第35卷第7期岩石力学与工程学报V ol.35 No.7 2016年7月Chine Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2016
隧道工程大变形研究现状、问题与对策及
新型支护体系应用介绍
李术才1，徐 飞1，李利平1，王渭明1，2，张 伟3，张乾青1，石少帅1
(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061；2. 山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590；
3. 中铁十四局成兰铁路工程指挥部四川阿坝 624000)
摘要：从大变形的定义、类型及分级、发生机制及原因、判定标准、工程对策等方面，对国内外隧道工程修建过程中面临的大变形问题进行系统的总结探讨；阐述地下工程开挖过程中平衡转换的力学机制及支护理念，提出预防控制大变形灾害的关键技术与重点突破方向；借鉴超高层建筑中常用的框架核心筒结构设计理念，秉持“先让再抗后刚”大变形控制思想，自主研发软弱破碎地质条件下钢格栅混凝土核心筒支护结构体系，阐述新型支护体系调动围岩主体承载的催化机制和结构自身多级转化辅助承载的变形受力特点；现场试验表明新型支护体系对治理高应力软弱破碎围岩大变形灾害是有效的，为同类地质条
件下大变形灾害的预防与治理提供借鉴。
关键词：隧道工程；大变形；研究现状；平衡转换；格栅钢架；混凝土核心筒
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)07–1366–11
State of the art：challenge and methods on large deformation in tunnel engineering and introduction of a new type supporting system
LI Shucai1，XU Fei1，LI Liping1，WANG Weiming1，2，ZHANG Wei3，ZHANG Qianqing1，SHI Shaoshuai1 (1. Rearch Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；2. College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.No.14 Railway Bureau Cheng-Lan Railway Engineering Directorate，Aba，Sichuan 624000，China)
Abstract：The large deformation disasters occurred during the construction of tunnels were discusd and summarized systematically from the perspectives of the definition，the type，the classification，the fundamental mechanisms，the standard of determination and the measure of control of the large deformation. The mechanical mechanism and the supporting philosophy of equili
brium transfer were illustrated. The key techniques and the important breakthrough were prented. The design method of structural frame core ud in the super high-ri building was adopted to form a deformation control strategy of“relea initially，resist then and become rigid at last”. A new style supporting system of the steel grids with concrete tube core were thus developed to be ud in the weak and fractured stratum. The catalytic mechanism of bearing capacity of surrounding rock was explained. The
收稿日期：2015–10–06；修回日期：2015–11–14
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036000)；国家自然科学基金资助项目(51479106)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2014EEQ002) Supported by the National Basic Rearch Program of China(973 Program)(Grant No. 2013CB036000)，National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51479106) and Shandong Provincial Natural Science Foundation of China(Grant No. ZR2014EEQ002)
作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。E-mail：lishucai@sdu.edu。通讯作者：李利平(1981–)，男，博士，现任教授、硕士生导师。E-mail：
第35卷第7期李术才等：隧道工程大变形研究现状、问题与对策及新型支护体系应用介绍 • 1367 •
信用危机characteristics of the multilevel transformation and load bearing were summarized. The results of field test verified the reliability of the support system.
