软岩大变形机理和处治方法的研究

软岩大变形机理和处治方法的研究

摘要：大变形问题在隧道修建过程中非常常见，目前对该问题的研究也较多，因此存在不同的处治思路和方法。现阶段此类问题的主要处治原则是加强围岩、

控制变形。针对火山隧道出口端K397+220-K396+880（ZK397+365-ZK396+860）段，由于岩体稳定性差，隧道层间结合力差，自稳性差。基于此，本文通过分析软岩

大变形的分类与发生机理，结合实际案例提出相应的处治方法，旨在降低软岩大

变形给施工带来的不良影响。

关键词：围岩大变形；大变形机理；处治方法

引言

近年来，随着地下工程建设的快速发展，涌现出大量深埋长大隧道。众所周知，地球的地壳运动始终在运动，从未停歇，46亿多年来，火山岩、沉积岩、变

质岩在地壳的运动中相互交织融合形成软硬不均、高低不平的江河湖海、平川大山。软质岩是多形态岩性中的一种，然而，隧道掘进遇到软岩则是一道难题。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。为采取精准有效的应对措施，

对围岩大变形加以防控，需要认真分析软岩大变形的机理并提出相应的处治方法，保障施工安全。

1.构造软岩大变形分类与发生机理

1.1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。

1.2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。

1.3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。

2.工程概况

沿江高速火山隧道全长7192m，隧道最大埋深466.9m，最大设计涌水量

2475m³/d。宁攀高速ZCB1-16合同段火山隧道出口段建设，其中左线长度3660

米，Ⅴ级围岩，长度1130米；Ⅳ级围岩，长度870米；III级围岩，长度1660米，纵坡-1.9%/3660；隧道右线长度3675米，Ⅴ级围岩，长度1145米；Ⅳ级围岩，长度870米；III级围岩，长度1660米，纵坡-1.9%/3675。

火山隧道出口端K397+220-K396+880（ZK397+365-ZK396+860）段，左右洞原

设计为Ⅲ级围岩，岩性为花岗闪长岩，岩体呈中风化状态，岩体较完整。实际施

工过程中揭露的围岩主要为：

左线以强风化炭质页岩为主，岩质较软，岩体破碎，多呈中、厚层状结构，

局部呈碎、裂状结构，节理裂隙发育，受层间软弱夹层及岩层缓倾影响，岩石层

间结合力差，掌子面炭质页岩占比较大，由于炭质页岩的易裂性，造成岩体稳定

性差，剥落掉块严重，隧道层间结合力差，自稳性差。

右线主要以强风化炭质页岩为主，夹中风化花岗闪长岩，岩质较软，岩体较

破碎，炭质页岩层理厚度极薄（数毫米至数厘米），局部呈碎、裂状结构，节理

裂隙发育，基岩节理裂隙水发育，受层间软弱夹层及岩层缓倾影响，岩石层间结

合力差，掌子面炭质页岩占比较大，由于炭质页岩的易裂性，造成岩体稳定性差，剥落掉块严重，隧道层间结合力差，自稳性差。

3.软岩大变形原因分析

隧道穿越带处于初始地应力状态，围岩主要为花岗闪长岩+碳质页岩，进洞

左侧花岗闪长岩为主，右侧碳质页岩为主。炭质页岩主要分部于掌子面右侧位置，岩质较软，岩体破碎，多薄层状结构，局部呈碎、裂状结构，节理裂隙发育，基

岩节理裂隙水弱发育，岩层产状为237°∠50°，受层间软弱夹层及岩层缓倾影响，岩石层间结合力差，由于炭质页岩的易裂性，造成岩体稳定性差，剥落掉块

严重。隧道围岩层间结合力差，自稳性差。符合V级围岩特征。

掌子面围岩情况

层理极薄易风化崩

解层间光滑，无粘结

大变形可能性：（1）该段大变形段落埋深在100-350m之间，掌子面揭露围

岩地质构造（节理产状扭曲、变化较大）反映该段可能存在构造地应力；（2）

变形段落初支背后均存在滴水状渗水现象，局部炭质页岩炭化严重，推测蒙脱石、伊利石、高岭土等膨胀性矿物含量较高，且开挖初期渗水现象不明显，炭质页岩

含水量较低，初期支护施作后渗水现象加剧，说明该段炭质页岩膨胀势较大。

该段落隧道埋深250米左右，开挖爆破后，形成临空面，地应力重分布。围岩在开挖扰动作用下形成松动圈，一方面，随炭质页岩崩解，松动圈不断扩大、围岩松动荷载不断增加；另一方面，碳质页岩遇水软化，随时间推移发生蠕变。在支护体系支护下，松散压力和长时间的蠕变导致支护体系受力增大，且呈受力不均匀状态，压力或者局部拉力作用在超前支护、喷射混凝土、钢拱架上，超前小导管尾部所穿越的拱架应力集中，导致拱架局部变形，初支变形后，混凝土在弯拉应力的作用下开裂，剥落，过量的围岩变形，破坏围岩的原始应力状态，引起围岩的更深层松弛，增加初期支护的负荷。下台阶开挖支护后，对围岩造成二次扰动，临空面更大，围岩蠕变量大，初支无法抵抗地应力，直接造成初期支护内缩收敛，侵限较大。

初支开裂、掉块

型钢扭曲变形

4.软岩大变形处治方案

4.1变形侵限处治

（1）待初支变形稳定后对该段落初支进行换拱，表1是换拱段支护参数。换拱施工须遵循先加固后置换的原则，采用5.5m长φ42×4mm注浆小导管对拱墙部位围岩进行预注浆加固，小导管按间距1.0m×1.0m梅花状布置，注浆时压