隧道圍巖構造軟巖大變形發(fā)生機理及分級方法

張廣澤，鄧建輝，王 棟,，張 茹，徐正宣，張志龍，馮 君，任 利，賈哲強,

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031；2.四川大學深地科學與工程教育部重點實驗室，四川成都610065；3.四川大學水利水電學院，四川成都610065；4.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都610065)

近年來，隨著交通、水利、能源等領域地下工程建設的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量深埋長大隧道。復雜的工程地質條件與特殊的圍巖力學性質致使隧道圍巖大變形問題十分突出，嚴重制約隧道工程的施工建設安全與長期運營穩(wěn)定。尤其是對于建設在高地應力或新構造運動活躍地區(qū)的隧道工程，圍巖大變形問題更加凸顯，例如：奧地利Tauern隧道和Arlberg隧道、日本Hasan隧道[1]；以及中國西部山區(qū)蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道[2]，蘭渝鐵路的木寨嶺、兩水、毛羽山和新城子隧道[3-5]，麗香鐵路的中義隧道[6]，成蘭鐵路的楊家坪、平安、松潘和茂縣隧道[7-9]等鐵路隧道均出現(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形問題，給工程安全建設與運行帶來了重大挑戰(zhàn)。

目前，工程界和學術界基于發(fā)生機制和破壞特征給出了圍巖大變形的定性認識。一般認為圍巖大變形是一種由極限剪應力失穩(wěn)蠕變而導致的時效變形行為[10]，是一種具有累進性和明顯時間效應的塑性破壞，顯著區(qū)別于巖爆、圍巖坍塌、滑動等圍巖破壞形式[11]。事實上，早在1946年，Terzaghi[12]就提出擠出性巖石和膨脹性巖石的概念；Aydan等[13]認為巖石擠出現(xiàn)象是原巖應力下圍巖的一種力學表現(xiàn)，而膨脹現(xiàn)象是一種化學過程；Anagnostou[14]將大變形機制分為兩類，即開挖后重分布應力超過圍巖強度產(chǎn)生的塑性變形和圍巖中某些礦物與水發(fā)生化學反應引起膨脹導致的大變形；Aydan等[13]將大變形機制分為完全剪切破壞、彎曲破壞及剪切和滑動破壞3類。實際工程中，大變形通常由多種因素耦合所致。何滿潮等[15]根據(jù)圍巖的變形破壞特征、特征性礦物、力學作用與特點，認為軟巖變形破壞機制與軟巖本身性質、結構面與洞室結構有關；陳宗基[16]認為圍巖收斂變形機制應包括塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴容、撓曲5個方面；王成虎等[10]認為隧道圍巖大變形主要是圍巖發(fā)生剪切流變破壞所導致的，按成因將其分為應力型、材料型和結構型；李天斌等[17]提出圍巖大變形的發(fā)生機理為高地應力、地下水或自身膨脹作用下，圍巖喪失或部分喪失自承能力，從而產(chǎn)生具有累進性和明顯時間效應的塑性變形；李永林等[1]認為高應力作用下的巖體剪切破壞、開挖引起的巖體結構面失穩(wěn)和特殊巖類發(fā)生水化學反應造成的體積膨脹，這種變形可能會在開挖期間停止，也可能持續(xù)較長時間。基于上述認識，為采取及時、精準、有效的應對措施對圍巖大變形加以防控，研究人員根據(jù)切向應變密度[18]、預留變形量[19-20]、相對變形量[21-23]、臨界深度[24]、強度應力比[25-27]、最大變形量[28]、相對應變[29]等單一指標或綜合指標[30-31]對圍巖大變形進行了定量分級。在已有分級指標體系中，一般認為大于某個/某組指標的臨界值時會發(fā)生大變形，并設置多個閾值區(qū)間對大變形的程度予以界定。

