高地应力软岩隧道大变形预测及防治研究

高地应力软岩隧道大变形预测及防治研究摘要：总结高地应力软岩隧道大变形成因，比较各种大变形预测技术，归纳大变形防治措施。分析表明：大变形形成机制、变形模式与一般围岩

变形破坏不同，需要加强研究；目前还没有形成一套系统、完善和易于推

广应用的现场地质分析、监测试验、分析评价预测体系；在支护参数方面，需要一套预测预报方法体系和相应工程对策；针对不同机制、不同等级的

大变形，需制定合理大变形防治措施。以期为今后软岩大变形稳定性控制

提供有益参考。

关键词：隧道稳定性高地应力大变形预测与防治

高地应力下软弱围岩挤压大变形，是目前备受关注的隧道难题之一，

其变形机理及结构受力特征复杂，目前尚未得到完整的解决。首例严重的

交通隧道围岩大变形是1906年竣工的长19，8km辛普伦I线隧道；我国

南昆铁路线家竹箐隧道390m(IDK579+170～+560)洞段发生大变形：日本

艾那山I线400m大变形路段用36个月才得以通过。

总之，目前在围岩大变形机制、围岩大变形的预测理论和控制技术方

法体系方面值得进一步深入研究，具有科学理论意义和现实价值。

1 大变形成因分析

1.1地质方面的原因

根据我国大量隧道统计，大变形隧道多发生在泥岩、页岩、千枚岩等

软岩，在构造及风化影响显著时变形更大，同时伴有地下水渗流和高地应

力时更易产生大变形。

1.2施工方面的原因

隧道围岩变形量的大小除受地质条件客观因素影响外，与施工方法及手段有很大的关系。如果喷锚支护施做不到位、仰拱和二次衬砌距离掌子面距离过长、开挖后无法及时封闭成环，而重点放在施工进度，施工单位变形监控量测不规范或不及时、钢架底部悬空或长期积水浸泡，得不到及时处理等因素都对大变形的发生有直接的影响，甚至促进了大变形发生。

1.3设计方面的原因

主要表现在对地质条件了解不够，根据有限的探孔了解地质情况，对变形程度估计不足，以致支护措施不到位。如果设计的锚杆不够长，就无法穿过松动圈，对围岩加固起不到很好的作用。钢架强度、刚度不够，或者钢架间距过大，就无法抵抗巨大的围岩压力。预留变形量过小，很容易导致初期支护侵入二次衬砌部位，有时甚至要拆掉初支以保证二衬尺寸。

2 围岩大变形预测预报研究

Muirwood提出用坚固系数来预测隧道围岩稳定性(挤出)，坚固系数被定义为岩石单轴抗压强度和上覆围岩自重应力的比值。后来，这一参数在日本被用以进行围岩隧道的挤出预测(Nakano)。

我国石家庄铁道大学学者提出应力强度比，即最大主应力、围岩切应力或垂直主应力与单轴抗压强度的比值。

3 大变形防治研究

刘志春以隧道极限位移为，在软岩大变形隧道二次衬砌施作时机方面进行探讨和尝试。王树仁对具有应力扩容型和结构变形型的软岩隧道，采用刚隙柔层支护技术成功解决了高应力大变形支护。刘招伟提出以“钢拱架+柔性预应力锚索+钢纤维喷射混凝土”为主初期支护系统对抑制乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形。李树军采取“先柔后刚、先放后抗”方针

了挤压软弱围岩的大变形施工。H.L.Dai提出了一种用于软岩隧道的分析

方法和软岩隧道的安全标准。GuofengLI建立了一个交叉巷道的力学模型，提出了双螺栓稳定性控制技术。

铁二院从预留变形量出发，并根据已有工程实例和研究成果提出三级

划分标准，如表1，相应的防治基准如表2所示。隧道正常预留变形量对

于单线隧道一般不大于15cm，对于双线铁路隧道不大于30cm，并取上述

值0.8倍作为正常变形值上限，即，单线隧道支护位移不应大于13cm，

双线隧道支护位移不应大于25cm。取上述正常值的2倍作为大变形的下限，即：隧道施工时，如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和

50cm(双线隧道)的位移，则认为发生了大变形，在现场得到了很好的应用

和证明，值得进一步推广。

4 存在的问题

隧道及地下工程施工中的大变形问题出现已经一个多世纪，但在理论

认识和支护方法上仍然还存在许多问题，主要表现为：

(1)重大关键工程的大变形机制仍然需要专门研究。尤其是强震区高

地应力大变形形成机制、变形模式与一般的围岩变形破坏不同，应从应力

条件、围岩工程力学特性和结构特征以及围岩变形流变效应和空间效应等

方面都需要深入研究。

(2)目前各种岩石力学理论和方法、监控量测技术、测试技术等各有

所长，但是在测试方法应用以及预测方面研究工作比较零散，没有形成一

套系统、完善和易于推广应用现场地质分析、监测试验、分析评价的动态

预测体系。

(3)目前关于泥岩、页岩、千枚岩等软岩大变形预测及防治技术研究工作比较零散，缺乏规范的施工程序，更没有形成一套预测预报方法体系和相应结构参数。

(4)大变形处治对策还不能达到推广应用和系统施工的程度，需要针对不同机制、不同等级的大变形，制定相应的合理防治对策。

总之，目前高地应力软岩隧道大变形机制、预测理论和控制技术方法体系方面，仍然值得进一步研究。