高地應力軟巖隧道變形控制設計與施工技術研究

摘" 要：在現階段社會的發展過程中，出于城市化進程的需要，社會對于交通出行的需求也不斷提升，由此推動交通事業的發展。隧道作為常見的交通設施，需要橫穿山脈或者是地下，施工難度較大，在一些巖層較為特殊的施工環境中，還可能出現隧道變形等問題，嚴重影響工程質量。尤其是在高地應力狀態下的軟巖隧道施工環節，隧道變形狀況屢見不鮮，已經嚴重影響交通事業的發展。在高地應力軟巖隧道設計與施工中，工作人員需要通過采取預留變形量、合理的初期支護、可靠的開挖工法、關鍵部位錨注加強和動態支護補強等5項技術措施，有效控制大變形的發生。該文就從高地應力軟巖隧道施工入手，分析隧道變形控制及施工技術。

關鍵詞：高地應力；軟巖；隧道變形；控制設計；施工技術

中圖分類號：U455.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0182-04

Abstract： In the process of social development at the present stage， due to the needs of the process of urbanization， the social demand for transportation is also constantly rising， thus promoting the development of transportation. As a common traffic facility， tunnel needs to cross mountains or underground， so it is difficult to construct. In some special construction environment of rock strata， tunnel deformation and other problems may occur， seriously affecting the quality of the project. Especially in the construction of soft rock tunnel under high ground stress， tunnel deformation is common， which has seriously affected the development of transportation. In the design and construction of highland stress soft rock tunnel， workers need to take five technical measures， such as reserved deformation， reasonable initial support， reliable excavation method， bolting and grouting in key parts， dynamic support reinforcement and so on. Effectively control the occurrence of large deformation. Starting with the construction of soft rock tunnel with high ground stress， this paper discusses the tunnel deformation control and construction technology.

Keywords： high ground stress; soft rock; tunnel deformation; control design; construction technology

隧道作為交通施工環節常見的設施，主要是為了穿越阻礙而設計的交通設施。相較于其他的交通設施來說，隧道施工的技術性更強，而且由于其需要穿越山體或者是土層，也就更容易受到外界環境的影響。在現階段高地應力環境下的軟巖隧道施工過程中，就很容易出現隧道變形等問題，造成嚴重的安全隱患。所以在現階段隧道的施工過程中，相關人員就需要加強對當地環境的重視，研究高地應力及軟巖可能會對施工產生的不良影響，然后結合實際進行治理。然而隧道施工本身較為復雜，再加上軟巖及高地應力的影響，就進一步增加軟巖地基的施工難度，不利于隧道質量的保證。所以，在實際的工作過程中，還需要相關人員加強對高地應力及軟巖等巖體的重視，深入研究其對隧道施工產生的影響，然后找出合理的方法進行解決。

1" 高地應力軟巖隧道變形概述

地球已經經歷了上億年的演變，在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因使地殼物質產生了內應力效應，這種應力也被稱之為地應力，是地殼應力的統稱。具體是指存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。通常狀態下，地殼內各點的應力狀態不盡相同，由于所處的構造部位和地理位置不同，各處的應力增加的梯度也不相同。高地應力就是指地應力較高的地區及環境，會對施工產生很大的影響，其中高地應力對隧道工程造成的最典型災害為洞室大變形。這是一種發生于軟巖巖體中的高地應力問題，會對隧道產生很大的影響[1]。軟巖是一種特定環境下的具有顯著塑性變形的復雜巖石力學介質，其存在特性方面的差異及產生顯著塑性變形的機理。而隧道作為埋藏在地層內的工程建筑物，其就會受到地應力及軟巖的影響，產生各種質量問題，需要相關人員加強對其的重視。

