蓮花隧道軟弱圍巖大變形預(yù)測方法適用性評價研究*

張沛遠(yuǎn) 張曉平 張 晗 崔建航 劉泉聲 樊文勝李玉生

(①武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國)(②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國)(③江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330025，中國)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)穩(wěn)步推進(jìn)，地下工程建設(shè)取得了迅猛發(fā)展，許多工程問題也應(yīng)運(yùn)而生(唐少輝等，2021)。在埋深較大、地應(yīng)力水平較高、圍巖軟弱破碎的隧道工程施工過程中，軟巖大變形問題尤為常見，如蘭新鐵路烏鞘嶺隧道(卿三惠等，2005；陳唯一，2006；陶波等，2006)、成蘭鐵路茂縣隧道(李磊等，2018；侯國強(qiáng)，2019)、國道317鷓鴣山隧道(陳子全等，2018a)、奧地利陶恩隧道(劉志春等，2008；陳子全等，2018b)等。隧道軟巖大變形災(zāi)害具體表現(xiàn)為圍巖變形量大、變形速率快、持續(xù)時間長等特點(diǎn)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)侵陷、破壞，造成工期延誤和經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此，為了減少和避免大變形災(zāi)害的不良影響，在隧道工程設(shè)計(jì)和施工前，必須合理預(yù)測和評價隧道圍巖變形等級，以便提前采取措施，實(shí)施分級管理。

國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)針對軟巖大變形合理的分級指標(biāo)、不同等級的臨界判據(jù)和預(yù)測方法展開了一系列研究。經(jīng)驗(yàn)法是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和回歸分析的基礎(chǔ)上，提出預(yù)測變形的經(jīng)驗(yàn)公式，如Singh et al.(1992)、Goel et al.(1995)學(xué)者基于巖石質(zhì)量分級Q指標(biāo)提出的擠壓變形臨界埋深經(jīng)驗(yàn)判斷公式。陳衛(wèi)忠等(2019)提出一種適用于國內(nèi)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]的擠壓變形預(yù)測方法。半經(jīng)驗(yàn)-半理論法在經(jīng)驗(yàn)判斷的基礎(chǔ)上依據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比、相對變形量或其他綜合性指標(biāo)對大變形趨勢進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)、半定量化判別。Wood(1972)首先將圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比用于對巖石膨脹擠壓趨勢的預(yù)測中，而后Jethwa et al.(1984)、Aydan et al.(1993)、Barla et al.(1995)也采用強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行大變形分級預(yù)測。Hoek et al.(2000)運(yùn)用對稱有限元分析法得到基于巖體強(qiáng)度應(yīng)力比的相對變形量預(yù)測公式，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。與之類似，陳子全等(2018b)在93座典型高地應(yīng)力層狀軟巖隧道變形數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)上，得到了最大變形量與隧道強(qiáng)度應(yīng)力比的冪指數(shù)變化規(guī)律。相較于圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比，ISRM(2002)建議用隧道洞周切向應(yīng)力與巖體強(qiáng)度的比值作為判別指標(biāo)。此外，許多基于模糊數(shù)學(xué)理論(孟陸波等，2010；Liu et al.，2020)、可拓理論(任洋等，2011，2012)、概率云模型(何樂平等，2021)、關(guān)聯(lián)規(guī)則(孟陸波等，2022)、支持向量機(jī)(Sun et al.，2018)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(陳志敏等，2018)等多種模糊評價方法也廣泛應(yīng)用于大變形的分級預(yù)測中。