可見，國內外學者針對圍巖大變形的發(fā)生機理和分級方法都進行了卓有成效的探索，并取得了許多具有實踐價值的成果；同時也應注意到，無論是大變形的內在機制還是界定方法，還尚未形成統(tǒng)一的認識和標準。綜合分析各個大變形隧道地質條件，可以發(fā)現(xiàn)：圍巖大變形常發(fā)生在斷層破碎帶、低級變質巖、煤系地層等低強度軟弱圍巖中[7,32-35]，是高地應力條件下圍巖極端變形破壞的典型體現(xiàn)，其孕育發(fā)生受地應力環(huán)境、地質構造、圍巖性質、水文條件和動力擾動等因素影響[36]。值得注意的是，無論是圍巖本身的巖性與結構特征，還是地應力場、地質構造、水文條件等圍巖賦存環(huán)境，均與隧址周圍的構造活動關系密切[37-42]。同時，圍巖大變形具有累進性發(fā)展、持續(xù)時間長、變形速度快等特征，既往研究表明洞周應力重分布可在洞室開挖后很短時間內完成[43]，故僅通過研究開挖擾動導致圍巖應力重分布的力學機制尚難以完全解釋圍巖大變形的長時累進變形特征。中國西部構造活動強烈地區(qū)的眾多隧道圍巖大變形工程實例表明，圍巖大變形均與洞周圍應力有關。雖有研究提出圍巖內部膨脹性礦物遇水化學膨脹會導致圍巖發(fā)生大變形這一觀點[14]，但實際工程表明在地殼運動微弱的地區(qū)鮮有大變形案例發(fā)生，缺乏地質動力的隧道圍巖出現(xiàn)膨脹大變形的實例較少。因此，可以說構造運動控制的地應力分布、地質構造、地層巖性等因素是驅動隧道圍巖大變形孕育發(fā)生的根本條件，然而以往的大變形發(fā)生機理研究并未重點關注這一本質特征，也鮮有系統(tǒng)地考慮天然地質體演化歷程、優(yōu)勢結構面、圍巖結構特征等因素影響的分級方法，導致實際工程現(xiàn)象并未得到完全解釋。

因此，在廣泛吸納總結前人成果的基礎上，針對以往研究的不足，系統(tǒng)結合構造擠壓活動、圍巖結構特性及演化歷程等地質背景分析，對隧道圍巖大變形的發(fā)生機理進行深入探索，重新定義基于構造活動驅動且能更有效解釋工程現(xiàn)象的圍巖大變形概念，并對其主控因素及分類進行系統(tǒng)研究；在此基礎上，基于對現(xiàn)有圍巖大變形分級方法的總結與分析，綜合考慮地層時代、巖石強度、巖體完整性、巖層厚度、隧道軸線與構造夾角等關鍵因素，提出隧道圍巖大變形分級方法，并結合國內典型隧道工程實例進行驗證。相關成果可為中國西部等艱險山區(qū)長大深埋隧道工程的安全建設提供科學依據(jù)和工程指導。

1 構造軟巖大變形的基本概念與發(fā)生機理

1.1 大變形的界定

任何隧道開挖后都存在圍巖變形、洞壁位移的問題，工程中圍巖變形大、圍巖大變形和洞壁大位移3個概念容易混淆。三者在特征上都表現(xiàn)為圍巖局部或整體出現(xiàn)位移，但發(fā)生機理不完全一致，其表現(xiàn)特征和控制理念、控制方法也存在差異，實踐中必須嚴格界定。

洞壁大位移指的是圍巖在外部載荷作用下由于各處變形或位移導致的洞壁出現(xiàn)大的位移。洞壁大位移不等于圍巖大變形，主要區(qū)別是洞壁出現(xiàn)的大位移未必是圍巖變形導致的，可能是因為圍巖垮塌、巖塊集合體沿結構面的整體裂化；大變形必須是圍巖自身變形導致的具有強烈時間效應的位移不收斂。圍巖變形大指的是隧道開挖后巖體應力重分布會引起圍巖變形，當圍巖強度較低時，圍巖變形量相對較大，這類由應力調整發(fā)生的不具有時效性的圍巖變形稱之為變形大。圍巖大變形指的是圍巖出現(xiàn)的具有顯著時間效應的變形，是各處圍巖變形的累積結果。大變形不等同于圍巖變形大，其可分為兩個階段：變形初期一次形成松動圈的階段，可以稱為變形大；后期構造應力作用，使松動圈持續(xù)擴展的階段，稱之為大變形。

必須強調的是，圍巖位移不等同于圍巖變形。洞壁大位移也未必是巖體變形所導致的，在低地應力環(huán)境下也可發(fā)生，其主要受巖體結構控制；圍巖變形大，未必具有顯著的時間效應。因此，洞壁大位移和圍巖變形大均與圍巖大變形不等同，實踐中必須嚴格界定。