2" 高地應力軟巖隧道變形特點及破壞的特點

在現階段建筑事業的發展過程中，由于高地應力及軟巖等外界因素的影響，隧道的施工往往會出現大變形地質災害，給工程的安全施工和建設管理帶來極大的困難。所以在實際的施工環節，相關人員就需要加強對高地應力軟巖隧道變形的重視，從其變形體特點及破壞特點入手，找出科學合理的解決措施，以保證隧道施工的質量。

2.1" 高地應力軟巖隧道變形特征

2.1.1" 掌子面不穩定

高地應力軟巖對隧道施工的最主要影響就是存在較大擠出位移，導致掌子面的不穩定，作為開挖坑道不斷向前推進的工作面，其開挖途徑都是事先預制好的，具有很強的科學性。但是在高地應力軟土地基中，由于各種外在因素的影響，相關人員在進行作業的過程中就需要不斷地進行調整，而且受到外力影響出現很大的縱向擠出位移。這導致施工結果出現很大的偏差，無法按照預期規定進行作業，不僅影響施工進度及效率，還會在很大程度上影響工程質量，存在很大的安全隱患[2]。而且對于一些規模較大的隧道工程來說，由于高地應力及軟巖對工程的影響范圍較廣，涉及隧道開挖的整個流程，相關人員很難對變形進行有效控制，容易引發失穩滑塌等事故。

2.1.2" 變形量較大

實際的施工過程中，在高地應力及軟巖環境影響下的隧道變形還存在變形量較大的問題，而且隨著地應力的增長而不斷擴大，很大程度上制約隧道施工的順利進行。現階段的高地應力軟巖隧道變形一般為塑性變形，主要表現為拱頂下沉，而且下沉量較大，很大程度上影響相關作業的開展。而且也正是由于下沉量較大，一般的支護方式效果有限，很難對其進行治理。

2.1.3" 變形速度較快

在高地應力及軟巖的影響之下，隧道的變形速度較快，一旦隧道工程出現變形狀況，就會迅速擴大，在隧道中擴散開來，尤其是在隧道初建時期，變形蔓延的速度十分驚人，給相關人員的治理帶來很大的難題。雖然這種快速的變形狀態會在20 d以后有所降低，但是變形仍在繼續，依舊會對隧道產生影響。

2.1.4" 變形持續時間較長

相較于傳統的硬質巖土來說，軟巖的強度較低而且流動性和變動性很強，在隧道開挖作業中，挖掘會破壞原有的巖土結構，導致軟巖產生變動，圍巖內部應力重分布與實際變形維持時間較長，這與施工產生的擾動存在直接的聯系。而且即便是挖掘結束之后，軟巖的流動依舊未得到遏制，甚至出現加速變形等狀況，很大程度上影響隧道的質量。所以在實際的發展過程中，高地應力軟巖施工的變形會持續較長的時間，對隧道產生長久的影響。

2.2" 變形破壞的特點

實際的發展過程中，要想實現對變形的遏制，施工人員還需要對變形的破壞進行研究與分析，并且在實際的發展過程中找出科學的解決方法，以減輕變形造成的破壞。而現階段變形破壞的特點主要有以下幾個方面。

2.2.1" 破壞復雜多樣

實際的發展過程中，地應力的形式十分多樣化而且方向各不相同，再加上周圍的圍巖也存在一定的差異，支護環節初期的受力狀況十分不均勻，就導致其破壞形式復雜多樣。在隧道建設的初期階段，該環節的變形破壞主要為拱頂下沉，不僅導致隧道頂部高度降低，下降的拱頂還會對周圍的支撐邊墻產生很大的壓力，邊墻受到強烈擠壓，噴漿支護段均出現不同程度的扭曲變形現象，局部鋼架變形嚴重。而在整個隧道的施工階段，變形產生的破壞主要集中在隧道位移環節，軟巖的流動性會導致隧道發生水平方向上的偏移，對整個隧道產生破壞，而且還會影響隧道的路線，產生很大的安全隱患。