圖1 蓮花隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile of Lianhua Tunnel

雖然上述研究成果對隧道軟巖大變形的風(fēng)險評估和預(yù)測工作具有一定的指導(dǎo)意義，但這些方法對各種復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道工程預(yù)測精度參差不齊，其工程適用性難以保證。目前研究中針對不同變形預(yù)測方法的綜合適用性評估研究較少。Azizi et al.(2019)對伊朗Kerman引水隧洞大變形段運(yùn)用7種不同方法進(jìn)行擠壓變形預(yù)測，發(fā)現(xiàn)其預(yù)測結(jié)果不一致，且部分方法與實(shí)際變形存在顯著差異。Ajalloeian et al.(2017)運(yùn)用多種方法對伊朗某引水隧洞擠壓變形趨勢進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果同樣與實(shí)際變形存在顯著差異。然而鮮有類似的研究探討國內(nèi)隧道工程不同大變形預(yù)測方法的適用性。本文基于萍蓮高速蓮花隧道的地質(zhì)勘察和工程設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行了不同大變形預(yù)測方法的適用性評價研究。運(yùn)用多種方法對蓮花隧道大變形段的變形情況進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)際變形監(jiān)測結(jié)果對比分析，比較了不同方法的預(yù)測精度，并分析誤差原因，從而對現(xiàn)行的大變形預(yù)測方法進(jìn)行評估。結(jié)合適用性評價研究結(jié)果，分析了蓮花隧道大變形的致災(zāi)機(jī)理，并對大變形分級預(yù)測方法的不足和發(fā)展前景提出了建議。

1 工程概況

蓮花隧道起點(diǎn)位于江西省萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)拓村附近，終點(diǎn)位于萍鄉(xiāng)市蓮花縣六市鄉(xiāng)埡塢村附近，為雙線分離式隧道，左右線起止樁號分別為ZK35+035～ZK38+235和YK35+040～YK38+270，區(qū)間總長度分別為3200m和3230m，屬特長公路隧道。蓮花隧道左右線最大埋深分別為317m和330m。隧道采用馬蹄形斷面，凈空尺寸為10.25m×5.0m(寬×高)。按照新奧法原理進(jìn)行開挖支護(hù)設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等為主。

1.1 工程地質(zhì)

蓮花隧道隧址區(qū)地貌類型屬剝蝕低山，地形地貌受地層巖性及構(gòu)造控制明顯。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔資料，地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：第四系(Q)粉質(zhì)黏土及碎石土；青白口系庫里組下段(Qb2k1)砂質(zhì)板巖、泥盆系上統(tǒng)洋湖組(D3y)砂巖、泥盆系上統(tǒng)麻山組(D3m)砂巖等，分布情況見工程地質(zhì)剖面圖(圖1)。沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂構(gòu)造發(fā)育，隧道先后穿越7條構(gòu)造斷裂帶、4條巖性分界線。受F1～F7區(qū)域斷裂帶影響，隧址區(qū)裂隙及破碎帶內(nèi)巖體完整性差，易剝落掉塊。隧址區(qū)地下水十分發(fā)育，孔隙裂隙水賦存于第四系殘坡積層底部及基巖風(fēng)化帶；基巖裂隙水賦存于基巖的節(jié)理裂隙中，受構(gòu)造發(fā)育情況控制；構(gòu)造裂隙水主要賦存于構(gòu)造破碎帶、不同巖性接觸帶，其富水性、導(dǎo)水性較好。隧道開挖過程中，進(jìn)口段多次出現(xiàn)富水?dāng)鄬雍蛶r溶發(fā)育區(qū)，出口段遭遇膨脹性軟弱圍巖、溶洞等不良工況。

1.2 隧道圍巖分級

根據(jù)地質(zhì)勘察資料與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對大變形段圍巖(里程樁號：ZK37+191～ZK38+225，YK37+180～YK38+250)采用《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50218—2014)BQ法進(jìn)行分級。國標(biāo)BQ法采用定量和定性相結(jié)合的方法，根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度確定圍巖基本質(zhì)量BQ，如式(1)。巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)采用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc，或通過點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行換算；巖石完整性指標(biāo)采用完整系數(shù)Kv。若無條件取得實(shí)測值，可采用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)換算。對于地下工程巖體，則需根據(jù)地下水出水狀態(tài)(地下水修正系數(shù)K1)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞軸線組合關(guān)系(結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)K2)和圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(初始地應(yīng)力影響系數(shù)K3)進(jìn)行折減，得到修正后的[BQ]值，如式(2)所示。相關(guān)修正系數(shù)均取自經(jīng)驗(yàn)表格。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(2)

