摘 要：成兰铁路跃龙门隧道在深埋越岭段中间平导发生严重大变形，采取有效支护措施后变形趋于稳定。 在对应平导变形段落左线开挖贯通后，平导及左线再次发生严重变形。基于此，文章系统介绍了隧道区域地质环 境、区域地应力、施工中围岩变形特征以及现场施工大变形的判定过程，分析表明，该段大变形是在高地应力环境下 岩体软弱破碎引起的，在此特殊地质环境中群洞效应显著，且大变形和岩层走向与洞轴线夹角、地应力最大水平主 应力方向与洞轴线夹角有较大关系，并通过回填中部平导，新增较大线间距的外侧平导，增加洞室间距来解决大变 形问题。
1 引 言
随着我国铁路建设的快速发展，在地质活跃的艰险山区修建的铁路工程增多，隧道建设面临的高地应力问题也越来越突出。高地应力在完整硬质岩中表现出岩爆现象，软质岩中表现出大变形特征。李术才等分析，从大变形的定义、分类、机制及原因、判定标准、工程对策等方面做了综述；李国良等以兰渝铁路软岩隧道大变形为工程背景，提出了软岩隧道挤压性大变形判定标准。
《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016）依据兰渝、成兰铁路相关成果，首次新增软岩大变形分级标准；《铁路挤压性围岩隧道技术规程》（Q/CR9512—2019）中综合考虑地应力、围岩强度、层厚、完整程度等因素，给出了铁路挤压性围岩隧道变形潜势评价方法和变形分级标准等技术体系。《铁路工程不良地质勘察规程》（TB10003—2022）增加了高地应力的勘察内容和要求。
以上研究，对大变形的机理及判定标准多以强度应力比来判定，但准确获取施工现场岩体强度、应力大小的难度较大，快速、准确判定大变形等级仍是一个难题，本文在充分分析隧道地质环境的基础上，运用地质分析法，通过试验验证的方式，提供了一个高地应力软岩大变形等级现场判定方法，可为类似工程提供参考。
2 隧道工程概况及地质条件
2.1 工程概况
成兰铁路跃龙门隧道穿越四川西部龙门山山脉，为双洞分修隧道，左线全长19 981 m，右线全长20 042 m，17.8‰单面上坡，最大埋深1 450 m。辅助坑道采用“2横+3斜+1平+2泄”方案，其中平导段左、右线间距为60 m，平导位于两线中间，全长9 679 m，运营期间作为排水通道，辅助坑道布置见图1。
图1 跃龙门隧道辅助坑道布置示意
平导 PDK99+600～PDK105+000 段为深埋越岭段，PDK99+665～PDK101+120 段施工中发生严重大变形，在采取有效支护措施后，变形稳定；在平导PDK99+665～PDK100+020 段对应左线施工开挖贯通后，平导及左线再次发生严重大变形，平导拱顶最大下沉 1.4 m，仰拱上浮 0.8 m，两侧边墙收敛变形；对应左线段右拱腰钢架扭曲错断，压溃初期支护即将形成塌方。
2.2 地形地貌
跃龙门隧道穿越龙门山山脉。龙门山山脉展布于汶川-茂县及其以东的地区，由一系列海拔3 000 m以上的山峰组成，山脉走向约N40°E，是四川盆地与川西高原的天然屏障，北东接摩天岭，南西止于岷江边，绵延 200 多公里。海拔由盆地边缘 800 m 向西逐渐升高到 3 000 m 以上，主峰九顶山海拔高达4 984 m。隧道穿越段与山脉交角约为60°。隧道越岭段发生变形段埋深720～1 450 m，地面高程1 850～2 650 m。
2.3 地层岩性及地质构造
平导 PDK99+665～PDK101+120 段地层岩性为震旦系下统邱家河组硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩，以及晋宁期辉绿岩岩脉等。
该段隧道位于大屋脊倒转复背斜北西翼，该背斜发育于绵竹市与茂县交界处的鱼洞口至大屋基附近，隧道于里程 D2K99+460 穿越核部，交角为43°，轴向近于东西延伸，东段在大屋基一带逐渐转向东南，随即倾没。南东翼地层倒转，北西翼地层正常。轴面倾向北，倾角在60°左右。次级褶曲大致平行呈同斜褶皱，雁行状排列。背斜核部沿构造线有数层辉绿岩岩脉，岩脉侵入时期早于褶皱形成。
