面对软弱围岩大变形进行详细、系统地阐述，分析国内外对软弱围岩变形的对策，对软弱围岩隧道的设计、施工具有指导意义和参考意义。

1.1 变形的定义

目前大变形未有一个明确清晰的定义。理论上，研究者们注重或者侧重某一类型的大变形研究，系统研究很少。因而在工程实践中，围岩大变形至今未列入设计规范，导致勘察、设计、施工各方的认识不一致。给施工处理造成了很大的难度。现阶段各工程单位根据隧道施工规范要求及新奥法规定，单线隧道正常位移u<13cm，双线隧道u<25cm，最大允许变形量为洞径的3%。在隧道施工中，如果初期支护发生了大于25cm（单线隧道）和50cm（双线隧道）的位移，则判定为大变形。

隧道围岩大变形可以定义为：隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏，它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏。

1.2 大变形的形成类型

按照围岩变形的形成机制将围岩大变形分为两类：一类是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生的塑性变形，如果介质变形缓慢，就属于挤压变形，挤压变形主要发生在高地应力区的断层破碎带或构造带；另一类是岩石中某些矿物与水发生反应而产生的膨胀变形，膨胀变形主要发生在膨润土、板岩、千枚岩地段。主要是由于其本身性软，遇水易软化，具有一定的膨胀性。

何满朝教授按照围岩自身的特征性矿物、变形的破坏特征、力学作用等特点，将软弱围岩变形破坏机制分为与深部软岩本身分子结构的化学性质有关，与力源有关，与洞室结构同岩体结构面的组合特性有关的三个方面，将深部软岩（深度大于500m）按变形力学机制归为三类，即物化膨胀类、应力扩容类和结构变形类。

陈宗基教授从围岩的收敛变形机理将围岩的大变形机制分为塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容桡曲五类。据国内外隧道施工经验，围岩及初期支护产生的变形种类主要有：膨胀变形、挤压变形、松弛变形和高地应力引起的软弱围岩变形。

2 软弱围岩大变形的特征

通过对乌鞘岭隧道、印度海代尔引水隧道、奥地利阿尔贝格隧道、辛普伦隧道、家竹箐隧道等国内外典型的大变形隧道实例归纳，得出大变形的基本特征：（1）发生大变形段，隧道埋深相对较深，围岩的物质条件为强度低的软岩类，在结构上岩体具原生结构的特点，这类围岩也包含了软岩中具有膨胀性的岩石。（2）围岩环境条件为不同程度地存在高地应力问题，由于围岩强度低，形成了很高的应力强度比。（3）地下水的存在，对软岩的软化作用在围岩大变形中发挥很重要的作用，围岩变形破坏的模式主要为塑性流动、弯曲变形。（4）围岩变形量较大，持续的时间长，可以在开挖或在隧道运营一段时间后发生。往往表现为初期支护破裂、钢拱架扭曲，侵入隧道限界，二次混凝土衬砌的破裂和剥离、混凝土底板的折断翘等。

3 软弱围岩大变形的处治技术措施

从上面讲述的软弱围岩的形成机理与特征来看，软弱围岩大变形是一种危害程度大、整治费用高的工程地质灾害。所以我们应该从设计和施工两个方面对其进行控制与处治。

3.1 设计总体原则和理念

设计应采用“优化洞型，选择合理断面；措施得当，控制变形；先柔后刚，以柔克刚；预留变形，谨防侵入净空；封闭成环，防止局部变形过大”的总体设计原则，将“先柔后刚，以柔克刚”的设计理念贯穿于隧道结构设计中去。即开挖后先设置柔性支护，以便于围岩释放地应力，从而发挥围岩的自承作用，使围岩和支护结构共同承受围岩的荷载和变形，同时增加二衬强度，使二衬也可承受部分围岩压力。

3.1.1 优化洞型，选择合理断面。在保证结构安全的前提下，应优先采用马蹄形曲墙仰拱衬砌断面，后选择椭圆形衬砌断面，在可能发生大变形的高地应力区，则优先采用椭圆形衬砌断面。

