深埋长大隧道研究进展.docx

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深埋长大隧道研究进展

3深埋隧道地质灾害及其评价与控制

黄润秋徐则明

1前言

目前，世界各国已经在交通运输、水利水电及城市排污等领域建成近200条长度接近或超过10km的深埋长大隧道。

受到20世纪末及本世纪初通车的长度分别达到53.9km和50.5km的日本Sei-kan隧道及英－法海底隧道的鼓舞。

一些更加庞大的特长隧道计划已开始论证，部分已开始施工，如，日本福冈－韩国釜山之间的日韩海底隧道（250.0km）、瑞士Gotthard铁路隧道（56.9km）、奥地利－意大利之间的BasisBrenner铁路隧道（55.0km）及挪威Laerdal公路隧道（24.5km）等。

20世纪80年代以来，我国铁路系统已经建成衡广复线大瑶山（14.3km）、朔黄线长梁山（12.8km）及西康线秦岭（18.4km）三条特长隧道；长度分别达到12.7km和11.1km的西安－南京铁路东秦岭特长隧道和重庆－怀化铁路圆梁山特长隧道也已贯通。

成渝高速公路中梁山（3.1km）、北京八达岭高速公路潭峪沟（3.5km）、晋城－焦作高速公路牛郎河（3.9km）、甬台高速公路大溪岭（4.1km）、川藏公路二郎山（4.2km）、广渝高速公路华蓥山（4.7km）、渝合高速公路尖山子（4.0km）、云南大保高速公路大箐（3.0km）及台湾漢寶草屯快速路上的八卦山（5.0km）等大断面公路隧道作为国道主干线改造或高速公路建设的关键性控制工程，已经相继贯通或投入运营；我国大陆第一条符合国际隧协标准的公路特长隧道西安－安康高速公路秦岭终南山隧道（18.0km）也已开工兴建。

除此之外，水利水电行业已在甘肃“引大入秦”、贵州天生桥水电站、四川太平驿水电站、四川福堂水电站、云南曲靖及昆明跨流域调水等大型工程中建成一批长度超过10km的长隧道。

深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。

可以预见，随着我国西部大开发进程的加快，在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、陆路交通网密度远低于全国平均水平的西部地区，在铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会修建更多的长大隧道工程。

“多、长、大、深”，即，数量多、长度大、大断面、大埋深将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势[1,2]。

纵观隧道的修建历史，制约长大隧道发展的因素可以分为两大类，一类是施工技术方面的，如，掘进技术、通风技术及支护衬砌技术等；另一类则是开挖可能遭遇的施工地质灾害的超前预报及其控制技术。

施工地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复杂地质系统对开挖扰动作出的响应或反馈，响应的方式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同，具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、高压涌突水、高地温及瓦斯突出等（图1）。

固体在隧道开挖过程中的行为尽管具有一定程度的流变特征，但一般都可以用固体力学理论来描述，并满足固体力学的普遍方程－广义Hoke定律

式中

、

和

分别为应力列阵、弹性矩阵和应变列阵。

准流体和流体在隧道开挖过程中的行为不能（宜）用静力学，而必须（应该）用动力学和运动学理论来描述，它们的运动满足连续性原理、广义Fick定律和Newton定律

图1　隧道施工地质灾害分类

式中，

为密度；

为速度矢量；DＣ、

和DT分别为浓度扩散系数、压力和温度扩散系数；

为i组分的扩散速度；F为内摩擦力（或切力）；

为粘滞系数或动力粘滞系数；

和

分别为接触面积和流速梯度。

需要指出的是，尽管从物理形态上硬岩、软岩、水、瓦斯等是可以分开的，但是，无论是天然条件下，还是开挖环境下，它们的变形、运动往往都是互相联系、彼此影响的，即，（岩体）应力场、（水和瓦斯）渗流场和（地温）温度场之间存在耦合效应。

一个典型现象是，开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新裂隙，这些新裂隙反过来又促进地下水向隧道的汇流，如此下去。

同时，隧道与正常地温场之间的温度梯度也因水的强烈径流而增大，从而促进了热向隧道的传输。

因此，既要看到不同物理形态变形、运动规律的差异，同时也不能忽视它们之间的相互联系。

上面所述的各类地质灾害一般不会在一座隧道的施工中同时出现，但是两种以上灾害同时发生的情况也是不少的，典型的例子是辛普伦隧道，施工期间同时发生了软岩大变形、高地温和大涌水，我国的南昆铁路家竹箐隧道也同时发生了大变形、涌突水和瓦斯突出。

