软岩隧道大变形成因分析及处置措施

软岩隧道大变形成因分析及处置措施
摘要：本文对软岩隧道大变形机理进行分析，详细介绍了软岩地区常见的支护
设计和软岩区施工阶段的质量控制措施，以解决当前施工阶段出现的问题，以期
为软岩区隧道建设提供借鉴和参考。

关键词：软岩隧道；大变形；成因分析；处置措施
0 引言
由隧道大变形引起的地质灾害屡见不鲜，困扰着软岩区隧道的建设。

首例出
现软岩大变形的隧道是1906年建成的新普伦隧道（全长19.8Km），比较有代表
性的是奥地利陶恩隧道，施工期间产生50~120cm的变形，日最大变形量达到
20cm。

国内比较有代表性的有乌鞘岭隧道，拱顶沉降达到105cm，周边收敛达到103cm，而凉风垭隧道的周边收敛值达到197.25cm，此类的地质问题还有许多，
软岩隧道不仅延长建设的周期，而且还会大幅增加工程造价。

软岩隧道的支护理
论有多种，20世纪初由Haim、Rankine等提出的古典压力理论，以及在之后提出
的塌落拱理论，这也是新奥法的理论基础，其核心是隧道围岩具有自稳能力，
L.V.Rabcewicz提出新奥地利隧道施工方法（即新奥法），其后还有应变控制理论、能量支护理论、轴变论、软岩工程力学支护理论等。

近年来结合数值模拟技术，
可以对隧道变形进行初步的了解，提高设计的准确性，在施工技术、监测手段上
也取得较大的发展，复合式衬砌、超前支护等应用于隧道工程中，高精度、自动化、智能化的监测设备用于隧道变形和应力监测[1]。

1 隧道围岩大变形机理
1.1 软岩大变形的工程定义
目前对于围岩大变形尚未有明确的定性和定量判断依据，只是根据地质条件，以某一角度进行判断，而在实际的工程中，软岩大变形并未列入规范中。

软岩区
隧道产生大变形与地质条件、时间、隧道的尺寸规模、埋深等有着密切关系，根
据以上的影响因素，本文对软岩大变形给出如下定义：软弱围岩在水（包括地下
水和地表渗水）的作用下，采取常规的支护设计，围岩产生塑性变形，且无法有
效控制，其变形量已经超过预留变形量或者规范的允许值，或者具有这种趋势，
当二衬施工工后一段时间内，变形仍不稳定，且导致衬砌结构开裂的现象称为软
岩大变形。

1.2软岩大变形机理
围岩产生大变形破坏取决于岩性，即岩体的性质、构造与结构，其次是围岩
的地质环境，即地应力、地下水分布等，与支护参数也有较大的联系。

围岩大变
形发展机理可以归纳为以下几点：
⑴软岩流塑
隧道的开挖会改变围岩的应力状态，围岩的应力状态随开挖而调整，在此过
程中岩体中闭合的结构面会不断的张开，产生滑移，岩体进一步破碎，此时地下
水进入张开的结构面，进一步弱化岩体的强度，导致岩体呈流塑状态而产生较大
的周边收敛。

⑵板梁弯曲
对于呈薄层状的围岩，在开挖后，其顶板变形呈弯曲状态，这一现象在高地
应力地区更为明显。

隧道的法向应力降低而切向应力增加，层状的岩体发生横向
或者纵向挠曲，引起顶板和地板在垂直应力作用下引起顶板下沉和底板的隆起，
侧墙在侧向应力作用下产生较大的收敛。

⑶结构性流变
结构性流变典型的例子就是金川矿地下巷道大变形，这一问题在高地应力地
区较为明显，隧道开挖后的数月乃至数年内，围岩的变形随着时间的增长而增长，呈现出显著的时间效应，这就是结构性流变。

⑷松脱
松脱分为差异性松脱和累进松脱扩展，差异性松脱的代表性工程是位于四川
的扯羊隧道，特点是地应力已经释放，围岩呈松散破碎状，变形发展较快，延伸
至地表，累进松脱的代表隧道是木寨岭隧道，围岩经过浅表生改造作用，岩体破碎，但是地应力尚未完全释放，呈现松动圈累进扩展的特点。

2 软岩隧道支护设计
2.1软岩变形特点
软岩的结构较为疏松、重度小、大孔隙率，弱胶结，节理裂隙发育、易膨胀
等特点，软岩隧道开挖后的形变压力与支护设计是软岩工程的重要研究内容，根
据对软岩隧道的监测结果，发现隧道在开挖后，围岩呈现出以下规律：围岩的变
形与压力呈现出显著的阶段性、空间性；隧道的开挖面的压力分布规律与埋深有关，埋深越大压力越均匀；且易形成松动圈[2]。

