高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

摘" 要：在現(xiàn)階段社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，出于城市化進(jìn)程的需要，社會(huì)對(duì)于交通出行的需求也不斷提升，由此推動(dòng)交通事業(yè)的發(fā)展。隧道作為常見(jiàn)的交通設(shè)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(huán)境中，還可能出現(xiàn)隧道變形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。尤其是在高地應(yīng)力狀態(tài)下的軟巖隧道施工環(huán)節(jié)，隧道變形狀況屢見(jiàn)不鮮，已經(jīng)嚴(yán)重影響交通事業(yè)的發(fā)展。在高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)與施工中，工作人員需要通過(guò)采取預(yù)留變形量、合理的初期支護(hù)、可靠的開(kāi)挖工法、關(guān)鍵部位錨注加強(qiáng)和動(dòng)態(tài)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)等5項(xiàng)技術(shù)措施，有效控制大變形的發(fā)生。該文就從高地應(yīng)力軟巖隧道施工入手，分析隧道變形控制及施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；軟巖；隧道變形；控制設(shè)計(jì)；施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(huán)節(jié)常見(jiàn)的設(shè)施，主要是為了穿越阻礙而設(shè)計(jì)的交通設(shè)施。相較于其他的交通設(shè)施來(lái)說(shuō)，隧道施工的技術(shù)性更強(qiáng)，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(huán)境的影響。在現(xiàn)階段高地應(yīng)力環(huán)境下的軟巖隧道施工過(guò)程中，就很容易出現(xiàn)隧道變形等問(wèn)題，造成嚴(yán)重的安全隱患。所以在現(xiàn)階段隧道的施工過(guò)程中，相關(guān)人員就需要加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的重視，研究高地應(yīng)力及軟巖可能會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生的不良影響，然后結(jié)合實(shí)際進(jìn)行治理。然而隧道施工本身較為復(fù)雜，再加上軟巖及高地應(yīng)力的影響，就進(jìn)一步增加軟巖地基的施工難度，不利于隧道質(zhì)量的保證。所以，在實(shí)際的工作過(guò)程中，還需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)高地應(yīng)力及軟巖等巖體的重視，深入研究其對(duì)隧道施工產(chǎn)生的影響，然后找出合理的方法進(jìn)行解決。

1" 高地應(yīng)力軟巖隧道變形概述

地球已經(jīng)經(jīng)歷了上億年的演變，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力也被稱之為地應(yīng)力，是地殼應(yīng)力的統(tǒng)稱。具體是指存在于地殼中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力。通常狀態(tài)下，地殼內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，由于所處的構(gòu)造部位和地理位置不同，各處的應(yīng)力增加的梯度也不相同。高地應(yīng)力就是指地應(yīng)力較高的地區(qū)及環(huán)境，會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生很大的影響，其中高地應(yīng)力對(duì)隧道工程造成的最典型災(zāi)害為洞室大變形。這是一種發(fā)生于軟巖巖體中的高地應(yīng)力問(wèn)題，會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生很大的影響[1]。軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，其存在特性方面的差異及產(chǎn)生顯著塑性變形的機(jī)理。而隧道作為埋藏在地層內(nèi)的工程建筑物，其就會(huì)受到地應(yīng)力及軟巖的影響，產(chǎn)生各種質(zhì)量問(wèn)題，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)其的重視。

2" 高地應(yīng)力軟巖隧道變形特點(diǎn)及破壞的特點(diǎn)

在現(xiàn)階段建筑事業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，由于高地應(yīng)力及軟巖等外界因素的影響，隧道的施工往往會(huì)出現(xiàn)大變形地質(zhì)災(zāi)害，給工程的安全施工和建設(shè)管理帶來(lái)極大的困難。所以在實(shí)際的施工環(huán)節(jié)，相關(guān)人員就需要加強(qiáng)對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道變形的重視，從其變形體特點(diǎn)及破壞特點(diǎn)入手，找出科學(xué)合理的解決措施，以保證隧道施工的質(zhì)量。

2.1" 高地應(yīng)力軟巖隧道變形特征

2.1.1" 掌子面不穩(wěn)定

高地應(yīng)力軟巖對(duì)隧道施工的最主要影響就是存在較大擠出位移，導(dǎo)致掌子面的不穩(wěn)定，作為開(kāi)挖坑道不斷向前推進(jìn)的工作面，其開(kāi)挖途徑都是事先預(yù)制好的，具有很強(qiáng)的科學(xué)性。但是在高地應(yīng)力軟土地基中，由于各種外在因素的影響，相關(guān)人員在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中就需要不斷地進(jìn)行調(diào)整，而且受到外力影響出現(xiàn)很大的縱向擠出位移。這導(dǎo)致施工結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差，無(wú)法按照預(yù)期規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，不僅影響施工進(jìn)度及效率，還會(huì)在很大程度上影響工程質(zhì)量，存在很大的安全隱患[2]。而且對(duì)于一些規(guī)模較大的隧道工程來(lái)說(shuō)，由于高地應(yīng)力及軟巖對(duì)工程的影響范圍較廣，涉及隧道開(kāi)挖的整個(gè)流程，相關(guān)人員很難對(duì)變形進(jìn)行有效控制，容易引發(fā)失穩(wěn)滑塌等事故。