2.4 水文地质特征
平导 PDK99+600～PDK105+000 段隧道穿越高川河与土门河的分水岭，洞身地下水主要为基岩裂隙水的形式赋存，储量小，隧道开挖掌子面多呈潮湿状，局部沿辉绿岩蚀变带有线状—股状水出露。
2.5 主要工程地质问题
该段不良地质有高地应力、有害气体、高地温，三者在越岭大埋深段同时发生，相互影响，施工组织复杂，施工难度极大。
（1）高地应力
隧址区域地处四川盆地向青藏高原的斜坡过
渡地带，受印度板块向欧亚板块碰撞挤压，区域地质构造复杂，为南北向川滇构造带、龙门山北东向断裂带及西秦岭东西构造带复合交接部位，区内活动断裂带发育，地质构造运动强烈，现今仍处于活跃的新构造运动期，为现今构造应力区域，岩体中地应力较高。隧道地质勘察期间，在本段大里程端7～9 km处施作两个深孔分别进行了两次地应力测试，并运用测试结果反演本段隧道地应力。施工期间在里程D2K100+059.4处采用水压致裂法进行地应力测试，测试结果（表1）和地质勘测期间反演结论基本一致。
表1 跃龙门隧道D2K100+059.4处地应力测量结果
跃龙门隧道 D2K100+059.4 附近区域最大水平主应力值在20～25 MPa之间，最大水平主应力方向优势方向为NNE向。从测试结果来看，最大水平主应力方向平均值为N31°E，与隧道洞轴线夹角约为81°；该处埋深约1 000 m，垂直应力约为27 MPa，区域应力场类型为σV > σH > σh型，垂直应力为最大主应力，属于高应力值区。
在高地应力环境下，辉绿岩等硬质岩地段产生岩爆的可能性较大，而炭质千枚岩、炭质页岩、片岩、板岩等软岩区段主要表现为围岩大变形。施工现场辉绿岩段未发生岩爆，而软质岩段发生了严重大变形。
（2）有害气体
该段隧道地层为震旦系邱家河组地层，含炭质页岩或板岩，施工中揭示在炭质板岩较多段落，瓦斯含量高，整个工区达到高瓦斯工区标准。
（3）高地温
根据勘测期间深孔测试，隧道区地温梯度为2.13 ℃/100 m，本段埋深720～1 450 m，预测洞内温度 28 ℃～38.2 ℃，施工实测洞内岩温最高达到34.4 ℃，环境温度42 ℃。
3 施工中围岩变形特征
3.1 PDK99+665～PDK101+120施工揭示地质情况
该段施工时间为2016年7月至2018年3月，整个施工过程可以分成三个阶段：第一阶段为试验段，即2016年7月至2017年4月施工PDK99+665～PDK100+022 段，为本工区初次揭示大变形。现场根据围岩变形情况，及时调整支护措施，依据支护变形情况及时采取补强措施，逐步稳定各等级大变形情况；大变形等级判定根据围岩强度应力比、支护措施强度及变形情况进行综合分析判定；第二阶段为验证段 ，PDK100+160～PDK101+120 段根据PDK99+665～PDK100+022段（PDK100+022～+160为辉绿岩，未发生大变形）试验分析结果，针对不同围岩施作对应支护措施，现场变形可控；第三阶段为相邻洞室施工段，PDK99+665～PDK100+022 段对应左线正洞（线间距30 m）于2017年4月开始施工，2018 年 1 月 30 号开挖完成，期间平导再度发生严重大变形，并与左线相互影响，使其变形加剧，支护体系被压溃而即将发生塌方，施工中立即进行回填处理。
3.1.1 第一阶段：PDK99+665～PDK100+022试验段
（1）变形及支护情况
该段于 2016 年 7 月 12 日至 2017 年 4 月 6 日开挖支护完成，其中PDK99+665～PDK99+790段在初期支护完成后发生变形，主要表现为拱部及右侧拱腰混凝土剥落、钢架扭曲变形、仰拱上浮，采取补强措施后变形趋于稳定。PDK99+790～PDK99+022段按大变形支护措施施工，变形稳定；其中仰拱上浮最大值753.5 mm。本段初期支护变形情况如图2所示，支护措施、围岩情况及大变形判定情况如表 2所示。
图2 平导PDK99+665～PDK100+025段初期支护变形情况