2.2.2" 破壞范圍較大

隧道洞周塑性區較硬巖塑性區大，就導致實際破壞范圍更大，其深度一般在6 m左右，如果相關人員的支護不當或不及時，破壞范圍將明顯增大，造成更加強烈的破壞。而且現有的常規錨桿的長度很難到達原巖深度，就導致支護效果非常有限，這也是造成支護失效破壞的主要原因。所以，相關人員還需要加強對破壞范圍的重視，解決環節綜合考慮，整體上進行解決。

2.2.3" 二次襯砌破壞

隧道施工為了進一步保證隧道的質量，一般會進行二次襯砌，但是在高地應力及軟巖的影響之下，隧道的應力來自多個方向，就導致隧道出現多個方向上的裂縫，進而導致部分襯砌表面存在剝落、鋼筋變形等情況，嚴重影響二次襯砌功能的發揮，制約隧道的建設。

3" 高地應力軟巖隧道變形的原因

實際的隧道施工中，要想保證隧道質量，對存在的變形進行治理，關鍵還在于變形原因的掌握，只有知曉變形產生的原因才能夠對其進行針對性解決，保證隧道的質量。首先是支護方面的問題，現有的加長錨桿方法、側壁導坑方法對于軟巖變形來說效果有限，不能夠對圍巖的變形進行控制，在很大程度上影響變形的治理，需要相關人員加強對其的重視。其次是地質結構的影響。部分隧道的地質結構較為特殊隧道進口段和斷裂帶相交，在隧道開挖環節，構造產生的殘余應力都在短時間內釋放，就導致隧道開挖初期的大變形。而且部分地區的巖層為強風化或全風化炭質千枚巖或風化土，這類巖層巖面光滑，膠結性差，巖體抗壓強度不足，再加上絹云母的存在，就導致巖土表面光滑，抗剪能力差，遇水就會軟化，承載能力低下，嚴重影響隧道的建設。而且由于隧道會穿過山體，一些滑坡體也會導致隧道的變形。滑坡體滑動的方向會對隧道的偏移產生牽引，引起隧道變形，這也是隧道質量問題的關鍵因素。然后是外界因素的影響。隧道是交通設施的一種，在城市化進程發展、人民生活水平不斷提升的今天，需要承載大量的車流量，車輛的動載也有可能影響到隧道的穩定，再加上惡劣天氣及地形的影響，也會導致隧道變形[3]。最后就是施工技術方面的問題。現階段的施工技術還存在一些不足，一定程度上影響隧道的質量。

4" 高地應力軟巖隧道變形控制設計與施工技術

4.1" 預留變形量

隧道施工的過程中提前預留適當的變形量可以防止支護被侵占的狀況，一定程度上降低變形量，而且充足地預留變形量還可以在支護初期產生一定的位移，從而對軟巖中的應力進行排泄，避免應力對隧道的影響。此外，該縮減會在很大程度上作用到二次襯砌環節，增強其荷載能力，從而在實際的施工過程中對相關作業進行保證。而實踐過程中，如果相關人員忽視了對預留變形量的重視，在二次襯砌環節就會出現襯砌不夠厚等狀況，嚴重影響其荷載能力，從而在隧道施工環節產生安全隱患。這就要求相關人員在施工過程中需要結合實際情況，根據當地的隧道變形特點及圍巖分布狀況將局部地段的變形預留控制在合理范疇之內，以解決施工過程中存在的支護侵限難題。這樣才能夠緩解后續作業中隧道承受的壓力，很大程度上保證隧道結構的穩定性及可靠性。隧道施工流程如圖1所示。

