隧道高地應(yīng)力特點(diǎn)分析及處理建議

韋 猛，童 源，李勁鋒

（成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

相關(guān)研究表明，不同的國(guó)家對(duì)高地應(yīng)力的定義存在差異[1]。高地應(yīng)力不等于水平地應(yīng)力，且比垂直地應(yīng)力大，高地應(yīng)力屬于地質(zhì)學(xué)的范疇，指的是巖石抗壓強(qiáng)度和地應(yīng)力之間的比值。高地應(yīng)力對(duì)隧道工程造成的災(zāi)害非常嚴(yán)重，以硬脆性巖體為例，巖爆對(duì)軟巖的影響主要表現(xiàn)為洞室大變形。筆者根據(jù)多年的隧道工程施工經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隧道高地應(yīng)力易影響隧道施工的進(jìn)度、質(zhì)量及安全，此類(lèi)隧道的構(gòu)造應(yīng)力易導(dǎo)致隧道受到擠壓，進(jìn)一步產(chǎn)生大變形。因此，在高地應(yīng)力隧道施工期間，落實(shí)有針對(duì)性的處理技術(shù)非常關(guān)鍵。通常情況下，高地應(yīng)力隧道施工過(guò)程中需控制好工程的進(jìn)度，保證工程能夠順利完工；同時(shí)，對(duì)隧道大變形地段，需加強(qiáng)施工監(jiān)管，落實(shí)現(xiàn)代化科學(xué)施工技術(shù)，確保整體隧道施工的質(zhì)量及安全。因此，文章圍繞隧道高地應(yīng)力的特點(diǎn)及處理建議進(jìn)行分析研究具備一定的價(jià)值意義。

1 隧道工程項(xiàng)目實(shí)況

某隧道工程為國(guó)內(nèi)某高速公路當(dāng)中的一段區(qū)域，其左線長(zhǎng)度為3163m，右線長(zhǎng)為3177m，歸類(lèi)為大隧道類(lèi)型。值得注意的是，此隧道所處區(qū)域的地形起伏較大，最大深埋約為1848m。同時(shí)，受到隧道區(qū)域構(gòu)造作用的影響，出現(xiàn)了斷裂及類(lèi)型類(lèi)似的褶皺現(xiàn)象。從該隧道的地層巖性分析，大部分為炭質(zhì)葉巖、深灰泥質(zhì)灰?guī)r（薄或者中厚層狀）、片麻巖等，同時(shí)摻雜大量的層狀煤線、薄煤層以及黑色的薄層炭質(zhì)型泥巖，并且呈現(xiàn)可溶性碳酸鹽巖（巖溶）的發(fā)育現(xiàn)象。由于受到圍巖特殊性的影響，其穩(wěn)定性及整體性不夠理想。在隧道施工期間，穿越高地應(yīng)力大變形地段累計(jì)大概為1600m。除此之外，施工期間圍巖曾經(jīng)發(fā)生過(guò)坍塌，初期支護(hù)地段發(fā)生若干次變形現(xiàn)象，拱頂有明顯的下沉情況，顯然這會(huì)對(duì)隧道施工造成不便。對(duì)于該隧道工程項(xiàng)目的高地應(yīng)力情況，需分析其特點(diǎn)，進(jìn)一步采取有效處理對(duì)策，確保施工的質(zhì)量及安全。

2 隧道高地應(yīng)力的特點(diǎn)

分析該工程隧道高地應(yīng)力特點(diǎn)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：一是高地應(yīng)力隧道變形特點(diǎn)；二是隧道高應(yīng)力區(qū)域施工穩(wěn)定性特點(diǎn)。

2.1 高地應(yīng)力隧道變形特點(diǎn)

從該隧道工程的原設(shè)計(jì)方案來(lái)看，對(duì)隧道高地應(yīng)力部分的認(rèn)識(shí)及預(yù)測(cè)均存在很大程度的偏差，因此隧道施工有塌方情況發(fā)生。拱部塌腔部分在開(kāi)挖作業(yè)進(jìn)行過(guò)程中逐步朝前延伸，且因隧道拱頂壓力偏高，初期支護(hù)的作用喪失[2]。對(duì)于這些狀況，通過(guò)對(duì)其高地應(yīng)力隧道變形進(jìn)行分析，得出以下特點(diǎn)。