Q(Rock Mass Quality)法是挪威巖土所的N.Barton于1974年提出，在2002年進(jìn)行修訂，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際的一種巖體質(zhì)量評價方法(Barton，2002)。該法依據(jù)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組系數(shù)Jn、節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr、節(jié)理蝕變系數(shù)Ja、節(jié)理水折減系數(shù)Jw以及地應(yīng)力折減系數(shù)SRF進(jìn)行積商運(yùn)算，如式(3)所示。

(3)

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI(Geological Strength Index)評分系統(tǒng)由E.Hoek和P.Marinos于1998年提出，是綜合考慮巖體破碎程度、各向異性程度、風(fēng)化程度、蝕變程度、巖石成因和巖石類別等因素的經(jīng)驗(yàn)性巖體質(zhì)量評價體系，見圖2(Hoek et al.，1998；Marinos et al.，2001)。GSI法根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)與不連續(xù)面表面狀態(tài)進(jìn)行評分(0～100)。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果以及施工過程中圍巖現(xiàn)場出露及變形情況，大變形段圍巖可分為A、B、C、D 4種類別。其中A、B類圍巖以全、強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥頁巖、砂巖、千枚巖為主，強(qiáng)度3～5MPa，為極松散破碎圍巖，如圖3a所示。該類圍巖區(qū)域發(fā)育有兩條斷層破碎帶，導(dǎo)致巖體極破碎，呈散體結(jié)構(gòu)，[BQ]=250，為Ⅴ級圍巖。B類圍巖由于受斷層破碎帶影響更為顯著，節(jié)理裂隙更加發(fā)育，分值更低，[BQ]=225，為Ⅴ級圍巖。C、D類圍巖為中風(fēng)化砂巖、鈣質(zhì)泥頁巖等，如圖3b所示，巖質(zhì)相對較硬，強(qiáng)度25～35MPa，巖體相對較完整，部分呈薄層狀結(jié)構(gòu)，C類圍巖[BQ]=344，D類圍巖[BQ]=312，兩者均為Ⅳ級圍巖。

根據(jù)4類圍巖的[BQ]評分結(jié)果，采用許宏發(fā)等(2014)提出的經(jīng)驗(yàn)公式，換算圍巖的RMR(Rock Mass Rating)值，見式(4)。Bieniawski(1984)通過117個隧道工程實(shí)例，得出RMR系統(tǒng)評分與Q評分之間的關(guān)系式，并得到大量工程應(yīng)用與驗(yàn)證，見式(5)。根據(jù)式(5)進(jìn)一步換算得到圍巖的Q值。

(4)

RMR=9lnQ+44

(5)

GSI取值參照現(xiàn)場圍巖情況，根據(jù)圖2進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)評估。A、B類圍巖呈散體狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化程度高，嚴(yán)重破碎，不連續(xù)表面質(zhì)量很差，且含有黏土充填，GSI分別取25，19。C、D類圍巖巖體相對完整，塊體化明顯，擁有層理面或片理面，GSI分別取44，37。

綜上所述，蓮花隧道大變形段圍巖分級結(jié)果見表 1。

圖2 互鎖與節(jié)理蝕變巖體特征描述與GSI取值Fig.2 Characterisation of rock masses on the basis of interlocking and joint alteration and GSI estimates

圖3 蓮花隧道大變形段典型圍巖Fig.3 Typical surrounding rock in section of large deformation of Lianhua Tunnela.典型A、B類Ⅴ級圍巖(ZK37+217); b.典型C、D類Ⅳ級圍巖(ZK37+600)

表 1 圍巖大變形段巖體質(zhì)量分級Table1 Rock mass classification of in large deformation section of surrounding rock

1.3 試驗(yàn)段圍巖大變形情況

根據(jù)蓮花隧道施工過程中累計(jì)變形量將大變形破壞區(qū)劃分為洞口淺埋段I(ZK38+245～90/YK38+270～130)、穿越水庫段Ⅱ(ZK37+470～397/YK37+495～375)和斷層破碎帶圍巖段Ⅲ(ZK37+281-204/YK37+346-265)3大典型區(qū)域，如圖4所示。

