软岩大变形研究现状

隧道围岩大变形阶段报告1．概述深埋隧道通过软岩和断层带时，在高的地应力和富水条件下通常产生大变形。

这种隧道围岩变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道将被完全封死，如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。

这种大变形危害巨大，严重影响施工工期或者线路正常运营，而且整治费用高昂。

在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例，并且在治理这些问题中取得了很多经验。

日本的岩手隧道，长25.8km，采用新奥法施工。

地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2~6MPa。

施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移100~400mm，最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm，拱顶下沉为10~100mm。

日本惠那山隧道，长8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为粘土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为1.7~3.0MPa，隧道埋深为400~450m，原始地应力为10~11MPa。

施工时产生了大变形，在地质最差的地段，拱顶下沉达到930mm，边墙收敛达到1120mm，有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。

最后采用9.0m和13.5m 的长锚杆，并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。

陶恩隧道长6400m，开挖断面面积90-105m2，位于显著变质的岩带内，如片岩、千枚岩等，主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石，抗压强度R=0.4-1.7MPa，洞内无地下水活动，隧道埋深为600-1000m，原始地应力为16.0-27.0 MPa，侧压力系数近似为1.0，围岩强度比为0.05-0.06。

陶恩隧道采用台阶法施工，在设计时，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。

而后把锚杆改为6m，并初次采用纵向伸缩缝，缝宽20cm，间隔3m，支撑也是可缩的，并在隧道底部增加了隧底锚杆，喷射混凝土厚度保持25cm不变。

上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用，但已完成段，其洞壁已严重侵入二次衬砌净空，只能采取扩挖的办法处理，增加了施工的难度，同时又具有一定的危险性。

此时的净空收敛大约是20-25cm。

要再大时，要增打9m以上长度的锚杆。

奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m，开挖断面面积90-103m2，岩石主要为千枚岩、片麻岩，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩，岩石强度为1.2~1.9 MPa，隧道的埋深平均为350m，最大埋深为740m，原始地应力为13.0 MPa，围岩强度比为0.1~0.2。

隧道采用自上而下的分布开挖法，先开挖弧形导坑，施作初期支护，然后再开挖台阶(分左、右两次分别进行)，最后检底。

由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，该隧道设计时的初期支护就比较强，喷射混凝土厚20~25cm，锚杆长6.0m，同时安设了可缩刚架。

但是由于岩层产状不利，锚杆的长度仍不够，施工中支护产生了很大变形，拱顶下沉量达到15~35cm，最大水平收敛达70cm，变形速度达11.5cm/d，后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法，才是变形得到了控制，变形速度降为5.0cm/d，变形收敛时间为100~150d。

家竹箐隧道隧道全长4990m。

隧道位于盘关向斜东翼，属单斜构造，岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW。

由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1，其破碎带宽15～20 m。

隧道横穿家竹箐煤田。

隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，北段为灰岩，中部3890 m为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。

隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深(404m)的煤系地层地段，由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。

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80-100cm，侧壁内移达到160cm。

为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状，加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱。

大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储备。

木寨岭隧道全长1710m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及硅质砂板岩。

存在的主要构造体系是山字型构造体系。

属地应力集中区，隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。

隧道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。

经研究主要采取的处理措施有：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。

2．发生围岩大变形的地质条件及隧道围岩大变形发生机理大变形目前还没有一个统一的定义，目前有的学者提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道，如果初期支护发生了大于25 cm(单线隧道) 和50cm(双线隧道)的位移，则认为发生了大变形。

姜云、李永林等将隧道围岩大变形定义为：隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏,它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏。

同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类型。

2.1大变形发生的地质条件发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：（1）隧道围岩条件。

发生大变形的围岩主要有：①显著变质的岩类，如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等。

这类围岩的凝聚强度c值较低，内摩擦角 值很小，单轴抗压强度较低。

（2）隧道处于高应力区，且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上。

（3）隧道围岩的天然含水量大。

2.2隧道围岩大变形发生的机理人们通常把大变形机制分为两大类：（1）大变形的原因之一，是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化。