4.2" 優化施工方式

根據高地應力軟巖隧道變形的產生原因可知，現階段的施工方式會對隧道產生很大的影響，隧道變形和施工方法的選擇密切相關，所以實際的施工過程中，需要相關人員加強對施工方式的重視，結合當地實際合理選擇作業方法。首先，施工人員需要遵循快速作業的主張，在實際的作業過程中將變形控制的重點放在“快”上，具體體現在“快挖、快支及快封閉”等環節，并且通過施工方式的優化和調整來實現。實際作業環節，快挖是指盡可能地加快挖掘速度，縮減施工周期，從而減少開挖環節對原有地質產生的影響。快支則是指支護環節的快速性，相關人員需要在開挖之后的第一時間進行支護作業，對巖面進行封閉，從而實現對原有巖層的保護，避免其和外界接觸產生性質變化。快封閉則是指確保各支護結構充分發揮最佳效用。相關研究表明，支護結構的快速閉環可以對隧道的受力條件進行改善，增強其抵抗能力，從而規避隧道變形[4]。所以作業環節，相關人員可以采用微臺階法等技術手段進行建設，在減少封閉時間的基礎上加快支護成環的速度，盡可能地保證隧道質量。

4.3" 加強對二次襯砌的重視，提升支護剛度

現有的隧道施工一般秉持“強化初期支護強度，嚴禁拆換”的基本原則開展施工作業，所以其支護體系一般為大規模鋼架與噴漿綜合支護體系。但是在實際的發展過程中，由于部分隧道的變形破壞范圍較大，再加上存在軸向水平擠壓應力超過了橫向水平擠壓應力的情況，很可能出現支護能力不足的狀況，很大程度上影響隧道的質量。在此背景下，就需要相關人員加強對二次襯砌的重視，并且提升支護的強度。一方面，施工人員需要加強鋼架縱向結構的銜接，然后結合隧道的特點在鋼架之間增加縱向的連接鋼架，增強支護的強度，避免隧道變形。另一方面，鑒于現階段高地應力軟巖隧道變形程度大及周期長的特點，現階段的隧道變形控制很難在短時間內取得成效，再加上軟巖地基的流動性時間較長，隧道一般需要2～3 a的時間才能夠穩定，很大程度上影響治理作業的進行。在此基礎上，相關人員就需要加強對二次襯砌的重視，通過剛強結構的澆筑來抵抗變形帶來的壓力，確保隧道結構和圍巖的穩定性。所以，二次襯砌就成為控制隧道變形最為經濟和有效的施工技術之一，需要相關人員加強對其的重視[5]。二次襯砌技術應用流程如圖2所示。

4.4" 超前預報，改善作業方式

隨著科學技術的發展，現階段高地應力及軟巖都可以借助先進設備進行調查，在了解其具體性質的基礎上進行合理調整，以規避其影響。所以在實際的施工環節，相關人員需要加強事前的調查，進行超前預報，借助超前預報，作業人員就能夠提前判斷出前方地質情況，預測隧道開挖前方的地質變形發展趨勢，再結合以往施工經驗，給出相應的控制方案。一方面是修正隧道的形狀，直邊墻對于壓力的承受能力較低，更容易發生形變，所以實際的作業環節，就需要將直邊墻改變為曲面墻，將受力進行分散，減少集中受力現象，避免隧道變形狀況的發生。另一方面，作業人員還需要采用先柔后剛的作業流程，將支護結構設計成由鋼筋網噴混凝土、鋼架等構成的柔性結構，提升其適應能力，然后將二次襯砌設計成剛性地模注混凝土，增強隧道的抵抗能力，這樣才能夠保證隧道的質量[6]。

5" 結束語

現階段社會的發展過程中，隧道作為重要的交通設施，承擔重要的功能，但是由于其需要穿越山體或者土層，技術性很強，也更容易受到外界因素的影響。部分地區的高地應力及軟巖會導致隧道變形，很大程度上影響隧道質量。在此基礎上，就需要施工人員加強對隧道變形的重視程度，結合變形的原因及危害，然后通過預留變形量、優化施工方式、加強二次襯砌及超前預報等方式，規避可能存在的隧道變形狀況。

參考文獻：

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