1.2 構造軟巖大變形的基本概念

關于圍巖大變形的概念目前還沒有形成一致的定義，在理論上有側重巖石性質和結構特征對大變形進行研究定義的，如軟巖大變形理論和膨脹大變形理論；也有從巖體地應力環(huán)境、圍巖性質、水文條件等對大變形進行研究定義，如高地應力大變形和擠壓性圍巖大變形。但無論是圍巖本身的巖性與結構特征，還是圍巖賦存環(huán)境，均與隧址周圍的構造活動關系密切。如蘭新鐵路烏鞘嶺隧道、拉林鐵路江木拉隧道、麗香鐵路中義隧道皆受到構造活動影響，呈現(xiàn)水平地應力高、區(qū)域巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、開挖后圍巖變形量大等特點。因此，本文提出將構造作為大變形主控因素的構造軟巖大變形概念。構造軟巖大變形是以構造應力場為主，在不同構造類型和部位，隧道開挖后圍巖的顯著時效變形現(xiàn)象。構造軟巖大變形主要出現(xiàn)在構造活躍區(qū)，嚴格受構造控制，是以地質構造發(fā)育、最大主應力近水平為背景發(fā)生的隧道圍巖變形行為。

1.3 構造軟巖大變形分類與發(fā)生機理

基于地質學方法，隧道構造軟巖大變形發(fā)生的地質環(huán)境主要取決于地應力場、地質構造、地層巖性3大因素，并嚴格受構造控制。按構造控制理念對隧道構造軟巖大變形進行分類，分為斷層型、碎裂型和小夾角型3種類型（圖1），其發(fā)生機理各有不同。

圖1 構造軟巖大變形分類示意圖Fig.1 Patterns of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnel

1）斷層型大變形

斷層型大變形主要發(fā)生在區(qū)域斷層帶，圍巖一般處于較高應力狀態(tài)。在隧道開挖前，斷層中破碎帶在較高圍壓的作用下緊密閉合。隧道開挖后，斷層中破碎帶在水平構造應力與重力的時效作用下，發(fā)生塑性擠出、結構流變，最終發(fā)展為斷層型大變形。

2）碎裂型大變形

碎裂型大變形是發(fā)生在構造節(jié)理發(fā)育帶的構造軟巖大變形，如節(jié)理密集帶、褶皺核部及轉折端。大變形發(fā)生段圍巖呈碎裂狀，在處于原巖應力狀態(tài)時受到高圍壓的作用，整體較穩(wěn)定。隧道開挖后，圍巖應力重分布，結構面之間發(fā)生錯動，碎裂的結構體產(chǎn)生滑移，圍巖整體強度大幅度下降，持續(xù)擴容松弛，有顯著結構流變體的特征，在強烈構造應力的作用下發(fā)展為大變形。

3）小夾角型大變形

小夾角型大變形是主要發(fā)生在順層和緩傾巖層中，以隧道軸線與巖層面小角度相交為特點的構造軟巖大變形。隧道穿過水平狀巖體，隧道拱頂一定范圍內的巖層在水平構造應力的擠壓作用下，產(chǎn)生拉伸屈服區(qū)。在構造應力的時效作用下，塑性屈服區(qū)進一步發(fā)展導致隧道頂部巖層發(fā)生撓曲破壞，頂部巖體擠出，發(fā)生大變形。

1.4 構造軟巖大變形主要影響因素

隧道構造軟巖大變形主要影響因素有地應力場和地質構造。

1）地應力場

構造軟巖大變形主要發(fā)生于構造活躍區(qū)。構造活躍區(qū)強烈的地質構造作用導致隧道區(qū)域原巖應力較大且以水平構造應力為主。隧道開挖后，圍巖由三向應力狀態(tài)變?yōu)槎驊顟B(tài)，徑向應力減小，切向應力增加，圍巖發(fā)生剪切變形；并在水平構造應力的擠壓作用和洞壁圍巖剪切膨脹共同作用下出現(xiàn)圍巖變形，開裂并擠壓、侵占隧道凈空。

