摘 要： 該文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道工程在施工和運(yùn)營(yíng)中以及正在施工的公路隧道遇到的圍巖大變形問(wèn)題的分析，對(duì)圍巖大變形進(jìn)行了定義，對(duì)圍巖大變形的類型、機(jī)制進(jìn)行了劃分，這一理論與和工程實(shí)踐研究新的認(rèn)識(shí)對(duì)今后我國(guó)長(zhǎng)大深埋公路隧道工程建設(shè)具有重要的意義。
關(guān)鍵詞： 隧道圍巖 大變形類型 大變形機(jī)制
1 引言
交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地應(yīng)力區(qū)以及遇到軟弱圍巖體，常導(dǎo)致軟巖大變形等相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)大量文獻(xiàn)檢索結(jié)果顯示，隧道工程圍巖大變形已困擾地下工程界的一個(gè)重大問(wèn)題。19世紀(jì)中葉，鐵路隧道底鼓、仰拱破壞就已經(jīng)出現(xiàn)并引起人們的關(guān)注(Pressel和Kauffmann,1860)，但首例嚴(yán)重的交通隧道軟弱圍巖大變形應(yīng)該是1906年竣工的長(zhǎng)19.8km的辛普倫Ⅰ線隧道[1]。此后，國(guó)外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奧地利的陶恩(Tauern)隧道、阿爾貝格(Arlberg)隧道等都是典型的隧道圍巖大變形災(zāi)害工程事例。我國(guó)國(guó)內(nèi)如青藏線4.0km長(zhǎng)的關(guān)角隧道、寶中線3.136km長(zhǎng)的大寨嶺隧道及1.904km長(zhǎng)的堡子梁隧道、南昆線上的穿越煤系地層的家竹箐鐵路隧道、在建的國(guó)道317線鷓鴣山公路隧道（4.442km），以及鐵山隧道（2.099km）等工程均出現(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形情況，給工程建設(shè)造成極大的困難[2]。
隨著我國(guó)公路隧道工程以及地下工程的迅猛發(fā)展，其長(zhǎng)大、深埋的特點(diǎn)日趨明顯，而在一定的圍巖地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)條件下等則往往易于發(fā)生圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害[3]。圍巖大變形是一類危害程度大、整治費(fèi)用高的地質(zhì)災(zāi)害。如南昆線上家竹箐鐵路隧道390m長(zhǎng)的大變形洞段，大變形延誤工期達(dá)四個(gè)半月之久，據(jù)計(jì)算，整治消耗自進(jìn)式錨桿10萬(wàn)余米，其費(fèi)用就已接近正常情況下的成洞造價(jià)，如果將所有整治費(fèi)用加在一起，損失可能就更驚人了[4]。目前正在施工的國(guó)道317線鷓鴣山公路隧道也因圍巖大變形不得不加強(qiáng)初期支護(hù)，增加工程的投入。
2 圍巖大變形研究現(xiàn)狀
地下工程圍巖大變形作為一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)隧道工程建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做過(guò)不少的探索工作，但由于大變形理論的研究不盡成熟，加之現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)巖體狀況復(fù)雜性，目前的研究工作主要表現(xiàn)在以下方面。
（1）大變形的定義
關(guān)于圍巖大變形，目前還沒(méi)有形成一致的和明確的定義。有的學(xué)者[4]提出根據(jù)圍巖變形是否超出初期支護(hù)的預(yù)留變形量來(lái)定義大變形，即在隧道施工時(shí)，如果初期支護(hù)發(fā)生了大于25cm(單線隧道)和50cm(雙線隧道)的位移，則認(rèn)為發(fā)生了大變形。然而也有的學(xué)者[5]認(rèn)為，不能從變形量的絕對(duì)值大小來(lái)定義大變形問(wèn)題，具有顯著的變形值是大變形問(wèn)題的外在表現(xiàn)，其本質(zhì)是由剪應(yīng)力產(chǎn)生的巖體的剪切變形發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、斷裂分離破壞，巖體將向地下空洞方向產(chǎn)生壓擠推變形來(lái)定義大變形。
（2）關(guān)于軟巖
