山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

张健儒

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

张健儒

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一，尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时，常常形成大变形等地质灾害，严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析，并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为：1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当，支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时，往往会出现结构大变形和破坏；2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载，二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载，软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度；3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载，且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向；4)在高地应力山岭隧道方面，应进一步开展施工阶段地应力测试，以利于针对性地选择施工方法和支护参数。

山岭隧道；软弱围岩；变形机制；高地应力；施工对策

0 引言

随着我国铁路及公路建设事业的大发展，长大山岭隧道不断出现。近年来，隧道工程穿越软岩地层的工程实例也越来越多。如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道工程是当前隧道工程界面临的重要课题之一。尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时，常常形成大变形等地质灾害，严重影响施工安全和进度。文献[1] 针对深埋高地应力条件下软岩隧道结构变形控制进行了研究。文献[2-3]针对高地应力条件下隧道工程辅助坑道施工期间支护变形开裂的整治措施进行了研究。文献[4]通过介绍兰渝铁路两水隧道施工中应用的几种工法，并进行各种比选，认为大拱台阶法比较适合于双线软岩隧道的施工，能较好地控制围岩变形。目前预防和治理隧道大变形已成为隧道工程界一项世界级难题。

近年来，笔者有幸参加了新建兰州至重庆铁路夏广段木寨岭特长隧道的施工建设，对高地应力地区软弱围岩复杂地质条件下山岭隧道施工难度有着切身体会。木寨岭隧道斜井及正洞前期施工过程中由于支护选择偏弱，不同程度地发生了初期支护变形开裂侵限等病害，给工程的安全和进度造成了极大影响。施工中后期多采用H150、H175等型钢钢架结合锚杆和喷射混凝土进行支护，隧道变形问题基本得到了有效控制。

本文通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念分析提出山岭软岩隧道施工对策，并对当前软岩隧道修建过程中存在的问题进行探讨。

1 软弱围岩工程地质特性

围岩是指受隧道开挖影响而发生应力状态改变的周围岩土体。根据岩土体的强度可将围岩分为坚硬围岩和软弱围岩2类。按照围岩级别多划分为Ⅳ～Ⅵ级围岩。软弱围岩一般有以下突出特点：

1)岩石强度低。根据我国《工程岩体分级标准》[5]、《铁路隧道设计规范》[6]等规范标准，一般将单轴饱和抗压强度低于30 MPa的岩石称为软质岩或软岩。软质岩主要包括未成岩的岩石、已风化的岩石以及含有软弱矿物的岩石。典型岩石有泥岩、砂岩、千枚岩、炭质板岩及绢云母片岩等。

2)岩体破碎。受地质构造影响严重的坚硬岩石也可称为软弱围岩。若硬质岩石受到强烈的构造运动影响，导致节理、裂隙、断层等结构面发育，会造成围岩强度降低、自稳性变差。

3)围岩赋存环境差。隧道围岩一旦赋存于富水、高地应力等不良地质环境中将极易引起涌水、塌方等地质灾害。赋存于这些不良地质环境下的围岩亦可称为软弱围岩。

2 软岩隧道变形机制

由于隧道开挖不可避免要对围岩产生扰动，隧道开挖打破了原有的应力平衡状态，会出现应力重新分布和动态调整。由于软岩强度低、对工程扰动极其敏感，在受拉和受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护结构产生变形。软弱围岩隧道开挖后突出表现在围岩松弛压力大，初期支护承受压力大。

按照结构力学的基本原理，将隧道初期支护看作是由锚杆、钢筋网、喷射混凝土、钢架等支护手段组成的复合体。该复合体是具有一定强度和刚度的承载结构。软岩隧道的开挖过程同时也是周边扰动围岩对初期支护结构的逐级逐次加载过程。当作用在初期支护上的围岩扰动荷载未超出结构本身的极限承载力的时候，结构将处于稳定状态，同时支护结构会因为荷载的不断增加发生变形。一旦围岩扰动产生的荷载超出初期支护结构极限承载力，支护结构将会失稳破坏，突出表现为钢架扭曲、喷层开裂掉块，结构变形出现突变等。

由以上分析可以看出，软弱围岩大变形是指在隧道开挖形成临空面以后围岩受自重应力及构造应力的影响发生朝向隧道净空的变形。由于软岩受扰后应力重分布时间相对较长，变形量相对较大，同时产生了一定的塑性圈(即松动圈)，若不适时采取相应措施，塑性圈会发生进一步变化，继而引起新的应力重分布，这是软弱围岩不同于硬质围岩的特点，这也是复杂应力条件下软弱围岩本身固有的特性，属于客观因素；而由于支护参数、施工方法选择不当，隧道支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力而出现大变形和结构破坏，则属于主观因素。