Key words：tunnel engineering；large deformation；rearch status；equilibrium conversion；steel grid frame；concrete tube core
1 大变形研究现状
1.1 大变形定义
目前，围岩大变形尚无明确定义。理论上，研究者注重或侧重于某一类型的大变形，如软岩类、膨胀岩类、深部软岩类、挤压性围岩的大变形；实际工程中，大变形至今尚未列入设计规范。K. Terzaghi[1]指出：“挤压变形岩石是指含有相当数量黏土矿物的岩石”，变形行为会以“不容易察觉的体积增加缓慢地侵入隧道净空。挤压变形的先决条件是岩石中高含量的具有膨胀性细微或亚微云母矿物和黏土矿物”。国际岩石力学学会的定义：“挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般由于极限剪切应力失稳导致蠕变造成。这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续较长时间”[2]。
中南民族大学分数线K. Terzaghi[1]从地质软岩的概念出发，强调了岩石成分的特殊性，未涉及力学机制；国际岩石力学学会强调大变形具有时间效应，致灾因素是极限剪切应力失稳。实际上，2个定义强调了一个现象的两方面，各自都有一些缺陷[3]。国内学者也有不同的看法，如王成虎等[4]给出了围岩大变形的定义：隧道围岩大变形或者地下空间大变形是发生在地下空间开挖面周边的一种与时间相关的变形行为，隧道围岩向地下空间净空侵入显著。姜云等[5]指出，大变形是隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏，它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏。
1.2大变形分类
李永林等[6]对围岩大变形进行典型实例分析和机制研究，依据不同受控条件将大变形类型划分为：岩性控制的大变形，结构构造控制的大变形和人工采掘扰动影响的大变形。姜云[7]对此3类大变形类型进行进一步的划分(见表1)。
如表2所示，依据大变形的形变特征，何满潮
表1 围岩大变形类型及划分[7]
Table 1 Classification and division of large deformations[7]
围岩大变形类型
围岩岩性控制围岩结构控制人工扰动控制
构造改造型浅表生改造型
层
状
型礼贤下士
软弱均
质型
互层状
类型
膨胀性
软岩类
型碎块状块裂状碎块状块裂状
倾
斜
型
水
平
型表2 基于地下空间大变形现象的软岩分类[3] Table 2 Classification of soft rock bad on the large
deformations phenomenon in underground space[3]名称泥质软岩含量/%σc/MPa 塑性变形特点
膨胀性软岩
(低强度软岩)
＞25 ＜25
在工程力作用下，沿片架状
硅酸盐黏土矿物产生滑移，
遇水显著膨胀等
高应力软岩≤25 ≥25
遇水发生少许膨胀，在高应
力状态下，沿片架状年度矿
物发生滑移
节理化软岩(低～中等) (少含)
沿节理等结构面产生滑移、
阿飞的小蝴蝶歌词扩容等塑性变形
复合型软岩(低～高) (含)
具有上述某种组合的复合
型机制
等[3]对软岩进行分类。王成虎等[4]将大变形分为3类：应力型、材料型和结构型大变形(见表3)。
表3 隧道围岩大变形类型及成因机制[4] Table 3 Classification and genetic mechanism of tunnel
surrounding rock large deformations[4]
大变形类型成因及机制变形特征应力型
岩体强度过低，在高应力作用下
发生剪切破坏，进而失稳发生整
体大变形
变形具备明显的优
势部位和方向材料型
黏土矿物，如高岭石、蒙脱石、
云母等矿物遇水发生化学反应，
产生体积膨胀，进而产生大变形
变形无明显的优势
部位和方向结构型
由于岩体结构面强度较弱，在地
下空间开挖后，岩体沿结构面如
层理、节理等发生滑移、松动产
生的大变形
大变形沿岩体结构
面发生，一般具备
突发性
1.3大变形机制及原因
围岩大变形机制方面，1946年太沙基首次提出了挤出性岩石和膨胀性岩石的概念，挤出性岩石是指岩石中含有高含量的微观、亚微观云母状矿物颗粒或低膨胀能力的粘土矿物，在侵入隧道开挖轮廓面时无明显体积变化；膨胀性岩石是指岩石矿物成分中含有膨胀性矿物质，侵入隧道开挖轮廓面时在体
• 1368 • 岩石力学与工程学报 2016年积上有明显的增大。1993年瑞士学者G. Anagnostou[8]
将大变形机制分为2类：(1) 开挖后重分布应力超过围岩强度产生塑性变形。根据变形的速率，即刻发生，是岩爆；缓慢，是挤出。挤出变形原则上是可以发生在任何类型的岩体中，挤出程度主要取决于覆盖层厚度(地应力)和岩石强度。(2) 围岩中的某些矿物与水发生化学反应，引起膨胀导致发生大变形。
