高地应力软岩大变形机理及防治措施研究现状

摘 要：随着我国基础设施建设的不断发展，在各种复杂地质环境下修建的隧道会越来越多，特别是在围岩软弱，高地应力存在的隧道中。在这种隧道的施工期间，隧道周边支护结构受力不断增加，受力时间长，变形增大。最终导致支护结构变形破坏，严重影响正常施工。为了有效的给出防治措施，就必须先弄清楚高地应力下软岩大变形的机理。

关键词：高地应力;大变形机理;防治措施

1 引言

近年来，我国的经济建设取得了巨大的进步，基础设施的建设发展迅速。隧道的建设在我国的基础设施建设中有着举足轻重的地位。目前隧道建设过程中隧道埋深越来越大，初始应力越来越高。隧道周边也存在许多软弱围岩，软弱围岩一般认为是强度不高、表面风化严重、流变作用明显、破碎的具有这一类特质的岩石的总称。在这种环境下修建隧道时，流变大、位移大等问题不断涌现。基于这种情况，对其变形机理和防治措施研究成为了工程工作者的研究重点。

2 高地应力隧道大变形机理及防治措施研究

该怎么定义高地应力呢？陶振宇[1]认为高地应力环境是指上部岩体总的质量小于岩体水平应力分量时。目前对软岩的定义大致可以分为三种，分别是工程定义、指标化定义和描述性定义。何满潮根据软岩的塑性机理和强度变化特征，把软岩划分为了四种，分别是高应力软岩、膨胀性软岩、复合型软岩、节理化软岩。对于变形的产生，Terzaghi[2]根据大变形产生的原因将大变形划分为了两类。第一类是挤出变形。是指隧道开挖后岩体应力重新分布，造成部分岩体受力超过限制而产生变形。第二类是膨胀变形，指围岩中的一些膨胀性矿物质与水发生反应而变形破坏。除此之外，Anagnostou[3]认为大变形可以在任意岩层中产生，这是因为大变形主要取决于地应力的初始状态和岩层强度。

2.1 下面将列举二个例子分析高地应力软岩大变形机理及防治措施研究

2.1.1 榴桐寨隧道[4，5]

榴桐寨隧道是成都到兰州铁路线上一个必经隧道，它位于茂县与龙塘之间，修建时采取的是左线和又线分开修建的方案，其中左线和右线间距为30-40m。由于受到區域构造地质影响，各种地质问题如断层、褶皱层出不穷。岩体主要由破碎千枚岩和碳质千枚岩构成，极易破碎。岩层表现出极大的揉皱变形以及挤压破碎，岩体条件极差。

榴桐寨隧道的变形机理分析有多种：一是复杂的高地应力环境。测试结果显示段内最大主应力为水平应力在530～630m的深度即达到20MPa，并有随深度增加而增加的趋势。二是复杂多变的地质构造。位于地质构造带复合地段，各种地质构造发育。三是地层岩性环境极为复杂。榴桐寨隧道下伏基岩种类繁多，且极为容易破碎，节理裂隙发育，岩体强度低。

在这种难度的环境中施工，为确保安全，必须采取许多优化措施。一是断面形式的优化。普通铁路单线隧道断面轮廓为近圆形的蛋形断面，榴桐寨隧道变形主要受最大水平主应力影响。故优化断面轮廓为纯圆形。二是工法的优化。施工中在掌子面围岩稳定性较好的条件下，采用两台阶的施工方法，可有效防止安全事故。三是加固隧道周边围岩。从根源上减少围岩受到的挤压力，目前主要加固方式有：锚杆超前支护、超前注浆、打板桩等方式。

2.1.2 兰渝铁路两水隧道[6]

两水隧道在重庆到兰州铁路线上，地处甘肃省武都区，隧道设计为单洞双线，隧道较宽，隧道周边地质条件及其复杂，岩体较破碎。经过测试后发现，该隧道以水平地应力为主，周边地应力分布及其不均匀，属于极高地应力状态。在隧道施工过程中，由于受到高地应力与地质构造及周边地下水的同时作用，安全shengc 事故较多，隧道周边出现了挤压性大变形，支护结构开裂，对施工人员的安全和施工工期造成了较大的影响。

对隧道施工情况深入了解后发现，该隧道发生挤压性大变形的原因主要有两个，隧道周边存在软弱围岩以及极高的地应力。在隧道的施工过程中，周边围岩的原始应力平衡条件被破坏，应力发生重新分布，造成了周边大变形。该隧道主要采取了以下几个措施来保障安全。一是增大预留的变形量，主要目的是通过初期支护产生较大的位移来释放隧道周边的地应力，以此来保证在二次衬砌在施工后不被破坏。二是在施工过程中遵循"快挖、快支、快封闭"的原则，尽可能地在软岩产生较大位移前进行支护，可有效防止隧道坍塌的情况。三是支护结构要采取"多重支护"的原则，可采取分层支护和二次衬砌等防护措施。采取这些措施后，隧道的安全性得到极大提高。

3 结论

软岩大变形是一种逐步发展的缓慢变形。软弱围岩下的变形包含了弹塑性变形和粘弹塑性变形，变形有着随时间变化的特征。常常表现出以下特征：变形量大、变形速度快、变形持续时间较长，开挖后应力重新分布直至达到稳定状态可持续数月甚至几年。通过对各种情况下软弱围岩开挖隧道的变形特点、变形控制、破坏特点等进行了全面的分析和总结，对各种情况下软弱围岩开挖隧道的变形特点、变形控制、破坏特点等进行了全面的分析和总结，得到以下可用来防治施工过程中安全事故的发生的建议：1）主动加固。围岩加固采用的较多的方式有注浆，包括了周边注浆、全断面注浆、帷幕注浆等，在隧道周边形成加固区域，提高其承载力。2）刚柔结合。刚柔结合的意思是允许围岩产生变形，但应控制围岩的最大变形，即可以预留一定的变形量，但还应设置刚度较大的支护结构来控制围岩的最终变形。3）随时调整。在隧道的施工过程中，要随时根据隧道监测反馈回来的数据指导设计和施工，调整施工顺序或者改变施工方法。

参考文献

[1]陶振宇.岩体初始应力对地下工程的影响[J].武汉大学学报（工学版）， 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]张振国.榴桐寨隧道高地应力软岩大变形施工控制技术研究[J].科技创新导报，2017（2）：17-19.

[5]杨卫.榴桐寨隧道高地应力软岩大变形机理研究与施工措施应用分析[J].建筑技术开发，2019（46）：85-87.

[6]廖雄.高地应力软岩大跨变截面隧道施工变形机理及其控制技术研究[D].西南交通大学，2018.

作者简介

何欣（1994-），男，汉族，四川省营山县，硕士研究生，成都理工大学，结构工程。