2.2 支护结构作用机理
软岩隧道的支护设计可以分为锚杆支护、挂网支护、喷混支护、注浆支护、
钢架支护、混凝土二次衬砌支护等。

⑴锚杆支护作用机理
软岩区，锚杆结构是利用围岩自身的强度来完成支护，其主要的作用有：悬
吊作用，即锚杆将松散即将掉落的岩块通过锚杆穿过塑性变形区悬吊在深层稳定
而完整的岩体上；组合梁作用，对于层状岩体，锚杆可以将多层岩体连接，通过
约束变形提高层间的摩阻力，形成组合梁结构；而加固作用则是将松散的岩体在
浆液的作用下，连接挤压在一起，以提高围岩的强度。

锚杆的长度应根据塑性区
宽度确定，最短长度为1.5倍塑性区宽度[3][4]。

⑵喷混作用机理
喷混支护与围岩紧贴，可以一定程度上恢复围岩三维受力的状态，阻止其自
由变形；混凝土填充节理裂隙，充填表面凹坑，增强围岩的咬合作用，提高围岩
的强度；混凝土覆盖在围岩表面，可以起到防风化和止水的作用。

⑶注浆作用机理
注浆可以分为超前注浆和锚杆注浆，通过注浆可以大幅提高软岩的完整性和
强度，通过加强围岩的承载能力，实现完整的传力体系，即拱顶压力传递到两侧
边墙，边墙将压力传递到底板，形成完整的拱效应，减少变形；注浆可以封闭充
填节理裂隙，使松散的岩体粘结形成整体，提高岩体的强度；其与锚杆组合使用时，实现全长锚固，充分发挥锚固的作用。

⑷钢架
钢架分为型钢钢架和格栅钢架，其作用是在隧道开挖后，在较短的时间内形
成强而有力的支护，在开挖初期对隧道的变形提供约束，由于其刚度和强度较大，可以承担较大的形变压力，其与隧道开挖断面贴合，有效控制隧道的变形。

⑸混凝土二衬作用机理
根据新奥法的原理，二衬仅作为安全储备和防水的作用，而软岩区隧道的施
工建设经验表明，混凝土衬砌除可以对初支进行补强，其在围岩变形中承担着流
变压力的作用，因此在软岩地区常设置钢筋混凝土衬砌，以对初支形成补强和限
制围岩蠕变[5]。

2.3 支护设计实例
以乌鞘岭隧道为例，介绍软岩隧道的支护设计。

首先在软岩区，建议使用短台阶法进行施工，上台阶循环进尺为2m，台阶长4m，下台阶长16m，每次推进2m，初支成环后施作二次衬砌，一次施作长度为8m。

在支护设计上，采用多层初支以加强支护，即将初支分25cm与20cm两层，采取边放边抗的原则，其水平收敛得到有力的控制，如图1所示。

图1 断面收敛时间曲线
3 软岩大变形治理原则
⑴联合支护
软岩隧道常将多种支护结构按照一定的工艺组合使用，形成联合支护体系，在设计时，需要遵循宜联不宜散的原则，即多种结构要紧密连接，形成联合支护体系，比如小导管与钢架、喷混与锚杆、钢筋网片与混凝土，这就使得，在分部施工时，前一项支护结构必须预留与后一项或者几项支护的连接空间，后一项施工需包裹前一项支护结构，比如在锚杆施工时，需要外露一定的距离，使其可以与钢架焊接，喷混要完全包裹钢筋网与钢架。

⑵支护超前
在开挖前先对地层进行加固，常用的方式有：超前支护、注浆法、冻结法，超前支护的方式有超前管棚、超前锚杆，注浆法可分为超前小导管注浆、超前深孔帷幕注浆，冻结法则是利用液氮对软岩进行硬化加固[7]。

⑶以防为主
由于地下工程的复杂性，在设计与施工前很难完全掌握地质状况，因此在施工前，应制定紧急预案和有力的保障措施，施工过程中加强监测，早发现、早上报。

早处理，及时调整支护参数，实现动态设计。

4 结语
本文结合设计与施工，首先就软岩大变形的机理展开论述，然后介绍软岩隧道支护设计与围岩压力的关系，以及常用的支护设计及其作用原理，最后介绍软岩隧道治理，软岩隧道变形控制应遵循联合支护、先护后挖以及以防为主的施工原则。

以期为软岩区隧道建设提供借鉴和参考，促进我国隧道建设的蓬勃发展。

参考文献：
[1] 戴永浩，陈卫忠，田洪铭，等.大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究[J].岩石力学与工程学报，2015（s2）：4149-4156.
[2] 高美奔，李天斌，孟陆波，陈国庆.隧道软岩大变形力学机制及防治措施综述[J].施工技术，2013（S2）：247-251.
[3] 孙洋，陈建平，余莉，徐颖，王洋.浅埋偏压隧道软岩大变形机理及施工控制分析[J].现代隧道技术，2013（5）：169-174.
[4] 黄林伟.软岩隧道大变形力学行为与控制技术的研究[D].重庆大学，2008.
[5] 方贻立，李睿哲，陈建平，余莉.软岩隧道大变形机理分析[J].华东公路，2013（6）：56-59.
作者简介：
朱科（1986-），男，汉族，四川仁寿人，硕士，隧道工程师，从事隧道设计工作。