表2 平导PDK99+665～PDK100+025段支护措施及围岩情况
（2）围岩情况
通过分析对比各变形段及非变形段地层岩性、地应力等，判断 PDK99+665～PDK100+022 段大变形地应力环境属于高地应力区，其大变形的发生和围岩中软弱岩体含量相关性极大，围岩中含炭质板岩、页岩软弱岩体较多，则发生严重大变形；砂质板岩、硅质板岩等较硬岩质增多，岩体强度增加时，则大变形强度降低；在无或少软弱夹层带，地应力稍低段，以及辉绿岩段落，未发生大变形。各变形等级典型围岩如图3所示。
图3 各等级大变形及未变形段典型掌子面
通过对 PDK99+665～PDK100+022 段大变形的分析，预测后续段落的大变形情况，其埋深已经超过或接近本段，在软弱岩层（炭质页岩、炭质板岩）含量较高时，发生大变形风险就较高，并以此判定后续段落大变形情况。
（3）支护措施
与普通衬砌相比，大变形衬砌主要通过优化断面形式，加大预留变形量，加强系统锚杆、初期支护钢架，控制步序距离，缩短台阶长度使初期支护钢架及早成环等手段控制变形发展。其中Ⅰ级（轻微）大变形采用常规马蹄形断面，初期支护采用I20b型钢全环钢架，拱墙锚杆；Ⅱ级（中等）大变形采用近圆形断面，初期支护采用HW175型钢全环钢架，拱墙锚杆；Ⅲ级（严重）大变形采用近圆形断面，初期支护采用双层HW175型钢全环钢架，全环锚杆；二次衬砌均采用加钢筋的混凝土结构。
3.1.2 第二阶段：PDK100+160～PDK101+120验证段
根据 PDK99+665～PDK100+022 段大变形的分析总结，研究判定PDK100+160～PDK101+120段大变形情况，其结果如表3所示，采取相应大变形措施后，变形可控，具体变形情况如图4所示。
表3 PDK100+160～PDK101+120段变形及围岩情况
图4 PDK100+160～PDK101+120段初期支护变形情况
仰拱变形情况：PDK100+160～PDK101+120 段在施工中仰拱上浮最大值为452 mm，其余断面变形累计量在101.5～452 mm之间，如图5所示。
图5 PDK100+160～PDK101+120段仰拱上浮
3.1.3 第三阶段：PDK99+665～PDK100+022 双洞互相影响段
图6 断面PDK99+855初期支护变形曲线
图7 PDK99+710～PDK99+945段初期支护变形情况
3.2 隧道围岩大变形特征
（1）变形趋势呈断面四周向内收敛，且变形量大。PDK99+725～PDK99+757 段经多次补强，变形收敛仍达560 mm，仰拱上浮达到753.5 mm，相对变形量超过10%。
（2）仰拱上浮变形明显。
（3）围岩越软弱，大变形越强烈。本段隧道地质环境相近，大变形受岩体强度控制，岩体强度与岩性相关性极大，围岩中夹杂炭质板岩等软弱岩体越多，其岩体强度越低，大变形表现就越严重。且随着围岩中炭质含量增加，瓦斯等有害气体含量也增加。
（4）隧道走向的洞室变形严重，垂直或者与之大角度相交的横通道变形较弱。
（5）辉绿岩蚀变带也发生变形。本段隧道揭示蚀变带一般为几厘米宽，一侧为岩质坚硬的辉绿岩，另一侧多为岩质软弱破碎的炭质板岩，洞室开挖后炭质板岩侧多发生较大变形量，且局部掌子面全为辉绿岩，但在开挖轮廓外辉绿岩较薄段落也发生边墙挤入侵限变形。
（6）群洞效应明显。平导PDK99+665～PDK100+022 段在施工稳定后，左侧对应左线段落施工再度引发平导变形，两洞相互影响，变形加剧，形成破坏性后果。
4 大变形机理分析
本段开挖揭示围岩为炭质板岩、页岩夹砂质板岩夹辉绿岩岩脉，在炭质板岩、页岩地层中发生严重大变形，其变形类型为挤压性大变形，主要受围岩强度、高地应力环境等因素控制，以及隧道开挖不同工况下的应力调整关系很大。
4.1 强度应力比分析
（1）软弱破碎的围岩条件
本段位于大屋基倒转背斜北西翼，距离核部约300 m，且有辉绿岩岩脉侵入，临近蚀变带，围岩受岩浆热液侵蚀改造、褶皱扭曲等多次构造影响，开挖掌子面围岩多扭曲变形，岩体极其破碎。