2研究回顾与评述

应该说，经过100余年的发展，以新奥法为核心的隧道施工技术正在逐渐走向成熟，隧道掘进机（TBM）法也在快速发展。

施工地质灾害的超前预报及其控制技术研究也已取得许多重要成就，尤其是在隧道工程技术发达的瑞士、意大利及日本等西方国家。

由于全球构造格局及地质背景的差异，我国深埋隧道工程建设及灾害防治还不能照搬国外的经验。

自从上世纪80年代修建大瑶山、秦岭、家竹箐、华蓥山及太平驿等不同用途、不同断面的深埋长大隧道以来，我国在施工地质灾害，尤其是在岩爆、软岩大变形及大涌水，的控制领域已积累了许多成功经验。

受到这些工程实践，尤其是以国道主干线为基础的高速公路网建设、铁路大提速及既有线改造、西部地区大规模水电开发及远距离跨流域调水等大型基础设施建设，的拉动，深埋隧道施工地质灾害的理论及预测预报研究已取得若干重要进展，水-力耦合、水-热-力耦合、水-热-力-化学耦合、地下水质量反应平衡模拟、断裂力学、损伤力学、岩石动力学、流体动力学等理论及扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、稳定同位素识别及放射性同位素测年等技术手段被相继引入，原来以中短隧道为基础建立起来的施工地质灾害理论架构正被逐渐打破，若干用于描述成灾介质行为、致灾机理及灾害预报的新理论、新学说及以此为基础的灾害控制方法被陆续提出，为我国不同领域的深埋隧道工程建设提供了强有力的实时支撑。

需要指出的是，由于问题本身的高度复杂性，从世界范围内看，深埋隧道施工地质灾害各灾种的超前预报，尤其是勘测设计阶段的超前预报，精度总体依然不高，一些著名工程甚至出现相当大的偏差。

川藏线二郎山隧道在勘测设计阶段预测可能发生软岩大变形，施工期间不但没有发生大变形，反而发生了较严重的岩爆灾害。

襄渝线大巴山隧道预测涌水量4.14×104m3/d，施工时最大涌水量达到20.55×104m3/d；川黔线娄山关隧道预计涌水量6.00×104m3/d，施工最大涌水量为3.20×104m3/d；贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量0.66×104m3/d，施工最大涌水量达10.08×104m3/d；广渝高速公路华蓥山隧道的预测与实际涌水量也相差数倍。

灾害预测偏差无论是何种性质的，都将影响施工组织，并可能制约施工进度、造成巨大经济损失，有时还会产生严重的伴生环境问题，深埋隧道施工灾害研究依然任重道远。

造成深埋隧道施工地质灾害超前预报精度偏低的原因是多方面的。

首先，由于长大隧道往往伴随大埋深，如，长24.5km的挪威Laerdal隧道、长18.4km的我国秦岭隧道及长56.9km的瑞士Gotthard隧道的最大埋深分别达到1400m、1700m和2500m，一般无法通过加大常规勘探力度来获取足够的预测信息，施工地质灾害超前预报的难度很大。

第二，用于相关灾害预测的理论及指标体系还比较单一，不能（较）贴切地刻画单一或复合成灾介质的力学及流体力学行为。

隧道施工地质灾害的孕育及发生是十分复杂的地质过程，有其自身的发生、发展规律，而用于灾害预测的各个“学科”则是人为划分的，这样，从某一特定学科去研究问题所得出的结论也就难免片面。

隧道施工地质灾害研究需要不同学科的大跨度交叉支撑，同时需要理论及技术上的创新。

如，对于异常水力梯度下围岩的水压致裂、结构面潜蚀、隧道开挖引起的卸荷及应力扰动对围岩渗透性的影响等与深埋隧道涌水密切相关的问题，仅靠传统水文地质学理论是难于解决的，它不仅需要水文地质、工程地质理论，还需要弹性力学、材料力学及隧道工程等基础及工程学科的共同参与。

