隧道高地应力特点分析及处理建议

韦 猛，童 源，李劲锋

（成都理工大学，四川 成都 610059）

相关研究表明，不同的国家对高地应力的定义存在差异[1]。高地应力不等于水平地应力，且比垂直地应力大，高地应力属于地质学的范畴，指的是岩石抗压强度和地应力之间的比值。高地应力对隧道工程造成的灾害非常严重，以硬脆性岩体为例，岩爆对软岩的影响主要表现为洞室大变形。笔者根据多年的隧道工程施工经验，发现隧道高地应力易影响隧道施工的进度、质量及安全，此类隧道的构造应力易导致隧道受到挤压，进一步产生大变形。因此，在高地应力隧道施工期间，落实有针对性的处理技术非常关键。通常情况下，高地应力隧道施工过程中需控制好工程的进度，保证工程能够顺利完工；同时，对隧道大变形地段，需加强施工监管，落实现代化科学施工技术，确保整体隧道施工的质量及安全。因此，文章围绕隧道高地应力的特点及处理建议进行分析研究具备一定的价值意义。

1 隧道工程项目实况

某隧道工程为国内某高速公路当中的一段区域，其左线长度为3163m，右线长为3177m，归类为大隧道类型。值得注意的是，此隧道所处区域的地形起伏较大，最大深埋约为1848m。同时，受到隧道区域构造作用的影响，出现了断裂及类型类似的褶皱现象。从该隧道的地层岩性分析，大部分为炭质叶岩、深灰泥质灰岩（薄或者中厚层状）、片麻岩等，同时掺杂大量的层状煤线、薄煤层以及黑色的薄层炭质型泥岩，并且呈现可溶性碳酸盐岩（岩溶）的发育现象。由于受到围岩特殊性的影响，其稳定性及整体性不够理想。在隧道施工期间，穿越高地应力大变形地段累计大概为1600m。除此之外，施工期间围岩曾经发生过坍塌，初期支护地段发生若干次变形现象，拱顶有明显的下沉情况，显然这会对隧道施工造成不便。对于该隧道工程项目的高地应力情况，需分析其特点，进一步采取有效处理对策，确保施工的质量及安全。

2 隧道高地应力的特点

分析该工程隧道高地应力特点，主要从两个方面进行：一是高地应力隧道变形特点；二是隧道高应力区域施工稳定性特点。

2.1 高地应力隧道变形特点

从该隧道工程的原设计方案来看，对隧道高地应力部分的认识及预测均存在很大程度的偏差，因此隧道施工有塌方情况发生。拱部塌腔部分在开挖作业进行过程中逐步朝前延伸，且因隧道拱顶压力偏高，初期支护的作用丧失[2]。对于这些状况，通过对其高地应力隧道变形进行分析，得出以下特点。

（1）变形情况严峻，并且收敛呈现增长缓慢的趋势，缺乏稳定性。

（2）隧道大变形并非于埋深700m时出现，而是在其上覆掩体大概200～300m出现。

（3）施工期间，原设计支护方式难以满足施工标准要求。由于低应力偏高，隧道拱部受到了很大程度的挤压，受损严重，进一步导致支护严重变形情况加剧。同时，左侧拱腰部分出现明显的挤压变形情况，工字钢拱架屈服情况明显，并且产生了较大程度的变形[3]。

（4）在隧道施工过程中，实地测量数据显示隧道基于埋深部分只有300～500m便发生了很大的变形问题，且变形情况严重。经判断，排除垂直应力因素影响，为高地应力所致。

2.2 隧道高应力区域施工稳定性特点

对该隧道工程高地应力区域施工的稳定性进行分析时，在具体分析过程中选择适宜的数值分析模型，然后选取隧道施工的某地段，对该地段的变形破坏特点进行分析，通过数值模拟分析，为后续施工提供客观、科学的参考依据。值得注意的是，在数值模拟分析过程中，需将可以真实反映施工过程的情况进行假定及简化处理。

