隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法

张广泽，邓建辉，王 栋,，张 茹，徐正宣，张志龙，冯 君，任 利，贾哲强,

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031；2.四川大学深地科学与工程教育部重点实验室，四川成都610065；3.四川大学水利水电学院，四川成都610065；4.四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

近年来，随着交通、水利、能源等领域地下工程建设的快速发展，涌现出大量深埋长大隧道。复杂的工程地质条件与特殊的围岩力学性质致使隧道围岩大变形问题十分突出，严重制约隧道工程的施工建设安全与长期运营稳定。尤其是对于建设在高地应力或新构造运动活跃地区的隧道工程，围岩大变形问题更加凸显，例如：奥地利Tauern隧道和Arlberg隧道、日本Hasan隧道[1]；以及中国西部山区兰新铁路的乌鞘岭隧道[2]，兰渝铁路的木寨岭、两水、毛羽山和新城子隧道[3-5]，丽香铁路的中义隧道[6]，成兰铁路的杨家坪、平安、松潘和茂县隧道[7-9]等铁路隧道均出现了不同形式和程度的围岩大变形问题，给工程安全建设与运行带来了重大挑战。

目前，工程界和学术界基于发生机制和破坏特征给出了围岩大变形的定性认识。一般认为围岩大变形是一种由极限剪应力失稳蠕变而导致的时效变形行为[10]，是一种具有累进性和明显时间效应的塑性破坏，显著区别于岩爆、围岩坍塌、滑动等围岩破坏形式[11]。事实上，早在1946年，Terzaghi[12]就提出挤出性岩石和膨胀性岩石的概念；Aydan等[13]认为岩石挤出现象是原岩应力下围岩的一种力学表现，而膨胀现象是一种化学过程；Anagnostou[14]将大变形机制分为两类，即开挖后重分布应力超过围岩强度产生的塑性变形和围岩中某些矿物与水发生化学反应引起膨胀导致的大变形；Aydan等[13]将大变形机制分为完全剪切破坏、弯曲破坏及剪切和滑动破坏3类。实际工程中，大变形通常由多种因素耦合所致。何满潮等[15]根据围岩的变形破坏特征、特征性矿物、力学作用与特点，认为软岩变形破坏机制与软岩本身性质、结构面与洞室结构有关；陈宗基[16]认为围岩收敛变形机制应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲5个方面；王成虎等[10]认为隧道围岩大变形主要是围岩发生剪切流变破坏所导致的，按成因将其分为应力型、材料型和结构型；李天斌等[17]提出围岩大变形的发生机理为高地应力、地下水或自身膨胀作用下，围岩丧失或部分丧失自承能力，从而产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形；李永林等[1]认为高应力作用下的岩体剪切破坏、开挖引起的岩体结构面失稳和特殊岩类发生水化学反应造成的体积膨胀，这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续较长时间。基于上述认识，为采取及时、精准、有效的应对措施对围岩大变形加以防控，研究人员根据切向应变密度[18]、预留变形量[19-20]、相对变形量[21-23]、临界深度[24]、强度应力比[25-27]、最大变形量[28]、相对应变[29]等单一指标或综合指标[30-31]对围岩大变形进行了定量分级。在已有分级指标体系中，一般认为大于某个/某组指标的临界值时会发生大变形，并设置多个阈值区间对大变形的程度予以界定。

可见，国内外学者针对围岩大变形的发生机理和分级方法都进行了卓有成效的探索，并取得了许多具有实践价值的成果；同时也应注意到，无论是大变形的内在机制还是界定方法，还尚未形成统一的认识和标准。综合分析各个大变形隧道地质条件，可以发现：围岩大变形常发生在断层破碎带、低级变质岩、煤系地层等低强度软弱围岩中[7,32-35]，是高地应力条件下围岩极端变形破坏的典型体现，其孕育发生受地应力环境、地质构造、围岩性质、水文条件和动力扰动等因素影响[36]。值得注意的是，无论是围岩本身的岩性与结构特征，还是地应力场、地质构造、水文条件等围岩赋存环境，均与隧址周围的构造活动关系密切[37-42]。同时，围岩大变形具有累进性发展、持续时间长、变形速度快等特征，既往研究表明洞周应力重分布可在洞室开挖后很短时间内完成[43]，故仅通过研究开挖扰动导致围岩应力重分布的力学机制尚难以完全解释围岩大变形的长时累进变形特征。中国西部构造活动强烈地区的众多隧道围岩大变形工程实例表明，围岩大变形均与洞周围应力有关。虽有研究提出围岩内部膨胀性矿物遇水化学膨胀会导致围岩发生大变形这一观点[14]，但实际工程表明在地壳运动微弱的地区鲜有大变形案例发生，缺乏地质动力的隧道围岩出现膨胀大变形的实例较少。因此，可以说构造运动控制的地应力分布、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形孕育发生的根本条件，然而以往的大变形发生机理研究并未重点关注这一本质特征，也鲜有系统地考虑天然地质体演化历程、优势结构面、围岩结构特征等因素影响的分级方法，导致实际工程现象并未得到完全解释。