至今巖石工程學(xué)界仍未就軟巖的概念達(dá)成共識(shí)，軟巖的定義有十幾種之多。有的指巖石，如ISRM（國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)1990 ，1993）定義的軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度為0.5-25Mpa的一類巖石，如泥巖、砂頁(yè)巖及泥灰?guī)r和變質(zhì)巖類的片巖、板巖、千枚巖、蛇紋巖、頁(yè)巖、煤系地層等類巖石稱之為軟巖；有的指巖體，如1984年煤礦礦壓名詞討論會(huì)（昆明）將軟巖定義為“強(qiáng)度低、空隙大、膠結(jié)程度差、受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化影響或含有大量易膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層（體）”。有的學(xué)者定義的軟巖概念除了強(qiáng)度低的巖體外還包括了高度碎裂化巖體，如斷層破碎帶巖體等；還有的學(xué)者將軟巖劃分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。
（3）大變形機(jī)制
Terzaghi于1946年首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念，即擠出性巖石是指侵入隧道(開(kāi)挖輪廓面)后沒(méi)有明顯體積變化的巖石；膨脹性巖石則是指，主要由于膨脹作用而侵入隧道(開(kāi)挖輪廓面)的巖石。人們一般按形成機(jī)制將圍巖大變形分為兩類[1]：一是，開(kāi)挖形成的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度而發(fā)生塑性化。如果介質(zhì)變形緩慢，就屬于擠出(如果變形是立刻發(fā)生的，就是巖爆)；二是，巖石中的某些礦物和水反應(yīng)而發(fā)生膨脹。水及某些(膨脹性)礦物的存在，對(duì)于膨脹變形是必須的。Anagnostou(1993)認(rèn)為，可以發(fā)生膨脹變形的圍巖在開(kāi)挖時(shí)都具有較高的強(qiáng)度，變形主要發(fā)生于隧道運(yùn)營(yíng)若干年以后，變形一般表現(xiàn)為底鼓，而拱頂和邊墻一般保持完好狀態(tài)。
陳宗基教授認(rèn)為圍巖收斂變形機(jī)理應(yīng)包括塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲五個(gè)方面。
何滿朝教授根據(jù)圍巖變形破壞特征、特征性礦物、力學(xué)作用和特點(diǎn)，將軟巖變形破壞機(jī)制分為與深部軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與力源有關(guān)，與洞室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)的三個(gè)方面[7]，將深部軟巖（深度大于500m）按變形力學(xué)機(jī)制歸為３類：即物化膨脹類（I）、應(yīng)力擴(kuò)容型類（II）和結(jié)構(gòu)變形類（III），13個(gè)亞類。
3 隧道工程圍巖大變形實(shí)例
自20世紀(jì)初首例嚴(yán)重的交通隧道軟弱圍巖大變形發(fā)生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外隧道及地下工程已發(fā)生的多起圍巖大變形災(zāi)害，表3－1收集、列舉了國(guó)內(nèi)外隧道及地下巷道圍巖大變形實(shí)例中的十四座隧道及地下巷道大變形的基本情況。國(guó)外有名的圍巖大變形隧道，如陶恩隧道、阿爾貝格隧道和惠那山隧道等5座隧道；國(guó)內(nèi)比較知名的隧道是南昆鐵路的家竹箐隧道和臺(tái)灣的木柵公路隧道，金川礦地下巷道以及鐵山隧道等9座隧道及地下工程大變形。
4 隧道圍巖大變形的類型與機(jī)制
4.1 圍巖大變形的定義
目前，關(guān)于圍巖大變形的定義，有的研究者注重或側(cè)重于其中某一類型的大變形研究，系統(tǒng)研究很少。在工程實(shí)踐中，圍巖大變形至今亦未列入設(shè)計(jì)規(guī)范，并給施工處理造成了較大難度。
隧道及地下工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形[6]。巖爆是一種硬巖在高地應(yīng)力下的脆性破壞；坍塌和掉塊是圍巖受一定結(jié)構(gòu)控制下的局部變形破壞現(xiàn)象；而圍巖大變形可以界定為除了巖爆運(yùn)動(dòng)脆性破壞和圍巖松動(dòng)圈中受限于一定結(jié)構(gòu)面控制的坍塌、滑動(dòng)等破壞以外的圍巖變形破壞，其特點(diǎn)是具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形破壞。