2）地質構造

構造軟巖大變形通常發(fā)生于隧道中構造發(fā)育的部位，如區(qū)域斷層帶、節(jié)理密集帶、褶皺核部及轉折端，受構造特征影響。隧道開挖前，巖體處于三向穩(wěn)定且較高應力狀態(tài)，巖體內的結構較為穩(wěn)定；隧道開挖后，巖體所受徑向應力降低，巖體內結構面產(chǎn)生張開或滑移，表現(xiàn)出結構流變特征。地質構造對構造軟巖大變形起著控制性作用。

2 構造軟巖大變形分級方法

2.1 現(xiàn)有分級方法及適用性

目前，針對勘察階段，國內外學者及施工單位提出很多大變形分級預測方法，主要基于圍巖強度應力比、巖體質量等級、原始地應力及綜合指標等影響隧道變形的基本參數(shù)，對隧道圍巖大變形進行分級。

基于強度應力比的大變形分級方法主要根據(jù)巖石或巖體強度與地應力的比值劃分大變形等級界限，對于不同的分級方法，巖石抗壓強度與地應力的取值有一定差異。例如：國外的Aydan[13]、Hoek[23]、Wood[25]、Nakano[26]、Jethwa和Singh[44]等均采用巖石單軸抗壓強度與垂直應力的比值（squeezing potential的概念）對隧道擠壓變形進行預測；國內的《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB10003—2016）[27]建議高地應力區(qū)隧道軟巖大變形采用圍巖強度與最大地應力的比值作為強度應力比來預測大變形等級。

也有學者采用應力強度比對大變形等級進行劃分。理論上，當圓形隧道切向應力大于巖體強度時，會發(fā)生擠壓變形。Barton等[45]提出采用由彈性理論計算得到的最大切向應力與巖石單軸抗壓強度的比值判定擠壓狀況；Singh等[46]認為當切向應力大于單軸抗壓強度（σθ>σc）時，會發(fā)生擠壓狀況。上述兩個分級標準將擠壓變形界定為非擠壓和擠壓兩種等級，國際巖石力學學會ISRM吸取了應力強度比的思想，采用巖石單軸抗壓強度σc與洞壁巖體的最大切向應力值σθ的比值，規(guī)定擠壓變形分級標準，將擠壓變形分級分為高度擠壓、中度擠壓、輕度擠壓及無擠壓4個等級。

巖體質量等級可以反映巖石強度、結構面產(chǎn)狀、地下水狀態(tài)等參數(shù)，在一定程度上可以反映巖體在高地應力條件下的變形狀況，因此也有學者考慮將巖體質量等級作為隧道擠壓變形的經(jīng)驗分級指標。Singh等[46]基于8個工程中39個隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出基于埋深與巖體質量等級Q系統(tǒng)，判斷擠壓變形的經(jīng)驗方法，通過公式中的擠壓變形分界線來衡量隧道圍巖是否發(fā)生擠壓變形；但這種方法只是將圍巖變形劃分為擠壓變形和無擠壓變形兩種等級，并沒有對隧道擠壓變形程度進行具體分級。Goel等[24]采用巖體質量N（rock mass number）系統(tǒng)代替Q系統(tǒng)，改進了Singh等的方法，對擠壓變形程度進行了明確的等級劃分，可在一定程度上反映隧道圍巖的變形狀況，并給出對應的擠壓變形等級標準，從而采取相應的措施進行應對；不足之處在于，僅能對擠壓變形進行分級，不能預測出準確的擠壓變形量。

國內一些學者和施工單位采用多指標或綜合指標進行分級。中鐵二局[28]分別以圍巖相對變形量、原始地應力及強度應力比為指標，對擠壓型隧道進行大變形等級劃分；陳子全等[31]針對高地應力層狀軟巖隧道提出基于隧道最大變形量與隧道強度應力比的分級標準；劉志春等[30]結合烏鞘嶺隧道工程現(xiàn)場變形量測結果和室內試驗數(shù)據(jù)，分析了擠壓性圍巖隧道大變形的基本特征，采用綜合指標判定法給出隧道在設計和施工兩個階段的大變形分級標準，其中設計階段以強度應力比和原始地應力作為劃分依據(jù)；中國鐵路局[27]總結提出一整套以強度應力比為基礎，結合原始地應力、相對變形值的綜合隧道擠壓變形分級方法，并依據(jù)地下水及圍巖完整性對圍巖強度進行修正，根據(jù)地應力方向與隧道走向交角對地應力進行修正。