第三，隧道施工地质灾害不是纯粹的地质问题，它的孕育、激发及灾害程度与开挖方式、开挖顺序及开挖进度等密切相关，是因人为扰动才产生的灾害，是比较典型的“工程”地质现象。

以往相关研究一般都较少考虑施工细节，主要视点都被集中在地质环境上，而对工程活动可能对环境产生的扰动的方式及程度等则较少考虑。

这样，对于环境对人工扰动的响应（灾害）评价的可靠度也就难于达到较高水平。

第四，要到达减少并最终遏制深埋隧道施工地质灾害的目标，除理论上的进步外，尚需相关工程技术的及时跟进，这些技术包括掌子面上的超前探测（断层、地下水及高地温等）技术、开挖技术及支护技术等，它们在近距离超前预报、降低对围岩的扰动程度及灾害治理方面具有不可替代的作用。

由于深埋隧道，尤其是越岭和傍山隧道，的大埋深及穿越地质单元的复杂性与多样性（图2），施工地质灾害的发生具有普遍性，如瑞典、挪威所在的斯堪的纳维亚半岛地区的岩爆问题；瑞士、奥地利、意大利、法国所在的阿尔卑斯山地区的软岩大变形、高地温问题；印度、尼泊尔所在的喜马拉雅地区的软岩大变形问题；日本的高压涌突水、软岩挤出问题及我国西南地区的岩爆、高压涌突水及瓦斯突出等。

深埋长大隧道投资巨大、建设周期长，一般都是整个建设项目的关键性控制工期工程，加大施工地质灾害致灾机理及以此为基础的超前预报和控制技术研究的力度对于项目的可行性论证、隧址比选、施工组织及降低工程造价等具有重大的现实意义[3~7]。

3深埋隧道岩爆机理及其控制

广义岩爆作为一种多出现在完整硬岩中的隧道施工地质灾害，包括围岩的动力破坏（dynamicfailure）－狭义岩爆（rockburst）和静力破坏（staticfailure）－片剥（spallorslab）两种基本形式。

自18世纪30年代末英国锡矿岩爆被首次报道以来，世界范围内已有前西德、南非、中国、前苏联、波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、美国、意大利、瑞典及挪威等数十个国家和地区记录有岩爆问题，其中以隧道工程及深井采矿业相对发达的瑞典、挪威、瑞士、奥地利及南非等国家的岩爆记录最多。

近20多年来，我国天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引水隧洞、锦屏水电站勘探平硐、二滩水电站引水隧洞、西康铁路秦岭特长隧道Ⅱ线平导及川藏公路二郎山隧道等一大批长大隧道工程相继发生突发性严重岩爆，致使隧道施工防不胜防，并造成损机伤人的严重事故。

岩爆

图2渝怀铁路圆梁山特长隧道概化剖面图

灾害不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震，已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一，并受到世界各国相关学者的广泛关注。

经过长期努力，岩爆研究领域已经取得一系列重要成果，但到目前为止，岩爆机制研究尚未取得重大突破，也就是说，还没能对不同工程中出现的各类岩爆现象给出全面、合理的理论解释。

也正是由于机制研究的滞后，影响了以此为基础的超前预报和控制技术的发展。

岩爆研究大致可以分为实录（casehistories）、发生机制（mechanisms）、超前预报及控制技术（predictingandcontrolling）四大领域，其中，建立在工程实录基础上的机制研究是所有研究工作的核心，也是超前预报及控制技术发展的基础。

图3秦岭隧道几次严重岩爆的位置与掌子面的关系

（原始资料引自文献［17］）

岩爆实录包括围岩类型及物理力学行为、

地应力场、地下空间特征、开挖过程（开挖顺序、循环进尺、爆破参数等）、岩爆坑及岩爆碎片的形态、几何尺寸、岩爆事件的时－空分布、岩爆部位对应的地貌形态及岩爆分类与分级等，许多学者和工程技术人员在该领域进行了卓有成效的工作，记录了大量珍贵的第一手资料（图3），特别是若干重大工程的岩爆实录资料[8~17]。

“岩爆的产生需要具备两方面的条件：

高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因”[18,19]应该是迄今为止对岩爆机理给出的最为清晰的概括。

该机理的另一种说法应该是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力（

）达到或接近围岩的单轴抗压强度（UCS），在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机制的静荷载（静力学）理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据—