區(qū)域I范圍內(nèi)主要為殘坡積層、全風(fēng)化砂巖和鈣質(zhì)泥頁巖等類土質(zhì)松散軟弱巖體，受開挖擾動產(chǎn)生較大變形；區(qū)域Ⅱ穿越水庫，最小埋深20m，該段主要為全風(fēng)化頁巖和千枚巖，遇水易膨脹，且該段掌子面處含水量大，外加斷層F7影響，從而產(chǎn)生較大變形。區(qū)域Ⅲ穿越斷層破碎帶F6，該段全風(fēng)化砂頁巖強(qiáng)度低，破碎程度高，同時含水率較高，產(chǎn)生較大變形。總體大變形特征表現(xiàn)為：①變形量大。最大沉降變形量達(dá)1162.4mm(YK37+278)，最大收斂變形量達(dá)709.4mm(ZK37+277)，最大累計(jì)變形量達(dá)1253mm(YK37+278)，均發(fā)生于區(qū)域Ⅲ。②變形持續(xù)時間長。以典型斷面ZK37+210.5和ZK37+217為例，其圍巖變形時程曲線如圖5所示。該典型斷面變形以沉降為主，開挖后產(chǎn)生持續(xù)變形，20d左右初支閉合后變形量值趨于穩(wěn)定。③變形破壞模式多樣，表現(xiàn)為全斷面收斂、鋼拱架扭曲變形、噴射混凝土剝落掉塊、仰拱開裂等，掌子面上部塌方如圖5所示。為隧道安全施工帶來嚴(yán)重影響，各變形段都采取加強(qiáng)支護(hù)、換拱等應(yīng)對措施。

2 圍巖變形趨勢預(yù)測

以蓮花隧道地質(zhì)勘探、變形監(jiān)測以及巖體質(zhì)量分級結(jié)果為基礎(chǔ)，基于工程實(shí)際情況，采用基于巖體質(zhì)量指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)方法以及基于強(qiáng)度與應(yīng)力關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)-半理論方法對試驗(yàn)段(ZK37+191～ZK38+225/YK37+180～YK38+250)進(jìn)行大變形趨勢預(yù)測，并與實(shí)測值進(jìn)行比較。

2.1 基于巖體質(zhì)量指標(biāo)的預(yù)測方法

巖體質(zhì)量指標(biāo)與工程類比是經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測圍巖大變形的基礎(chǔ)。Singh et al.(1992)通過分析39個典型隧道工程案例，提出了擠壓變形發(fā)生的臨界埋深判別式：

(6)

當(dāng)擠壓變形發(fā)生時，有：

(7)

式中：Hcr為隧道埋深(m)；Q為巖體質(zhì)量指標(biāo)，按表 1取值。圖7給出了蓮花隧道大變形段的Singh法預(yù)測結(jié)果。分析可得蓮花隧道全線實(shí)際埋深均小于Singh法估算的大變形臨界埋深，結(jié)果誤差偏大(表 2)，特別是區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，相對誤差超過100%，而對左右線區(qū)域Ⅲ的預(yù)測誤差相對較小。

Goel et al.(1995)對Singh的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，采用巖體質(zhì)量Qn系統(tǒng)代替Q系統(tǒng)，避免地應(yīng)力折減系數(shù)SRF在Q系統(tǒng)中取值的不確定性，基于99個隧道斷面變形數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，提出大變形臨界埋深公式如下：

(8)

對于擠壓變形發(fā)生條件下，有：

(9)