Ö. Aydan等[9]将大变形机制分为3类：(1) 完全剪切破坏，连续的塑性岩体及裂隙发育的非连续岩土体发生这种破坏；(2) 弯曲破坏，一般发生于千枚岩及云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩等薄
层状塑性沉积岩中；(3) 剪切和滑动破坏，发生于相对厚层的沉积岩中，包括沿层面滑动和完整岩石剪切破坏。
实际工程，大变形通常由多种因素耦合致生，何满潮等[4]根据围岩的变形破坏特征、特征性矿物、力学作用与特点，认为软岩变形破坏机制与软岩本身性质、结构面与洞室结构有关，同时以变形力学机制将深度大于500 m的软岩分为应力扩容型、物化膨胀类和结构变形类，又依严重程度分为4个等级。陈宗基[10]则认为，围岩收敛变形机制应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲5个方面。
围岩大变形原因方面，围岩向地下净空侵入原因可归3类：高应力作用下岩体剪切破坏、开挖引起的岩体结构面失稳和特殊岩类发生水化学反应造成体积膨胀，这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续较长时间[6]。
搞笑猫咪图片1.4大变形判定标准
目前工程较认可以初期支护位移值以及支护破坏现象作为大变形的定义指标[11]。国内，规范[12]提出了挤压性围岩和膨胀岩的施工判据：膨胀变形，二次衬砌的施作时间应在围岩变形基本稳定，变形速度小于0.5 mm/d后进行；挤压性变形，围岩变形速度同膨胀变形，二次衬砌采取加强措施。规范[13]指出，二次衬砌的施作应在满足下列要求时进行：(1) 各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；(2) 已产生的各项位移占预估总位移的80%～90%；(3) 周边位移速率小于0.1～0.2 mm/d，或拱
顶下沉速率小于0.07～0.15 mm/d。
规范[13-14]对围岩大变形的判断标准如表4～6所示。喻渝[15]以预留变形量的0.8倍作为正常变
表4 公路隧道周边允许相对位移值
Table 4 Allowable relative displacement of highway
tunnel perimeter
不同覆盖层厚度允许相对位移变形值/%
围岩类别
＜50 m 50～300 m ＞300 m II 0.10～0.30 0.20～0.50 0.40～1.20
III 0.15～0.50 0.40～1.20 0.80～2.00
IV 0.20～0.80 0.60～1.60 1.00～3.00
注：(1) 相对位移是指实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比；(2) 脆性
围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值；(3)II，III，IV类围岩可按工程类比初步选定允许值范围。
表5 铁路单线隧道初期支护相对位移
Table 5 Relative displacements of initial support of single line railway tunnel
不同埋深h处隧道相对位移/% 围岩级别
h≤50 m50 m＜h≤300 m 300 m＜h≤500 m II0.20～0.60
III0.10～0.500.40～0.70 0.60～1.50
IV
拱脚水平相对
净空变化值0.20～0.700.50～2.60 2.40～3.50
V0.30～1.000.80～3.50 3.00～5.00
II0.01～0.05 0.04～0.08
III拱顶相对下沉0.01～0.040.03～0.11 0.10～0.25
IV0.03～0.070.06～0.15 0.10～0.60
V0.06～0.120.10～0.60 0.50～1.20 注：(1) 硬岩取表中较小值，软岩取较大值；(2) 拱脚水平相对净空变化指两点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比；(3) 墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化极限乘以1.2～1.3后采用。
表6 铁路双线隧道初期支护极限相对位移
Table 6 Maxmum relative displacements of initial support of double-track railway tunnel
不同埋深h处隧道相对位移/%
围岩
级别位移类别h≤50 m50 m＜h≤300 m 300 m＜h≤500 m II0.01～0.03 0.01～0.08
III0.03～0.100.08～0.40 0.30～0.60
IV
拱脚水平相对
净空变化值0.10～0.300.20～0.80 0.70～1.20