如果发生缓慢就属于挤出（如果是立刻发生就属于岩爆）。

（2）大变形的原因之二，是岩石中的某些矿物成分和水反应而发生膨胀。

发生膨胀变形的围岩在开挖时一般有较高的强度，变形主要发生在隧道运营过程中，一般表现为底部鼓起，而隧道顶部和边墙保持较好的工作状态。

在隧道通过炭质板岩和断层带时，引起大变形的原因主要为第一条。

同时国内外学者也认为，软岩隧道的大变形可以描述为一种以挤出为主、膨胀为辅的水-力耦合过程。

而对于第一条原因目前国内外学者认为围岩挤出是开挖引起的应力重分布超过岩体强度时屈服的结果，并且通过一些列的研究将围岩挤出的力学机制分为以下三大类：（1）完全剪切的破坏（如图1a）。

在连续的塑性岩体及含有大开裂度裂隙的非连续岩体中会发生这种破坏。

（2）弯曲破坏（如图1b）。

一般发生在千枚岩及云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩及蒸发岩等薄层状塑性沉积岩中。

（3）剪切和滑动破坏（如图1c ）。

发生于相对厚层的沉积岩中，包括沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种破坏形式。

（a ）完全剪切的破坏 （b ）弯曲破坏 （c ）剪切和滑动破坏图1 挤出性围岩隧道失稳形式分类3．大变形的预测研究现状隧道的大变形给隧道施工和运营造成了很大的困难，国内外学者对隧道大变形的预测进行了大量的研究。

目前在预测隧道变形的方法中具有代表性的有C&C 法，这种方法由Egger （1973）、Kastner （1974）和Hoek 、Brown （1980）提出，并逐步完善。

这种方法基于以下假设：（1）圆形隧道；（2）课题可以概化为二维平面应变问题；（3）均质各向同性介质；（4）弹-塑性材料；（5）现场地应力属于静水压力场；（6）均匀的径向支护压力。

其计算公式如下：（1）弹性状态下的围岩位移（i u ）011()i i u P P r μκ+=-（1） 其中，μ、κ分别为岩石的泊松比和杨氏模量；0P 、1P 分别为地静压力和支护压力；i r 为隧道半径。

（2）塑性状态下的位移（j u ）Hoek-Brown 方法：1j j u r ⎡=-⎢⎣（2） 式中2(1)exp 2av A M UCS e N μκ⎡+⎡⎤=⋅-⋅⎢⎢⎥⎣⎦⎣N = 222(/)(/)(/)1(11/)e e e j av e j u r r r e r r R =⎡⎤-+⎣⎦当e j r r <2ln e j r R D r ⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦；e jr r > 1.1R D =D m m ⎡=-+⎢⎣ 式中，r m 、r s 为破碎岩石的常数；e r 、e u 、re σ分别为弹性和塑性边界处的半径、位移和径向应力。

此外还有Egger 和Kastner 也提出了相应的塑性状态向的围岩位移预测方法。

4．大变形的一般治理措施根据国内外的施工经验，对大变形的治理措施归纳如下：（1）加强稳定掌子面的辅助措施① 正面喷混凝土和打锚杆；② 打超前锚杆或钢筋。

（2）加强基脚的措施，这是基本的，即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住,包括： ① 向底部地层注浆加固；② 向两侧打底部锚杆；③ 支撑加底部及加劲肋；④ 设底部横撑或临时仰拱。

（3）防止断面挤入的措施① 增打加长锚杆,主要在两侧,锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定范围才有效果； ② 设底部横撑，打底部锚杆，修筑仰拱，这是极为重要的工程措施；③ 缩短台阶长度，及早闭合；④ 下半断面、仰拱同时施工；⑤ 设纵向伸缩缝，采用可缩性支撑（4）防止衬砌开裂的措施① 采用湿喷钢纤维混凝土；② 设加强钢筋；③ 设纵向伸缩缝。

（5）设立日常量测管理体制及管理基准① 监测初期位移速度；② 最终位移值的预测；③ 建立控制基准值；（6）加强施工地质预报① 预测和预报掌子面前方的地质状态；② 建立地质数据库，及时反馈；③ 各种岩类的特性试验数据的测试。

这些措施是综合的，是相互补充的，应视具体情况采用。

这些措施也是一般性的，当条件变化很大时，还要采用一些特殊的辅助施工措施，如注浆加固，改良岩体等措施。

5．郎洞断层束破碎带地质概况5.1二郎洞断裂带（F3）该断层位于二郎洞附近，西起阿尔扎沟以西，向南经果可沟沟脑、二郎洞、肯德隆沟、茶卡北山以北，延伸长度约130km。