中国西南地区软岩隧道原位应力特征及大变形破坏原因的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Study on the in-situ stress characteristics and causes of large deformation failure in soft rock tunnels in Southwest China

本文针对DS铁路沿线的石家山隧道（ST）和斑狼山隧道（BT）的大变形问题，通过地质调查与原位应力测试，揭示其变形主要由“围岩弱化+高应力+支护不足”耦合作用引发，并基于多元线性回归量化各因素贡献率，结合地应力反演预测变形段落，验证了方法的工程适用性，为同类隧道建设提供理论支撑。

　　

严玉峰|赖金星|王志超|史兴浩|刘驰

长安大学公路学院，中国西安710064

摘要

为了分析川藏铁路（DS铁路）沿线隧道大变形的特征和原因，本研究重点关注了两个关键项目：石家山隧道（ST隧道）和八浪山隧道（BT隧道）。详细的现场地质调查显示，这些隧道普遍存在典型的大变形问题，主要表现为钢拱的变形、围岩面坍塌、初期支护开裂、累积变形量大以及变形持续时间较长。现场采样和原位应力测量表明，隧道所在区域受到强烈的西北向（NW）水平构造应力的影响，周围岩石强度较低，强度与应力比低于0.3。这种“弱围岩+高应力+支护不足”的耦合模式是沿线隧道大变形的主要原因。通过多元线性回归分析了各种因素对隧道变形的贡献，发现复杂的构造应力场是大变形的主要驱动力。基于此，在隧道区域进行了原位应力反演，并初步预测了可能发生大变形的段落，现场测量结果证实了预测方法的合理性和适用性。本研究为川藏铁路及相关工程的安全建设提供了理论参考。

引言

为了支持区域经济增长和社会发展，中国政府正在中国西南地区规划或建设许多长距离、深埋的铁路隧道（黄等人，2020；李等人，2026；孟等人，2015；唐等人，2026；田等人，2024；王等人，2026a；徐等人，2014；勇等人，2014；李等人，2026；秦等人，2026）。受强烈区域构造活动的影响，隧道所在区域的原位应力场表现出复杂的空间变化。许多隧道遇到了严重的工程地质问题，其中软岩中的大变形是最典型的危险（纳吉等人，2019；严等人，2018；杨等人，2017；邱等人，2026；刘等人，2020；张等人，2026；王等人，2026b；苏等人，2026）。因此，分析长距离深埋隧道大变形的特征和原因，并对可能发生大变形的段落进行初步预测具有重要的工程价值（黄等人，2021；王等人，2026；张等人，2021；范等人，2023；何等人，2021）。

自20世纪70年代以来，软岩在深隧道中的大变形问题已成为学术界的研究热点，法国、瑞士、日本等国家也报告了相关的工程案例（Fuente等人，2019；Mezger等人，2013；Panet，1996；Kimura等人，1987；Leone等人，1987）。最初，学者们认为软岩较差的物理和力学性能是隧道大变形灾害的主要原因，这一观点通过实验室测试和数值模拟计算得到了验证（Aksoy等人，2012；Barla等人，2012；李等人，2024；刘等人，2025；Sterpi和Gioda，2009；赵等人，2024）。然而，随着研究的深入，学者们逐渐认识到软岩隧道大变形问题是一个极其复杂的工程问题，它不仅与软岩的物理和力学性能有关，还与应力场、地下水以及施工过程中的扰动效应密切相关（Hijazo和González de Vallejo，2012；胡等人，2024；Rohola等人，2014；赵等人，2026）。孙等人（2025）通过耦合微地震监测和数值模拟证明，围岩内部裂隙的起始和扩展主要受剪应力集中控制。拉力和剪切破坏的共同作用导致了复杂的裂隙网络的形成，这是推动大变形持续发展的主要机制。詹等人（2024）强调了三维非对称高原位应力与孔隙水压力耦合效应对围岩变形模式的显著影响。在高围压和地下水软化条件下，观察到岩体强度参数迅速退化，塑性区向更深处扩展，最终导致持续的大变形响应。邓等人（2022）使用有限离散元耦合方法研究了软岩隧道的变形机制，认为在高原位应力作用下，围岩的某些位置会出现剪应力集中，从而导致围岩的X形共轭剪切断裂并向更深部位扩展。