蓮花隧道隧址區(qū)屬中、低應(yīng)力地區(qū)，隧道圍巖中以風(fēng)化程度較高、極松散破碎的泥頁巖、砂巖為主，同時含有黏土或因化學(xué)作用碎解巖石的破碎帶，因此SRF取2.5(埋深<50m)或5(埋深大于50m)，對巖體質(zhì)量Q評分進(jìn)行修正(Barton，2002；張必勇等，2019)。蓮花隧道大變形段Goel法預(yù)測結(jié)果如圖8所示。Goel指標(biāo)計(jì)算結(jié)果均小于275(表 3)，以275為標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ平均相對誤差超過100%，僅區(qū)域Ⅲ誤差較小。實(shí)際上區(qū)域Ⅰ～Ⅲ發(fā)生的大變形以中等-嚴(yán)重大變形為主，合理的Goel指標(biāo)計(jì)算結(jié)果應(yīng)該更大，說明該法預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況偏差很大。

圖5 典型斷面圍巖變形時程曲線Fig.5 Time-history curves of rock deformation at typical sectiona.ZK37+217(起測于2020年4月9日)； b.ZK37+210.5(起測于2020年4月19日)

圖6 蓮花隧道大變形破壞模式Fig.6 Failure modes of large deformation of Lianhua Tunnela.初支侵限;b.斜撐縱向變形扭曲;c.拱頂鋼拱架破壞變形; d.拱腰上部鼓起;e.初支擠出;f.導(dǎo)洞邊墻擠出

圖7 蓮花隧道大變形Singh法預(yù)測結(jié)果Fig.7 Estimates of large deformation of Lianhua Tunnel by Singh’s methoda.左線預(yù)測結(jié)果；b.右線預(yù)測結(jié)果

表 2 Singh法預(yù)測誤差Table2 The error of estimates of Singh’s method

圖8 蓮花隧道大變形Goel法預(yù)測結(jié)果Fig.8 Estimates of large deformation of Lianhua Tunnel by Goel’s methoda.左線預(yù)測結(jié)果；b.右線預(yù)測結(jié)果

表 3 Goel法預(yù)測誤差Table3 The error of estimates of Singh’s method

相較于Q系統(tǒng)，國內(nèi)主要采用《工程巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)》中的[BQ]分類法。陳衛(wèi)忠等(2019)基于81條隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)分析，提出了基于[BQ]指標(biāo)的圍巖相對變形上下限預(yù)測公式，即：

(10)

式中：B為隧道跨度；H為隧道埋深；u為巖體擠壓變形值；u/B表示隧道圍巖變形值(%)。該預(yù)測公式通過采用包絡(luò)線的形式考慮施工方法、支護(hù)方式等[BQ]值中未考慮的因素。圖9給出了陳衛(wèi)忠法(陳衛(wèi)忠等，2019)上限預(yù)測結(jié)果與實(shí)際變形對比情況?？梢娫摲A(yù)測的相對變形值偏小，且全線變化不大，不適用于蓮花隧道大變形的預(yù)測。

圖9 蓮花隧道大變形陳衛(wèi)忠法(陳衛(wèi)忠等，2019)預(yù)測結(jié)果Fig.9 Estimates of large deformation of Lianhua Tunnel by Chen’s method(Chen et al., 2019)a.左線預(yù)測結(jié)果；b.右線預(yù)測結(jié)果

2.2 基于強(qiáng)度-應(yīng)力關(guān)系的預(yù)測方法

圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比常被用于量化巖體抵抗擠壓變形的能力。Jethwa et al.(1984)以巖體單軸抗壓強(qiáng)度以及隧道上覆巖體自重應(yīng)力的比值定義了巖體擠壓程度系數(shù)Nc：

(11)

式中：σcm表示巖體單軸抗壓強(qiáng)度；P0為原地應(yīng)力；γ為巖體自重；H為隧道埋深。當(dāng)Nc>2，隧道無擠壓變形；當(dāng)0.8

按照Hoek經(jīng)驗(yàn)公式(Hoek et al.，2000)估算巖體強(qiáng)度σcm：

(12)

式中：σcm表示巖體單軸抗壓強(qiáng)度；σci表示巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；mi為Hoek-Brown常數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)。圖10給出了蓮花隧道大變形段Jethwa法(Jethwa et al., 1984)預(yù)測結(jié)果。左右線區(qū)域Ⅲ預(yù)測為強(qiáng)擠壓變形，左線區(qū)域Ⅱ?yàn)橹械?強(qiáng)擠壓變形，右線區(qū)域Ⅱ?yàn)閺?qiáng)擠壓變形，左右線區(qū)域Ⅰ為輕微-強(qiáng)擠壓變形。該預(yù)測結(jié)果與隧道實(shí)際變形結(jié)果較符合，但預(yù)測結(jié)果偏保守，部分未發(fā)生大變形的地段也預(yù)測為變形段。