3 地应力对软岩隧道工程的影响

3.1 地应力基本概念

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地质力学认为﹐地壳内的应力活动是使地壳克服阻力﹑不断运动发展的原因。地壳各处发生的形变(如褶皱﹑断裂)等都是地应力作用的结果。

通常地壳内各点的应力状态不尽相同﹐并且应力随(地表以下)深度的增加而增加。由于所处的构造部位和地理位置不同﹐各处的应力增加的梯度也不相同，重力和构造应力是地应力的主要组成因素。

文献[5]和文献[7]显示初始应力的分布有以下主要规律：

1)岩体的初始应力绝大部分是以水平应力为主的三向不等压的空间应力场，3个主应力的大小和方向是随着时间和空间变化的，是一个非稳定的应力场。

2)实测的垂直应力基本上等于上覆岩体重力。

即：σv=γH=0.027H。

式中：σv为垂直原岩应力，MPa；H为计算点到地表的垂直距离，m。

3)水平应力普遍大于垂直应力。

3.2 高地应力定义

一般认为，高地应力是指初始应力特别是其水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的重力。

GB 50218—1994《工程岩体分级标准》[5]规定：

1)Rc/σmax=4～7时为高地应力，软质岩岩芯有饼化现象，软岩隧道开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差(其中：Rc为岩样饱和抗压强度，MPa；σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力，MPa)。

2)Rc/σmax<4时为极高地应力，软质岩岩芯常有饼化现象，软岩隧道开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大变形，持续时间长，不易成洞。

目前山岭隧道勘测设计阶段通常采用地面垂直钻孔获取应力值，并结合区域地质资料来综合判断隧址区的地应力情况。而在隧道开挖以后通过原位测试获取地应力资料的方法在工程实践中采用较少。

3.3 高地应力对隧道工程的影响

高地应力对隧道工程造成的灾害最典型为：对硬脆性岩体而言为岩爆，对软岩则为洞室大变形。由于长大山岭隧道通常埋深较大，洞室开挖后软弱围岩在自重应力场和水平地应力场的共同作用下往往会发生较大变形。

4 软弱围岩隧道变形控制基本理念

文献[7]将软弱围岩隧道变形控制的理念主要归纳为2个截然相反的思路：一个是为了减轻作用在支护上的荷载，容许一定位移；一个是为了控制围岩松弛而尽可能早地控制位移，即“柔性支护”和“刚性支护”控制变形的理念。

4.1 柔性支护

柔性支护控制变形的理念是允许围岩变形，释放地应力，减小支护压力，同时又能约束围岩松弛和过度变形，保持隧道稳定。通常的做法是在超前支护下开挖后先施作第1层支护约束围岩的变形，而后在距掌子面后方一定距离进行2次补强支护使隧道结构稳定，必要时采用锚索以及适时注浆补强等支护措施控制围岩和结构变形。

4.2 刚性支护

刚性支护控制变形通常是指采取提高围岩的自承能力和加强支护及衬砌的强度和刚度来控制变形。提高围岩自承能力的措施有超前预注浆加固地层、水平旋喷、超前大管棚等支护手段。加强支护和衬砌强度和刚度通常采用长锚杆、重型钢架和加大喷射混凝土厚度等措施。

柔性支护和刚性支护对比如表1所示。

表1 柔性支护和刚性支护对比表Table 1 Comparison and contrast between flexible support and rigid support

从表1对比分析可以看出：“柔性支护”先期施作的第1层支护往往发生变形屈服破坏，后期需要进行二次支护和补强加固，施工工序复杂、现场施工管理难度大；“刚性支护”施工工艺相对简单、安全可靠性高、施工速度快。因此，对于长大隧道的施工，优先采用“刚性支护”更容易达到快速施工的目的。

5 软弱围岩隧道施工对策

5.1 基本原则

通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念分析，并结合相关工程实例可以得出软岩隧道施工应该坚持的基本原则有：

1)根据前期地应力测试结果，了解区域地应力分布状况。

2)线路走向尽可能和最大水平主应力方向一致，尽可能减小地应力对隧道工程的影响。

3)隧道结构设计坚持“刚性支护”宁强勿弱的原则，采用长锚杆、厚层喷射混凝土、锁脚锚杆和重型钢架等组合支护措施，控制围岩变形，达到向围岩深处转移二次应力的作用。

4)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载，二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载。软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构的强度。

5)对于围岩赋存环境较差，地下水较发育的地段，采用超前预注浆、水平旋喷、超前大管棚等辅助施工方法重点改善并加固地层，提高围岩的自承能力，减小作用在支护结构上的荷载。

6)合理选择初期支护预留变形量。人为加大预留变形量除增加开挖支护工程量以外，初期支护钢架和喷射混凝土也会因结构变形过大而丧失承载能力。选择合理的预留变形量有助于达到安全高效施工的目的。特殊地质地段可以考虑预留二次支护的施工空间。