众所周知，高原位应力是导致隧道大变形的重要动态因素（廖等人，2024；夏等人，2023；严等人，2024；Leone等人，2024），已有多项研究探讨了高原位应力对隧道大变形的影响，并取得了丰硕成果。Panthi等人（2018）研究了尼泊尔-喜马拉雅地区隧道的长期塑性变形特征，认为原位应力的各向异性是该地区隧道变形不均匀的重要原因。张等人（2021）基于中国大相岭隧道项目，采用多元回归方法反演了隧道所在区域的原位应力特征，并使用统计方法校正了隧道两端的应力畸变。随后进行了大规模物理模型试验，研究了超前加固技术的有效性和作用机理，证明了该方法可以有效控制围岩面的挤出。吴等人（2022）基于中国西南地区的多个软岩隧道项目，通过现场调查、模型试验和理论分析，全面研究了隧道大变形破坏的特征和机制。九寨沟-绵阳高速公路沿线隧道的现场调查显示，层状岩体结构、地下水作用和断层地质条件是导致大变形的内在原因，而隧道所在区域的高原位应力状态和开挖引起的应力重分布则是外在原因。陈等人（2021）、周等人（2021）基于四川省茂县叶蜡岩隧道项目中隧道变形与强度应力比之间的幂律关系，提出了一个新的大变形分类标准，并建立了一个包含多种力学元素的新型层状软岩流变破坏模型。此外，还提出了一种双层初期支护方法来控制隧道大变形。与传统单层初期支护方法相比，该方法可将围岩压力、变形幅度和岩体破坏深度降低约40%-60%。孟等人（2021）、孟和何（2020）、周等人（2022）在准确反演高原位应力方面取得了多项研究进展。基于中国西南地区的兰家岩隧道，提出了一种分段单孔反演方法，通过使用多个回归模型提高了反演精度。在海岩隧道项目中，发现原位应力范围较窄会导致自变量之间的多重共线性；因此，引入了使用岭回归代替最小二乘法的方法来反演原位应力特征，有效避免了过大的或负的回归系数。针对高温和高应力的耦合环境，提出了一种考虑地温的岩体初始应力场反演方法，该方法可以补偿地温应力对初始应力场反演造成的误差，更准确地反映隧道所在区域的应力特征。在软岩隧道的智能预测和预警领域，王等人（2025）、王等人（2026c）、张等人（2024a）、张等人（2024b）基于改进的长短期记忆网络（ICPO-LSTM）和混合卷积神经网络-长短期记忆模型（CNN-LSTM）开发了大变形风险评估框架。这些方法能够准确预测围岩变形趋势并早期分类不同风险等级。在代表性工程案例中，整体预测准确率超过90%，展示了人工智能在软岩隧道风险分类和工程预警方面的强大潜力。

本研究首先总结和分析了川藏铁路两个关键项目的大变形破坏特征，初步了解了软岩隧道大变形的破坏机制。随后，全面回顾了隧道大变形的原因，指出项目区域复杂的高应力环境是导致这种变形的主要因素。因此，在隧道区域进行了原位应力反演，并利用反演结果预测了可能发生大变形的段落。与以往的研究相比，本研究采用多元线性回归方法量化了各影响因素对隧道大变形的贡献，为风险识别提供了更可靠的定量依据。此外，通过大量收集数据建立了项目区域的应力分布特征，并将区域应力场与局部应力反演结果进行了比较，验证了应力反演的准确性和可靠性。本研究为类似工程项目提供了科学指导和参考。

项目概述

川藏铁路是中国四川省的一项重大基础设施项目。该铁路沿着横断山脉东缘铺设，从四川盆地的成都平原延伸到青藏高原东缘的高山峡谷地区（图1a）。该地区地形崎岖，构造活动强烈，这对铁路的安全建设和长期运营带来了巨大挑战。现有工程记录显示

ST隧道和BT隧道的破坏特征和变形演变

（1）围岩和支护的破坏模式和特征。

现场调查显示，ST隧道和BT隧道都经历了严重的大变形。观察到的破坏现象可以分为三种模式：围岩的结构不稳定、支护开裂以及挤压引起的大变形（图2）。

在ST隧道的DK11+730-DK11+760段和BT隧道的DK119+520-DK119+570段，主要观察到了结构不稳定现象

隧道区域原位应力场反演及大变形段落的预测

在上述三个因素中，应力条件是大变形的主要控制因素，不仅决定了大变形是否会发生，还决定了变形的程度。然而，由于成本限制，难以在整个隧道范围内进行原位应力测试。因此，通过数学方法反演隧道区域的原位应力特征尤为重要

结论

本文介绍了川藏铁路两个关键项目的破坏特征。通过地质调查和实验室测试分析了这些隧道破坏的原因。此外，基于多元线性回归原理，对隧道区域的原位应力场进行了反演分析，并预测了可能发生大变形的段落。本研究主要关注中国西南地区的软岩隧道，但仍具有普遍意义

作者贡献声明

严玉峰：撰写——初稿，调查，正式分析。赖金星：项目管理，调查。王志超：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。史兴浩：验证，方法论。刘驰：监督，软件，方法论，数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了宁夏回族自治区重点研发计划（2026BEG02054）、中央高校基本科研业务费（编号300102212703、300102215301）、四川都锦山轨道交通有限公司项目（编号2020-1）、国家自然科学基金（52278393、52208386、52578461）、陕西省自然科学基础研究一般项目（青年项目）（2024JC-YBQN-0519）以及陕西省重点研发计划的支持