高地应力大变形隧道变形特性及工程应对措施分析
摘要：在建某高速公路隧道为高地应力、高瓦斯隧道 , 针对隧道高地应力挤压变形的特殊性 , 分析了隧道施工过程中因高地应力造成的隧道大变形的特点 , 分析了大变形机理 , 在此基础上对典型地段进行了数值分析 , 确定了大变形地段安全、经济、合理的支护参数。隧道大变形段后续施工实践表明 , 数值分析确定的支护参数和论文提出的施工措施有效地限制了隧道的高地应力挤压变形 , 确保了隧道的施工安全。
关键词：隧道；高地应力；大变形；施工措施
前言：
近年来 , 随着我国铁路，公路建设的不断发展 , 隧道工程已经向长大，深埋方向发展 , 穿越高地应力区，且地质环境恶劣的软弱围岩长大隧道工程已不可避免。在高地应力区修建隧道工程 , 最大的难题就是大变形的控制问题。一般认为 : 隧道在较大的构造应力与高地应力作用下 , 其拱顶及两侧易发生破坏 , 为了抑制这种破坏 , 支护设计应采用以提高围岩自身强度为主的支护控制系统 , 阻止应力场所引起岩层运动的发展 , 以保证支护后的隧道稳定。
1. 隧道稳定性
隧道稳定性相对来说是非常重要的。一般是指，坑道周边变形速率呈梯减趋势并逐渐趋近于零 , 其最终位移不侵人限界 , 支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损 , 更不能发生大范围的坍塌。在通常的情况下 , 隧道丧失稳定是指出现下列情况之一，对于相关的隧道支护结构周边出现过度塑性变形而不适于继续承载，因支护截面塑性屈服，和发展使支护结构由超静定结构转变为机动体系，整个隧道支护结构，一部分作为刚体失去平衡 , 出现倾覆，滑移等现象。或者是，支护结构受拉开裂 , 虽不影响继续承载 , 但对正常使用和耐久性有影响。
对于什么是高地应力，对于不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。
高地应力对隧道工程造成的灾害最典型为：对硬脆性岩体而言为岩爆对软岩则为洞室大变形。
岩爆发生的地应力条件工程实践中 , 通常将大于 20MPa 的硬质岩体内的初始地应力称为高地应力 . 高地应力是岩爆发生的必要条件。一般来说：所谓高地应力是指初始应力特别是它们的水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的重量。
1.1 隧道极限位移
隧道的极限位移就是人们经常听到的结构位移。相关的结构位移的发生和发展是结构力学行为动态的综合反映。隧道是隐蔽工程 , 只能看到支护结构，跟一般的工程相比极限位移的良好把握是非常重要的。
1.2 隧道工程危害的解决
隧道工程的危害其实是不可避免的。因为很多的突发事件是人们无法正常预测的。对于相关的隧道的工程的危害上，不难发现，解决这类问题就成了一项比较艰巨的任务。因此 , 解决大变形给隧道施工带来的危害 , 关键还是要找到合理的、能抗高地应力的支护系统。合理的、能抗高地应力的支护系统则需要在试验中通过信息化施工 , 不断进行优化和完善。国内外隧道工程中 , 遇到的大变形不良地质问题较多 , 为了解决大变形给隧道施工带来的问题 , 各国针对遇到的具体隧道工程进行了许多实验性和工程性研究 , 并在工程施工过程中通过采取多种措施 , 取得了较好效果。但由于地质条件的复杂多变性 , 隧道建设过程中仍出现了很多工程的缺陷问题。
1.3 相关的隧道建设中存在的问题
在相关的隧道的建设中，软岩支护是地下工程中最难解决的工程技术问题之一，以其大变形、高地压、难支护的特点一直受到岩石力学及地下工程界的普遍关注。高地应力软岩大变形地段隧道施工过程中，一要充分发挥围岩的自承能力，允许有一定自由变形；二要避免变形过大、防止围岩失稳；并在软岩大变形严重地段预留变形量，避免初期支护结构因承受较大的形变压力，造成初期支护结构破坏。
