高地應力軟巖大變形機理及防治措施研究現狀

摘 要：隨著我國基礎設施建設的不斷發展，在各種復雜地質環境下修建的隧道會越來越多，特別是在圍巖軟弱，高地應力存在的隧道中。在這種隧道的施工期間，隧道周邊支護結構受力不斷增加，受力時間長，變形增大。最終導致支護結構變形破壞，嚴重影響正常施工。為了有效的給出防治措施，就必須先弄清楚高地應力下軟巖大變形的機理。

關鍵詞：高地應力;大變形機理;防治措施

1 引言

近年來，我國的經濟建設取得了巨大的進步，基礎設施的建設發展迅速。隧道的建設在我國的基礎設施建設中有著舉足輕重的地位。目前隧道建設過程中隧道埋深越來越大，初始應力越來越高。隧道周邊也存在許多軟弱圍巖，軟弱圍巖一般認為是強度不高、表面風化嚴重、流變作用明顯、破碎的具有這一類特質的巖石的總稱。在這種環境下修建隧道時，流變大、位移大等問題不斷涌現。基于這種情況，對其變形機理和防治措施研究成為了工程工作者的研究重點。

2 高地應力隧道大變形機理及防治措施研究

該怎么定義高地應力呢？陶振宇[1]認為高地應力環境是指上部巖體總的質量小于巖體水平應力分量時。目前對軟巖的定義大致可以分為三種，分別是工程定義、指標化定義和描述性定義。何滿潮根據軟巖的塑性機理和強度變化特征，把軟巖劃分為了四種，分別是高應力軟巖、膨脹性軟巖、復合型軟巖、節理化軟巖。對于變形的產生，Terzaghi[2]根據大變形產生的原因將大變形劃分為了兩類。第一類是擠出變形。是指隧道開挖后巖體應力重新分布，造成部分巖體受力超過限制而產生變形。第二類是膨脹變形，指圍巖中的一些膨脹性礦物質與水發生反應而變形破壞。除此之外，Anagnostou[3]認為大變形可以在任意巖層中產生，這是因為大變形主要取決于地應力的初始狀態和巖層強度。

2.1 下面將列舉二個例子分析高地應力軟巖大變形機理及防治措施研究

2.1.1 榴桐寨隧道[4，5]

榴桐寨隧道是成都到蘭州鐵路線上一個必經隧道，它位于茂縣與龍塘之間，修建時采取的是左線和又線分開修建的方案，其中左線和右線間距為30-40m。由于受到區域構造地質影響，各種地質問題如斷層、褶皺層出不窮。巖體主要由破碎千枚巖和碳質千枚巖構成，極易破碎。巖層表現出極大的揉皺變形以及擠壓破碎，巖體條件極差。

榴桐寨隧道的變形機理分析有多種：一是復雜的高地應力環境。測試結果顯示段內最大主應力為水平應力在530～630m的深度即達到20MPa，并有隨深度增加而增加的趨勢。二是復雜多變的地質構造。位于地質構造帶復合地段，各種地質構造發育。三是地層巖性環境極為復雜。榴桐寨隧道下伏基巖種類繁多，且極為容易破碎，節理裂隙發育，巖體強度低。

在這種難度的環境中施工，為確保安全，必須采取許多優化措施。一是斷面形式的優化。普通鐵路單線隧道斷面輪廓為近圓形的蛋形斷面，榴桐寨隧道變形主要受最大水平主應力影響。故優化斷面輪廓為純圓形。二是工法的優化。施工中在掌子面圍巖穩定性較好的條件下，采用兩臺階的施工方法，可有效防止安全事故。三是加固隧道周邊圍巖。從根源上減少圍巖受到的擠壓力，目前主要加固方式有：錨桿超前支護、超前注漿、打板樁等方式。

2.1.2 蘭渝鐵路兩水隧道[6]

兩水隧道在重慶到蘭州鐵路線上，地處甘肅省武都區，隧道設計為單洞雙線，隧道較寬，隧道周邊地質條件及其復雜，巖體較破碎。經過測試后發現，該隧道以水平地應力為主，周邊地應力分布及其不均勻，屬于極高地應力狀態。在隧道施工過程中，由于受到高地應力與地質構造及周邊地下水的同時作用，安全shengc 事故較多，隧道周邊出現了擠壓性大變形，支護結構開裂，對施工人員的安全和施工工期造成了較大的影響。

對隧道施工情況深入了解后發現，該隧道發生擠壓性大變形的原因主要有兩個，隧道周邊存在軟弱圍巖以及極高的地應力。在隧道的施工過程中，周邊圍巖的原始應力平衡條件被破壞，應力發生重新分布，造成了周邊大變形。該隧道主要采取了以下幾個措施來保障安全。一是增大預留的變形量，主要目的是通過初期支護產生較大的位移來釋放隧道周邊的地應力，以此來保證在二次襯砌在施工后不被破壞。二是在施工過程中遵循"快挖、快支、快封閉"的原則，盡可能地在軟巖產生較大位移前進行支護，可有效防止隧道坍塌的情況。三是支護結構要采取"多重支護"的原則，可采取分層支護和二次襯砌等防護措施。采取這些措施后，隧道的安全性得到極大提高。

3 結論

軟巖大變形是一種逐步發展的緩慢變形。軟弱圍巖下的變形包含了彈塑性變形和粘彈塑性變形，變形有著隨時間變化的特征。常常表現出以下特征：變形量大、變形速度快、變形持續時間較長，開挖后應力重新分布直至達到穩定狀態可持續數月甚至幾年。通過對各種情況下軟弱圍巖開挖隧道的變形特點、變形控制、破壞特點等進行了全面的分析和總結，對各種情況下軟弱圍巖開挖隧道的變形特點、變形控制、破壞特點等進行了全面的分析和總結，得到以下可用來防治施工過程中安全事故的發生的建議：1）主動加固。圍巖加固采用的較多的方式有注漿，包括了周邊注漿、全斷面注漿、帷幕注漿等，在隧道周邊形成加固區域，提高其承載力。2）剛柔結合。剛柔結合的意思是允許圍巖產生變形，但應控制圍巖的最大變形，即可以預留一定的變形量，但還應設置剛度較大的支護結構來控制圍巖的最終變形。3）隨時調整。在隧道的施工過程中，要隨時根據隧道監測反饋回來的數據指導設計和施工，調整施工順序或者改變施工方法。

參考文獻

[1]陶振宇.巖體初始應力對地下工程的影響[J].武漢大學學報（工學版）， 1980（3）：62-67.

[2]Theoretical Soil Mechanics || Frontmatter[J]. 1943.

[3]KALOGIROS， John， ANAGNOSTOU， et al. Correction of Polarimetric Radar Reflectivity Measurements and Rainfall Estimates for Apparent Vertical Profile in Stratiform Rain[J]. Journal of Applied Meteorology & Climatology， 2013， 52（5）：1170-1186.

[4]張振國.榴桐寨隧道高地應力軟巖大變形施工控制技術研究[J].科技創新導報，2017（2）：17-19.

[5]楊衛.榴桐寨隧道高地應力軟巖大變形機理研究與施工措施應用分析[J].建筑技術開發，2019（46）：85-87.

[6]廖雄.高地應力軟巖大跨變截面隧道施工變形機理及其控制技術研究[D].西南交通大學，2018.

作者簡介

何欣（1994-），男，漢族，四川省營山縣，碩士研究生，成都理工大學，結構工程。