由第1節(jié)圍巖大變形的發(fā)生機理和影響因素可知，隧道圍巖大變形發(fā)生的地質環(huán)境主要取決于地應力場、地質構造、地層巖性三大因素，并嚴格受構造控制。上述分級方法大多適用于擠壓型圍巖大變形，圍繞巖體質量、巖石或巖體的強度及其所處的應力環(huán)境制定分級指標，未突出地質構造對隧道圍巖大變形的控制作用；有的分級方法雖然考慮了地質構造或地層巖性等因素的影響，但是并沒有將地質構造作為影響大變形的主要因素進行考慮，忽視了時間效應及天然地質體的演化過程，且多采用定性的描述劃分大變形等級，缺乏一定的客觀性。

2.2 本文構造軟巖大變形分級方法

本文提出的構造軟巖大變形分級方法，以巖石強度應力比為基礎，著重考慮地層時代、優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀、巖石強度、巖層厚度、巖體完整性5個影響因素，并將各因素對構造軟巖大變形的影響合理量化，進而控制圍巖構造軟巖大變形分級結果，使分級結果準確反映構造對圍巖的影響程度，對隧道圍巖可能發(fā)生的大變形等級進行合理預測。本方法廣泛適用于鐵路隧道的構造軟巖大變形分級預測。

此外，地質勘察在不同階段掌握的地質資料不盡相同，是由粗到細的過程，因此，構造軟巖大變形分級方法根據(jù)地質勘察獲取地質資料的進程相應地分為3個階段，不同階段采用不同詳細程度的分級方法，與隧道工程勘察設計各階段緊密聯(lián)系（圖2）。

圖2 構造軟巖大變形分級示意圖Fig.2 Procedureof classification of tectonic-induced largedeformation of soft rock tunnel

第1階段：根據(jù)獲取的地質勘查資料，基于地應力場類型、地層巖性和隧道穿越的地質構造，對工程地質初步評估，判斷待研究隧道段圍巖是否可能發(fā)生構造軟巖大變形，確定是否需要開展構造軟巖大變形分級工作。

第2階段：地質勘察中期，雖然掌握了一定量的地質勘察情況，但仍缺乏詳細的地應力資料，故依據(jù)地質構造、巖石天然單軸抗壓強度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等對隧道圍巖進行構造軟巖大變形初判。

第3階段：在開展了充分的地質勘察與分析，獲取完善的地應力和巖石、巖體強度測試資料后，確定地層時代、優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀、巖石天然強度、巖層厚度、巖體完整性等因素對構造軟巖大變形的影響程度，對隧道圍巖進行構造軟巖大變形等級詳判。以下將對其分級方法進行詳述。

2.2.1 構造軟巖大變形宏觀判斷

在勘察階段，首先判斷是否應進行構造軟巖大變形分級工作。收集隧道所處區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質構造和地應力等資料，在地質情況滿足下列條件時，進行構造軟巖大變形分級工作：

1）區(qū)域應力場以構造應力為主，即水平應力必須大于垂直應力。構造應力是誘發(fā)大變形的重要動力源，隧道開挖后圍巖經(jīng)過長時卸荷，構造應力緩慢釋放，擴大圍巖松動圈，導致長時間的圍巖變形。

2）巖性為極軟巖、軟巖、較軟巖、破碎的硬質巖。巖石堅硬和破碎程度參照《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014）[47]判斷。大變形主要發(fā)生在千枚巖、片巖、板巖、頁巖、斷層帶等典型軟弱或破碎圍巖，具有顯著的各向異性，層薄質軟，隧道掘進過程中往往由于開挖卸荷而產(chǎn)生強烈的流變作用。

3）隧道穿過區(qū)域斷層帶、褶皺核部、節(jié)理密集帶、順層巖層、緩傾巖層等地質構造。地質構造越發(fā)育，圍巖完整性越差，越容易發(fā)生大變形。

2.2.2 構造軟巖大變形初判

在勘察初期，缺少完善的地應力資料時對圍巖進行大變形等級初判，依據(jù)地質構造、巖石天然單軸抗壓強度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等綜合確定，依據(jù)表1將隧道圍巖大變形劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級或無大變形。需要指出的是：1）表1適用于構造軟巖大變形分級初判，有地應力和巖石、巖體強度測試資料時應進行詳判；2）厚層狀、塊狀完整巖層不考慮大變形，巖體完整程度參照文獻[47]。