因此，在广泛吸纳总结前人成果的基础上，针对以往研究的不足，系统结合构造挤压活动、围岩结构特性及演化历程等地质背景分析，对隧道围岩大变形的发生机理进行深入探索，重新定义基于构造活动驱动且能更有效解释工程现象的围岩大变形概念，并对其主控因素及分类进行系统研究；在此基础上，基于对现有围岩大变形分级方法的总结与分析，综合考虑地层时代、岩石强度、岩体完整性、岩层厚度、隧道轴线与构造夹角等关键因素，提出隧道围岩大变形分级方法，并结合国内典型隧道工程实例进行验证。相关成果可为中国西部等艰险山区长大深埋隧道工程的安全建设提供科学依据和工程指导。

1 构造软岩大变形的基本概念与发生机理

1.1 大变形的界定

任何隧道开挖后都存在围岩变形、洞壁位移的问题，工程中围岩变形大、围岩大变形和洞壁大位移3个概念容易混淆。三者在特征上都表现为围岩局部或整体出现位移，但发生机理不完全一致，其表现特征和控制理念、控制方法也存在差异，实践中必须严格界定。

洞壁大位移指的是围岩在外部载荷作用下由于各处变形或位移导致的洞壁出现大的位移。洞壁大位移不等于围岩大变形，主要区别是洞壁出现的大位移未必是围岩变形导致的，可能是因为围岩垮塌、岩块集合体沿结构面的整体裂化；大变形必须是围岩自身变形导致的具有强烈时间效应的位移不收敛。围岩变形大指的是隧道开挖后岩体应力重分布会引起围岩变形，当围岩强度较低时，围岩变形量相对较大，这类由应力调整发生的不具有时效性的围岩变形称之为变形大。围岩大变形指的是围岩出现的具有显著时间效应的变形，是各处围岩变形的累积结果。大变形不等同于围岩变形大，其可分为两个阶段：变形初期一次形成松动圈的阶段，可以称为变形大；后期构造应力作用，使松动圈持续扩展的阶段，称之为大变形。

必须强调的是，围岩位移不等同于围岩变形。洞壁大位移也未必是岩体变形所导致的，在低地应力环境下也可发生，其主要受岩体结构控制；围岩变形大，未必具有显著的时间效应。因此，洞壁大位移和围岩变形大均与围岩大变形不等同，实践中必须严格界定。

1.2 构造软岩大变形的基本概念

关于围岩大变形的概念目前还没有形成一致的定义，在理论上有侧重岩石性质和结构特征对大变形进行研究定义的，如软岩大变形理论和膨胀大变形理论；也有从岩体地应力环境、围岩性质、水文条件等对大变形进行研究定义，如高地应力大变形和挤压性围岩大变形。但无论是围岩本身的岩性与结构特征，还是围岩赋存环境，均与隧址周围的构造活动关系密切。如兰新铁路乌鞘岭隧道、拉林铁路江木拉隧道、丽香铁路中义隧道皆受到构造活动影响，呈现水平地应力高、区域岩体破碎、节理裂隙发育、开挖后围岩变形量大等特点。因此，本文提出将构造作为大变形主控因素的构造软岩大变形概念。构造软岩大变形是以构造应力场为主，在不同构造类型和部位，隧道开挖后围岩的显著时效变形现象。构造软岩大变形主要出现在构造活跃区，严格受构造控制，是以地质构造发育、最大主应力近水平为背景发生的隧道围岩变形行为。

1.3 构造软岩大变形分类与发生机理

基于地质学方法，隧道构造软岩大变形发生的地质环境主要取决于地应力场、地质构造、地层岩性3大因素，并严格受构造控制。按构造控制理念对隧道构造软岩大变形进行分类，分为断层型、碎裂型和小夹角型3种类型（图1），其发生机理各有不同。