（1）變形情況嚴(yán)峻，并且收斂呈現(xiàn)增長(zhǎng)緩慢的趨勢(shì)，缺乏穩(wěn)定性。

（2）隧道大變形并非于埋深700m時(shí)出現(xiàn)，而是在其上覆掩體大概200～300m出現(xiàn)。

（3）施工期間，原設(shè)計(jì)支護(hù)方式難以滿(mǎn)足施工標(biāo)準(zhǔn)要求。由于低應(yīng)力偏高，隧道拱部受到了很大程度的擠壓，受損嚴(yán)重，進(jìn)一步導(dǎo)致支護(hù)嚴(yán)重變形情況加劇。同時(shí)，左側(cè)拱腰部分出現(xiàn)明顯的擠壓變形情況，工字鋼拱架屈服情況明顯，并且產(chǎn)生了較大程度的變形[3]。

（4）在隧道施工過(guò)程中，實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)顯示隧道基于埋深部分只有300～500m便發(fā)生了很大的變形問(wèn)題，且變形情況嚴(yán)重。經(jīng)判斷，排除垂直應(yīng)力因素影響，為高地應(yīng)力所致。

2.2 隧道高應(yīng)力區(qū)域施工穩(wěn)定性特點(diǎn)

對(duì)該隧道工程高地應(yīng)力區(qū)域施工的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，在具體分析過(guò)程中選擇適宜的數(shù)值分析模型，然后選取隧道施工的某地段，對(duì)該地段的變形破壞特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬分析，為后續(xù)施工提供客觀、科學(xué)的參考依據(jù)。值得注意的是，在數(shù)值模擬分析過(guò)程中，需將可以真實(shí)反映施工過(guò)程的情況進(jìn)行假定及簡(jiǎn)化處理。

（1）開(kāi)挖過(guò)程荷載釋放分析。在此環(huán)節(jié)模擬過(guò)程中，首先采取有限元法將開(kāi)挖面邊界位置的各結(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算出來(lái)，進(jìn)一步將開(kāi)挖釋放相同的結(jié)點(diǎn)力反加至開(kāi)挖邊界，有效構(gòu)建空單元，完成開(kāi)挖過(guò)程模擬[4]。值得注意的是，考慮到空單元代替開(kāi)挖單元時(shí)發(fā)生剛度矩陣病態(tài)，需賦予已挖去結(jié)點(diǎn)零位移，并于總剛度方程當(dāng)中將和這些結(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的方程消除。

（2）模擬支護(hù)過(guò)程分析。因支護(hù)工程與地下工程開(kāi)挖作業(yè)交替進(jìn)行及分期進(jìn)行，所以在對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析期間對(duì)此類(lèi)過(guò)程進(jìn)行模擬必不可少。在對(duì)整體施工程序進(jìn)行考量之后，再進(jìn)一步劃分隧道內(nèi)部單元，并確保所有澆注和開(kāi)挖區(qū)域的邊線均為所處單元邊線，不可在單元內(nèi)部進(jìn)行。通常條件下，支護(hù)過(guò)程模擬較為簡(jiǎn)單，就是在開(kāi)挖之后相應(yīng)的規(guī)定分區(qū)范圍內(nèi)，重新賦予支護(hù)部分中相對(duì)應(yīng)的空單元襯砌材料的參數(shù)，進(jìn)一步完成相對(duì)應(yīng)的計(jì)算[5]。以結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比圍巖的應(yīng)力及變形情況，然后合理調(diào)整支護(hù)方案及開(kāi)挖方案，為最終最優(yōu)化的施工方案確定提供憑據(jù)。

3 隧道高地應(yīng)力危害的相關(guān)處理建議

通過(guò)對(duì)該隧道工程高地應(yīng)力所致的變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其數(shù)值模擬進(jìn)行分析，初步明確了隧道變形的原因，為因高地應(yīng)力所誘發(fā)的破壞。利用應(yīng)力解除法對(duì)高地應(yīng)力的具體數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示隧道工程的巖體處于三向不相等壓應(yīng)力場(chǎng)中，進(jìn)一步得出最小主應(yīng)力、中間主應(yīng)力以及最大主應(yīng)力數(shù)值。針對(duì)此類(lèi)狀況，通過(guò)分析探究提出了相關(guān)處理建議，具體如下。

