张广泽,冯 君,2,易勇进,柴春阳,强新刚,王振友

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.东北大学资源与土木工程学院,沈阳 110004)

隧道大变形是指在高地应力软弱围岩条件下围岩发生破坏并最终导致结构失稳的现象。由于应变能的释放是个缓慢过程，因此隧道发生大变形不同于岩爆的脆性破坏，而属于在高地应力等同条件下的柔性破坏。其实质是围岩产生剪应力并使岩体彼此错动、断裂破坏，进而使围岩丧失自承能力并迫使围岩向开挖洞室方向挤压产生大变形，发生隧道失稳的现象。根据太沙基1946年提出挤出性岩石和膨胀性岩石的概念[1]，研究者们往往也将隧道大变形机理理解为岩石的挤出变形和膨胀变形。膨胀变形一般发生于膨胀性岩体，因此，对于大多数非膨胀性围岩的大变形往往是由岩体的挤压作用造成。

目前针对隧道大变形的定义和分级标准还没有统一的认识，大变形是相对正常变形而言。在铁路隧道工程领域，喻渝[2]从预留变形量出发，以预留变形量的0.8倍作为正常变形值的上限，以正常变形量的2倍作为大变形的下限，即单线隧道发生25 cm位移、双线隧道发生50 cm的位移，则认为发生了大变形。中铁二局[3]对铁路挤压型隧道，采取以围岩变形量、相对变形量、原始地应力及应力比为指标变形等级进行划分。日本[4]采用相对应变来判断围岩的挤出程度并进行等级划分。

但大量工程实践表明，隧道发生大变形并非由单一因素造成，往往受到区域地应力场、地层岩性、地质构造及其挤压程度的共同影响。实际上，大变形严格受构造控制，它是在最大主应力近于水平的应力场中，地壳运动在隧道开挖后的表现形式，以变形量大、变形速度快，持续时间长为特征。没有构造运动或地壳的长期蠕变，隧道开挖后是不会发生大变形的，理论上松动圈会迅速定形下来。深大断裂带、褶皱核部或转折端是易发生大变形的部位，翼部顺层、构造节理密集带也容易发生大变形。

本文基于地质学方法，从区域地应力场、地层岩性、地质构造、松动圈扩展出发，结合工程经验和相对变形量，分析隧道大变形的机理，并提出适应中国隧道建设管理水平的大变形分类分级标准和宁强勿弱的预加固支护措施，有利于加快施工进度、降低费用、保障施工和运营安全。

1 隧道大变形机理

1.1 地应力场

地应力场分为宏观和微观两个层面。宏观应力场就是区域应力场，与地层岩性和局部构造无关，只与地质背景有关。微观应力场是局部应力场，虽由区域应力场演生，但与地层岩性和局部构造关系密切。在相同的地质背景下，软岩不易积聚地应力，而硬岩容易积聚地应力；完整性好的岩体容易积聚地应力，而完整性差的岩体不易积聚地应力。

1.2 地层岩性

就区域应力场中某一个点而言，地层岩性不同则地应力也不同。岩体在特定应力场中发生的变形，一是岩石密度的变化，一是结构面的剪切扩容，后者起决定性作用。根据能量守恒定律，这个点无论岩石软硬、岩体完整性如何，地应力作用在该点上所积聚的势能是相同的。

根据能量守恒定律，在区域应力场中某一个点，岩性为软岩则应力小而应变大，岩性为硬岩则应力大而应变小。隧道开挖解除应力后，岩体有恢复先前状态的趋势，初始应变大者工后变形量必然大，反之则小。可见，相同应力场中的某个点，岩性为软岩时发生大变形的可能性更大。

1.3 地质构造

岩体是岩层受构造挤压产生各种破裂面后形成的结构体，其弹性势能大部分储存在岩体结构上，只有少部分储存在岩石晶格之间。当岩石坚硬、结构面贯通性差时，由地应力作用产生的弹性势能，主要储存在裂隙呈半封闭或封闭状态的岩体中，弹性势能的高低取决于裂隙的多少和宽度。裂隙越多越宽，弹性势能越高。如果弹性势能过高，隧道开挖卸荷后，势能转变为动能，岩块、岩屑如同子弹出堂，导致岩爆发生。

当岩石坚硬、结构面贯通性好时，由地应力作用产生的弹性势能，主要储存在结构面相互交切的岩体“框架结构”上，它是“框架结构”发生变位、变形而积聚的能量。隧道开挖卸荷后，围岩为恢复先前的状态，主要表现为以块体为单元的弹性势能的释放。如果“框架结构”初始变形量过大，积聚的弹性势能过高，隧道开挖卸荷后则可能以单个或多个岩块突出、挤出的形式释放弹性势能，其结果就是发生岩爆、崩塌或大变形。大变形和岩爆是围岩变形的两种极端状态，两者之间还有中间状态。由于中间状态对隧道开挖影响不大，所以工程界只作为正常的围岩支护对待。随着完整性的降低，当岩体呈碎裂状时，围岩变形大多以蠕变的方式挤出，发展为大变形。