图1 构造软岩大变形分类示意图Fig.1 Patterns of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnel

1）断层型大变形

断层型大变形主要发生在区域断层带，围岩一般处于较高应力状态。在隧道开挖前，断层中破碎带在较高围压的作用下紧密闭合。隧道开挖后，断层中破碎带在水平构造应力与重力的时效作用下，发生塑性挤出、结构流变，最终发展为断层型大变形。

2）碎裂型大变形

碎裂型大变形是发生在构造节理发育带的构造软岩大变形，如节理密集带、褶皱核部及转折端。大变形发生段围岩呈碎裂状，在处于原岩应力状态时受到高围压的作用，整体较稳定。隧道开挖后，围岩应力重分布，结构面之间发生错动，碎裂的结构体产生滑移，围岩整体强度大幅度下降，持续扩容松弛，有显著结构流变体的特征，在强烈构造应力的作用下发展为大变形。

3）小夹角型大变形

小夹角型大变形是主要发生在顺层和缓倾岩层中，以隧道轴线与岩层面小角度相交为特点的构造软岩大变形。隧道穿过水平状岩体，隧道拱顶一定范围内的岩层在水平构造应力的挤压作用下，产生拉伸屈服区。在构造应力的时效作用下，塑性屈服区进一步发展导致隧道顶部岩层发生挠曲破坏，顶部岩体挤出，发生大变形。

1.4 构造软岩大变形主要影响因素

隧道构造软岩大变形主要影响因素有地应力场和地质构造。

1）地应力场

构造软岩大变形主要发生于构造活跃区。构造活跃区强烈的地质构造作用导致隧道区域原岩应力较大且以水平构造应力为主。隧道开挖后，围岩由三向应力状态变为二向应力状态，径向应力减小，切向应力增加，围岩发生剪切变形；并在水平构造应力的挤压作用和洞壁围岩剪切膨胀共同作用下出现围岩变形，开裂并挤压、侵占隧道净空。

2）地质构造

构造软岩大变形通常发生于隧道中构造发育的部位，如区域断层带、节理密集带、褶皱核部及转折端，受构造特征影响。隧道开挖前，岩体处于三向稳定且较高应力状态，岩体内的结构较为稳定；隧道开挖后，岩体所受径向应力降低，岩体内结构面产生张开或滑移，表现出结构流变特征。地质构造对构造软岩大变形起着控制性作用。

2 构造软岩大变形分级方法

2.1 现有分级方法及适用性

目前，针对勘察阶段，国内外学者及施工单位提出很多大变形分级预测方法，主要基于围岩强度应力比、岩体质量等级、原始地应力及综合指标等影响隧道变形的基本参数，对隧道围岩大变形进行分级。

基于强度应力比的大变形分级方法主要根据岩石或岩体强度与地应力的比值划分大变形等级界限，对于不同的分级方法，岩石抗压强度与地应力的取值有一定差异。例如：国外的Aydan[13]、Hoek[23]、Wood[25]、Nakano[26]、Jethwa和Singh[44]等均采用岩石单轴抗压强度与垂直应力的比值（squeezing potential的概念）对隧道挤压变形进行预测；国内的《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016）[27]建议高地应力区隧道软岩大变形采用围岩强度与最大地应力的比值作为强度应力比来预测大变形等级。

也有学者采用应力强度比对大变形等级进行划分。理论上，当圆形隧道切向应力大于岩体强度时，会发生挤压变形。Barton等[45]提出采用由弹性理论计算得到的最大切向应力与岩石单轴抗压强度的比值判定挤压状况；Singh等[46]认为当切向应力大于单轴抗压强度（σθ>σc）时，会发生挤压状况。上述两个分级标准将挤压变形界定为非挤压和挤压两种等级，国际岩石力学学会ISRM吸取了应力强度比的思想，采用岩石单轴抗压强度σc与洞壁岩体的最大切向应力值σθ的比值，规定挤压变形分级标准，将挤压变形分级分为高度挤压、中度挤压、轻度挤压及无挤压4个等级。

