挤压性围岩隧道变形分级与控制对策

李 宁

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

挤压性围岩隧道的围岩软弱，变形大且持续时间长，会在支护结构设计、施工、后期运营维护等方面产生一系列难题，其变形分级及控制对策亟待解决。虽然对挤压性围岩的研究取得了一些成果，但现行规范对变形分级、变形控制对策不能起到指导作用。目前，挤压性围岩隧道变形问题频发，给设计和施工带来了巨大挑战。鉴于此，本文参考以往挤压性围岩变形分级，通过对以往典型隧道工程施工过程中的变形问题的系统总结，进一步研究挤压性围岩隧道变形分级及控制对策，为类似工程提供参考。

1 挤压性围岩隧道的大变形

大变形是相对常规变形量而言的，属于相对变形。不同的国家和行业规范(标准)均预留了常规变形量，如表1所示。其中，变形量的上限为单线隧道120 mm、双线隧道150 mm，约为其开挖跨度的2%。在挤压性围岩条件下支护发生超过常规变形量的变形便认为发生了大变形。

表1 常规支护条件下的预留变形量 mm

2 挤压性围岩隧道变形分级

2.1 国内外研究现状

关于挤压性围岩隧道的变形分级，目前还没有统一的标准，各分级标准相差较大。

1) HOEK等以相对变形、强度应力比(即岩体单轴抗压强度Rcm与原始地应力P0的比值)为指标进行变形等级划分[5]，见表2。

2)AYDAN等结合工程实例和理论，基于相对变形，进行变形等级划分[6]，见表3。

3)日本采用相对变形进行变形等级划分[7]，见表4。

4)JETHWA等结合工程实例和理论，采用强度应力比进行变形等级划分[8]，见表5。

5)乌鞘岭隧道以强度应力比、原始地应力为指标进行变形等级划分[9]，见表6。

表2 HOEK变形等级划分

表3 AYDAN变形等级划分

表4 日本变形等级划分

注：ηp，ηs，ηf分别为岩土材料应力-应变曲线中硬化阶段、屈服阶段、软化阶段的极限应变εp，εs，εf与弹性极限应变εe的比值。

表5 JETHWA变形等级划分

表6 乌鞘岭隧道挤压性围岩变形等级划分

6)兰渝铁路以相对变形、强度应力比为指标进行变形等级划分[10]，见表7。

表7 兰渝铁路挤压性围岩变形等级划分

2.2 分级指标

分级指标主要有强度应力比、原始地应力、应变、变形量、相对变形等。考虑到挤压性围岩变形的实质是围岩在高地应力作用下发生大变形，其变形量与所处环境的原始地应力大小和围岩强度直接相关。本文将强度应力比作为变形潜势指标，相对变形作为变形验证指标，对挤压性围岩进行分级。此外，挤压性围岩变形还与地质构造、地下水、层间结合物、岩层产状、节理裂隙发育程度、岩体完整性等指标有关。这些指标繁琐且不易测定，本文不再赘述。

2.3 变形分级

鉴于挤压性大变形隧道的复杂性，结合我国目前设计和施工，将挤压性围岩变形分级分为设计阶段变形潜势分级和施工阶段变形验证。

2.3.1 设计阶段变形潜势分级

设计阶段根据隧道围岩力学特性、地应力条件等，采用强度应力比对隧道变形潜势进行划分(见表8)，从而进行预设计。

表8 设计阶段挤压性围岩隧道变形潜势分级

2.3.2 施工阶段变形验证

施工阶段根据相对变形和变形量验证挤压性围岩变形潜势分级，评判围岩与支护措施的适应性，并根据评判结果调整设计阶段的分级，见表9。

表9 施工阶段挤压性围岩隧道变形验证

3 以往典型挤压性围岩隧道变形分级及工程对策

3.1 兰渝铁路木寨岭隧道

兰渝铁路木寨岭隧道大埋深段施工过程中发生极严重的变形，岭脊核心段变形达100～300 cm，部分地段初期支护进行了多次拆换[11]，相对变形4%～25%。按上述分级标准应为Ⅱ,Ⅲ级大变形。

