工程科技 ・１９９・ 高地应力大变形隧道变形特性及工程应对措施分析 王守勤 （中铁二十局集团第二工程有限公司，北京１０００００） 摘要：某高速公路的隧道是高地应力、高瓦斯隧道，这种隧道有着高地应力挤压变形的特点，本文对隧道施工的过程中，由于高地应 力作用产生的隧道变形进行分析，对大变形的机理进行详细的了解，在这一分析的基础上，对于一些典型的地段进行了详细的了解，从而 确定了大变形地段的合理性、经济性和安全性的参数，并且对于实际的应对措施进行详细的分析，为相关的研究提供借鉴。 关键词：高地应力；大变形隧道；变形特性；措施分析 某高速公路的隧道左线长度是３６５８ｍ，右线的长度是３６９１ｍ， 长，而且没有稳定的趋势，这样就会出现一定的危险，可能会导致塌 都属于长大隧道，这一隧道的遂址有着起伏较大的特点，最大的埋 方。 １．２大变形是在上覆岩体为２００—３００ｍ之间的时候产生的，并 深是８４０ｍ，构造带中段是属于断裂或者是褶皱。隧道地层主要是以 中厚层状一深灰薄的泥岩、泥质粉砂岩和砂质泥岩构成，中间会夹 不是在隧道的深埋为７００的时候产生的。 杂着大量的层状粗细粒砂岩，也会出现煤线、薄煤层等，稳定性、整 １．３隧道在施工的过程中，使用的是先拱后墙的方法，这样的施 体性较差，隧道在施工的过程中，根据设计的支护参数会出现一定 工方法会使初期的支护出现严重的问题，极容易会导致变形加剧，的变形、坍塌等现象。因此必须要对高地应力大变形隧道的变形特 出现严重侵限的现象，拱部也会被压溃，左侧的腰会出现明显的变 性和工程的应对措施进行相应的分析，保证隧道施工的安全性和稳 形现象，这样整个工资钢拱架就会出现弯曲，从而导致变形。 １．４经过了实际的测量，隧道在出现变形的过程中，隧道的埋深 定性。 １某隧道软弱围岩段大变形施工 为２００ｍ一３００ｍ的时候就会出现一定的变形，而且变形十分严重，基 某隧道在原设计中，对于隧道的地应力存在着严重的预测误 于这一因素就可以判定为是高地应力，并不是垂直应力。 差，有着错误的认识，隧道在施工的过程中出现了塌方的现象，而且 以某隧道的一段为例进行分析，这段隧道在施工的过程中，设 各个拱部的塌腔会不断的延伸，这样就导致了整个隧道的拱顶有着 计的施工参数如下：施工的是中空注浆锚杆３００ｅｍ，锚杆的间距是 严重的压力，需要进行临时的支护，在这样的情况下，初期的支护就 １００ｅｒａ Ｘ １０ｃｍ，钢筋网的间距是２５ｅｍ×２５ｅｍ。使用的混凝土型号是 Ｃ５０和Ｃ２０，混凝土衬砌的厚度分别是３５ｃｍ和１５ｅｍ，预留的变形 失去了作用，以下就是对这一隧道的具体特点进行分析： １．１变形十分严重，已经达到了数十厘米，呈现收敛缓慢的增 是１０ｅｍ。根据原有的设计参数进行施工，在初期的支护完成之后， （转下页） 拱项部位，采用三台阶大拱脚临时仰拱法开挖。先机械开挖上台阶 必须紧跟。每循环开挖后应立即施作锚喷挂网联合支护，认真进行 初喷厚度为４ｅｍ，喷射混凝土时，分多次复喷至设计厚度， 土体，后依次爆破开挖中、下台阶，最后起爆光爆层，中下台阶分左 初喷作业，右两部分进行。根据隧道地质条件和设计参数，循环进尺选择０．６ｍ， 这样可以保证喷射混凝土的施工质量，又能减少回弹，节约施工成 本。 上台阶高设为３ｍ左右，下台阶高度设为４ｍ左右。 隧道三台阶临时仰拱开挖法是将隧道断面分成上中下三个部 ４．３施工中在拱架底部增设混凝土垫块塞实，以避免拱架及初 分进行开挖的施工工法；要求及时施作拱部临时仰拱；各部位的开 期支护不必要的沉降；拱架连接螺栓必须上齐并拧紧，骑缝焊接饱 挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。 