岩体质量等级可以反映岩石强度、结构面产状、地下水状态等参数，在一定程度上可以反映岩体在高地应力条件下的变形状况，因此也有学者考虑将岩体质量等级作为隧道挤压变形的经验分级指标。Singh等[46]基于8个工程中39个隧道的监测数据，得出基于埋深与岩体质量等级Q系统，判断挤压变形的经验方法，通过公式中的挤压变形分界线来衡量隧道围岩是否发生挤压变形；但这种方法只是将围岩变形划分为挤压变形和无挤压变形两种等级，并没有对隧道挤压变形程度进行具体分级。Goel等[24]采用岩体质量N（rock mass number）系统代替Q系统，改进了Singh等的方法，对挤压变形程度进行了明确的等级划分，可在一定程度上反映隧道围岩的变形状况，并给出对应的挤压变形等级标准，从而采取相应的措施进行应对；不足之处在于，仅能对挤压变形进行分级，不能预测出准确的挤压变形量。

国内一些学者和施工单位采用多指标或综合指标进行分级。中铁二局[28]分别以围岩相对变形量、原始地应力及强度应力比为指标，对挤压型隧道进行大变形等级划分；陈子全等[31]针对高地应力层状软岩隧道提出基于隧道最大变形量与隧道强度应力比的分级标准；刘志春等[30]结合乌鞘岭隧道工程现场变形量测结果和室内试验数据，分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征，采用综合指标判定法给出隧道在设计和施工两个阶段的大变形分级标准，其中设计阶段以强度应力比和原始地应力作为划分依据；中国铁路局[27]总结提出一整套以强度应力比为基础，结合原始地应力、相对变形值的综合隧道挤压变形分级方法，并依据地下水及围岩完整性对围岩强度进行修正，根据地应力方向与隧道走向交角对地应力进行修正。

由第1节围岩大变形的发生机理和影响因素可知，隧道围岩大变形发生的地质环境主要取决于地应力场、地质构造、地层岩性三大因素，并严格受构造控制。上述分级方法大多适用于挤压型围岩大变形，围绕岩体质量、岩石或岩体的强度及其所处的应力环境制定分级指标，未突出地质构造对隧道围岩大变形的控制作用；有的分级方法虽然考虑了地质构造或地层岩性等因素的影响，但是并没有将地质构造作为影响大变形的主要因素进行考虑，忽视了时间效应及天然地质体的演化过程，且多采用定性的描述划分大变形等级，缺乏一定的客观性。

2.2 本文构造软岩大变形分级方法

本文提出的构造软岩大变形分级方法，以岩石强度应力比为基础，着重考虑地层时代、优势结构面产状、岩石强度、岩层厚度、岩体完整性5个影响因素，并将各因素对构造软岩大变形的影响合理量化，进而控制围岩构造软岩大变形分级结果，使分级结果准确反映构造对围岩的影响程度，对隧道围岩可能发生的大变形等级进行合理预测。本方法广泛适用于铁路隧道的构造软岩大变形分级预测。

此外，地质勘察在不同阶段掌握的地质资料不尽相同，是由粗到细的过程，因此，构造软岩大变形分级方法根据地质勘察获取地质资料的进程相应地分为3个阶段，不同阶段采用不同详细程度的分级方法，与隧道工程勘察设计各阶段紧密联系（图2）。

图2 构造软岩大变形分级示意图Fig.2 Procedureof classification of tectonic-induced largedeformation of soft rock tunnel

第1阶段：根据获取的地质勘查资料，基于地应力场类型、地层岩性和隧道穿越的地质构造，对工程地质初步评估，判断待研究隧道段围岩是否可能发生构造软岩大变形，确定是否需要开展构造软岩大变形分级工作。

第2阶段：地质勘察中期，虽然掌握了一定量的地质勘察情况，但仍缺乏详细的地应力资料，故依据地质构造、岩石天然单轴抗压强度、岩层厚度、岩层产状、物探异常带等对隧道围岩进行构造软岩大变形初判。

第3阶段：在开展了充分的地质勘察与分析，获取完善的地应力和岩石、岩体强度测试资料后，确定地层时代、优势结构面产状、岩石天然强度、岩层厚度、岩体完整性等因素对构造软岩大变形的影响程度，对隧道围岩进行构造软岩大变形等级详判。以下将对其分级方法进行详述。

2.2.1 构造软岩大变形宏观判断

在勘察阶段，首先判断是否应进行构造软岩大变形分级工作。收集隧道所处区域的地形地貌、地层岩性、地质构造和地应力等资料，在地质情况满足下列条件时，进行构造软岩大变形分级工作：

