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摘要：针对工程施工中的隧道高地应力的力学进行了探究和分析，并针对隧道高地应力的挤压变形之特性，对隧道施工的过程中高地应力引起的隧道变形进行了详细分析。介绍了大变形的机理，另外，对典型的地段也进行了清晰的研究，并确定出了大变形地段合理、安全、经济的支护参数。以宜巴高速公路的峡口隧道段为例，详细的介绍了应对隧道高地应力特点的有效的施工措施和技术对策等，可确切保证隧道施工的安全性。峡口隧道高地应力的施工实践给隧道高地应力区域的施工保留了有意义和价值的技术经验，可供类似的隧道工程借鉴。
关键词：隧道高地应力 力学分析 大变形 施工技术
Abstract: based on engineering construction of the tunnel of high geostress mechanical study and analysis, and in the light of the tunnel of high geostress extrusion of the characteristics of tunnel construction process of the high ground stress caused by the deformation are analyzed in detail. Introduces the mechanism of the large deformation, in addition, the typical area were also clear research, and determine the large deformation area the reasonable, safe and economic support parameters. With appropriate and highway tunnel segment of the throat for example, detailed introduces the characteristics of the high geostress tunnel to effective construction measures and technical countermeasures, and so on, can guarantee the safety of the exact tunnel construction. The throat tunnel construction practice of high geostress for tunnel construction of the regional high geostress have retained the meaning and value of technical experience, the reference for similar tunnel engineering.
Keywords: tunnel high geostress large deformation mechanics analysis of construction technology
中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号：
峡口隧道是瓦斯、高地应力隧道，这种隧道的构造应力容易引起对隧道的挤压使之大变形，因此，高地应力隧道施工过程中相关的特殊技术的使用尤为重要。在隧道施工阶段，一方面要注意工程的进度，确保工程如期完工，另一方面必须确保施工过程中隧道大变形地段施工的有效性以及整个隧道施工的安全性。
一、工程基本情况
峡口隧道是宜巴高速公路中的一段区域，其左、右线长分别为3163米和3177米，都属于长大隧道类型。该隧道项目位于鄂西山区，地处秦岭山脉山麓，所处区域的地形起伏很大，最大的埋深约有1848米，另外，隧道区域的构造作用使之形成了一系列的断裂和类型相似的褶皱。隧道的地层岩性大多数都是以碳质叶岩、深灰的薄或中厚层状的泥质灰岩和片麻岩等为主，并夹有大量层状的煤线、薄煤层及黑色的薄层碳质型泥岩，可溶性碳酸盐岩（岩溶）现象发育。 围岩的特殊性使使之稳定性和整体性都很差。峡口隧道施工的过程中，穿越的高地应力大变形地段累计约1600多米。此外，工程施工过程中，围岩曾发生坍塌事件，初期的支护侵限也多次发生变形，以及拱顶也严重下沉等问题，这些事件的发生对隧道的施工都有很强的破坏性。针对隧道高地应力的一些特点，本文结合峡口隧道的施工探究，介绍了解决相应问题的技术对策。
二、隧道松软围岩地段大变形的施工分析
在宜巴高速公路的峡口隧道段的原设计中，对于隧道高地应力部分的认识和预测都存在有较大的偏差，因此导致在隧道的施工中出现塌方现象，而且拱部的塌腔部分随着开挖的进行，不断地向前延伸。由于隧道拱顶过大的压力，初期的支护已失去作用。针对此情况进行探究，分析后得到高地应力隧道的变形具有以下的特点：第一，高地应力隧道的变形非常严重，变形量可达数十厘米，且收敛增长缓慢，没有稳定的趋势；第二，隧道的大变形不是在其埋深在700米时才发生的，而是在其上覆掩体约200米到300米之间的时候就发生了；第三，施工过程中原设计的支护形势不能满足要求，过大的地应力常常会造成拱部由于被压溃损、严重侵限造成支护严重变形或加剧等问题。左侧的拱腰部分明显的挤压变形，工字钢拱架也屈服并发生变形；第四，在峡口隧道施工中，经过实地测量的数据表明，隧道在埋深仅为300米到500米之间便出现有大的变形现象，而且还是非常严重的变形。当然，借此也可判断出这是高地应力，而不是垂直应力。
另外，对于峡口隧道高地应力区域施工的稳定性也进行了相应的分析。分析中必须先选取合适的数值分析模型，以ZK104+898到K104+938段为例，结合该地段的变形破坏的特点，对其进行数值的模拟分析，也便于后续的施工借鉴参考之用。需要注意的是，在对其进行数值的模拟分析时，必须把保证能够正视的反应出实际施工的过程，并在适当的时候有效的进行假定与简化。分析的过程包含有开挖过程荷载释放和支护过程模拟。