大变形的发生与岩石的软硬没有本质关系，主要与岩体所遭受的构造挤压程度和构造演变过程有关。如天平线关山隧道，晚古生代侵入的闪长岩，饱和抗压强度达81.4～108 MPa，属极硬岩，现今应力场以最大主应力近于水平23～24 MPa，经历印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动和热液蚀变后，岩体具典型板片状碎裂岩特征，结构面多为绿泥石化且错动明显，开挖后出现严重大变形及塌方掉块现象。当然，层薄质软的岩层与块状坚硬的岩层比较，在同一应力场中经历相同的时间，前者所遭受的变形程度更为严重，隧道开挖后大变形的等级更高。

1.4 松动圈扩展

现代水电岸坡应力场研究表明[5-15]，在某一特定的区域内岸坡基岩普遍存在卸荷带。在岩性和构造基本相同时，区域最高夷平面与河谷岸坡上某个点的高差，决定着该区域这个高程的卸荷带厚度。由此可以推断，某座隧道在地层岩性和地质构造基本相同的段落，若区域海拔相差不大，开挖后形成的松动圈厚度也大致相同。同河谷岸坡卸荷带一样，隧道松动圈也只与区域最高夷平面与洞身高差有关，而与隧道的实际埋深关系不大。

实际上，隧道结构所承受的力，并不与地应力直接发生关系，而只与松动圈的变形力有关。松动圈越厚，其所产生的变形力就越大，隧道结构所承受的力就越大。大变形是松动圈持续发展的结果。

2 隧道大变形分类

根据大变形发生的构造部位，将大变形分为断层型、碎裂型和顺层型3种。断层型发生在区域断层带；碎裂型发生在褶皱核部、转折端以及构造节理密集带；顺层型发生在褶皱翼部，它以隧道轴向与岩层走向小角度相交为条件。缓倾岩层是顺层的特例，易发隧道底鼓。

2.1 断层型

断层型发生在区域断裂带内。隧道开挖后应力重分布，径向应力减小，切向应力增加，围岩发生剪切变形、破坏而持续扩容、松弛、鼓胀，具有明显的蠕变特征，一般要产生新的破裂面。

拉萨至林芝铁路安拉隧道,全长6 770 m,出口段DK210+131～DK209+953，埋深60～130 m，开挖揭示围岩岩性为三叠系朗杰学群姐德秀组下段(T3j1)碳质绢云千枚岩为主，偶夹板岩、石英砂岩，弱风化夹强风化状，受区域雅鲁藏布江断裂缝合带(F1-5)及靡棱岩影响带等地质构造影响极严重，节理很发育，岩体整体破碎～极破碎状，呈角砾、碎石状松散结构，股状地下水发育，由于区域地质构造影响，加之千枚岩遇水易软化，在地下水持续作用下，岩体软化造成围岩强度迅速降低，导致围岩自稳能力差，整体围岩稳定性变差。单日最大变形量66 mm，累计变形达734 mm。安拉隧道出口平面、断面分别见图1、图2。

图1 安拉隧道出口平面

图2 安拉隧道出口断面

图3 碎裂玄武岩构造略图

2.2 碎裂型

碎裂型发生在褶皱核部、转折端以及构造节理密集带。隧道开挖后应力重分布，径向应力减小，切向应力增加，围岩发生剪切变形，持续扩容、松弛、鼓胀，以追踪既有各类结构面为特征，新的破裂面较少。

中义隧道DK41+400～DK44+600段处于龙蟠—乔后断裂与玉龙雪山西麓断裂加持的断块内，线路的走向与龙蟠—乔后断层(区域性活动断裂)大致平行，隧道距断层650～1 000 m。区域应力状态表现为SH>Sv>Sh，属于平移断层应力模式。最大水平主应力达15.4 MPa。最大水平主应力与垂直应力的比值为1.5。区内玄武岩(Pβ)经受强烈的蚀变及构造作用，表现出碎裂化特征，其碎裂玄武岩构造见图3。矿物分析结果显示，裂面有绿泥石、蒙脱石等蚀变矿物富集，呈墨绿—黑绿色，手感滑腻，极大弱化了岩体强度，根据现场原位测试，黏聚力为220 kPa，内摩擦角15°。受地应力影响，隧道出现严重大变形(Ⅱ型)，水平收敛单侧最大累计变形达72 cm，根据松动圈测试资料，其平均厚度为4.3 m。

2.3 顺层型

顺层型发生在褶皱翼部。隧道轴向与岩层走向小角度相交时，在隧道轮廓与岩层面相切部位，岩层向临空面持续发生弯曲变形，出现新的张裂隙；而在隧道轮廓与岩层面斜交部位，由于切向应力的作用，造成岩体沿层面持续挤出。

营盘山隧道是新建成昆复线由四川盆地边缘进入云贵高原面的含煤低瓦斯越岭隧道，隧道长17 934 m，是目前中铁二院设计建成的最长双洞单线隧道，为成昆复线重点控制性工程。