1）区域应力场以构造应力为主，即水平应力必须大于垂直应力。构造应力是诱发大变形的重要动力源，隧道开挖后围岩经过长时卸荷，构造应力缓慢释放，扩大围岩松动圈，导致长时间的围岩变形。

2）岩性为极软岩、软岩、较软岩、破碎的硬质岩。岩石坚硬和破碎程度参照《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）[47]判断。大变形主要发生在千枚岩、片岩、板岩、页岩、断层带等典型软弱或破碎围岩，具有显著的各向异性，层薄质软，隧道掘进过程中往往由于开挖卸荷而产生强烈的流变作用。

3）隧道穿过区域断层带、褶皱核部、节理密集带、顺层岩层、缓倾岩层等地质构造。地质构造越发育，围岩完整性越差，越容易发生大变形。

2.2.2 构造软岩大变形初判

在勘察初期，缺少完善的地应力资料时对围岩进行大变形等级初判，依据地质构造、岩石天然单轴抗压强度、岩层厚度、岩层产状、物探异常带等综合确定，依据表1将隧道围岩大变形划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级或无大变形。需要指出的是：1）表1适用于构造软岩大变形分级初判，有地应力和岩石、岩体强度测试资料时应进行详判；2）厚层状、块状完整岩层不考虑大变形，岩体完整程度参照文献[47]。

表1 构造软岩大变形分级初判Tab.1 Preliminary classification of large deformation of structural soft rock

2.2.3 构造软岩大变形详判

勘察期间，采用现场量测或数值反演等方法获取详细地应力资料，在获得岩石、岩体强度测试资料后，计算岩体强度应力比M，依据表2（施工期间结合相对变形量和围岩变形特征进行分级），对隧道围岩进行构造软岩大变形详判。具体方法如下：

表2 构造软岩大变形分级标准Tab.2 Classification standard for large deformation of structural soft rock

表3 地质构造影响严重带岩体强度Tab.3 Strength of rock mass in the zone seriously affected by geological structure

当地质构造影响轻微至较重时，岩体强度应力比M用式（2）计算：

表4 地层时代影响系数Tab.4 Influence coefficients of formation age

表5 小夹角影响系数Tab.5 Influence coefficients of small angle

表6 岩石强度影响系数Tab.6 Influence coefficients of rock strength

表7 岩层厚度影响系数Tab.7 Influence coefficientsof rock layer thickness

表8 岩体完整性指数Tab.8 Rock integrity index

3 工程实例分析与验证

3.1 隧道围岩大变形案例分析

1）拉林线朗镇二号隧道

朗镇二号隧道位于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地，属高山河谷区。隧道洞身最高处海拔3 450 m，最低点位于隧道出口的雅鲁藏布江河谷，海拔为3 080 m，相对高差470 m；为单线隧道，最大埋深为305 m，最小埋深52 m，隧道全长2 640 m。大变形发生里程段落为DK261+190～DK261+820，累计长630 m（表9）。

表9 朗镇二号隧道施工阶段大变形实际情况Tab.9 Large deformation of LangzhenⅡtunnel in construction stage

DK261+190～DK261+820段围岩岩性为雅鲁藏布江缝合带之复理岩套之千枚岩夹团块状砂岩，弱～强风化状，受地质构造影响极严重，节理很发育，掌子面局部可见褶曲现象，岩体整体破碎～极破碎状；宏观呈层状结构，且层间结合差，岩层走向与线路夹角约30°，倾角约30°～70°，手掰易断，上台阶掌子面地下水呈点状～线状渗水，其余部位地下水发育为湿润状态；开挖后线路左侧拱部及拱腰，尤其是掌子面右侧等处易坍塌、掉块，整体围岩稳定性差，施工期发生轻微大变形（Ⅰ级）。

雅鲁藏布江断裂带（F1-5-3）穿过线路左侧，最近处距离线位仅50 m。郎镇隧道横穿堆巴断层，与线路交于DK261+300处，夹角为58°；堆巴断层延伸方向为NNE-SSW，为正断层，破碎带宽度不明。隧道穿越区下伏基岩为雅鲁藏布江缝合带之复理岩套（fw）之千枚岩夹板岩等，围岩全部为软岩，岩层倾角为30°～70°，岩石强度低。该隧道大变形属于断层型大变形。