的理论依据。

岩爆机理的试验研究方面，文献［20、21］以西安-安康铁路秦岭特长隧道、天生桥水电站特长引水隧洞及二郎山公路隧道等工程为依托，利用三轴试验机研究了混合花岗岩、灰岩及厚层砂岩在卸荷条件的变形与破坏行为，以说明岩爆发生机理。

试验结果表明，围压较低时，围岩以张性或张剪复合型破坏为主；围压较高时则以剪切破坏为主，并据此提出，地下硐室开挖过程中，硐室周边围岩的侧压被卸除，应力发生重分布，当调整后的应力状态达到岩体极限状态时，围岩便以岩爆的形式破坏。

文献［22］认为，隧道开挖后，开挖轮廓面附近径向应力（

）降低导致切应力（

）增大的同时，轴向应力（

）也会按一定比例增大；所进行的真三轴试验结果表明，

时，岩石表现为片状劈裂和剪胀的混合型破坏；

时以片状劈裂为主；

时呈现片状劈裂和剪切错动复合型破坏。

岩爆的微观破裂机制方面，文献［8］利用SEM对天生桥引水隧洞灰岩岩爆碎片进行观察研究后提出，岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖，使得地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，最终产生张－剪脆性破坏的结果；杨淑碧（1993）对该隧洞岩爆进行相似模拟时，总结出劈裂破坏和剪切破坏两种围岩失稳机制；文献［23］采用SEM对黄河拉西瓦电站花岗岩岩爆碎片进行研究时发现，岩爆碎片呈舌状、河流状、根状花样，提出岩爆发生的微观破裂机制是脆性拉破坏；文献［24］认为，洞壁表面岩石弹射型岩爆破坏机制多为张拉脆性断裂，属于低能量吸收断裂形式。

岩爆的断裂力学机理方面，Hsiung（2001）认为，诱发岩爆的条件包括高地应力、岩体的高强度及存在自由表面；岩爆和任何岩石在应力作用下发生失稳的机制是一致的，都要经历微裂隙的扩展、结合与积累的过程。

文献［25］将受压岩体中的裂纹分为压剪闭合裂纹和压剪不闭合裂纹两种性态，分析了压剪裂纹的启裂和扩展准则，认为岩爆是围岩在洞室开挖过程中发生应力调整时，岩体中的预存裂纹扩展而引起岩体发生宏观脆性断裂的结果。

文献［26］提出，在压应力集中区内，近自由表面的裂纹在低侧压时，将平行于壁面沿最大压应力方向扩展，并给出了两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。

文献［27］以黄河拉西瓦电站花岗岩为例，通过损伤力学分析，根据岩石内部能量转化机制，给出了脆性岩石岩爆损伤能量指数（WD）的概念，提出了岩爆发生的判别条件：

岩石释放的弹性应变能大于岩石损伤累积耗散能，即，WD>1。

文献［28］根据白岗岩和灰岩在单轴压缩条件下的裂纹特征，基于岩爆是大量裂纹生成和扩展造成的一种动态破坏过程的认识提出，裂纹的分形维数值越低，岩爆倾向越大。

岩石静力学理论在岩爆研究中是重要的，但它还不能阐明岩爆的全部机理；初始地应力及开挖引起的应力分异是岩爆发生的背景与基础，但不是全部，应该存在地静应力之外的其它诱发机制。

钻爆法开挖过程中，各炮层的顺序起爆、周边眼起爆后开挖轮廓面的瞬时大幅卸载及岩爆事件本身所产生的各类高幅值、陡波前应力波以及它们的叠加效应对于围岩，尤其是处于双向受压（少数情况下，切向会承受拉应力）、一侧临空、具有发生破坏潜势的既有炮次围岩，的扰动作用应该是显著的。

文献［20、29~32］在岩爆的岩石动力学机理方面进行了研究，并已取得若干重要进展。

上世纪50年代初期，DonL.L.最早报道过关于地下工程爆破、应力波、岩爆及地震之间的关系的一些初步试验成果。

后来，随着钻爆（新奥）法的不断发展，特别是回次进尺及爆破装药量的不断加大，动力干扰对岩爆的贡献越来越引起人们的关注。

我国天生桥、太平驿、二滩及挪威Sima等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在爆破以后的一定时间段内发生，岩爆高发区一般距离掌子面2~50m；强度随着时间的推移而减弱；文献［17］还详细报道了秦岭特长隧道Ⅱ线平导北口浅埋段岩爆与爆破之间密切的时－空关系。