7)施工图阶段开展隧道支护结构预设计，在工程开工以后通过现场试验结果进一步优化设计参数。

8)建立初期支护稳定性评判标准，在施工过程中实时对初期支护结构安全稳定性进行评判，指导现场工程施工。

5.2 支护结构安全稳定性评判标准

对于铁路隧道支护结构安全稳定性评判标准初步探讨如表2所示。

表2 支护结构安全稳定性评判标准Table 2 Criteria of safety and stability of support structure

注：表中数据为单侧绝对收敛值。

施工现场可通过观察初期支护结构工程特征，结合支护结构朝向净空方向的累计变形情况综合做出结构安全稳定性评判，以利于采取针对性的补强加固处理措施。

6 典型工程实例

新建兰州至重庆铁路夏广段木寨岭特长隧道位于甘肃省定西市漳县、岷县境内，隧道全长19.06 km，为兰渝铁路最长隧道，是全线重点控制性工程。隧道设计为双洞单线分离式隧道，左、右线线间距为40 m，隧道最大埋深为600 m。隧道洞身穿越地层主要以二叠系板岩、砂岩及炭质板岩为主。二叠系板岩及炭质板岩多呈互层及夹层分布，长度占全隧的46.53%。炭质板岩遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，加之隧址区地质构造复杂，隧道施工难度极大，属于极高风险隧道。

根据地应力测试结果隧址区最大水平主应力值为6.34～13.79 MPa，岩样饱和抗压强度为19.26～25.45 MPa，平均强度为22.25 MPa。围岩强度应力比一般为1.15～4.01。根据《工程岩体分级标准》判定为极高-高地应力。

木寨岭隧道斜井及正洞前期施工过程中由于支护选择偏弱，不同程度发生了初期支护变形开裂侵限等病害，给工程的安全和进度造成了极大影响。施工中后期多采用H150、H175等型钢钢架结合锚杆和喷射混凝土进行支护，隧道变形基本得到了有效控制。工程施工过程中采取的主要施工对策有：

1)采用台阶法施工，台阶长度为3～5 m。

2)采用超前小导管进行超前支护，减小掌子面的先行位移，同时控制隧道开挖后的拱部坍塌。

3)钢架架立以后及时施作锁脚锚杆，改善初期支护结构的受力状态，提高结构抵抗变形的能力。

4)及时施作初期支护仰拱，尽早实现初期支护全断面闭合，缩短隧道变形收敛稳定的时间。因为支护结构闭合与不闭合其承载力存在极大差异，对控制周边围岩的位移和松弛具有不可忽视的影响。

5)仰拱和衬砌紧跟开挖掌子面，做到及时封闭成环。尽可能做到仰拱距离上台阶的长度不超过35 m，衬砌距离上台阶的长度不超过70 m。

6)衬砌采用钢筋混凝土，防止后期结构变形开裂。

7 结论与体会

在复杂地质条件下修建软弱围岩隧道，面临的困难和挑战是非常大的。软岩隧道如何在保证施工安全的前提下实现快速和经济的目的是今后研究的主要方向。当前我国软弱围岩施工和国外先进技术相比仍然存在一定的差距。通过工程实践，有以下体会：

1)按照新奥法设计原理，隧道初期支护为承载结构，二次衬砌作为安全储备并起到饰面作用。软弱围岩隧道在支护及衬砌施工完成后，隧道结构还要承担后期围岩松弛和蠕变荷载。因此，软岩隧道初期支护要承担开挖期间的全部荷载，二次衬砌还要作为受力结构承担荷载。

2)软弱围岩超前预加固技术的研究和开发应该成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向。软弱围岩变形的一个主要特征就是掌子面前方及周边围岩变形较大。加强掌子面前方围岩的预加固和超前支护一方面可以提高隧道开挖的安全性，另一方面也可以减少支护施工的工程量，从而达到安全快速施工的目的。

3)长大山岭隧道受隧道埋深、围岩岩性变化以及地质构造影响，地应力对隧道施工的影响应该是一个相当复杂的过程。尽管在勘测设计阶段取得了一些宝贵的资料，但是目前在支护参数选择方面还不能做到地应力测试结果实时指导工程施工，大多数情况下仅凭经验选择支护参数。高地应力山岭隧道应进一步开展施工阶段地应力测试，以利于针对性地选择施工方法和支护参数。

4)应进一步加强软岩隧道在断层破碎带等极端恶劣的施工条件下技术研究，全面提高我国软弱围岩隧道整体施工技术水平。

[1]李国良，朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术[J].铁道工程学报，2008，3(114)：54-59.(LI Guoliang,ZHU Yongquan.Control technology for large deformation of highland stressed weak rock in Wushaoling tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society，2008，3(114)：54-59.(in Chinese))

