浅谈隧道围岩大变形的判据及处理措施
￡ 、 一
＞ ：一 Ｉ 摘 措施。 卞国忠
要本文靠绍隧道围岩大变形的概念、两种预测方法及设计施工中的处理
关键词铁路隧道 ＼ｊ 嗣岩 变形 判别依据 处理措施 一Ｌ ——一一～一
ｌ引 言
近年来，随着铁路建设事业的发展，在
山区铁路选线设计中，深埋长隧工程日益增
多。在施工中，隧道洞身处于软质围岩地段， 在掘进开挖后，坑道围岩由于受高地应力作
用，时有发生侧鼓、底鼓现象，从而引起侵
限、有时破坏支护或围岩严重坍塌等病害，给
施工带来巨大困难。因此，如能在勘测设计 阶段对围岩大变形有较充分的认识，达到预
测、防治围岩大变形的目的，就可以正确指
导施工，减少或消除其给施工带来的危害。
近几年中，我院在新线铁路勘测设计中
遇到多个高地应力地区深埋长隧工程，均涉
及评价围岩大变形的问题，尤其通过南昆线
家竹箐隧道的施工实践，在软质岩地段发生 围岩大变形及造成危害的事实，更感到在勘
测设计阶段正确评价隧道围岩大变形的必要
性。为此，笔者仅就参与几个工程的勘测设 计，在围岩大变形问题上谈点看法，供探讨。
２围岩大变形的概念
隧道围岩变形是高地应力地区隧道洞身
围岩柔性破坏时应变能缓慢释放造成的一种
动力失稳现象，它与岩爆的发生，是柔性岩
与脆性岩的一个整体的两个方面。在同等高 地应力的地质条件下，若脆性岩层发生岩爆，
则柔性岩层可能发生大变形。高地应力与柔
软岩性，是发生围岩大变形的基本条件
对铁路隧道而言， 论单线还是双线，在 正常情况下，对围岩开挖应力调整过程中产
生的塑性变形圈，各种标准设计的支护变位
允许值均在２０ｃｍ范围内，也就是说，各种标
准设计时对预留变形量的规定为２０ｃｍ以
下。如果围岩变形量超过２０ｃｍ，可视为围岩
非一般的正常变形。 根据施工实践经验，按施工处理的难易
程度认为：若隧道的围岩变形量超过正常规
定的２倍（即≥４０ｃｍ）时，处理时困难而复
杂，所以，可把围岩变形量≥４０ｃｍ视为大变
形（南昆线家竹箐隧道的经验是单线超过 ２５ｃｍ，双线超过５０ｃｍ确定为大变形），围岩
变形量介于２０￣４０ｃｍ之问，可认为是正常 变形至大变形的过渡阶段。围岩变形一般表
现为拱顶下凸，边墙侧鼓与隧底上鼓
３隧道围岩大变形的判据
目前，对围岩大变形的研究，无论在理
论上或实际应用上，尚不成熟，对其预测及
防治亦缺乏经验 及理论指导，对围岩大变形
的判据，尚无确切可靠的方法，有待在实践
中总结。一般情况下，采用的判别方法主要
有以下几种。
３．１掌握岩体变形的特异现象
（１）反映高地应力的特异现象一钻孔岩
心的“饼化”
（２）反映软质岩体的严重挤压现象一钻
孔缩孔。
３．２工程类比法
收集既有隧道在施工中所记录的有关围
１
５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 岩大变形的相关资料，围绕高地应力及软弱
岩性的相同条件进行类比，预测拟设隧道工 程有否发生围岩大变形的可能。
３．３掌握挤出围岩的物理力学特性 日本学者在掌握挤出围岩物理力学特性
方面的研究较多，他们通过对日本国内已建
在挤出围岩中的隧道调查及岩石物理力学性
质的大量试验，得到挤出围岩的各种特性归 纳如下，以供借鉴。
（１）窖重与抗压强度的关系
挤出围岩的容重７一般为１７～２３ｋＮ／
ｍ ，其与单轴抗压强度 （ＭＰａ）之间的关 系为：
１０（１＋０．８ “）。
（２）泊松比 与单轴抗压强度 的关系 为：
一０．２５（１＋ｅ－ｏ－ ）。
（３）弹性模量与单轴抗压强度的关系：
般情况的岩石弹性模量是其单轴抗压
强度的１５０￣３００倍，最佳值为２００倍。弹性 模量Ｅ（ＭＰａ）与岩石单轴抗压强度 之间
的关系为： Ｅ一８０ 一。 （４）弹性渡速度与单轴抗压强度的关系