满。 三台阶大拱脚临时仰拱施工工序横断面及纵断面示意见图３。 ４．４土石分界段预留变形量，开始１０ｍ取２０ｅｒａ，后面１０ｍ取设 计预留变形量的上限值，再往后的施工中根据拱顶沉降和周边收敛 值信息，及时调整预留变形量，以确保初期支护净空满足规范要求。 ４．５土石分界段加强洞内监控量测，发现异常时要加密测点，同 时加大观测频率。当变形超标时立即停止掘进，封闭掌子面，采取掌 子面超前预注浆、加密型钢支撑等措施，控制变形发展。 ４．５土石分界段加强地质超前预报工作，采用超前钻孔探明前 方围岩情况，根据不同地质情况，及时提出变更意见，调整支护结构 参数。 结束语 综上所述，笔者结合蒙华铁路阳山隧道施工实践，对隧道穿越 土石分界地层时分别采用了分部弱爆破施工工法、机械开挖和分次 控制爆破法施工工法、ＣＤ法或三台阶预留光爆层分部爆破法施工 工法进行了专项解析。这几种专项技术方案能有效预防塌方、变形 等地质灾害的发生，减少隧道施工风险，为相关项目提供经验，具有 定的参考意义。 参考文献 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确的是开挖过程在模拟的时候，用空单元代替了挖单元，这样就会 后出现松动的迹象，对此进行了有效的预防。其次是为了防止围岩 所以对围岩进行了柔性支护，并且建立了相应的支护体 使刚度矩阵出现病态，为了解决这一问题，就必须要将已经挖去的 出现变形，些结点位移设计为零，还有将这些结点所对应的一系列的方程从 系，在应用这一支护体系以后，围岩可以避免受到挤压变形的影响。 总刚度方程中进行消除。 再次，在进行初期支护时，将原有使用的喷射混凝土进行了替换，采 ２．２支护过程的模拟 用了钢纤维混凝土，因为这种混凝土可以满足强度以及抗剪切方面 支护过程在模拟的过程中，整个地下工程的支护与开挖都是分 的要求。第四，在系统锚杆的选择上，主要是以自进式长锚杆为首 并且可以将其与拱圈组 期进行的，而且呈现相互交替的状态，在这样的情况下，数值分析也 选，这样可以进一步促进锚杆的悬吊性能，必须要进行这种模拟。首先，隧道内部单元在划分的过程中，一定要 合在一起，将作用得到最大化的发挥，促进同岩自身承重能力的进 要对沉降变形进行合理化的预留，这样便能够事先 充分的考虑到整个施工的工序，而且需要浇筑和开挖的部分必须是 步提高。第五，整个单元的边线，也不能够在整个单元的内部。支护过程的模拟是 吸收残余的变形外力，进而在初期支护的过程中，可以处理因为衬 极为简单的，也就是说在开发之后规定的期限内，对于支护部分所 砌不够厚所造成的问题。第六，需要预防仰拱隆起的现象，对隧道的 对应的一些空单元重新赋予参数进行计算，根据计算的结果，对于 受力结构加以进一步的改善，所以需要对钢拱架进一步的延伸，使 开挖支护的方案进行重新的调整，对于围岩应力的变形情况进行调 其达到仰拱的部分，这样在初期支护的过程中，就可以形成一个闭 整，从而选择最佳的施工方案。 合圈。 利用有限元软件进行分析的过程中，模型的建立是极为关键 在以上原则指导下，根据数值分析结果，在龙溪隧道Ｋ２４＋１２５～ Ｙ 中空注浆锚杆 的，一定要对整个地下工程和隧道中存在的施工问题进行详细的分 Ｋ２４＋１６５段进行了试验。该段原设计施工参数为：间距１００ｅｍ×ｌＯｅｍ；６．５钢筋网，间距２５ｅｍ×２５ｃｍ；Ｃ２０喷混 析，取一个所要分析的结构全部包含的区域，对这一区域进行计算 ３００ｅｍ，的过程中，其他的施工影响是忽略不计的。这一区域在选择的过程 凝土厚度１５ｅｍ；预留变形量ｌＯｃｍ；Ｃ２５混凝土衬砌厚度３５ｅｍ。