表1 構造軟巖大變形分級初判Tab.1 Preliminary classification of large deformation of structural soft rock

2.2.3 構造軟巖大變形詳判

勘察期間，采用現(xiàn)場量測或數(shù)值反演等方法獲取詳細地應力資料，在獲得巖石、巖體強度測試資料后，計算巖體強度應力比M，依據(jù)表2（施工期間結合相對變形量和圍巖變形特征進行分級），對隧道圍巖進行構造軟巖大變形詳判。具體方法如下：

表2 構造軟巖大變形分級標準Tab.2 Classification standard for large deformation of structural soft rock

表3 地質構造影響嚴重帶巖體強度Tab.3 Strength of rock mass in the zone seriously affected by geological structure

當?shù)刭|構造影響輕微至較重時，巖體強度應力比M用式（2）計算：

表4 地層時代影響系數(shù)Tab.4 Influence coefficients of formation age

表5 小夾角影響系數(shù)Tab.5 Influence coefficients of small angle

表6 巖石強度影響系數(shù)Tab.6 Influence coefficients of rock strength

表7 巖層厚度影響系數(shù)Tab.7 Influence coefficientsof rock layer thickness

表8 巖體完整性指數(shù)Tab.8 Rock integrity index

3 工程實例分析與驗證

3.1 隧道圍巖大變形案例分析

1）拉林線朗鎮(zhèn)二號隧道

朗鎮(zhèn)二號隧道位于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地，屬高山河谷區(qū)。隧道洞身最高處海拔3 450 m，最低點位于隧道出口的雅魯藏布江河谷，海拔為3 080 m，相對高差470 m；為單線隧道，最大埋深為305 m，最小埋深52 m，隧道全長2 640 m。大變形發(fā)生里程段落為DK261+190～DK261+820，累計長630 m（表9）。

表9 朗鎮(zhèn)二號隧道施工階段大變形實際情況Tab.9 Large deformation of LangzhenⅡtunnel in construction stage

DK261+190～DK261+820段圍巖巖性為雅魯藏布江縫合帶之復理巖套之千枚巖夾團塊狀砂巖，弱～強風化狀，受地質構造影響極嚴重，節(jié)理很發(fā)育，掌子面局部可見褶曲現(xiàn)象，巖體整體破碎～極破碎狀；宏觀呈層狀結構，且層間結合差，巖層走向與線路夾角約30°，傾角約30°～70°，手掰易斷，上臺階掌子面地下水呈點狀～線狀滲水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤狀態(tài)；開挖后線路左側拱部及拱腰，尤其是掌子面右側等處易坍塌、掉塊，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級）。

雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過線路左側，最近處距離線位僅50 m。郎鎮(zhèn)隧道橫穿堆巴斷層，與線路交于DK261+300處，夾角為58°；堆巴斷層延伸方向為NNE-SSW，為正斷層，破碎帶寬度不明。隧道穿越區(qū)下伏基巖為雅魯藏布江縫合帶之復理巖套（fw）之千枚巖夾板巖等，圍巖全部為軟巖，巖層傾角為30°～70°，巖石強度低。該隧道大變形屬于斷層型大變形。

2）拉林線令達拿隧道

令達拿隧道隧址區(qū)屬藏南山原湖盆地貌區(qū)，為喜馬拉雅極高山亞區(qū)。受雅魯藏布江及其支流切割控制，區(qū)內山地綿延不絕，山勢高峻。測區(qū)內最高點位于隧道軸線左側山脈，標高為3 600 m；最低點位于隧道出口雅魯藏布江河谷地帶，標高為3 113 m。隧道縱斷面標高范圍為3 140～3 498 m，雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過線路左側，隧道全長2 640 m，最大地應力為8.4 MPa。大變形發(fā)生里程段落為DK241+895～DK242+135及DK241+292～DK241+785段，累計長度733 m，其中，輕微大變形448 m，中等大變形145 m，嚴重大變形140 m（表10）。

表10 令達拿隧道施工階段大變形實際情況Tab.10 Large deformation of Lingdana tunnel in construction stage