为： 当岩石单轴抗压强度 增加时，岩石的
弹性波速度Ｖ （ｋｍ／ｓ）也增加。 一０时，Ｖ
趋于１．４ｋｍ／ｓ，相当于水的弹性波速度。二 者的关系为：
ＶＰ １．４＋０．２ 。
当在软质岩中测得Ｖ 后，在无抗压试
验资料时，可借用此式计算 。
（５）摩攘角与单轴抗压强度的关系为： 当单轴抗压强度 降低时，岩石摩擦角 也减小，当 增加时， 趋近于５０‘，其间
的关系为：
２０ 。 根据调查，与围岩挤出现象有关的有如
下几个主要因素： 岩石坚固系数（定义为单轴抗压强度
】６ 对覆盖压力州的比）小于２才能出现塑
性变形区，即： ｏｃ／ｒＨ＜２。
ｂ．隧道壁切向应变 ＞１ ，即： ＝ｕ／ｒ＞１％。 其中ｕ为径向位移，ｒ为距洞室中心的
距离。
ｃ．挤出岩石的含水量可能大于２５ 。 ｄ．围岩一般由沉积岩层中的泥质岩组
成，泥质矿物具膨胀性。
ｅ．隧道边墙的切向应变￡；与弹性应变
极限值《之比大于岩石抗压试验岩石流动
阶段的应变ｅｆ与弹性应变极限￡；之比 ， 印：
Ｅ；／ｃ；＞ ， ￡，／岛 ５ 。
３．４岩石力学强度判据法 （１）剪切抗压强度比法
根据围岩的切向应力与围岩单轴极限抗 压强度两个指标进行评价。外国学者通过对
大量隧道进行调查后，１９９３年Ｇｒｉｓｔａｄ和
Ｂａｒｔｏｎ提出隧道围岩严重变形的判别标 准为：
／ ＞５。
式中： 围岩最大切向应力，当无实测资料
时，可用ｏｏ＝３ｏｔ一 计算； 口。一与洞轴线垂直平面内的最大主应
力；
与洞轴线垂直平面内的最小主应
力。
在静水场的圆形隧道中，ｏａ＝２Ｙ［－Ｉ。
岩石单轴极限抗压强度，当无试验
资料时，可采用Ｑ系统法计算：
＝０．７旧｛。
ｒ＿一岩石密度（ｋＮ／ｍ ）；
Ｑ一岩体质量。
Ｑ一 ｄ·ｄ笔· ｎ ｎ ｆ（，
式中：
ＲＱＤ－－岩石质量指标ｉ
维普资讯 http://www.cqvip.com Ｊｎ一节理组数影响系数；
Ｊｒ一节理面粗糙度系数；
Ｊａ一节理面蚀变度系数； Ｊｗ一裂隙水影响系数；
ＳＲＦ一地应力影响系数。
各种系数在相关资料中均有表可查。
根据Ｑ系统法，１９９２年Ｓｉｎｇｈ等人根据
岩体质量Ｑ和覆盏层厚度Ｈ提出预测发生
岩体挤压深度的经验标准： Ｈ＞３５ＯＱ （ｍ）
（２）应力比法’
根据围岩的单轴极限抗压强度与初始地
应力之比确定。根据国内外一些工程实倒统 计，当应力比小于０．５时即可出现围岩大变
形。其经验判别式为：
Ｆ ＜０—５
式中：
岩石单轴极限抗压强度，ＭＰａ；
垂直地应力，Ｍ ；
Ｏ＂Ｈ 一垂直隧道轴线的最大水平地应
力，ＭＰａ。 发生围岩大变形的南昆线家竹箐隧道的
应力比为０．１４，甘肃金川矿为０．１ ７～０．２５。
４隧道围岩大变形的处理措施
４．１设计阶段
（１）勘测中隧道穿越地层尽量避免高地 应力区深埋软层地段，并借助区域地质资料
选好线路方案。 （２）设计合理的隧道衬砌断面形状，以
圆形、椭圆形为好。
（３）正确选择施工开挖方法及作业程序。
（４）充分根据预测的围岩变形程度，设
计维护结构。 ４．２旌工阶段 ．
（１）采用短开挖、加密支撑措施，防止
围岩过大变形而导致坍塌。 （２）适当加大预留变形量，防止初期支
护变形侵限。
（３）加强临时支护一喷、锚、压浆、铜
拱架等，以加同地层。 （４）支护结构组成及施工顺序按“先柔
后刚，先放后抗”的原则。外层支护为柔性， 允许洞壁有较大变形，内层支护应有足够的
刚度抗地压。 （５）提高模注混凝土的强度，必要时可
采用钢筋混凝土内衬，或在衬砌中掺加钢纤
维 主薹参考文献 Ｅ１３世界隧道．铁科院西南分院，１９９７（１）７～ １６．４２～４６ ［ｚ３隧道译丛．铁科院西南分院，１９９４（１２）１ ～１ ３
１７ 维普资讯 http://www.cqvip.com