按原 在初期支护完成后，经过量测发现隧道变形收敛严重，肉 中，从理论上来讲是单元取得越大，那么整合单元划分就会与实际 设计施工，的工程状况相适应，这样计算的结果就会变得越来越准确，计算的 眼也可发现裂缝，经过几天观察，发现裂缝急剧变大，并出现初期支 费用也是极极大的，这样就要选择一个比较合适的计算范围，保证 护掉块现象。量测结果表明此段严重侵限，侵入衬砌达３３ｅｍ之多。 根据数值分析将施工参数变更为：４２超前注浆小导管长５ｍ，间距 这一范围在计算的过程中是满足精度要求的。 考虑到龙溪隧道的具体工程实际，计算模型的选取如下：①模型 ３０ｅｒａ，布设拱顶１２０。范围内；Ｙ 自进式锚杆长５００ｃｍ，间距 Ｕ２５可缩式钢架间距６０ｅｍ，全环布设；６．５钢筋网，间距 的上边界取为水平地表面。②隧道左右边界各取４倍的洞径，约 ８０ｃｍ×８０ｅｍ：Ｃ２０喷钢纤维混凝土２８ｅｍ；预留变形量４０ｅｍ；Ｃ２５钢 ６０ｍ，并在模型中也布置特征节点，该特征节点与监测点平面布置图 ２５ｅｍ×２５ｅｍ；中各点的布置位置相一致。③隧底以下取３倍的洞高，约３０ｍ。屈服 筋混凝土衬砌６０ｃｍ。 准则是表示在复杂应力条件下，材料进入初始屈服的条件。根据摩 ４结论 该隧道工程在施工过程中主要采取的措施是先柔后刚以及先 尔一库仑（Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ）屈服准则：岩土介质的强度依据岩石的内 放后抗，所以有效的解决了对隧道不良地质进行施工的问题，不但 聚力ｅ和内摩擦角 而定。有 为施工单位带来了良好的经济收益，同时也保证了施工质量，在应 ｒ＝＝（一 ｒｙ 用这一施工方案以后，对今后类似工程的建设也带来了宝贵的经 通过对这一隧道的施工令笔者认识到在强挤压隧道施丁的过程 式中：Ｔ为剪应力；盯 是正应力，对于二维应力状态，可由摩尔 验，中，无法对其难度进行有效的预测，所以在允许的情况下，需要进行 圆推广为： 预防以及控制，这样才能保证施工的顺利展开。同时，还应该加强对 ，～！ 一 ｔ 。 相关理论知识的学习，这样才能将理论与实践结合在一起，保证对 不良地质进行更加完善的施工，为我国今后的工程建设做出贡献。 若用应力不变量（盯 ，盯，０）来表示空间状态的摩尔一库仑屈服 参考文献 『１１吴成刚，何川，李讯，张峰．高地应力下隧道结构力学的模型试验研 函数，公式为： 一一一究［Ｊ１＿现代隧道技术，２ｏｏ８（ｓ１）． ％ｓｉｎ ｇ￣－ ＋ｓｉｎｇ＇ｓｉｎ０ 『２１Ｙ－明慧，张忠爱，张桥．渝黔铁路极高地应力隧道施工控制技术 铁道工程学报，２０１５（１ １）． 称为球应力张量，ｄ，－，１／３（盯ｘ＋１３＂ｖ＋盯 。在做常规三轴试验 ｆ３１于国辉 地应力隧道钢架支护变形与防护措施【Ｊｊ．湖南城市学院 时，可以用Ｐ—ｑ平面来表示。摩尔一库仑屈服面在主应力空间是不 学报（自然科学版），２０１６（２）． ４１胡文涛．极高地应力软岩挤压变形特征及支护结构工作性态分析 规则六角形截面的角锥体表面，各屈服面之间存在脊梁，因而在该处 『的屈服条件是不定。在实际计算中，可假定该脊梁处的法线方向为 ｆＪ１．国防交通工程与技术，２０１２０）． ５１孙伟亮．堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技 两个相交的屈服面的平均法线方向或者在脊梁处附近用一假定的 『光滑曲面“圆角”。 术『Ｊ１．隧道建设，２００９（１）． 『６１王水善．堡镇隧道软岩高地应力地层大变形控制关键技术Ⅲ．隧道 ３某隧道高地应力软弱围岩段关键施工 ２００９（２）． 根据龙溪隧道变形特点和数值模拟分析，初步判定隧道变形是 建设。