隧址区由晋宁期(δo2)花岗闪长岩岩基构成核部，三叠系上统大菁组下段(T3dq1)砂、页岩构成两翼之背斜构造，线路位于东翼，背斜轴线与线路近平行。变形段岩性为大菁组下段(T3dq1)页岩、炭质页岩与粉砂岩互层夹薄煤，薄层～中厚层状，弱风化，软质岩为主。岩层产状N25～40°W/10～35°SW，走向与线路夹角20°～30°，缓倾线路右侧顺层，分层清晰，层面较光滑，层间结合较差，岩体揉皱明显，局部小褶曲发育，围岩整体较破碎(Ⅳ级围岩)，地下水总体不发育。变形段隧道最大埋深740 m，洞身实测最大主应力水平应力20.62 MPa，方向与隧道走向近垂直(89°)，属高地应力地区。页岩、炭质页岩夹粉砂岩见图4。

图4 页岩、炭质页岩夹粉砂岩(右倾顺层)

施工过程中出现初期支护开裂变形、掉块及剥落现象，以拱腰收敛变形为主(图5)。收敛变形速率2.1～37.67 mm/d，最大52.1 mm/d，累计变形量34～450.22 mm，最大值502.0 mm，最大相对变形量约5.8%。

图5 顺层软岩初期支护开裂变形、掉块及剥落

3 隧道大变形分级

现代水电岸坡应力场研究表明[5-6]，峡谷应力场的特征是，岸坡浅表属卸荷应力场，岩体强度大于地应力；往山体内不远则出现应力集中的“驼峰”；“驼峰”段过后，峡谷应力场与区域应力场渐趋一致，随着埋深的加大，应力逐渐增加，当大于某一埋深后，岩体强度则与地应力恒等，即地应力有多大，岩体就有多强。由此可见，不宜用强度应力比判定大变形。

大变形与地应力场、地质构造、地层岩性关系密切。按变形机理，定量评价和预测大变形，主控因素有抗弯强度与弯矩之比、抗剪强度与剪应力之比、抗压强度与最大主应力之比。从变形特征观察，前两者影响更大。以上抗弯、抗剪、抗压3个比值的获得，取决于地应力场、地质构造、地层岩性，这些复杂的地质环境条件，几乎不可能量化进入公式。目前大变形研究进入了误区，地质工作者投入很大精力、资金用于测量地应力和岩石岩体强度，企图定量解决大变形的预判问题，但效果却很差，不但工程进展缓慢，安全、工期风险也难以保障。

大变形分级，应在最大主应力近于水平的前提下，根据地层岩性、地质构造、相对变形量，结合工程经验，参考TB10003—2016《铁路隧道设计规范》以及其他相关研究成果，进行综合预判和判定。大变形分级确定如表1所示。

表1 隧道大变形分级

4 大变形控制理念

应采取“强支护、预加固、快封闭”的控制设计方法。在某一特定的区域，特定的岩性和构造环境下，隧道达到一定埋深后，若区域海拔变化不大，理论上其围岩变形潜势是一定的。大变形比常规变形的变形量更大，持续时间更长，它是随着隧道开挖后的应力调整，松动圈持续扩展，由表及里逐渐完成的。因此应在开挖之初，根据地层岩性和构造条件，结合区域应力场特点对大变形进行预判，采取宁强勿弱的预加固措施或快速施工工法，以限制松动圈的持续发展，加快施工进度。那种边放边抗的“添油”战术，不但费时费力，而且安全风险很大。软岩大变形的处理措施，主要有长锚杆、分层支护、加厚衬砌，必要时辅以小导洞应力释放。但其处理措施不仅与地质条件有关，还与施工工法、工艺、组织、管理密切相关。大变形的处理，在勘察设计阶段重点是对大变形进行预判并预留费用；施工阶段则通过开挖揭示围岩进行验证，重新调整大变形分类分级，采取宁强勿弱的支护措施，并通过试验段确定其有效性。实践表明，频繁试验和调整支护参数，希望找到费用最省的支护措施，在实践中是行不通的，不但影响工期，也难保障施工和运营安全。

5 结论

基于地质学方法，从区域地应力场、地层岩性、地质构造、松动圈扩展出发，分析了隧道工程中软岩大变形的机理。根据大变形发生的构造部位，将大变形进行分类；结合实际工程经验及相关规范标准，根据地层岩性、地质构造、相对变形量，对大变形进行了分级。得到以下结论。

(1)隧道大变形的产生不是由单一因素控制，往往受到区域地应力场、地层岩性、地质构造及其挤压程度的共同影响。

(2)根据大变形发生的构造部位，将大变形分为断层型、碎裂型和顺层型3种。断层型发生在区域断层带；碎裂型发生在褶皱核部、转折端以及构造节理密集带；顺层型发生在褶皱翼部，它以隧道轴向与岩层走向小角度相交为条件。缓倾岩层是顺层的特例，易发隧道底鼓。

(3)不宜用强度应力比进行大变形分级，而应在最大主应力近于水平的前提下，根据地层岩性、地质构造、相对变形量，结合工程经验，参考相应规范及其他相关研究成果，进行综合判定。

(4)大变形应采取“强支护、预加固、快封闭”的控制理念。