DK241+292～DK241+410、DK241+695～DK241+785及DK241+895～DK242+135段開挖揭示：圍巖巖性為炭質千枚巖，局部夾團塊狀砂巖，圍巖與前期比較有明顯的變差跡象，受地質構造影響極嚴重，節(jié)理很發(fā)育，弱風化狀為主，掌子面褶曲現(xiàn)象普遍，巖體整體破碎狀，宏觀呈層狀結構；巖層走向與線路夾角約為20°，傾角約為70°，傾向線路左側，且層間結合差，線路左側拱腰及線路右側拱腳處巖體局部破碎～極破碎，呈碎石、角礫狀松散結構；線路左側拱腳處小股狀地下水發(fā)育，線路右側拱頂至拱腰處地下水呈線狀滲出，其余部位為濕潤狀態(tài)。巖體破碎加地下水的綜合作用，開挖后拱部及線路右側拱腰處易坍塌、掉塊，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級）。

DK241+410～DK241+525及DK241+665～DK241+695段揭示圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質千枚巖夾團塊狀石英砂巖，強風化狀，受地質構造影響極嚴重，節(jié)理很發(fā)育；巖體整體破碎～極破碎，呈角礫狀松散結構，局部宏觀呈層狀結構；巖層走向與線路夾角約30°，傾角約50°，且傾向線路左側，層間結合差，軟硬不均，層理產(chǎn)狀變化頻繁；上臺階左、右兩側拱腰地下水發(fā)育狀態(tài)為線狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤狀態(tài)。由于巖體風化強烈加之千枚巖遇水易軟化，開挖后在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強度降低，整體圍巖穩(wěn)定性變差，施工期發(fā)生中等大變形（Ⅱ級）。

DK241+525～DK241+665段揭示圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質千枚巖夾團塊狀石英砂巖，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）及構造影響極嚴重，巖體呈強風化狀，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎～極破碎，呈角礫狀松散結構，整體宏觀呈層狀結構，局部可見褶曲現(xiàn)象；巖層走向與線路夾角約30°，傾角約55°，且傾向線路左側，層間結合差，巖質軟，層理產(chǎn)狀變化頻繁；拱部地下水發(fā)育狀態(tài)為點狀～線狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤狀態(tài)。由于巖體受構造風化強烈，加之千枚巖遇水易軟化，開挖后在地下水持續(xù)作用下，巖體軟化造成圍巖強度降低，整體圍巖穩(wěn)定性差，施工期發(fā)生嚴重大變形（Ⅲ級）。

由于雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）穿過線路左側，于線路左側1.2 km平行行進，隧道受斷裂帶影響，節(jié)理組數(shù)小于3組，間距小于0.1 m，巖體破碎～極破碎，結構面強度極低，存在順層。發(fā)生大變形區(qū)段隧道穿越區(qū)下伏基巖為上三疊統(tǒng)的朗杰學群（T3lj）的姐德秀組二段（T3j2）炭質絹云千枚巖、板巖與變長石石英粉砂巖不等厚互層，軟硬巖比例為9∶1，巖層傾角約50°，巖石強度極低，屬于破碎型大變形。

3）成昆線大坪山隧道

大坪山隧道屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，大渡河、牛日河深切，到處是懸崖絕壁，地面高程710～1 500 m，自然坡度5°～35°不等。大坪山隧道起點里程為DK217+560，終點里程為DK228+904，隧道全長11 344 m，最大埋深約760 m。目前，發(fā)生大變形段落埋深490～750 m，長2 360 m，里程DK219+390～DK221+750（表11）。

表11 大坪山隧道施工階段大變形實際情況Tab.11 Large deformation of Dapingshan tunnel in construction stage

變形段地層巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關銅街子組（T1f+t）砂巖、泥巖；施工揭示巖性為紫紅色薄至中厚層泥巖夾淺灰色中厚層狀砂巖，產(chǎn)狀N30～40°E/10°～25°NW，傾向大里程，走向與洞身大角度相交，節(jié)理較發(fā)育至發(fā)育，呈密閉狀，無充填，主要發(fā)育2組陡傾節(jié)理及1組較緩節(jié)理；掌子面多干燥，局部濕潤，局部有少量水浸出；巖體較破碎，呈碎石結構，拱頂及側壁掉塊較嚴重，圍巖整體自穩(wěn)性較差；經(jīng)取樣試驗，泥巖具有弱膨脹性。施工期最大隆起高度為680 mm，為DK219+420斷面，邊墻最大累計收斂變形為487 mm，發(fā)生輕微大變形（Ⅰ級）。

