高地應(yīng)力軟巖大變形機(jī)理及防治措施研究現(xiàn)狀

摘 要：隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，在各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下修建的隧道會(huì)越來(lái)越多，特別是在圍巖軟弱，高地應(yīng)力存在的隧道中。在這種隧道的施工期間，隧道周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不斷增加，受力時(shí)間長(zhǎng)，變形增大。最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞，嚴(yán)重影響正常施工。為了有效的給出防治措施，就必須先弄清楚高地應(yīng)力下軟巖大變形的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力;大變形機(jī)理;防治措施

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了巨大的進(jìn)步，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速。隧道的建設(shè)在我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中有著舉足輕重的地位。目前隧道建設(shè)過(guò)程中隧道埋深越來(lái)越大，初始應(yīng)力越來(lái)越高。隧道周邊也存在許多軟弱圍巖，軟弱圍巖一般認(rèn)為是強(qiáng)度不高、表面風(fēng)化嚴(yán)重、流變作用明顯、破碎的具有這一類(lèi)特質(zhì)的巖石的總稱(chēng)。在這種環(huán)境下修建隧道時(shí)，流變大、位移大等問(wèn)題不斷涌現(xiàn)?；谶@種情況，對(duì)其變形機(jī)理和防治措施研究成為了工程工作者的研究重點(diǎn)。

2 高地應(yīng)力隧道大變形機(jī)理及防治措施研究

該怎么定義高地應(yīng)力呢？陶振宇[1]認(rèn)為高地應(yīng)力環(huán)境是指上部巖體總的質(zhì)量小于巖體水平應(yīng)力分量時(shí)。目前對(duì)軟巖的定義大致可以分為三種，分別是工程定義、指標(biāo)化定義和描述性定義。何滿(mǎn)潮根據(jù)軟巖的塑性機(jī)理和強(qiáng)度變化特征，把軟巖劃分為了四種，分別是高應(yīng)力軟巖、膨脹性軟巖、復(fù)合型軟巖、節(jié)理化軟巖。對(duì)于變形的產(chǎn)生，Terzaghi[2]根據(jù)大變形產(chǎn)生的原因?qū)⒋笞冃蝿澐譃榱藘深?lèi)。第一類(lèi)是擠出變形。是指隧道開(kāi)挖后巖體應(yīng)力重新分布，造成部分巖體受力超過(guò)限制而產(chǎn)生變形。第二類(lèi)是膨脹變形，指圍巖中的一些膨脹性礦物質(zhì)與水發(fā)生反應(yīng)而變形破壞。除此之外，Anagnostou[3]認(rèn)為大變形可以在任意巖層中產(chǎn)生，這是因?yàn)榇笞冃沃饕Q于地應(yīng)力的初始狀態(tài)和巖層強(qiáng)度。

2.1 下面將列舉二個(gè)例子分析高地應(yīng)力軟巖大變形機(jī)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蘭州鐵路線(xiàn)上一個(gè)必經(jīng)隧道，它位于茂縣與龍?zhí)林g，修建時(shí)采取的是左線(xiàn)和又線(xiàn)分開(kāi)修建的方案，其中左線(xiàn)和右線(xiàn)間距為30-40m。由于受到區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)影響，各種地質(zhì)問(wèn)題如斷層、褶皺層出不窮。巖體主要由破碎千枚巖和碳質(zhì)千枚巖構(gòu)成，極易破碎。巖層表現(xiàn)出極大的揉皺變形以及擠壓破碎，巖體條件極差。

榴桐寨隧道的變形機(jī)理分析有多種：一是復(fù)雜的高地應(yīng)力環(huán)境。測(cè)試結(jié)果顯示段內(nèi)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力在530～630m的深度即達(dá)到20MPa，并有隨深度增加而增加的趨勢(shì)。二是復(fù)雜多變的地質(zhì)構(gòu)造。位于地質(zhì)構(gòu)造帶復(fù)合地段，各種地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。三是地層巖性環(huán)境極為復(fù)雜。榴桐寨隧道下伏基巖種類(lèi)繁多，且極為容易破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度低。