[2]叶慷慨.木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术[J].隧道建设，2010，30(2)：190-194.(YE Kangkai.Case study on control of large deformation of Daping inclined shaft of Muzhailing tunnel[J].Tunnel Construction，2010，30(2): 190-194.(in Chinese))

[3]唐绍武，王庆林.木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩大变形施工技术[J].隧道建设，2010，30(2)：199-201，211.(TANG Shaowu,WANG Qinglin.Case study on large control of Dazhangou inclined shaft of Muzhailing tunnel in soft ground with hing ground stress[J].Tunnel Construction,2010,30(2): 199-201,211.(in Chinese))

[4]徐勇，刘仲仁，王维高，等.铁路双线软岩隧道控制大变形施工工法比选[J].隧道建设，2010，30(2)：134-136.(XU Yong,LIU Zhongren,WANG Weigao,et al.Conmparison and contrast among different construction methods for double-track railway tunnels in soft ground[J].Tunnel Construction,2010,30(2): 134-136.(in Chinese))

[5]GB 50218—1994 工程岩体分级标准[S].北京：中华人民共和国建设部，1994.

[6]TB 10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.(GUAN Baoshu，ZHAO Yong,Construction technique of soft rock tunnel[M].Beijing: China Communications Press,2011.(in Chinese))

国内首次采用大直径盾构施工穿越长江天堑——南京地铁10号线通车运营

2014年7月1日，由铁四院总体设计的南京地铁10号线通车运营。这是南京第一条过江地铁，也是国内首条穿越长江的单洞双线大盾构隧道地铁线，历经4年建设后通车，迎接在南京举行的第二届青奥会。

由十三、十四、二十三局集团等单位承建的南京地铁10号线在江心洲站—滨江大道站区间穿越长江，长约4.2 km，是国内最长、埋深最深、水压最高、直径最大的过江地铁隧道。

随着地铁10号线的通车，铁四院设计的江苏省第一条过江隧道“逃生通道”、首套地铁站台屏蔽门系统，也将同时投入使用。与南京地铁1号线、2号线所用安全门主要为防范落轨事故不同，10号线安装的屏蔽门运用整面玻璃，将地铁轨行区和车站完全隔离，使隧道通风系统和车站通风空调系统相互独立。

在过江地铁隧道施工中，十四局集团创造了大直径盾构日掘进38 m、月掘进636 m的最新纪录，在高水压始发、刀具更换和改进、泥浆回打、复杂地层穿越技术等方面形成了30余项成果与专利，申报5项省部级科研成果，部分技术填补了国内空白，中国工程院钱七虎院士对此给予了高度称赞。

全长21.6 km，设站14座的南京地铁10号线挺进江北，首次实现轨道交通打破长江天堑的阻隔，将南京城市版图再一次向外围拓展，对引导河西地区和浦口区发展，实现城市交通与区域交通一体化具有促进作用。

(摘自 中国铁道建筑报 http://www.crcn.com.cn/html/2014-07/03/content_76882.htm?div=-1 )

EngineeringGeologicalPropertiesofSoftSurroundingRocksofMountain-crossingTunnelsandConstructionCountermeasures

ZHANG Jianru

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Safe and rapid construction of tunnels in soft surrounding rocks becomes more and more important.Especially when tunneling through soft surrounding rocks with high ground stress,serious deformation may occur,which may jeopardize the construction safety and the construction progress.In this paper,the engineering geological properties of soft surrounding rocks,the deformation mechanisms of tunnels in soft surrounding rocks and the basic deformation control concepts are analyzed,and the criteria for the safety and stability of the support structures of tunnels in soft surrounding rocks and the construction countermeasures are proposed.Conclusions drawn are as follows: 1)Due to the improper support parameters and construction methods adopted,the strength and rigidity of the support structure cannot resist the huge surrounding rock pressure and therefore serious deformation and failure may occur;2)In soft surrounding rock section,the primary support takes all the loads during construction,the secondary lining needs to take the loads caused by the deformation of the surrounding rocks in the later stage,and the lining of the tunnel in soft surrounding rocks should be strengthened by means of adding steel bars and increasing the lining thickness.3)Advance support and reinforcement can improve the self-support capacity of the surrounding rocks and can reduce the load acting on the support structure,therefore the advance support and reinforcement should be the focus of studies on construction technologies of tunnels in soft surrounding rocks;4)For mountain-crossing tunnels in high ground stress area,ground stress measurement should be further implemented so as to select proper construction methods and support parameters.

mountain-crossing tunnel;soft surrounding rock;deformation mechanism;high ground stress;construction countermeasure

2013-12-26;

2014-03-16

张健儒(1973—)，男，陕西陇县人，1996年毕业于西南交通大学，地下工程与隧道工程专业，本科，高级工程师，从事铁路隧道工程施工与技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.007

U 45

A

1672-741X(2014)08-0749-05