3.1 合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)需先對(duì)支護(hù)過(guò)程進(jìn)行模擬。在支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)期間，需詳細(xì)記錄支護(hù)信息，為施工應(yīng)用提供客觀、科學(xué)的依據(jù)，并且需確保支護(hù)參數(shù)中每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的誤差處于可控范圍。如此，才能有效預(yù)防、控制施工期間的風(fēng)險(xiǎn)事件?？傊?，從后期支護(hù)施工質(zhì)量提升角度考慮，前期需合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。

3.2 控制二次襯砌施工質(zhì)量

一般條件下，圍巖測(cè)量穩(wěn)定之后，需進(jìn)行二次襯砌作業(yè)。但是，由于軟巖高地應(yīng)力變形過(guò)程緩慢，就算測(cè)量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，地應(yīng)力也還是在緩慢不斷地朝支護(hù)施加影響，因此有必要增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，并增加其厚度及剛度。此外，還有必要增加二次襯砌的厚度及強(qiáng)度，落實(shí)鋼筋混凝土施工處理方式，并結(jié)合具體的測(cè)量結(jié)果及工程的具體狀況。倘若有地質(zhì)異常狀況出現(xiàn)，需及時(shí)進(jìn)行二次襯砌作業(yè)，保障施工作業(yè)能順利、有序進(jìn)行[6]?？傊杩刂贫我r砌施工的質(zhì)量，進(jìn)一步確保整體施工質(zhì)量及安全性的提升。

3.3 加強(qiáng)仰拱施工質(zhì)量控制

在隧道工程施工過(guò)程中，仰拱施工是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在高地應(yīng)力區(qū)域需以其圍巖與監(jiān)控測(cè)量的實(shí)際狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行仰拱施工作業(yè)，并將矮邊墻設(shè)置好，有效形成閉合環(huán)。在開(kāi)發(fā)仰拱混凝土施工過(guò)程中，需采取支墩式的棧橋抗干擾仰拱施工方法，使仰拱全斷面施工作業(yè)有序進(jìn)行，避免產(chǎn)生縱向施工縫，進(jìn)一步保證仰拱施工的整體質(zhì)量。

3.4 加強(qiáng)支護(hù)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制

為了有效提升該隧道工程的支護(hù)作業(yè)質(zhì)量，有必要加強(qiáng)支護(hù)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。具體措施如下。

（1）在超前支護(hù)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)軟弱巖體段的預(yù)處理，確保開(kāi)挖之后的隧道松動(dòng)圈發(fā)展得到合理科學(xué)的控制。

（2）通過(guò)柔性支護(hù)方式使圍巖有限變形被有效吸收，進(jìn)一步實(shí)施超常規(guī)剛性支護(hù)體系，使另外的擠壓變形得到有效預(yù)防控制。

（3）在初期支護(hù)過(guò)程中，使用鋼纖維混凝土取代噴射混凝土，提升支護(hù)抗剪切能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

（4）合理預(yù)留沉降變形量，以使殘余的變形外力被有效吸收，避免初期支護(hù)侵限誘發(fā)的襯砌厚度不足問(wèn)題。

總之，需加強(qiáng)支護(hù)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，確保隧道高地應(yīng)力問(wèn)題得到有效解決，進(jìn)一步提高隧道全過(guò)程施工的質(zhì)量安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高地應(yīng)力的影響會(huì)增加隧道工程的施工難度，對(duì)其中構(gòu)造應(yīng)力誘發(fā)的破壞性擠壓變形問(wèn)題，需采取相應(yīng)的施工措施予以解決。可通過(guò)合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)、控制二次襯砌施工質(zhì)量、加強(qiáng)仰拱施工質(zhì)量及支護(hù)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制等措施，有效解決高地應(yīng)力隧道變形問(wèn)題，提高高地應(yīng)力隧道施工的質(zhì)量，保障施工安全。