2）拉林线令达拿隧道

令达拿隧道隧址区属藏南山原湖盆地貌区，为喜马拉雅极高山亚区。受雅鲁藏布江及其支流切割控制，区内山地绵延不绝，山势高峻。测区内最高点位于隧道轴线左侧山脉，标高为3 600 m；最低点位于隧道出口雅鲁藏布江河谷地带，标高为3 113 m。隧道纵断面标高范围为3 140～3 498 m，雅鲁藏布江断裂带（F1-5-3）穿过线路左侧，隧道全长2 640 m，最大地应力为8.4 MPa。大变形发生里程段落为DK241+895～DK242+135及DK241+292～DK241+785段，累计长度733 m，其中，轻微大变形448 m，中等大变形145 m，严重大变形140 m（表10）。

表10 令达拿隧道施工阶段大变形实际情况Tab.10 Large deformation of Lingdana tunnel in construction stage

DK241+292～DK241+410、DK241+695～DK241+785及DK241+895～DK242+135段开挖揭示：围岩岩性为炭质千枚岩，局部夹团块状砂岩，围岩与前期比较有明显的变差迹象，受地质构造影响极严重，节理很发育，弱风化状为主，掌子面褶曲现象普遍，岩体整体破碎状，宏观呈层状结构；岩层走向与线路夹角约为20°，倾角约为70°，倾向线路左侧，且层间结合差，线路左侧拱腰及线路右侧拱脚处岩体局部破碎～极破碎，呈碎石、角砾状松散结构；线路左侧拱脚处小股状地下水发育，线路右侧拱顶至拱腰处地下水呈线状渗出，其余部位为湿润状态。岩体破碎加地下水的综合作用，开挖后拱部及线路右侧拱腰处易坍塌、掉块，整体围岩稳定性差，施工期发生轻微大变形（Ⅰ级）。

DK241+410～DK241+525及DK241+665～DK241+695段揭示围岩岩性为三叠系上统炭质千枚岩夹团块状石英砂岩，强风化状，受地质构造影响极严重，节理很发育；岩体整体破碎～极破碎，呈角砾状松散结构，局部宏观呈层状结构；岩层走向与线路夹角约30°，倾角约50°，且倾向线路左侧，层间结合差，软硬不均，层理产状变化频繁；上台阶左、右两侧拱腰地下水发育状态为线状滴水，其余部位地下水发育为湿润状态。由于岩体风化强烈加之千枚岩遇水易软化，开挖后在地下水持续作用下，岩体软化造成围岩强度降低，整体围岩稳定性变差，施工期发生中等大变形（Ⅱ级）。

DK241+525～DK241+665段揭示围岩岩性为三叠系上统炭质千枚岩夹团块状石英砂岩，受区域雅鲁藏布江断裂带（F1-5-3）及构造影响极严重，岩体呈强风化状，节理很发育，岩体整体破碎～极破碎，呈角砾状松散结构，整体宏观呈层状结构，局部可见褶曲现象；岩层走向与线路夹角约30°，倾角约55°，且倾向线路左侧，层间结合差，岩质软，层理产状变化频繁；拱部地下水发育状态为点状～线状滴水，其余部位地下水发育为湿润状态。由于岩体受构造风化强烈，加之千枚岩遇水易软化，开挖后在地下水持续作用下，岩体软化造成围岩强度降低，整体围岩稳定性差，施工期发生严重大变形（Ⅲ级）。

由于雅鲁藏布江断裂带（F1-5-3）穿过线路左侧，于线路左侧1.2 km平行行进，隧道受断裂带影响，节理组数小于3组，间距小于0.1 m，岩体破碎～极破碎，结构面强度极低，存在顺层。发生大变形区段隧道穿越区下伏基岩为上三叠统的朗杰学群（T3lj）的姐德秀组二段（T3j2）炭质绢云千枚岩、板岩与变长石石英粉砂岩不等厚互层，软硬岩比例为9∶1，岩层倾角约50°，岩石强度极低，属于破碎型大变形。

3）成昆线大坪山隧道

大坪山隧道属横断山中高山地貌，地形起伏较大，大渡河、牛日河深切，到处是悬崖绝壁，地面高程710～1 500 m，自然坡度5°～35°不等。大坪山隧道起点里程为DK217+560，终点里程为DK228+904，隧道全长11 344 m，最大埋深约760 m。目前，发生大变形段落埋深490～750 m，长2 360 m，里程DK219+390～DK221+750（表11）。

表11 大坪山隧道施工阶段大变形实际情况Tab.11 Large deformation of Dapingshan tunnel in construction stage

