隧道围岩大变形问题及施工控制新技术研究
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拱顶下沉最大为1053mm 收敛值最大为1034mm 变形速率为20-30mm/d
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塌方 支护拆换
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木寨岭公路隧道全长1710m，主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化 软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩 较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形 地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。
坑发生先行位移，推迟支护结构的设置时间，从而 减轻作用在支护结构上的形变压力。 （2）多重支护方法。一次支护发生屈服，通过设置 二次或者多次支护，使得地压和支护反力得到平衡， 不进行支护替换的方法。
工程名称 柿子圆隧道 跃龙门隧道 杨家坪隧道 茂县隧道 榴桐寨隧道 平安隧道 弓杠岭隧道 岷山隧道 洛大隧道
埋深 620m 1445m 720m 1656m 1410m 1720m 850m 1420m 1780m
主要岩性 灰岩
砂岩、板岩、千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 板岩
砂岩、板岩 灰岩
而以上段落穿越的软质岩多Biblioteka Baidu断层破碎带多，软质岩 主要由炭质板岩、炭质千枚岩等组成，遇到高地应力 条件下的软弱围岩大变形，经地质专业判断本线隧道 通过地段共有 30.840km为易发生大变形的软岩段落。 主要代表性工点有：
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成兰铁路典型软岩隧道大变形发生段落
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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（2）变形速率高 陶恩隧道最大变形速率高达200 mm/d，一般也达50-100 mm/d。
（3）变形持续时间长 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变
形的收敛持续时间也较长。日本惠那山隧道时间大于300 d。 （4）支护破坏形式多样
喷层开裂、剥落先在受力较大的部位发生；锚杆锚固作用失效。型钢拱架或格栅发 生扭曲，坍塌随即发生。衬砌做好后，大变形常使衬砌严重开裂，挤入净空。底部上 鼓使道床严重破坏。 （5）围岩破坏范围大
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软岩隧道大变形的控制技术，主要有， 1、为减轻作用在支护结构形变压力而容许变形的方法 2、为了控制松弛而尽可能早地控制变形的方法， 即所谓的柔（韧）性支护设计和刚性支护设计，两者
的理念是完全相反的。
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容许变形--柔性支护设计（针对挤压性大变形） （1）先行导坑法。即先掘进比较长的导坑，通过导
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其中，平安隧道洞身以千枚岩等软质岩为 主，含千枚岩地层占隧道穿越地层的90% 以上。发生严重大变形段落4.63km，有发 生大变形风险的段落达23.01km。
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修建于1896～1906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最 早出现严重挤压变形的隧道。此后，世界范围内先后出现了奥地利Tauern 隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、 中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧 道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性大变形隧道。
高地应力使隧道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构 刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5 倍洞径。一般锚杆长度伸不到弹性区，这常是 导致喷锚支护失效的根本原因。
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围岩变形破坏的进程
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蒙脱石型膨胀机理（分子吸水膨胀机理） 微裂隙膨胀机理 重力机制作用下的扩容膨胀 工程偏应力引起的变形力学机理 构造应力机理 断层型力学机理（断层与隧道夹角60-90度） 随机节理型变形力学机理
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工程背景介绍 隧道大变形实例及发生原因 隧道大变形基本特征及发生机理 隧道大变形控制技术 工程实例
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成兰铁路，正线长度457.6km，全线桥隧工程占85.96 ％，隧道33座共332.392km，其中10km以上隧道14座， 最长隧道28.4km。
成兰铁路穿越龙门山岷山西秦岭高山峡谷等地貌，山 高谷深，全线隧道埋深在1000m以上段落达85.976km， 500m～1000m段落更是多达151.334km。
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隧道全长4.99 km，是控制南昆铁路铺轨工期的重点工程，共有390 m洞段发 生了大变形，初期变形量达到1000毫米，导致施工受阻，原设计的普通砂浆 锚杆被压弯，格栅构件被挤压成麻花形状，衬砌结构挤压破裂，支护系统受 到严重破坏。
为控制变形，采用了自钻式锚杆系统，锚杆长度为6-13米不等，直径32毫米， 间距0.5-1.25米。注浆方式为中空管，锚固排气环，加止浆塞方法。压力 1.5-2.0Mpa。支护效果明显
处理措施：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采 用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导 管锁脚。导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用 双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大 的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。
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从地质条件分析，发生大变形的原因有三种： （1）膨胀岩作用的膨胀性变形。具有膨胀性的围岩在一定条件下体
积膨胀，使隧道周边产生大变形。 （2）大埋深，高地应力隧道的挤压性变形。在高地应力的挤压作用
下，埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、 千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。 （3）小埋深、偏压、松散围岩等特殊条件下的松动性变形。极为软 弱或者松散破碎围岩，加上埋深浅，由于支护刚度不足、支护不 及时，或者局部水压及气压力的作用，也会产生大变形。
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隧道围岩大变形基本特征及发生机理
（1）变形量大 日本惠那山隧道施工时在地质最差的地段，拱顶下沉达到
930mm，边墙收敛达到1120mm；奥地利陶恩隧道采用台阶法施 工，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护 参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移；家竹箐隧道在一般地段， 拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm； 在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80100cm，侧壁内移达到160cm；木寨岭隧道隧道在高地应力大变 形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。