2.1.2" 變形量較大

實(shí)際的施工過(guò)程中，在高地應(yīng)力及軟巖環(huán)境影響下的隧道變形還存在變形量較大的問(wèn)題，而且隨著地應(yīng)力的增長(zhǎng)而不斷擴(kuò)大，很大程度上制約隧道施工的順利進(jìn)行。現(xiàn)階段的高地應(yīng)力軟巖隧道變形一般為塑性變形，主要表現(xiàn)為拱頂下沉，而且下沉量較大，很大程度上影響相關(guān)作業(yè)的開(kāi)展。而且也正是由于下沉量較大，一般的支護(hù)方式效果有限，很難對(duì)其進(jìn)行治理。

2.1.3" 變形速度較快

在高地應(yīng)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(xiàn)變形狀況，就會(huì)迅速擴(kuò)大，在隧道中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，尤其是在隧道初建時(shí)期，變形蔓延的速度十分驚人，給相關(guān)人員的治理帶來(lái)很大的難題。雖然這種快速的變形狀態(tài)會(huì)在20 d以后有所降低，但是變形仍在繼續(xù)，依舊會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生影響。

2.1.4" 變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)

相較于傳統(tǒng)的硬質(zhì)巖土來(lái)說(shuō)，軟巖的強(qiáng)度較低而且流動(dòng)性和變動(dòng)性很強(qiáng)，在隧道開(kāi)挖作業(yè)中，挖掘會(huì)破壞原有的巖土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軟巖產(chǎn)生變動(dòng)，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重分布與實(shí)際變形維持時(shí)間較長(zhǎng)，這與施工產(chǎn)生的擾動(dòng)存在直接的聯(lián)系。而且即便是挖掘結(jié)束之后，軟巖的流動(dòng)依舊未得到遏制，甚至出現(xiàn)加速變形等狀況，很大程度上影響隧道的質(zhì)量。所以在實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中，高地應(yīng)力軟巖施工的變形會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)隧道產(chǎn)生長(zhǎng)久的影響。

2.2" 變形破壞的特點(diǎn)

實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的遏制，施工人員還需要對(duì)變形的破壞進(jìn)行研究與分析，并且在實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中找出科學(xué)的解決方法，以減輕變形造成的破壞。而現(xiàn)階段變形破壞的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

2.2.1" 破壞復(fù)雜多樣

實(shí)際的發(fā)展過(guò)程中，地應(yīng)力的形式十分多樣化而且方向各不相同，再加上周?chē)膰鷰r也存在一定的差異，支護(hù)環(huán)節(jié)初期的受力狀況十分不均勻，就導(dǎo)致其破壞形式復(fù)雜多樣。在隧道建設(shè)的初期階段，該環(huán)節(jié)的變形破壞主要為拱頂下沉，不僅導(dǎo)致隧道頂部高度降低，下降的拱頂還會(huì)對(duì)周?chē)闹芜厜Ξa(chǎn)生很大的壓力，邊墻受到強(qiáng)烈擠壓，噴漿支護(hù)段均出現(xiàn)不同程度的扭曲變形現(xiàn)象，局部鋼架變形嚴(yán)重。而在整個(gè)隧道的施工階段，變形產(chǎn)生的破壞主要集中在隧道位移環(huán)節(jié)，軟巖的流動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生水平方向上的偏移，對(duì)整個(gè)隧道產(chǎn)生破壞，而且還會(huì)影響隧道的路線，產(chǎn)生很大的安全隱患。

2.2.2" 破壞范圍較大

隧道洞周塑性區(qū)較硬巖塑性區(qū)大，就導(dǎo)致實(shí)際破壞范圍更大，其深度一般在6 m左右，如果相關(guān)人員的支護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，破壞范圍將明顯增大，造成更加強(qiáng)烈的破壞。而且現(xiàn)有的常規(guī)錨桿的長(zhǎng)度很難到達(dá)原巖深度，就導(dǎo)致支護(hù)效果非常有限，這也是造成支護(hù)失效破壞的主要原因。所以，相關(guān)人員還需要加強(qiáng)對(duì)破壞范圍的重視，解決環(huán)節(jié)綜合考慮，整體上進(jìn)行解決。