向斜核部與線路平面相交于DK220+510附近，向斜核部走向近南北向，西翼產(chǎn)狀為N15°W/25°NE，東翼產(chǎn)狀為N10°E/25°NW，隧道范圍內核部出露地層為三疊系上統(tǒng)跨洪洞組及中統(tǒng)雷口坡組（T3k+T2l）。軟硬巖比例為7∶3，巖層傾角約5°～25°，巖石強度低，該隧道大變形屬于小夾角型大變形。

江木拉隧道、朗鎮(zhèn)二號隧道、令達拿隧道的地形地貌、地層巖性、地質構造、大變形等級與類型等的綜合分析結果表明，構造對隧道圍巖大變形有顯著影響。

3.2 構造軟巖大變形分級方法的驗證

以川藏鐵路拉林段朗鎮(zhèn)二號隧道為例，該隧道有地應力、巖石和巖體強度等測試資料，因此其構造軟巖大變形等級初判應依據(jù)地質構造、巖石強度、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、物探異常帶等綜合確定。根據(jù)表4、5、6、7、8，依次確定a1、a2、a3、a4、Kv的取值。

考慮地層時代的影響，隧道穿越區(qū)下伏基巖為雅魯藏布江縫合帶之復理巖套（fw）之千枚巖夾板巖等，屬于第三紀至侏羅紀，地層時代影響系數(shù)a1取1.1；考慮優(yōu)勢結構面與隧道軸夾角的影響，巖層傾角為30°～70°，為保證隧道安全，小夾角影響系數(shù)a2取0.88；考慮巖石強度的影響，根據(jù)巖性描述，結合《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB10003—2016），按照巖石堅硬程度對鐵路隧道圍巖級別的劃分，可將該隧道巖石級別定為極軟巖，此時，Rc≤5 MPa，故巖石強度影響系數(shù)a3取0.9；考慮巖層厚度的影響，堆巴斷層與線路交于DK261+300處，為正斷層，斷層厚度約為0.03～0.09 m，巖層厚度影響系數(shù)a4取0.75；考慮隧道橫穿堆巴斷層，巖體破碎，巖體完整性指數(shù)Kv取0.45。

根據(jù)式（2）可知：強度應力比M≤a1a2a3a4KvRc/σmax=1.1×0.88×0.9×0.75×0.45×5/8.4=0.18。根據(jù)本文構造軟巖大變形分級方法的初判和詳判（表1和2），判斷郎鎮(zhèn)二號隧道可能發(fā)生Ⅱ、Ⅲ級大變形。

此外，本文還收集了18個隧道大變形案例（表12），從地層時代、巖石強度、巖體完整性等因素，對本文提出的構造軟巖大變形分級方法進行驗證，發(fā)現(xiàn)本文的分級方法能有效地判別所有可能發(fā)生大變形的隧道，且有12個隧道的詳判分級結果與施工中實際發(fā)生的大變形等級一致。

表12 本文大變形新分級方法驗證Tab.12 Verification of the proposed method for large deformation classification

4 結 論

在廣泛吸納前人研究成果的基礎上，系統(tǒng)結合構造擠壓活動、圍巖結構特性、演化歷程等地質背景及大量工程實例，對構造軟巖大變形發(fā)生機理進行了深入研究，提出大變形應該嚴格受構造控制的觀點，并重新定義了構造軟巖大變形的概念。在此基礎上，總結已有圍巖大變形分級方法，分析大量工程經(jīng)驗，確立了一種基于巖石強度應力比，著重考慮結構面產(chǎn)狀、巖層厚度等因素對構造軟巖大變形進行分級的方法。最后，結合國內18個典型大變形工程案例，對本文提出的分級方法進行了驗證，確定了本文提出的分級方法的有效性和準確性。

本文構造軟巖大變形定義及分級方法的提出，對大變形發(fā)生機理的認識、大變形等級的界定及大變形災害工程對策的制定具有重要意義。但不同類型構造軟巖大變形的控制技術體系是一個開放性課題；另外，提出的方法對地下水環(huán)境甚至包含溫度在內的多場耦合環(huán)境暫未全面考慮，相關研究仍待進一步突破。