圖10 蓮花隧道大變形Jethwa法(Jethwa et al., 1984)預(yù)測結(jié)果Fig.10 Estimates of large deformation of Lianhua Tunnel by Jethwa’s method(Jethwa et al., 1984)a.左線預(yù)測結(jié)果；b.右線預(yù)測結(jié)果

Hoek et al.(2000)使用巖體單軸抗壓強(qiáng)度σcm與原位應(yīng)力P0的比值作為判斷隧道擠壓變形趨勢的指標(biāo)，提出式(13)來判斷無支護(hù)條件下隧道的相對變形量值，并劃分了變形等級，如圖11所示：

(13)

圖11 強(qiáng)度應(yīng)力比和收斂應(yīng)變之間的關(guān)系曲線以及擠壓變形等級(Hoek et al.，2000)Fig.11 The relationship between the ratio of strength of rock mass and strain of tunnel and the classification of squeezing(Hoek et al.，2000)

同樣以式(12)估算巖體強(qiáng)度σcm。圖12給出了該法在蓮花隧道大變形段的預(yù)測結(jié)果，對大變形段的預(yù)測較準(zhǔn)確。表 4為該法預(yù)測結(jié)果誤差，對于左右線區(qū)域Ⅲ的預(yù)測變形量偏高，左線區(qū)域Ⅱ的預(yù)測結(jié)果偏低，導(dǎo)致相對誤差較大。對大變形段Ⅰ的預(yù)測結(jié)果較好，相對誤差小于100%。

表 4 Hoek法(Hoek et al., 2000)預(yù)測誤差Table4 The error of estimates of Hoek’s method(Hoek et al., 2000)

除強(qiáng)度應(yīng)力比外，Barton et al.(1974)提出最大切向應(yīng)力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比也可用于變形趨勢的估計(jì)。Singh et al.(1992)也認(rèn)為擠壓型圍巖其切向應(yīng)力大于巖體自身強(qiáng)度。ISRM(2002)建議使用切向應(yīng)力與巖體強(qiáng)度的比值σθ/σcm來預(yù)測擠壓變形。當(dāng)σθ/σcm>4，發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形；當(dāng) 2<σθ/σcm<4，發(fā)生中等擠壓變形；當(dāng)1<σθ/σcm<2，發(fā)生輕微擠壓變形；當(dāng)σθ/σcm<1，無擠壓變形。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1時，圓形洞室彈性階段理論解：

(14)

(15)

式中：σv為原始地應(yīng)力；R0為洞室半徑；r為圍巖中計(jì)算點(diǎn)半徑。洞周處有σθ=2σv。根據(jù)該式計(jì)算蓮花隧道近似洞周切向應(yīng)力，并得出大變形預(yù)測結(jié)果如圖12。對于左線，區(qū)域Ⅲ為嚴(yán)重大變形，Ⅱ?yàn)閲?yán)重大變形，Ⅰ為中等-嚴(yán)重大變形；對于右線，區(qū)域Ⅲ為嚴(yán)重大變形，Ⅱ主要為中等大變形，Ⅰ為輕微-中等大變形。該法對大變形段預(yù)測較準(zhǔn)，但是對于非擠壓段預(yù)測結(jié)果偏保守。

圖13 蓮花隧道大變形ISRM法預(yù)測結(jié)果Fig.13 Estimates of large deformation of Lianhua tunnel by ISRM methoda.左線預(yù)測結(jié)果；b.右線預(yù)測結(jié)果

表 5 蓮花隧道不同大變形預(yù)測方法適用性評價Table5 Applicability evaluation of different large deformation prediction methods for Lianhua Tunnel