在這種難度的環(huán)境中施工，為確保安全，必須采取許多優(yōu)化措施。一是斷面形式的優(yōu)化。普通鐵路單線(xiàn)隧道斷面輪廓為近圓形的蛋形斷面，榴桐寨隧道變形主要受最大水平主應(yīng)力影響。故優(yōu)化斷面輪廓為純圓形。二是工法的優(yōu)化。施工中在掌子面圍巖穩(wěn)定性較好的條件下，采用兩臺(tái)階的施工方法，可有效防止安全事故。三是加固隧道周邊圍巖。從根源上減少?lài)鷰r受到的擠壓力，目前主要加固方式有：錨桿超前支護(hù)、超前注漿、打板樁等方式。

2.1.2 蘭渝鐵路兩水隧道[6]

兩水隧道在重慶到蘭州鐵路線(xiàn)上，地處甘肅省武都區(qū)，隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)，隧道較寬，隧道周邊地質(zhì)條件及其復(fù)雜，巖體較破碎。經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，該隧道以水平地應(yīng)力為主，周邊地應(yīng)力分布及其不均勻，屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)。在隧道施工過(guò)程中，由于受到高地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造及周邊地下水的同時(shí)作用，安全shengc 事故較多，隧道周邊出現(xiàn)了擠壓性大變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，對(duì)施工人員的安全和施工工期造成了較大的影響。

對(duì)隧道施工情況深入了解后發(fā)現(xiàn)，該隧道發(fā)生擠壓性大變形的原因主要有兩個(gè)，隧道周邊存在軟弱圍巖以及極高的地應(yīng)力。在隧道的施工過(guò)程中，周邊圍巖的原始應(yīng)力平衡條件被破壞，應(yīng)力發(fā)生重新分布，造成了周邊大變形。該隧道主要采取了以下幾個(gè)措施來(lái)保障安全。一是增大預(yù)留的變形量，主要目的是通過(guò)初期支護(hù)產(chǎn)生較大的位移來(lái)釋放隧道周邊的地應(yīng)力，以此來(lái)保證在二次襯砌在施工后不被破壞。二是在施工過(guò)程中遵循"快挖、快支、快封閉"的原則，盡可能地在軟巖產(chǎn)生較大位移前進(jìn)行支護(hù)，可有效防止隧道坍塌的情況。三是支護(hù)結(jié)構(gòu)要采取"多重支護(hù)"的原則，可采取分層支護(hù)和二次襯砌等防護(hù)措施。采取這些措施后，隧道的安全性得到極大提高。

3 結(jié)論

軟巖大變形是一種逐步發(fā)展的緩慢變形。軟弱圍巖下的變形包含了彈塑性變形和粘彈塑性變形，變形有著隨時(shí)間變化的特征。常常表現(xiàn)出以下特征：變形量大、變形速度快、變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)可持續(xù)數(shù)月甚至幾年。通過(guò)對(duì)各種情況下軟弱圍巖開(kāi)挖隧道的變形特點(diǎn)、變形控制、破壞特點(diǎn)等進(jìn)行了全面的分析和總結(jié)，對(duì)各種情況下軟弱圍巖開(kāi)挖隧道的變形特點(diǎn)、變形控制、破壞特點(diǎn)等進(jìn)行了全面的分析和總結(jié)，得到以下可用來(lái)防治施工過(guò)程中安全事故的發(fā)生的建議：1）主動(dòng)加固。圍巖加固采用的較多的方式有注漿，包括了周邊注漿、全斷面注漿、帷幕注漿等，在隧道周邊形成加固區(qū)域，提高其承載力。2）剛?cè)峤Y(jié)合。剛?cè)峤Y(jié)合的意思是允許圍巖產(chǎn)生變形，但應(yīng)控制圍巖的最大變形，即可以預(yù)留一定的變形量，但還應(yīng)設(shè)置剛度較大的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)控制圍巖的最終變形。3）隨時(shí)調(diào)整。在隧道的施工過(guò)程中，要隨時(shí)根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，調(diào)整施工順序或者改變施工方法。

參考文獻(xiàn)

[1]陶振宇.巖體初始應(yīng)力對(duì)地下工程的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)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]張振國(guó).榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（2）：17-19.

[5]楊衛(wèi).榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形機(jī)理研究與施工措施應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2019（46）：85-87.

[6]廖雄.高地應(yīng)力軟巖大跨變截面隧道施工變形機(jī)理及其控制技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介

何欣（1994-），男，漢族，四川省營(yíng)山縣，碩士研究生，成都理工大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程。