表1.1列出了国内外典型的挤压性围岩隧道。由此可见，高地应力软岩地质环境引起的挤压大变形破坏是一种严重的工程地质灾害。目前，对围岩挤压性大变形问题的研究，主要依靠归纳、总结及工程类比等方法，其中的主要问题集中在软岩的定义和分类、大变形的定义、机制和分级等几个方面。何满潮等将围岩大变形的判据分为定性方法和定量方法，并给出了日本学者对日本国内挤压性围岩特点及大变形判别研究方面的统计性结果。......
2023-09-21
挤压性围岩隧道变形破坏特性与控制技术–结果领先
【摘要】：图1.4隧道挤压变形破坏围岩扰动范围大兰渝铁路挤压性围岩隧道开挖后塑性区迅速扩大，特别是当支护不及时或结构刚度、强度不够时，围岩扰动范围更大。新城子隧道松动圈测试结果表明，未扰动区基本位于开挖临空面向里15 m以外的位置，因此一般锚杆长度很难锚固到稳定围岩。
(1)开挖断面大，结构特殊
以兰渝铁路新城子隧道为例(图1.2)，其受隧道内越行站临江铺车站影响，结构特殊，隧道内先由两个双线断面转变为两个单线断面，再由双连拱断面变为大跨断面，最后变为一个双线断面。其中大跨最大开挖断面为350 m2，是普通双线断面的2.5倍，为目前我国在建铁路隧道之最。
图1.2 新城子隧道喇叭口平面示意图
(2)地应力极高，且水平应力大于垂直应力
兰渝铁路全线地质构造十分复杂，经历了多期的构造运动，形成了多个地质构造体系，从北向南，经过祁连褶皱系、秦岭褶皱系、松潘—甘孜褶皱系、扬子准地台4个一级大地构造单元。区域构造应力自前元古代时期以来，一直以南北向的持续挤压应力为主，北部古河西构造体系呈现东部向南、西部向北的顺时针相对扭动，南部华夏构造体系呈现东部向北、西部向南的逆时针相对扭动，两大构造体系相隔中部秦岭—昆仑纬向构造体系，从而推断出最大主应力方向为:古河西构造体系NE-SW向，华夏构造体系NW-SE向。秦岭—昆仑纬向构造体系在后期构造运动中产生的各种构造形迹组合成祁吕贺兰山字型构造体系(前弧西翼顺时针)、茶固滩帚状构造体系(逆时针)、青藏歹字形构造体系(顺时针)、武都山字形构造体系(前弧西翼顺时针)、文县山字形构造体系(逆时针)，也分别拟合了上述顺时针与逆时针的构造运动，总体上反映了顺时针NE-SW和逆时针NW-SE的构造应力方向。图1.3为兰渝铁路典型隧道地应力测试结果，综合分析地应力测试结果得出:兰渝线隧道初始地应力水平高，范围为10～34 MPa。隧址区最大水平主应力普遍大于垂直应力，且以合作—岷县断裂构造带(F3)为界。F3断裂以北，最大水平主应力方向以北东向为主，即N29°E—N68°E，最大水平主应力最大值为27.16 MPa;F3断裂以南，以北西向为主，即N29°W—N75°W，最大水平主应力最大值为33.82 MPa。此外，最大水平主应力与隧道轴线以大夹角相交，因此地应力场分布状态对隧道围岩变形呈最不利影响。
图1.3 兰渝铁路典型隧道地应力测试结果
(3)围岩挤压变形量大、速度快、持续时间长，破坏力强
兰渝铁路隧道围岩以第三系泥质弱胶结含水粉细砂岩、二叠系、三叠系以及志留系薄层板岩、炭质板岩、炭质千枚岩等软弱围岩为主，具有强烈的各向异性，在地下水与开挖扰动应力联合作用下，易软化、裂解，呈明显的流变特性。监测资料表明，兰渝铁路新城子、毛羽山隧道开挖后围岩变形极为剧烈，且围岩水平收敛变形远大于其拱顶沉降变形，呈现出典型的高地应力挤压性隧道特征。此外，隧道围岩拱顶沉降初期变形速率最大可达8 cm/d，沉降量为30～65 cm，水平收敛最大为14.3 cm/d，收敛量为50～145 cm。且围岩变形持续时间长，初期支护未封闭前，变形并未停止，而是等速持续发展，甚至加速发展，多有不收敛的趋势，并最终因变形过大而发生破坏，造成拱顶严重下沉开裂，边墙强烈内挤侵限，仰拱开裂上鼓，初期支护严重变形破坏。喷射混凝土大面积挤裂、压碎，钢拱架严重扭曲变形。部分洞段的二次衬砌出现环向、斜向和纵向裂缝。图1.4为隧道挤压变形破坏照片。
图1.4 隧道挤压变形破坏
(4)围岩扰动范围大
兰渝铁路挤压性围岩隧道开挖后塑性区迅速扩大，特别是当支护不及时或结构刚度、强度不够时，围岩扰动范围更大。尤其是左右洞施工相互干扰大，后行洞施工引起已成型先行洞的初支、二衬开裂变形。新城子隧道松动圈测试结果表明，未扰动区基本位于开挖临空面向里15 m以外的位置，因此一般锚杆长度很难锚固到稳定围岩。
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