除以上方法外，Aydan et al.(1993)根據(jù)日本隧道施工經(jīng)驗(yàn)，提出根據(jù)隧洞圍巖總變形與彈性變形之比作為判斷隧洞擠壓變形程度的依據(jù)，并認(rèn)為圍巖的總變形與彈性變形比與巖石的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)，可以通過室內(nèi)試驗(yàn)得出相應(yīng)于不同破壞狀態(tài)的變形比臨界值，

(16)

式中：ηp，ηs，ηf分別為試樣達(dá)到屈服階段、軟化階段、流動階段時的臨界變形比；εp，εs，εf分別為相對應(yīng)的應(yīng)變。通過計(jì)算隧洞周圍全應(yīng)變與彈性應(yīng)變的比值與臨界變形比的關(guān)系，從而預(yù)測隧道的擠壓變形情況。由于蓮花隧道軟弱圍巖室內(nèi)試驗(yàn)測試難度大，難以獲得該法要求的臨界變形比，因此本研究中未采用此法進(jìn)行大變形預(yù)測。

其他如可拓法、模糊層次分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等預(yù)測模型由于要求參數(shù)多，計(jì)算模型復(fù)雜，預(yù)測精度離散性大，實(shí)際應(yīng)用難度高，因此本研究中不予討論。

3 大變形預(yù)測方法適用性評估

3.1 不同預(yù)測方法適用性評價

綜合分析以上不同方法對蓮花隧道大變形預(yù)測結(jié)果，給出不同方法的適用性評價與使用建議。根據(jù)變形段的識別、變形量預(yù)測誤差的大小，將蓮花隧道不同預(yù)測方法適用性分為優(yōu)、良、中、差4個級別，見表 5。

Singh法(Singh et al., 1992)預(yù)測結(jié)果依賴Q系統(tǒng)的分值，然而Q系統(tǒng)對于巖質(zhì)較差的Ⅳ、Ⅴ級圍巖只籠統(tǒng)給出Q<1.0的取值范圍，當(dāng)0

相較而言，半經(jīng)驗(yàn)-半理論結(jié)合的方法預(yù)測效果有一定改善。研究表明巖體強(qiáng)度應(yīng)力比是預(yù)測圍巖大變形的有效判據(jù)之一。如Jethwa方法(Jethwa et al., 1984)對全線變形的預(yù)測結(jié)果都比較好，但是結(jié)果偏保守，對未發(fā)生大變形的洞段預(yù)測不準(zhǔn)。Hoek方法(Hoek et al., 2000)的理論公式本身是基于PHASE2有限元程序在理想均質(zhì)模型下計(jì)算，結(jié)合工程案例統(tǒng)計(jì)分析得出，與實(shí)際工程存在一定的偏差。研究表明Hoek法(Hoek et al., 2000)對區(qū)域Ⅰ預(yù)測效果優(yōu)秀，對區(qū)域Ⅱ右線預(yù)測效果較好，而對區(qū)域Ⅲ處預(yù)測結(jié)果過大，偏保守，因此綜合適用性評價為中。ISRM法對全線大變形段預(yù)測結(jié)果較好，但同樣對無變形段預(yù)測效果過于保守。

3.2 蓮花隧道大變形破壞成因機(jī)理分析

根據(jù)不同預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果，結(jié)合蓮花隧道工程地質(zhì)情況，對3個典型洞段大變形災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理探討大致如下：

(1)3個典型洞段巖質(zhì)極差，全、強(qiáng)風(fēng)化泥頁巖、千枚巖等強(qiáng)度極低，隧道開挖后，洞周產(chǎn)生的剪切應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖發(fā)生剪切破壞。Singh et al.(1992)、Goel et al.(1995)、陳衛(wèi)忠等(2019)方法預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大誤差的原因之一在于現(xiàn)場圍巖質(zhì)量分級結(jié)果僅確定級別，而沒有針對軟弱圍巖給出詳細(xì)可靠的BQ與Q值評分，而這些結(jié)果將顯著影響這幾種方法預(yù)測的精度。這也從側(cè)面說明現(xiàn)場的巖石松散破碎程度極高，是產(chǎn)生圍巖大變形的主要原因之一。