2.2.3" 二次襯砌破壞

隧道施工為了進(jìn)一步保證隧道的質(zhì)量，一般會(huì)進(jìn)行二次襯砌，但是在高地應(yīng)力及軟巖的影響之下，隧道的應(yīng)力來(lái)自多個(gè)方向，就導(dǎo)致隧道出現(xiàn)多個(gè)方向上的裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致部分襯砌表面存在剝落、鋼筋變形等情況，嚴(yán)重影響二次襯砌功能的發(fā)揮，制約隧道的建設(shè)。

3" 高地應(yīng)力軟巖隧道變形的原因

實(shí)際的隧道施工中，要想保證隧道質(zhì)量，對(duì)存在的變形進(jìn)行治理，關(guān)鍵還在于變形原因的掌握，只有知曉變形產(chǎn)生的原因才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行針對(duì)性解決，保證隧道的質(zhì)量。首先是支護(hù)方面的問(wèn)題，現(xiàn)有的加長(zhǎng)錨桿方法、側(cè)壁導(dǎo)坑方法對(duì)于軟巖變形來(lái)說(shuō)效果有限，不能夠?qū)鷰r的變形進(jìn)行控制，在很大程度上影響變形的治理，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)其的重視。其次是地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。部分隧道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為特殊隧道進(jìn)口段和斷裂帶相交，在隧道開(kāi)挖環(huán)節(jié)，構(gòu)造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都在短時(shí)間內(nèi)釋放，就導(dǎo)致隧道開(kāi)挖初期的大變形。而且部分地區(qū)的巖層為強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖或風(fēng)化土，這類(lèi)巖層巖面光滑，膠結(jié)性差，巖體抗壓強(qiáng)度不足，再加上絹云母的存在，就導(dǎo)致巖土表面光滑，抗剪能力差，遇水就會(huì)軟化，承載能力低下，嚴(yán)重影響隧道的建設(shè)。而且由于隧道會(huì)穿過(guò)山體，一些滑坡體也會(huì)導(dǎo)致隧道的變形。滑坡體滑動(dòng)的方向會(huì)對(duì)隧道的偏移產(chǎn)生牽引，引起隧道變形，這也是隧道質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵因素。然后是外界因素的影響。隧道是交通設(shè)施的一種，在城市化進(jìn)程發(fā)展、人民生活水平不斷提升的今天，需要承載大量的車(chē)流量，車(chē)輛的動(dòng)載也有可能影響到隧道的穩(wěn)定，再加上惡劣天氣及地形的影響，也會(huì)導(dǎo)致隧道變形[3]。最后就是施工技術(shù)方面的問(wèn)題。現(xiàn)階段的施工技術(shù)還存在一些不足，一定程度上影響隧道的質(zhì)量。

4" 高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

4.1" 預(yù)留變形量

隧道施工的過(guò)程中提前預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟靠梢苑乐怪ёo(hù)被侵占的狀況，一定程度上降低變形量，而且充足地預(yù)留變形量還可以在支護(hù)初期產(chǎn)生一定的位移，從而對(duì)軟巖中的應(yīng)力進(jìn)行排泄，避免應(yīng)力對(duì)隧道的影響。此外，該縮減會(huì)在很大程度上作用到二次襯砌環(huán)節(jié)，增強(qiáng)其荷載能力，從而在實(shí)際的施工過(guò)程中對(duì)相關(guān)作業(yè)進(jìn)行保證。而實(shí)踐過(guò)程中，如果相關(guān)人員忽視了對(duì)預(yù)留變形量的重視，在二次襯砌環(huán)節(jié)就會(huì)出現(xiàn)襯砌不夠厚等狀況，嚴(yán)重影響其荷載能力，從而在隧道施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生安全隱患。這就要求相關(guān)人員在施工過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃淼雷冃翁攸c(diǎn)及圍巖分布狀況將局部地段的變形預(yù)留控制在合理范疇之內(nèi)，以解決施工過(guò)程中存在的支護(hù)侵限難題。這樣才能夠緩解后續(xù)作業(yè)中隧道承受的壓力，很大程度上保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性。隧道施工流程如圖1所示。