并且随着我国交通事业的迅速发展，在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少，随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。在深埋隧道勘察设计和施工过程中，高地应力的存在，是影响隧道稳定的重要因素，主要表现为硬岩岩爆和软岩大变形或塑性破坏。高地应力引起的岩爆、流变、断层软岩挤入大变形等灾害给施工带来的困难也随之出现
2. 实例分析
2.1 二郎山隧道的实力分析
川藏公路的咽喉工程二郎山隧道为山体深埋特长隧道 , 地处二郎山断裂带高应力梯度带边缘 , 同时 , 又急速转向大相岭地块腹地应力平稳带的过渡地带。经采用水压致裂法测量 , 其成果表明 : 二郎山隧道处于高地应力区内 , 最大水平主应力 >50MPa。工程实践证明 , 在高地应力地区开挖地下洞室 , 软质岩段将产生塑性大变形。尽管对大变形的预测 , 国内外学者已做过不少的研究工作 , 但对高地应力理论的研究不尽成熟 , 加之地质岩体状况复杂多变 , 测试手段有限 , 到目前 , 尚无统一的判别依据和分级标准。为了顺利建成二郎山隧道 , 对软弱围岩在高地应力条件下大变形的发生和破坏机理进行系统的理论分析和研究是非常必要的。
2.2 在其中修建时的高山应力的良好解决
众所周知，人们在相关的高地应力的研究中发现，其对深埋隧道工程影响是十分显著的。到目前为止 , 由于高地应力而形成的软岩大变形的概念、大变形产生的机理、大变形的定义和判别标准、大变形的治理方法等等 , 都没有统一的认识 , 并且以小变形理论为基础 , 来研究和分析大变形显然不合理。
3. 相关的改革措施
3.1 建立起完善的模型
基于高地应力，软岩隧道明显流变效应的特点 , 提出在喷锚网支护的基础上增设 U 型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的支护方案。利用建立的 U 型钢连接件力学模型和围岩与支架接触模型 , 分析本文中的两种支护方案下 , 就针对于某高速公路峡口，高地应力软岩隧道的长期稳定性。研究表明，首先是建立的 U 型钢可压缩支架的连接件力学模型和围岩与支架之间的接触模型可以很好地反映支架缩动性与摩阻力之间的关系。针对于 U 型钢，可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护既可以，吸收围岩的流变变形 , 减小二次衬砌上的形变压力 , 又可以，提供稳定的支护力 , 有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。
3.2 更对的解决方案
近年来 , 随着我国交通事业的不断发展 , 穿越高地应力区软岩隧道越来越多 , 给我国隧道设计和施工带来了新的挑战。高地应力软岩隧道不同于一般的硬岩隧道 , 一方面隧道围岩的自承能力较差 , 另一方面隧道施工过程中产生的工程应力较高 , 若隧道支护型式不合理 , 容易出现大变形和衬托下，不难发现，现阶段的解决问题的方案还是比较少的。
人们还是比较喜欢接受一些比较简单的方案。这样的话，就需要相关的技术人员更加努力的加入自己的创作的思维，对于比较简单的解决方案加以推广是相对比较明智的办法。
3.3 新技术的革新
相关的创作人员应该加紧时代的步伐，创造出更加完美的新的针对于现阶段不足的解决的方案。这样才能更好的为大家服务。更好的将新的形势传递出去。是人们更加接受于新鲜的事物。但是相关的原则还是需要准确的把握的。当断面的宽高比等于侧压力系数时，可使围岩应力场达到最佳应力状态，在断面不连续处有较大的应力集中，可能使围岩产生局部破坏。
4. 结束语
综上所述，隧道是围岩与支护结构的综合体。由于围岩，既是荷载的来源 , 又作为承载结构的一部分 , 因此，一般情况下将人工支护结构，与其周围一定范围内的岩体视作支护系统。为能安全适用，经济合理，确保质量，快速施工 , 必须对上述支护系统稳定性作出评价 , 以便能及时或提前作出合理的设计施工措施。
参考文献：
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