拱顶下沉最大为1053mm 收敛值最大为1034mm 变形速率为20-30mm/d
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塌方 支护拆换
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木寨岭公路隧道全长1710m，主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化 软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩 较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形 地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。
坑发生先行位移，推迟支护结构的设置时间，从而 减轻作用在支护结构上的形变压力。 （2）多重支护方法。一次支护发生屈服，通过设置 二次或者多次支护，使得地压和支护反力得到平衡， 不进行支护替换的方法。
工程名称 柿子圆隧道 跃龙门隧道 杨家坪隧道 茂县隧道 榴桐寨隧道 平安隧道 弓杠岭隧道 岷山隧道 洛大隧道
埋深 620m 1445m 720m 1656m 1410m 1720m 850m 1420m 1780m
主要岩性 灰岩
砂岩、板岩、千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 板岩
砂岩、板岩 灰岩
而以上段落穿越的软质岩多Biblioteka Baidu断层破碎带多，软质岩 主要由炭质板岩、炭质千枚岩等组成，遇到高地应力 条件下的软弱围岩大变形，经地质专业判断本线隧道 通过地段共有 30.840km为易发生大变形的软岩段落。 主要代表性工点有：
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成兰铁路典型软岩隧道大变形发生段落
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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（2）变形速率高 陶恩隧道最大变形速率高达200 mm/d，一般也达50-100 mm/d。
（3）变形持续时间长 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变
形的收敛持续时间也较长。日本惠那山隧道时间大于300 d。 （4）支护破坏形式多样
喷层开裂、剥落先在受力较大的部位发生；锚杆锚固作用失效。型钢拱架或格栅发 生扭曲，坍塌随即发生。衬砌做好后，大变形常使衬砌严重开裂，挤入净空。底部上 鼓使道床严重破坏。 （5）围岩破坏范围大
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软岩隧道大变形的控制技术，主要有， 1、为减轻作用在支护结构形变压力而容许变形的方法 2、为了控制松弛而尽可能早地控制变形的方法， 即所谓的柔（韧）性支护设计和刚性支护设计，两者
的理念是完全相反的。
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容许变形--柔性支护设计（针对挤压性大变形） （1）先行导坑法。即先掘进比较长的导坑，通过导
4
其中，平安隧道洞身以千枚岩等软质岩为 主，含千枚岩地层占隧道穿越地层的90% 以上。发生严重大变形段落4.63km，有发 生大变形风险的段落达23.01km。
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修建于1896～1906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最 早出现严重挤压变形的隧道。此后，世界范围内先后出现了奥地利Tauern 隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、 中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧 道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性大变形隧道。
高地应力使隧道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构 刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5 倍洞径。一般锚杆长度伸不到弹性区，这常是 导致喷锚支护失效的根本原因。
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围岩变形破坏的进程
15
蒙脱石型膨胀机理（分子吸水膨胀机理） 微裂隙膨胀机理 重力机制作用下的扩容膨胀 工程偏应力引起的变形力学机理 构造应力机理 断层型力学机理（断层与隧道夹角60-90度） 随机节理型变形力学机理
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工程背景介绍 隧道大变形实例及发生原因 隧道大变形基本特征及发生机理 隧道大变形控制技术 工程实例
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成兰铁路，正线长度457.6km，全线桥隧工程占85.96 ％，隧道33座共332.392km，其中10km以上隧道14座， 最长隧道28.4km。
成兰铁路穿越龙门山岷山西秦岭高山峡谷等地貌，山 高谷深，全线隧道埋深在1000m以上段落达85.976km， 500m～1000m段落更是多达151.334km。
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隧道全长4.99 km，是控制南昆铁路铺轨工期的重点工程，共有390 m洞段发 生了大变形，初期变形量达到1000毫米，导致施工受阻，原设计的普通砂浆 锚杆被压弯，格栅构件被挤压成麻花形状，衬砌结构挤压破裂，支护系统受 到严重破坏。
为控制变形，采用了自钻式锚杆系统，锚杆长度为6-13米不等，直径32毫米， 间距0.5-1.25米。注浆方式为中空管，锚固排气环，加止浆塞方法。压力 1.5-2.0Mpa。支护效果明显
处理措施：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采 用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导 管锁脚。导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用 双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大 的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。
10
从地质条件分析，发生大变形的原因有三种： （1）膨胀岩作用的膨胀性变形。具有膨胀性的围岩在一定条件下体
积膨胀，使隧道周边产生大变形。 （2）大埋深，高地应力隧道的挤压性变形。在高地应力的挤压作用
下，埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、 千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。 （3）小埋深、偏压、松散围岩等特殊条件下的松动性变形。极为软 弱或者松散破碎围岩，加上埋深浅，由于支护刚度不足、支护不 及时，或者局部水压及气压力的作用，也会产生大变形。
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隧道围岩大变形基本特征及发生机理
（1）变形量大 日本惠那山隧道施工时在地质最差的地段，拱顶下沉达到
930mm，边墙收敛达到1120mm；奥地利陶恩隧道采用台阶法施 工，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护 参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移；家竹箐隧道在一般地段， 拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm； 在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80100cm，侧壁内移达到160cm；木寨岭隧道隧道在高地应力大变 形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。