变形段开挖揭示围岩为炭质板岩、页岩夹砂质板岩，薄层—片状，岩质软。现场取岩样进行力学参数分析，其中炭质页岩、炭质板岩岩质软弱，岩体破碎，取样不成功，无法进行室内试验；对砂质板岩等较硬岩体取样试验，结果显示其各向异性较大，垂直层面抗压强度为18.4 MPa，平行层面方面抗压强度仅为8.91 MPa。故围岩强度采用经验值约5 MPa，按折减系数0.54计算，其强度为2.7 MPa。
（2）高地应力
该段埋深 720～1 150 m，最大水平主应力值在20~25 MPa之间，垂直应力约为31 MPa，根据测试结果可判断区域应力场类型为σV > σH > σh型，垂直应力为最大主应力，属于高应力值区。
根据以上强度和应力，其比值最小达到0.088，属于严重大变形。
4.2 围岩环境与变形关系分析
（1）大变形的发生和围岩走向与隧道洞轴线夹角及地应力方向关系较大。在隧道走向方向，岩层走向与洞轴线夹角为10°～20°，多数为小角度相交，地应力最大水平主应力与洞轴线呈 81°大角度相交，变形情况严重；在正洞及平导之间连接横通道处，岩层走向与洞轴线大角度相交，地应力最大水平主应力与洞轴线小角度相交，开挖多表现为拱部失稳掉块、溜坍，变形较小。
（2）在围岩软硬相接处为应力集中处，在软质岩侧易发生大变形，硬质岩侧变形很小。
4.3 群洞效应显著
平导位于左右线之间，洞室净距约为 22 m，平导超前先行，施工中发生大变形，导致洞周松动圈较大，在采取相应措施后，变形稳定；当对应正洞段施工开挖时，围岩应力环境再次调整，引发平导再次发生变形，二者松动圈相互影响并扩大，使得两个洞室变形加剧，形成群洞效应。
综上所述，该段隧道埋深720～1 150 m，位于大屋基倒转背斜核部附近，有岩浆热液侵入、多次褶曲等构造活动，处于高地应力环境场中，且地应力最大水平主应力与洞轴线大角度相交，岩层走向与洞轴线小角度相交；岩体以炭质板岩、页岩为主，岩质软，岩体破碎，强度低，引起大变形，且受相邻洞室施工，群洞效应显著，再次加剧变形。
5 主要工程措施
针对跃龙门隧道深埋越岭段大变形特征，主要采取以下工程整治措施。
（1）对于左线中等—严重变形地段，隧道断面改为圆形，改善结构受力；增加初期支护强度；加强仰拱支护强度，降低运营期仰拱上浮风险；施工中，优化施工工序，及时施作锚杆，使得各种支护措施能够及时有效发挥效能。
（2）将发生大变形的长约 1.5 km 中间平导回填，变形严重段落用混凝土回填后，再开挖两侧正线洞室。
（3）在回填平导段落右线右侧70 m（即原中间平导右侧100 m）增设新平导，用以超前揭示前方地质情况，便于施工组织，加快施工进度，以及作为运营期的排水和防灾救援通道。
（4）初期支护变形稳定后及时施作二次衬砌，增加支护体系刚度，控制围岩流变应力，施作后未发生异常。
6 结论及建议
（1）施工期间大变形的判定目前是一个难题，现行规范主要采用强度应力比分析判定，但软弱围岩强度不易获得，地质环境复杂，掌子面开挖圈围岩与开挖轮廓外围岩也存在差异，鉴于施工连续性问题，现场缺乏一个简便快捷的判定方法。
本段隧道施工过程中大变形的判定，是在强度应力比分析的基础上，结合现场支护措施强度与对应变形情况，综合分析判定；通过一段试验段分析，在地质环境未发生较大变化即地应力环境类似的情况下，大变形等级主要受围岩强度控制，通过类比新开挖揭示掌子面与典型大变形等级掌子面围岩，初步确定大变形级别，采用相应措施，并及时根据监控量测资料进行分析评判。
（2）本段隧道显示在高地应力软岩环境中，30 m的洞室线间距（约2倍洞径）已经发生显著的群洞效应，先、后行洞多次开挖，应力调整对洞室稳定性影响大，在高地应力软质岩地质环境中加大洞室间距很有必要。后期采用约70 m线间距新增平导，未发生明显群洞效应。
（3）在高地应力环境下，控制软岩大变形最有效的方法是加强初期支护措施，特别是中空注浆锚杆的使用效果明显，一方面注浆加固软弱围岩，提高其强度，另一方面锚杆可以加强层状围岩相互连接，提高围岩稳定性；此外，增加隧道仰拱强度、曲率及厚度可以有效防止隧底上浮。