变形控制对策：岭脊一般段采用锚(R38N自进式锁固锚杆，长8 m)、梁(H175型钢钢架)、喷(C30早高强喷射混凝土)、注(φ42注浆小导管，长4 m)联合支护体系；岭脊核心段设置超前小导洞进行应力释放，采用圆形断面、多层支护、分层施作，并设置缓冲层结构使支护具有一定的让压特性(见图1)，以适应岭脊核心段极高地应力、变形量大、速率高、持续时间长等特点。

3.2 乌鞘岭隧道

乌鞘岭隧道通过F7区域性断层及岭脊志留系地层时变形较大，一般为300～700 mm，最大变形达 1 209 mm。相对变形5%～10%。按上述分级标准应为Ⅱ,Ⅲ级大变形。

大变形主要控制对策：①变形极严重的F7断层段设置迂回导坑进行应力释放，采用圆形断面，中长锚杆加固围岩，多重支护;二次衬砌采用大刚度的钢筋混凝土结构。支护参数见表10。②对变形中等～严重的志留系千枚岩地层主要采取加大预留变形量、中长锚杆加固围岩、加强支护刚度及强度等措施[12]。支护参数见表11。

图1 岭脊核心段衬砌断面

表10 F7断层段支护参数

注：喷射混凝土分2次施作，开挖后及时施作厚25 cm第1层喷射混凝土，待变形达10～15 cm时施作厚10 cm第2层喷射混凝土。

表11 志留系千枚岩地层支护参数

注： 埋深600 m以下地段采用φ22 mm锚杆，以上地段采用φ32 mm锚杆。

3.3 襄渝铁路杨河隧道

襄渝铁路杨河隧道的岩性为炭质片岩，开挖后隧道发生极其严重的变形，单侧最大变形达126 cm，相对变形12%，按上述分级标准应为Ⅲ级大变形。

大变形主要控制对策[13-14]：优化边墙曲率，加大支护刚度和强度，在施工中应突出“快”字，严格贯彻“短开挖、强支护、早封闭、快成环”的原则，合理确定台阶长度和高度，及早形成环状受力结构。支护参数见表12。

表12 襄渝铁路杨河隧道支护参数

3.4 兰新铁路大梁隧道

大梁隧道岩性为炭质页岩，施工中发生了大变形，最大变形87.8～101.0 cm，相对变形5.5%～6.5%，按上述分级标准应为Ⅱ级大变形。主要采取了加强支护刚度、合理预留变形量、锚管超前预加固、中长锚杆加固围岩等变形控制对策。大变形段支护参数见表13。

3.5 西成高铁阜川隧道

阜川隧道岩性为碳质页岩，施工中发生了大变形，最大变形为81.4 cm，相对变形5%，按上述分级标准应为Ⅱ级大变形。主要采用了加强支护刚度、合理预留变形量、锚管超前预加固、中长锚杆加固围岩等变形控制对策。大变形段支护参数见表14。

表13 大梁隧道大变形段支护参数

表14 阜川隧道大变形段支护参数

4 挤压性围岩隧道变形控制技术

挤压性围岩隧道变形的主要控制对策有加大预留变形量、选择合理断面形式、加大支护刚度及强度、超前预加固、锚注补强、多重支护、超前导洞释放应力等。通过对以往典型挤压性围岩隧道变形分级及控制对策的系统总结，归纳出挤压性围岩隧道变形控制对策，见表15。

表15 挤压性围岩隧道变形控制对策

挤压性围岩强度低，具有明显的流变特性，即使在很小的应力状态下也易发生持续性的大变形，且变形多在掌子面前方就已开始。因此，施工时应坚持快挖快支快封闭，保护好原岩，防止围岩劣化、强度进一步降低，引起更大范围的破坏和变形。

5 结论

1)本文在系统梳理与总结前人研究成果的基础上，以强度应力比、相对变形为主要分级指标，建立了挤压性围岩隧道设计阶段变形潜势分级，施工阶段变形验证的分级标准体系。

2)通过对以往典型挤压性围岩隧道工程施工过程中的变形问题的系统总结，提出了对应于变形分级的挤压性围岩隧道变形控制对策。

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