V0.20～0.500.40～2.00 1.80～3.00
II0.03～0.06 0.05～0.12
III拱顶相对下沉0.03～0.060.04～0.15 0.12～0.30
IV0.06～0.100.08～0.40 0.30～0.80
V0.08～0.160.14～1.10 0.80～1.40
形值的上限，取正常值的2倍作为大变形的下限，即单线隧道发生25 cm、双线隧道发生50 cm的位移，则认为发生了大变形。中交第一公路勘察设计
第35卷第7期李术才等：隧道工程大变形研究现状、问题与对策及新型支护体系应用介绍 • 1369 •
研究院(原交通部第一公路勘察设计研究院)，根据二
郎山隧道围岩变形工况，提出了软岩大变形的分级
方案[16]，如表7所示。
表7 高地应力区软岩大变形分级方案[16]
Table 7 Classification scheme of large deformation in soft属羊的人今年几岁
rock of high field stress areas[16]
大变形分级围岩主要工程
地质条件
σHmax/
MPa
相对变
形/%
估判变形
量/cm
一级硐室开挖过程中围岩有较
大的位移，持续时间较长
＜30 1～2 ＜15
二级硐室位移显著，持续时间
长，洞底有隆起现象
30～40 2～4 15～30
三级开挖过程中洞壁位移有剥
离现象，位移显著，甚至
发生大位移，且持续时间
长，洞底有明显隆起现象
40～50 4～8 30～50
报告[17]分别以围岩变形量、相对变形量、原始地应力及应力比为指标进行变形等级划分，确定了挤压性隧道的大变形分级标准，如表8所示。
表8 挤压性隧道的大变形分级标准[17] Table 8 Classification criterion of large deformation of
squeezing ground tunnels[17]
大变形分级应力比σv/R b原始地应力/MPa 相对变形/%
I 3～5 5～10 4～7
环太平洋影评II 5～8 10～15 7～10
III ＞8 ＞15 ＞10
徐林生等[18]提出了公路隧道围岩大变形三级划分方案(见表9)。张祉道[19]以洞壁相对位移为参数，列出不同严重程度大变形等级分类(见表10)。
国外，Ö. Aydan等[9，20-21]结合工程实例和理论解析提出了隧道围岩变形的分级标准，基于围岩相对位移进行分类(见表11)。
日本采用相对应变判断围岩的挤出程度并划分等级[8]，如表12所示。
表9 公路隧道围岩大变形分级方案[18]
Table 9 Classification of large deformation of highway tunnels[18]大变形分级一般估判变形/mm 相对变形量/%
I 15～30 1.5～3.0
II 30～50 3.0～5.0
III ＞50 ＞5.0
表10 大变形等级之现场判定[19]
Table 10 Determination of the degree of large deformations[19]大变形等级U a/a/% 双车道公路隧道单线铁路隧道轻度3～6 20～35 15～25
中等6～10 35～60 25～45
严重＞10 ＞60 ＞45
注：(1) U a为洞壁位移，a为隧道当量半径；(2) 变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生，该支护系常规标准支护。
如表13所示，以洞壁相对位移U a/a为判据，对不同程度大变形的等级进行了分类[22]。
1.5大变形工程对策
在国外，理论上20世纪初的古典压力理论认为，以Terzaghi和普氏理论为代表的坍落拱理论，上覆岩层的重量是作用在支护结构上的压力[23]。20世纪50年代，弹塑性力学成为解决隧道支护的主要手段，如最著名的Fenner公式[24]和Kastner公式[25]；60年代，L.V. Rabeewicz[26]提出的新奥法施工法已成为地下工程的主要设计施工方法之一；70年代，M.
D. G. Salamon[27]提出了能量支护理论；80年代，日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制
理论[28]；源于苏联的应力控制理论，即围岩弱化法、卸压法等[29]；C. Wang等[30]提出了控制隧道使用期稳定性的有效理论；Y. Jiang等[31]提出了一种预测软岩隧道塑性区发展和松动压力的理论方法，并给出了洞室失稳判据。
表11 关于挤压变形行为的分类对比表[9，20-21]
Table 11 Classification and comparison of squeezing deformation[9，20-21]
B. Singh和R. K. Geol[20] Ö.
Aydan等[9] E.
Hoek和P. Marinos[21]
分类序号