4.2" 優(yōu)化施工方式

根據(jù)高地應(yīng)力軟巖隧道變形的產(chǎn)生原因可知，現(xiàn)階段的施工方式會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生很大的影響，隧道變形和施工方法的選擇密切相關(guān)，所以實(shí)際的施工過(guò)程中，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)施工方式的重視，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際合理選擇作業(yè)方法。首先，施工人員需要遵循快速作業(yè)的主張，在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中將變形控制的重點(diǎn)放在“快”上，具體體現(xiàn)在“快挖、快支及快封閉”等環(huán)節(jié)，并且通過(guò)施工方式的優(yōu)化和調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，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(kāi)挖環(huán)節(jié)對(duì)原有地質(zhì)產(chǎn)生的影響。快支則是指支護(hù)環(huán)節(jié)的快速性，相關(guān)人員需要在開(kāi)挖之后的第一時(shí)間進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，對(duì)巖面進(jìn)行封閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原有巖層的保護(hù)，避免其和外界接觸產(chǎn)生性質(zhì)變化。快封閉則是指確保各支護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮最佳效用。相關(guān)研究表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的快速閉環(huán)可以對(duì)隧道的受力條件進(jìn)行改善，增強(qiáng)其抵抗能力，從而規(guī)避隧道變形[4]。所以作業(yè)環(huán)節(jié)，相關(guān)人員可以采用微臺(tái)階法等技術(shù)手段進(jìn)行建設(shè)，在減少封閉時(shí)間的基礎(chǔ)上加快支護(hù)成環(huán)的速度，盡可能地保證隧道質(zhì)量。

4.3" 加強(qiáng)對(duì)二次襯砌的重視，提升支護(hù)剛度

現(xiàn)有的隧道施工一般秉持“強(qiáng)化初期支護(hù)強(qiáng)度，嚴(yán)禁拆換”的基本原則開(kāi)展施工作業(yè)，所以其支護(hù)體系一般為大規(guī)模鋼架與噴漿綜合支護(hù)體系。但是在實(shí)際的發(fā)展過(guò)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(yīng)力超過(guò)了橫向水平擠壓應(yīng)力的情況，很可能出現(xiàn)支護(hù)能力不足的狀況，很大程度上影響隧道的質(zhì)量。在此背景下，就需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)二次襯砌的重視，并且提升支護(hù)的強(qiáng)度。一方面，施工人員需要加強(qiáng)鋼架縱向結(jié)構(gòu)的銜接，然后結(jié)合隧道的特點(diǎn)在鋼架之間增加縱向的連接鋼架，增強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，避免隧道變形。另一方面，鑒于現(xiàn)階段高地應(yīng)力軟巖隧道變形程度大及周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，現(xiàn)階段的隧道變形控制很難在短時(shí)間內(nèi)取得成效，再加上軟巖地基的流動(dòng)性時(shí)間較長(zhǎng)，隧道一般需要2～3 a的時(shí)間才能夠穩(wěn)定，很大程度上影響治理作業(yè)的進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員就需要加強(qiáng)對(duì)二次襯砌的重視，通過(guò)剛強(qiáng)結(jié)構(gòu)的澆筑來(lái)抵抗變形帶來(lái)的壓力，確保隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性。所以，二次襯砌就成為控制隧道變形最為經(jīng)濟(jì)和有效的施工技術(shù)之一，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)其的重視[5]。二次襯砌技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。

4.4" 超前預(yù)報(bào)，改善作業(yè)方式

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段高地應(yīng)力及軟巖都可以借助先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)查，在了解其具體性質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理調(diào)整，以規(guī)避其影響。所以在實(shí)際的施工環(huán)節(jié)，相關(guān)人員需要加強(qiáng)事前的調(diào)查，進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，借助超前預(yù)報(bào)，作業(yè)人員就能夠提前判斷出前方地質(zhì)情況，預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖前方的地質(zhì)變形發(fā)展趨勢(shì)，再結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，給出相應(yīng)的控制方案。一方面是修正隧道的形狀，直邊墻對(duì)于壓力的承受能力較低，更容易發(fā)生形變，所以實(shí)際的作業(yè)環(huán)節(jié)，就需要將直邊墻改變?yōu)榍鎵Γ瑢⑹芰M(jìn)行分散，減少集中受力現(xiàn)象，避免隧道變形狀況的發(fā)生。另一方面，作業(yè)人員還需要采用先柔后剛的作業(yè)流程，將支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成由鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼架等構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)，提升其適應(yīng)能力，然后將二次襯砌設(shè)計(jì)成剛性地模注混凝土，增強(qiáng)隧道的抵抗能力，這樣才能夠保證隧道的質(zhì)量[6]。

5" 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，隧道作為重要的交通設(shè)施，承擔(dān)重要的功能，但是由于其需要穿越山體或者土層，技術(shù)性很強(qiáng)，也更容易受到外界因素的影響。部分地區(qū)的高地應(yīng)力及軟巖會(huì)導(dǎo)致隧道變形，很大程度上影響隧道質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，就需要施工人員加強(qiáng)對(duì)隧道變形的重視程度，結(jié)合變形的原因及危害，然后通過(guò)預(yù)留變形量、優(yōu)化施工方式、加強(qiáng)二次襯砌及超前預(yù)報(bào)等方式，規(guī)避可能存在的隧道變形狀況。

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