高地应力软岩大变形隧道防控关键技术研究

李国良，李宁，丁彦杰

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司总工程师办公室，陕西 西安710043；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道设计院，陕西 西安710043；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司国家轨道交通重点实验室，陕西 西安710043）

0 引言

近年来，随着隧道工程向“长、大、深、难”方向发展，高地应力软岩大变形隧道不断涌现。软岩大变形通常表现为围岩变形量大、变形速率高、变形持续时间长，极易发生初支变形破坏、钢架扭曲、侵限拆换，甚至二次衬砌压溃等现象，给设计和施工带来极大困难。自20世纪出现首例高地应力软岩大变形隧道后，软岩大变形就一直是困扰地下工程的难题，解决该类问题的研究也逐渐展开［1-4］。结合工程实践，从变形分级、变形机理、变形控制技术等方面，探讨高地应力软岩隧道相关技术问题，有利于减少工程事故，达到控制风险、减少损失的目的。

1 高地应力判定

高地应力是一个相对概念，它与岩体所受的应力历史及岩体强度、岩体弹性模量等因素有关。对于高地应力的判定，尚无统一规定，一般采用定量法、应力比值法和强度应力比法判定，国内外常用的地应力判定划分标准见表1。从表中可以看出，我国与国外部分国家的地应力判定划分标准差别较大，这反映出不同国家对高地应力的定义差异较大。

实测资料表明，发生软岩大变形时，最大主应力值多为20～25 MPa，或强度应力比＜4；在最大主应力值为10～20 MPa，或强度应力比为4～7时，也有不少软岩大变形发生，如南昆铁路家竹箐隧道、兰渝铁路两水隧道等；当地应力＜10 MPa，或强度应力比＞7时，很少发生软岩大变形。结合现场实践，制定高地应力判定划分标准（见表2）。

表1 地应力判定划分标准

表2 高地应力判定划分标准

2 高地应力软岩变形分级

2.1 围岩特征

高地应力软岩一般为层片状软岩及蚀变软岩，尤其以泥质结构或黏土矿物含量较高的岩石最为典型，常见种类有炭质泥岩、炭质页岩、泥质页岩、泥灰岩、凝灰岩、板岩、炭质板岩、绿泥片岩、炭质片岩、云母片岩、绢云母片岩、千枚岩、炭质千枚岩、绿泥石千枚岩、各类蚀变岩、煤系地层及其断层破碎带构造岩等。

岩性特点为软硬不均、岩性交替分布，沿隧道轴向变化频繁，总体上岩质软、强度低。岩层以薄层、片状为主，局部中厚层，层厚变化频繁；岩体结构呈层状、碎（块）石状、松散及角砾状，受地质构造影响严重，节理裂隙发育，褶皱及小揉皱构造发育，岩体中含层间挤压破碎带及次生小断层（见图1）。

图1 高地应力软岩隧道典型围岩

2.2 变形分级

高地应力软岩是特殊环境的特殊地质问题，不能采用现行围岩分级及支护标准，需进行特殊设计。因此，制定高地应力软岩分级标准十分必要，其直接影响变形控制技术方案的确定。业界对变形分级展开了一定研究，并提出了变形分级的方法和标准［5-6］，但由于依托的工程项目不同、地质条件迥异，导致各方法和标准差异较大。挤压性围岩变形分级对照见表3。

目前，我国软岩大变形分级主要分为3个等级，但一些特殊复杂条件下，该分级法略显粗泛，如兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段围岩强度应力≤0.01，与现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定的极高地应力（Rcm∶σmax＜4）相比，处于“特极高地应力”状态。施工中出现了极严重挤压性大变形，变形控制难度极大，现场采取放抗结合的多重支护+超前应力释放小导洞等综合技术控制变形，其变形等级、强度应力比超出该分级法中的Ⅲ级。结合乌鞘岭隧道科研情况，以及Hoek高地应力软岩等级划分标准，将高地应力软岩隧道变形等级划分为4个等级（见表4）。由表4可知，木寨岭隧道岭脊核心段变形等级为Ⅳ级，由此解释了岭脊核心段变形极严重的原因。

表3 挤压性围岩变形分级对照

鉴于高地应力软岩大变形隧道的地质极其复杂多变，且围岩强度和地应力数据获取难度大，根据兰渝铁路、乌鞘岭隧道等科研成果［7-12］，综合初始地应力状态、岩石坚硬程度、岩层厚度和岩体完整程度等4个要素，评判现场掌子面的变形等级。高地应力软岩变形分级与围岩特征见表5。

表4 高地应力软岩变形等级划分标准

表5 高地应力软岩变形分级与围岩特征

3 变形管理体系

高地应力隧道所处地质环境不同，以及所选洞形、支护结构设计、施工开挖方法、支护时机等不同，其所表现出的挤压程度和变形等级也不尽相同。因此，应根据高地应力软岩隧道具体情况，制定变形管理等级进行动态设计与施工管理，从而达到有效控制变形、避免支护侵限破坏的目的。

3.1 支护适应性评价标准

通过总结现场围岩变形特征及初期支护破坏侵限现象，提出由变形速率（初期3～5 d平均变形速率）评价支护体系适应性的标准体系（见表6）。当变形速率达到高速（大于50 mm/d）且无收敛趋势时，说明围岩变形潜势巨大，需加强支护体系或采取超前应力释放；当变形速率在中、低速（10～50 mm/d）且渐趋收敛时，说明支护体系抗力与围岩应变能释放产生的挤压应力相适应，支护基本合理，并视变形发展情况可适时补强。

表6 按初期变形速率评价支护体系适应性

对高地应力软岩隧道而言，考虑围岩的特殊性和复杂性，支护体系应以适当且略强为宜，即保证结构的运营安全又经济合理。总结起来，变形控制的目的就是控制围岩的变形速度，将高速变形控制到中速及以下，将中速变形控制到收敛，以减少初期支护和二次衬砌的形变压力，保证结构安全。

3.2 监控量测管理等级及对策

针对高地应力软岩隧道变形量大、变形速率高、持续时间长等特点，监控量测管理采用变形位移和速率双控指标。高地应力软岩隧道施工变形管理等级划分见表7，高地应力软岩隧道变形管理对策见表8。按

表7 的管理等级和表8的对策指导施工，当实测数据已接近表中规定的数值，或混凝土表面出现明显裂缝时，应采取立即补强措施，并改变施工方法或设计参数。

表8 高地应力软岩隧道变形管理对策

4 结论

通过对初始地应力状态划分标准和挤压大变形分级国内外现状调研，结合高地应力软岩隧道围岩特征及变形机理的相关研究，提出高地应力软岩隧道设计与施工关键技术，得出以下结论：

（1）采用强度应力比和地应力量值作为初始地应力状态评价基准，相比强度应力比单一指标更科学；

（2）高地应力软岩变形等级划分为4个等级较3个等级更合理，操作性更强，变形等级为Ⅲ、Ⅳ级的高地应力软岩地段宜开展先行试验；

（3）高地应力软岩变形控制遵循优化洞形、主动控制、适度释放、强化支护的控制理念，控制支护的强度，选择合理的支护时间；

（4）针对高地应力软岩变形特点，提出大变形分级管理标准及相应防治措施，可有效控制大变形，保障隧道施工安全和结构稳定。