3.1.2 措施得当，控制变形。高地应力、地下水发育和软弱围岩是软岩大变形的内在因素。高地应力和地下水发育的情况是无法改变的，但可以通过加固围岩和允许适当的局部变形等措施来控制软岩的大变形。通过国内外相关工程的类比，长锚杆是主动控制软岩大变形的重要手段。设计应按照“锚杆打入围岩松动圈外稳定层不少于2m”的原则确定锚杆的长度，以形成合力的围岩加固圈。同时双层支护也是控制软岩大变形的有效手段之一，设计按照“第一层锚杆承受绝大部分围岩压力和变形，第二层支护使围岩趋于稳定”的思想确定喷锚和型钢参数，使二衬施作前围岩初期支护体系处于稳定状态。此外，可采用可缩钢架和喷钢纤维混凝土等措施释放局部变形，以达到控制整体变形的目的。

3.1.3 刚柔相济。是指先施作柔性初期支护体系，再施作刚性二衬结构，允许二衬承受适当的围岩荷载或主要以锚喷网钢筋砼、长锚杆和型钢钢架等组合的柔性支护结构和围岩共同作用，承受围岩释放的绝大部分应力和变形。

3.1.4 预留合理的变形量。在高地应力和地下水发育的条件下，软岩发生不同程度的大变形，确定开挖轮廓线外必定要预留合理的变形量，以预防初期支护变形后侵入二衬净空。同时，适当的预留变形量可释放地应力，有效减少二衬承受的围岩荷载。

3.1.5 封闭成环，防止局部变形过大。临时仰拱应紧跟掌子面，仰拱若不能和拱墙一起施作，也应在拱墙施作后及时施作，不应滞后过多。这样可及时封闭成环，有效增强结构的刚度和受荷能力，防止局部变形过大。可使用圆顺的环形或椭圆形结构，有效优化结构的荷载分布，增加结构的安全性。

3.2 施工原则与注意事项

隧道工程软弱围岩施工应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、快衬砌、勤量测”的施工原则，及时对开挖后的软岩在应力释放一定程度后进行支护。支护应遵循“先放后抗、先柔后刚”的支护原则，才能既保证隧道结构的安全，又确保围岩不侵入净空。在施工过程中应注意以下事项：

3.2.1 减少对围岩的扰动。施工时应尽量减少诱发围岩变形的不利因素，控制围岩变形的发展。具体可从两方面进行控制：一是严格控制爆破参数，采用减弱振动控制爆破技术，可有效地减少爆破对围岩的扰动；二是严格控制循环进尺，采用预支护或径向注浆等辅助工法，对软弱围岩进行超前预支护，加固破碎围岩，约束围岩的变形。

3.2.2 多重支护。先利用长锚杆控制软岩的大变形，再采用锚喷网柔性支护和工字钢支撑（当围岩级别较差时，可进行双层锚喷和双层支护）。在限制围岩变形的同时允许释放部分位移，以充分发挥围岩自身的承载力。

3.2.3 超短台阶法开挖。即上台阶不超过5m，下台阶距离仰拱不大于15m，上台阶距衬砌不超过50m，及时支护，可有效减缓围岩变形速率，尽早封闭成环，可控制软岩大变形。

3.2.4 加强监控量测。对工序干扰、爆破等施工应加强量测，防止突变产生塌方，同时通过量测情况指导施工。

4 结语

（1）现行的设计与施工技术规范对工程中遇到的软岩大变形问题指导意义有限，软弱围岩大变形是施工中遇到的特殊地质问题，不应采用现行的围岩级别进行划分，应针对高地应力、地下水发育的特点，基于挤压流变效应对大变形进行专项设计分级和施工控制。（2）在软弱围岩隧道设计中，我们应该坚持“合理变形，刚柔相济”的设计原则。（3）施工软弱围岩隧道应实行“超前加固、超短台阶开挖，多重支护、加强二次衬砌”的施工控制理念。（4）长锚杆加固一般来说锚固段越长越好，但隧道施工中实际操作困难，不便于垂直岩面打进，倾斜施作的效果、时效性值得研究。

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作者简介：李小林（1982- ），男，汉，湖南衡阳人，工程师，主要从事岩土、铁路等方面的设计和管理工作。