变形程度隧道相对位移εt/% 变形程度隧道相对位移εt/% 变形程度隧道相对位移εt/%
1 无挤压变形≤1 几乎无支护问题≤1.0
2 轻微挤压变形1～
3 轻微挤压变形1～2 轻微挤压变形 1.0～2.5
3 中等挤压变形3～5 中等挤压变形2～3 中等挤压变形 2.5～5.0
4 严重挤压变形＞
5 严重挤压变形3～5 严重挤压变形 5.0～10.0
5 极严重挤压变形＞5 极严重挤压变形＞10.0
• 1370 • 岩石力学与工程学报 2016年
表12 挤出程度的分类[8]
Table 12 Classification of squeezing degree [8]
干百合挤出程度分类 a e /θθεε 无挤出NS ≤1
轻微挤出LS 1～p η
中等挤出FS p η～s η 严重挤出HS s η～f η 最严重挤出VHS
≥f η
注：相对应变p η，s η，f η分别为岩土材料应力–应变曲线中硬化阶段、屈服阶段、软化阶段极限应变p ε，s ε，f ε与弹性极限应变e ε的比值。
表13 围岩大变形等级划分[22]
Table 13 Classification criterion of large deformation of
surrounding rock [22]
大变形等级 U a /a /%
双车道公路
隧道U a/cm 初期支护破坏现象
轻度 3～6 20～30 喷层混凝土龟裂，钢架局部与喷层脱离
中等 6～10 35～60 喷层混凝土严重开裂、掉块，局部刚架变形，锚杆垫板凹陷
严重
＞10
＞60
现象同上，但大面积发生，且产生锚杆拉断及钢架变形扭曲现象
注：表中变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生，改支护系常规标准支护。
新奥法(NATM)[26]为解决地下工程围岩变形控制问题起到推动了作用，其缺点是单纯锚喷支护对于破碎性岩体、高应力软岩以及膨胀性岩体等并不能很好的解决问题。
新意法(ADECO-RS)[32]是通过对隧道掌子面超前核心岩土介质的勘察，预测其稳定性并进行超前支护方案设计，并按隧道开挖后围岩稳定、暂时稳定、不稳定，将其划分为A ，B ，C 三种形态，确保隧道安全穿越复杂地层和实现全断面开挖的一种动态设计施工。强调控制围岩变形、注重掌子面前方围岩的超前支护和加固，通过监测和控制掌子面前方的围岩形变，采用配套的机械化作业，实现全断面开挖。
在国内，理论上软弱破碎围岩隧道及地下工程支护理论随着“七五”、“八五”、“九五”科技攻关的逐步形成，比较成熟的有：董方庭等[33]松动圈支护理论；孙 钧[34]高强度大弧板复合支护结构；于学馥和乔 端[35]提出“轴变论”理论；方祖烈[36]主次承载区支护理论；范秋雁[37]提出的岩石流变学原理基础
上的软岩流变地压控制原理。冯 豫等[38-41]提出的先柔后刚，先让后抗，柔刚适度，稳定支护等联合支护技术。何满潮和齐 干[42]提出的软岩工程力学支护理论，即关键部位藕合支护理论。
在施工方法上，由过去单一的支护形式逐步发展为多种多次的联合支护。目前应用较为成熟的高地应力地下硐室支护的技术：金属支架+锚网喷支护、高强度弧板、注浆加固系列技术、预应力锚索支护等；其中在矿山领域以锚网喷支护、U 型钢可缩性支架应用范围最广。现有支护方法可分为改善围岩自身受力和对围岩直接提供辅助支护：
(1) 改善围岩自身受力
①注浆，包括水泥浆、水泥–水玻璃浆、化学注浆。其目的是浆液充填裂隙，提高围岩完整性、连续性、增加围岩整体强度。
②锚杆支护。锚杆支护目的是消除岩体结构效应，在围岩内形成组合拱；预应力锚杆对围岩施加压力，使围岩处于三向应力状态。
③预应力钢棒支护，螺旋肋外形，杆尾与杆体强度一致，仅尾部受拉，避免了传统锚杆通过预紧扭矩施加预紧力时杆尾受扭、受剪极易发生破断现象[43]。
④喷射混凝土支护。喷射混凝土改变围岩表面受力状态，增加围岩表面抗力，防止松动块掉落，允许
围岩适当变形，释放围岩压力。喷层与钢筋网片组成的柔性支护结构可将围岩压力均匀的传递给钢拱架、锚杆，减缓因爆破开挖或者围岩软硬互层等情况造成的应力集中情况，使支护结构受力均匀。
⑤挂钢筋网。提高喷层的承载力，抵抗剪力和拉力，与喷层组成柔性支护结构。
(2) 直接对围岩提供辅助支护
①超前支护，常采用超前管棚或小导管。对开挖后产生的松动圈提供支护力，防止松动块塌落，改善围岩的受力状态。
②格栅及钢拱架，拱架主要是对松动压力和围岩形变压力提供承载体，控制围岩变形，释放部分围岩应力。
③ 二次衬砌，对硐室稳定提供安全储备。 以上几种支护是相辅相承共同作用的，既改善围岩受力条件，亦供支护反力；地下工程中构件预制化也是新型支护技术发展的一个趋势，提高工程质量和修建速度、降低成本，如装配式结构[44]、成段结构[45]、壳式结构[46]、双跨箱型结构[47]、整体管段衬砌结构[48]、单拱结构[48]。
④套拱等复合拱架联合支护，“先柔后刚”的支护理念，先架立格栅后加设钢拱架套拱对高地应力软岩隧道进行支护，有效控制软岩大变形及支护内力，结构合理[49]。