（1）开挖过程荷载释放分析。在此环节模拟过程中，首先采取有限元法将开挖面边界位置的各结点荷载计算出来，进一步将开挖释放相同的结点力反加至开挖边界，有效构建空单元，完成开挖过程模拟[4]。值得注意的是，考虑到空单元代替开挖单元时发生刚度矩阵病态，需赋予已挖去结点零位移，并于总刚度方程当中将和这些结点相对应的方程消除。

（2）模拟支护过程分析。因支护工程与地下工程开挖作业交替进行及分期进行，所以在对数值进行分析期间对此类过程进行模拟必不可少。在对整体施工程序进行考量之后，再进一步划分隧道内部单元，并确保所有浇注和开挖区域的边线均为所处单元边线，不可在单元内部进行。通常条件下，支护过程模拟较为简单，就是在开挖之后相应的规定分区范围内，重新赋予支护部分中相对应的空单元衬砌材料的参数，进一步完成相对应的计算[5]。以结果为依据进行分析，对比围岩的应力及变形情况，然后合理调整支护方案及开挖方案，为最终最优化的施工方案确定提供凭据。

3 隧道高地应力危害的相关处理建议

通过对该隧道工程高地应力所致的变形特点进行分析，同时对其数值模拟进行分析，初步明确了隧道变形的原因，为因高地应力所诱发的破坏。利用应力解除法对高地应力的具体数值进行测量，结果显示隧道工程的岩体处于三向不相等压应力场中，进一步得出最小主应力、中间主应力以及最大主应力数值。针对此类状况，通过分析探究提出了相关处理建议，具体如下。

3.1 合理设计支护参数

设计支护参数需先对支护过程进行模拟。在支护参数设计期间，需详细记录支护信息，为施工应用提供客观、科学的依据，并且需确保支护参数中每一项数据的误差处于可控范围。如此，才能有效预防、控制施工期间的风险事件。总之，从后期支护施工质量提升角度考虑，前期需合理设计支护参数。

3.2 控制二次衬砌施工质量

一般条件下，围岩测量稳定之后，需进行二次衬砌作业。但是，由于软岩高地应力变形过程缓慢，就算测量数据十分稳定，地应力也还是在缓慢不断地朝支护施加影响，因此有必要增强初期支护的强度，并增加其厚度及刚度。此外，还有必要增加二次衬砌的厚度及强度，落实钢筋混凝土施工处理方式，并结合具体的测量结果及工程的具体状况。倘若有地质异常状况出现，需及时进行二次衬砌作业，保障施工作业能顺利、有序进行[6]。总之，需控制二次衬砌施工的质量，进一步确保整体施工质量及安全性的提升。

3.3 加强仰拱施工质量控制

在隧道工程施工过程中，仰拱施工是非常重要的一个环节。在高地应力区域需以其围岩与监控测量的实际状态及时进行仰拱施工作业，并将矮边墙设置好，有效形成闭合环。在开发仰拱混凝土施工过程中，需采取支墩式的栈桥抗干扰仰拱施工方法，使仰拱全断面施工作业有序进行，避免产生纵向施工缝，进一步保证仰拱施工的整体质量。

3.4 加强支护环节质量控制

为了有效提升该隧道工程的支护作业质量，有必要加强支护环节的质量控制。具体措施如下。

（1）在超前支护过程中，加强对软弱岩体段的预处理，确保开挖之后的隧道松动圈发展得到合理科学的控制。

（2）通过柔性支护方式使围岩有限变形被有效吸收，进一步实施超常规刚性支护体系，使另外的挤压变形得到有效预防控制。

（3）在初期支护过程中，使用钢纤维混凝土取代喷射混凝土，提升支护抗剪切能力，增强结构的强度。

（4）合理预留沉降变形量，以使残余的变形外力被有效吸收，避免初期支护侵限诱发的衬砌厚度不足问题。

总之，需加强支护环节的质量控制，确保隧道高地应力问题得到有效解决，进一步提高隧道全过程施工的质量安全。

4 结束语

综上所述，高地应力的影响会增加隧道工程的施工难度，对其中构造应力诱发的破坏性挤压变形问题，需采取相应的施工措施予以解决。可通过合理设计支护参数、控制二次衬砌施工质量、加强仰拱施工质量及支护环节质量控制等措施，有效解决高地应力隧道变形问题，提高高地应力隧道施工的质量，保障施工安全。