罗先起等（1996）提出，在坚硬脆性围岩中开挖洞室相当于一个处于压缩应力场中的脆性材料块体在开挖边界上突然卸载，卸载波迅速从开挖边界传播至岩体深部；若岩体中由于弹性压缩所贮存的势能足够大，则位于卸载波前缘的剪切微裂纹将因动力扩展而导致岩体破坏并诱发岩爆。

黄润秋等（1999）曾对爆破扰动对岩爆的贡献进行过数值模拟研究。

爆破应力波对已开挖围岩的扰动可以概化为表面垂直线源的Lamb问题（图4）：

y方向均匀分布的法向荷载

于t=0时刻，瞬间施加到弹性半空间的表面z=0处。

荷载沿y方向的均匀分布，使得这一问题可以概化为平面应变问题。

描述上述半空间模型的数学模型的解析解[33]可以较好地解释岩爆机理（图5）：

对于已开挖围岩轮廓面上某一点，爆破产生的P波、S波和Rayleigh波顺序到达；P波和Rayleigh波对围岩具有显著的扰动作用，而两者之中大振幅Rayleigh波居于支配地位。

P波和Rayleigh波将分别在围岩中形成垂直和平行于开挖轮廓面的张性破裂面；在

，

的应力环境中，这些破裂面的出现，将引起围岩以岩爆或片剥的形式破坏。

P波的衰减和Rayleigh波的垂向分布可以解释岩爆高发区与掌子面的空间关系及岩爆碎片的形状特征等若干岩爆现象。

图5　爆破应力波作用下已开挖洞段围岩（表面）岩爆与片剥的的形成过程

图4　隧道爆破扰动已开挖围岩的半空间模型

围岩以岩爆方式破坏时，有一个突出特征，即，一旦一个部位已经发生过一次岩爆，尤其是比较强烈的岩爆，那么该部位就很可能发生第二次、第三次，甚至更多次岩爆；按发生先后，强度越来越低，岩爆面积越来越小，最后形成所谓断面呈“V”字形或“锅底”形的岩爆坑。

由于每次岩爆所产生的岩块基本都呈片状，不同期次岩爆形成的爆裂面基本平行，从形式上看，类似于煌斑岩及块状砂岩的球状风化，陶振宇教授（1988）最早将这种岩爆事件追踪发生的现象归纳为“贝壳状”、“笋皮状”、“葱皮状”或“鳞片状”剥离。

岩爆追踪在隧道岩爆实录中具有普遍性，二滩、天生桥、太平驿电站引水隧洞岩爆、秦岭铁路隧道岩爆及二郎山公路隧道岩爆都具有显著的追踪现象。

利用岩石动力学理论可以比较合理地解释这一特殊现象。

岩爆本身是一种能量释放过程，这些被释放的能量可以分为岩块的动能、岩块的表面能、散失于空气中的热能和通过对母岩表面施加冲击荷载，以应力波形式传递到围岩中的动能几个部分。

由于岩爆，特别是强烈岩爆，都具有突发性，其对母岩产生的冲击荷载（

）应大致满足人工爆破荷载随时间（t）的衰减规律，即，

尽管直接确定上式中的峰值荷载

和常数

是困难的，但是岩爆前后的地震波监测资料及岩爆诱发地震所造成的损失，不仅说明岩爆冲击荷载及其诱发应力波是确实存在的，而且有时还相当很强烈[34,35]。

当一次岩爆的强度很高时，其产生的柱面P波、柱面S波和平面头波可能直接诱发下次岩爆，但多数情况下，其在母岩中所形成的扰动破裂面只有被爆破应力波或相邻地段的岩爆应力波再次扰动扩展或多次扰动扩展时，才有可能产生下次岩爆。

同样，如果下次岩爆释放的能量依然较大，则可能再次诱发岩爆，如此下去（6）。

建立一套有效的岩爆时空预测系统（apracticalspace-timepredictionsystem）或称之为早期预警系统（anearlywarningsystem），一直是各国岩爆学者追求的目标。