变形段地层岩性为三叠系下统飞仙关铜街子组（T1f+t）砂岩、泥岩；施工揭示岩性为紫红色薄至中厚层泥岩夹浅灰色中厚层状砂岩，产状N30～40°E/10°～25°NW，倾向大里程，走向与洞身大角度相交，节理较发育至发育，呈密闭状，无充填，主要发育2组陡倾节理及1组较缓节理；掌子面多干燥，局部湿润，局部有少量水浸出；岩体较破碎，呈碎石结构，拱顶及侧壁掉块较严重，围岩整体自稳性较差；经取样试验，泥岩具有弱膨胀性。施工期最大隆起高度为680 mm，为DK219+420断面，边墙最大累计收敛变形为487 mm，发生轻微大变形（Ⅰ级）。

向斜核部与线路平面相交于DK220+510附近，向斜核部走向近南北向，西翼产状为N15°W/25°NE，东翼产状为N10°E/25°NW，隧道范围内核部出露地层为三叠系上统跨洪洞组及中统雷口坡组（T3k+T2l）。软硬岩比例为7∶3，岩层倾角约5°～25°，岩石强度低，该隧道大变形属于小夹角型大变形。

江木拉隧道、朗镇二号隧道、令达拿隧道的地形地貌、地层岩性、地质构造、大变形等级与类型等的综合分析结果表明，构造对隧道围岩大变形有显著影响。

3.2 构造软岩大变形分级方法的验证

以川藏铁路拉林段朗镇二号隧道为例，该隧道有地应力、岩石和岩体强度等测试资料，因此其构造软岩大变形等级初判应依据地质构造、岩石强度、岩层厚度、岩层产状、物探异常带等综合确定。根据表4、5、6、7、8，依次确定a1、a2、a3、a4、Kv的取值。

考虑地层时代的影响，隧道穿越区下伏基岩为雅鲁藏布江缝合带之复理岩套（fw）之千枚岩夹板岩等，属于第三纪至侏罗纪，地层时代影响系数a1取1.1；考虑优势结构面与隧道轴夹角的影响，岩层倾角为30°～70°，为保证隧道安全，小夹角影响系数a2取0.88；考虑岩石强度的影响，根据岩性描述，结合《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016），按照岩石坚硬程度对铁路隧道围岩级别的划分，可将该隧道岩石级别定为极软岩，此时，Rc≤5 MPa，故岩石强度影响系数a3取0.9；考虑岩层厚度的影响，堆巴断层与线路交于DK261+300处，为正断层，断层厚度约为0.03～0.09 m，岩层厚度影响系数a4取0.75；考虑隧道横穿堆巴断层，岩体破碎，岩体完整性指数Kv取0.45。

根据式（2）可知：强度应力比M≤a1a2a3a4KvRc/σmax=1.1×0.88×0.9×0.75×0.45×5/8.4=0.18。根据本文构造软岩大变形分级方法的初判和详判（表1和2），判断郎镇二号隧道可能发生Ⅱ、Ⅲ级大变形。

此外，本文还收集了18个隧道大变形案例（表12），从地层时代、岩石强度、岩体完整性等因素，对本文提出的构造软岩大变形分级方法进行验证，发现本文的分级方法能有效地判别所有可能发生大变形的隧道，且有12个隧道的详判分级结果与施工中实际发生的大变形等级一致。

表12 本文大变形新分级方法验证Tab.12 Verification of the proposed method for large deformation classification

4 结 论

在广泛吸纳前人研究成果的基础上，系统结合构造挤压活动、围岩结构特性、演化历程等地质背景及大量工程实例，对构造软岩大变形发生机理进行了深入研究，提出大变形应该严格受构造控制的观点，并重新定义了构造软岩大变形的概念。在此基础上，总结已有围岩大变形分级方法，分析大量工程经验，确立了一种基于岩石强度应力比，着重考虑结构面产状、岩层厚度等因素对构造软岩大变形进行分级的方法。最后，结合国内18个典型大变形工程案例，对本文提出的分级方法进行了验证，确定了本文提出的分级方法的有效性和准确性。

本文构造软岩大变形定义及分级方法的提出，对大变形发生机理的认识、大变形等级的界定及大变形灾害工程对策的制定具有重要意义。但不同类型构造软岩大变形的控制技术体系是一个开放性课题；另外，提出的方法对地下水环境甚至包含温度在内的多场耦合环境暂未全面考虑，相关研究仍待进一步突破。