(2)大變形段地下水、地表水豐富，該段自進(jìn)洞到災(zāi)害發(fā)生均處于富水狀態(tài)，開挖斷面圍巖突然變?nèi)?，出現(xiàn)滲水并導(dǎo)致風(fēng)化程度較高的巖體發(fā)生崩解、泥化，從而產(chǎn)生松散膨脹型大變形。特別是區(qū)域Ⅱ右線上方直接穿越水庫，受水的影響更顯著。Hoek法(Hoek et al., 2000)預(yù)測中沒有考慮地下水的影響，因此對區(qū)域Ⅱ特別是左線的預(yù)測效果很差。

(3)斷層破碎帶的影響。大變形段Ⅲ穿越斷層F6，大變形段Ⅱ穿越斷層F5，斷層破碎帶巖體風(fēng)化破碎程度高，膠結(jié)差，巖體強(qiáng)度低，在構(gòu)造作用下容易產(chǎn)生碎脹從而導(dǎo)致變形發(fā)生。而這種圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比可以很好的反應(yīng)巖石的破裂碎脹程度，因此基于強(qiáng)度應(yīng)力比方法對于變形段的預(yù)測較為準(zhǔn)確。

3.3 大變形預(yù)測方法展望

綜上所述，現(xiàn)有圍巖大變形預(yù)測方法都存在一定的局限性。經(jīng)驗(yàn)性方法主觀性太強(qiáng)，而半經(jīng)驗(yàn)-半理論法的推導(dǎo)過程往往與實(shí)際工程工況不符，其計(jì)算結(jié)果也往往與實(shí)際工程存在偏差。同時軟巖大變形具有顯著的時間效應(yīng)，現(xiàn)有的變形預(yù)測方法都難以預(yù)測變形量隨時間的變化規(guī)律。如何有效地綜合考慮圍巖性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境、施工工況等對軟巖大變形的影響，并提出一種考慮時間效應(yīng)的大變形分級預(yù)測方法，是以后研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文針對江西省萍蓮高速蓮花隧道，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料與工程實(shí)際情況，運(yùn)用多種大變形預(yù)測方法對典型大變形洞段變形情況進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)際變形情況進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：

(1)萍鄉(xiāng)蓮花隧道圍巖大變形情況顯著，表現(xiàn)為變形量大、變形速率快、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形式多樣等特點(diǎn)。主要分為洞口淺埋段、穿越水庫段與斷層破碎帶3個典型洞段。

(2)蓮花隧道大變形的主要影響因素包括：松散破碎圍巖、豐富的地下與地表水以及斷層破碎帶及構(gòu)造活動的影響。

(3)基于巖體質(zhì)量分級的經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測主觀性強(qiáng)，難以對大變形段進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。Singh法(Singh et al., 1992)、Goel法(Goel et al., 1995)僅可根據(jù)相對大小預(yù)測變形趨勢，其變形臨界埋深或判斷指標(biāo)計(jì)算誤差較大。陳衛(wèi)忠法(陳衛(wèi)忠等，2019)在H/[BQ]取值較小時適用性較差。

(4)基于強(qiáng)度與地應(yīng)力關(guān)系的預(yù)測方法對大變形段的識別預(yù)測較準(zhǔn)確，但是普遍過于保守，對部分洞段變形預(yù)測結(jié)果偏大。

(5)對于萍鄉(xiāng)蓮花隧道，現(xiàn)行大變形預(yù)測方法普遍存在一定問題，以后類似工程中建議在勘察、設(shè)計(jì)階段客觀、細(xì)致地進(jìn)行圍巖質(zhì)量分級、地應(yīng)力量測、地下水與地質(zhì)構(gòu)造勘探等工作，為變形預(yù)測提供充分、可靠的資料。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)-半理論方法對大變形趨勢和變形量值進(jìn)行預(yù)測，綜合研判隧洞沿線變形趨勢，為大變形支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工措施提供充分可靠的依據(jù)。