已采用的技术手段有微震（MS－microseism）监测[36]、地震仪及水银管倾斜仪[35]、地震遥感监测[37]、微重力（MG－microgravity）

图6　长条形岩爆的应力波对母岩的扰动（岩爆坑横断面）

监测[38~40]、声发射（AE－acousticemission）[41]及电磁辐射（EMR－electromagneticradiation）[42]等。

李强（1994）等在岩爆监测中采用过AE测试技术；王来贵等（1998）在俄罗斯学者的研究成果基础上，根据完整煤（岩石）压缩变形破坏过程中弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近电磁辐射最强烈，屈服后又无电磁辐射的原理，利用俄制仪器对煤（岩）爆进行过监测研究。

目前，由于信息采集、预报判据异常水平及仪器探测精度等方面的限制，无论是地震方法（seismologicalmethod）、微重力方法还是地震声学方法（seismic-acousticmethod）还都不能对岩爆进行准确的超前预报，但以这些方法为基础的探测技术应该成为施工阶段岩爆预测的主攻方向之一。

爆破之后，找顶或初期支护之前，用上述方法对重点地段进行探测，可以提高上述工序的安全性，同时，在二次衬砌之前，对外衬以外的岩石变形趋势进行监测对于确定永久衬砌的修筑时间也是重要的。

经过长期实践，人们已经摸索出一些岩爆控制手段[42~47]，具体包括以下几个方面：

改善围岩物理力学特性，主要措施是爆破后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水；

应力解除，具体方法有（大口径）超前钻孔和纵向切槽等；

及时施作锚喷支护，若干长大隧道的施工表明，该方法在防治岩爆方面是有一定成效的，但在易于发生岩爆的高强度围岩中，大规模实施这种施工工序，将影响施工进度；

合理的施工方法，秦岭特长隧道的施工经验表明，采取“短进尺、弱爆破”，并严格控制炮眼利用率，可以降低岩爆的发生频率。

尽管上述手段在不同的隧道中能在一定程度上遏制岩爆的发生，但有些方法的普适性及可操作性比较差、有些则会造成超挖、影响施工进度，与从根本上控制岩爆还有较大差距。

4隧道软岩大变形机理及其控制

隧道围岩大变形主要发生于低级变质岩、断层破碎带及煤系地层等低强度围岩中，一般具有变形量大、径向变形显著及危害巨大等特点。

发生该类变形的围岩一般被称为软岩（softrock）、挤出性围岩（squeezingrock）或膨胀岩（swellingrockorexpansiverock）[4~6,48~50]。

尽管隧道底鼓、仰拱破坏在铁路隧道建设的初期，即，19世纪中叶就已经出现并引起人们的关注，但首例严重的交通隧道软弱围岩大变形应该是1906年竣工的长3.8km的辛普伦Ⅰ线隧道[51]，它是继仙尼斯峰、圣戈达和阿尔贝格之后横穿阿尔卑斯山的第四座铁路特长隧道。

辛普伦隧道北起瑞士的布里格（Brigue），南至意大利的伊则尔（Iselle），为双孔单线隧道。

该隧道的地质情况极其复杂（图7），施工中遇到了前所未有的高地温、水温47oC~56oC、水量10.4×104m3/d的大涌水、和严重的软岩大变形。

软岩大变形以距离南口（意大利端）4.5km附近的变形最为严重。

围岩为完全风化的石灰质云母片岩，尽管底设导洞（3.2×2m2）的边墙、拱顶和隧底全部采用了密集的重型木支护，但所有支护结构都被压跨，施工被迫中断。

上述支护措施失败后，将高40cm的工字钢梁用螺栓栓在一起，钢梁间填断面为50×50cm2的方木构成更强大的支护结构，结果钢螺栓被切断、大方木被压成

图7　辛普伦隧道Ⅰ线轴向剖面（引自文献［51］）

碎片，初期支护被再次摧毁。

最后，在工字钢梁的空隙间回填了掺有速凝剂的混凝土，才控制住了大变形，底设导洞恢复开挖。

上述大变形洞段长度仅有42m，但施工工期却达到了18个月，反复扩挖后的最大开挖断面达到9.3×10.3m2。

尽管如此，隧道在竣工若干年后，强大的山体压力再次引起横通道边墙、拱部和隧底破裂、隆起。

辛普伦隧道之后，奥地利陶恩（Tauern）公路隧道、奥地利阿尔贝格（