1、开挖过程中的荷载释放
该模拟中先用有限元得出要开挖面边界处的各结点的荷载，然后把開挖释放的相同的结点力反加到开外边界，并对赋予已经挖去的单元一小值，构成所谓的空单元，此时，开挖过程模拟便结束。需要注意的是，为避免空单元代替开挖单元时出现刚度的矩阵病态，必须赋予已挖去结点零位移，还要在总刚度方程中消去与这些结点相对应的方程。
2、模拟支护的过程
由于支护的工程和地下工程开挖都是相互交替和分期进行的，所以在对数值的分析过程中对这种过程的模拟也是必不可少的。必须考虑过整个的施工程序后再对隧道内部的单元进行划分，而且所有浇注与开挖区域的边线必须都是所处单元的边线，绝不能在单元的内部进行。一般情况下，支护的过程模拟都是比较简单的。即在开挖后相应规定分期内，重新赋予所谓支护部分中相应的空单元衬砌材料的参数，然后进行计算。根据结果分析，比较围岩的应力与变形的情况，再对支护和开挖方案进行合理的调整，以便最后确定最优的施工程序。
三、对于施工中出现的问题的处理对策
在对峡口隧道的变形的特点及其数值模拟分析后，可初步确定隧道变形的原因，即是由高地应力造成的破坏。通过应力解除法来测定高地应力的具体数值，测量得出，峡口隧道的岩体是位于三向不相等压应力场之中，并分别得出了其最小的主应力、中间主应力和最大主应力的数值。对于这样的情况，分析探究后确定了可采用的技术对策等。
1、支护设计参数
支护参数的设计，其实也是对支护的过程模拟，在模拟比对中，对其相关数据进行改进和保留，使之能够更好地配合工程的开展。支护参数设计的过程中，必须详细记录各不同支护的信息，以便施工之用。除此之外，必须认真对待该项程序的实施，确保每个数据的误差达到最小，这样，也可尽量避免或减少以后施工过程中不良事故的发生或影响。
2、二次衬砌的施工
通常情况下，在围岩测量稳定后需要作二次衬砌，然而，软岩高地应力的大变形却是一个非常缓慢的过程。即使所测量的数据非常稳定，但是地应力仍旧是在缓慢不断的向支护施加，故此除了需要加大初期支护的强度、厚度和刚度以外，还需要合理的加大二次衬砌中的厚度和强度等，使用钢筋混凝土的施工策略。另外，根据实际的测量和工程的实际情况等，如果发现地质有异常现象，在需要的情况下必须及时的进行二次衬砌。这样的过程，可确保工程顺利的进行。
3、仰拱施工
需要注意的是，在高地应力区域，根据其围岩和监控测量的具体情况，及时的施作仰拱和矮边墙，以便尽早形成闭合环。开发仰拱混凝土施工利用了支墩式的栈桥抗干扰的仰拱施工法，实现了仰拱全断面的施作，防止了纵向的施工缝的产生，使仰拱的整体性得到了有效的保证。
4、部分针对性措施
第一，加强超前支护的措施，尽早对软弱岩体段施行预处理，以保证对开挖后的隧道松动圈的发展的有效控制；第二，利用柔性的支护来吸收围岩有限的变形，然后在施行超常规的刚性支护体系，以抵御另外的挤压变形；第三，初期的支护中，用钢纤维的混凝土代替喷射混凝土，可提高抗剪切能力和结构的强度；第四，对沉降的变形量进行合理的预留，这样可有效吸收残余的变形外力，进而防止初期支护侵限引起的衬砌的厚度不足等问题。
四、结束语
高地应力环境中的隧道施工工程，其过程中需要应对较多的问题。其中，构造应力引起的具有破坏性的挤压变形，需要采取台阶法施工，另外，在施工的时候，上台阶挤压变形的程度较大。在其软变形区域，由于所承受的形变压力较大，初期支护的结构容易遭到破坏，所以通常二次衬砌都会被预先考虑。高地应力环境中的隧道施工需要注意的问题有很多，文中一些施工措施为该类型的工程积累了一定的经验和相关技术等，这些都可供相类似的工程参考使用。
参考文献：
[1]何满潮,中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M],徐州: 中国矿业大学出版社, 1996.
[2]孙均,地下工程设计理论与实践[M],上海: 上海科学技術出版社, 1996.
[3]于书翰,隧道施工[M],北京: 人民交通出版社, 1999.
[4]周玉宏, 赵燕明, 程崇国. 偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J],岩石力学与工程学报, 2002.
[5]李晓红,隧道新奥法及其量测技术[M],北京: 科学出版社,2002.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：隧道高地应力 力学分析 大变形 施工技术
Abstract: based on engineering construction of the tunnel of high geostress mechanical study and analysis, and in the light of the tunnel of high geostress extrusion of the characteristics of tunnel construction process of the high ground stress caused by the deformation are analyzed in detail. Introduces the mechanism of the large deformation, in addition, the typical area were also clear research, and determine the large deformation area the reasonable, safe and economic support parameters. With appropriate and highway tunnel segment of the throat for example, detailed introduces the characteristics of the high geostress tunnel to effective construction measures and technical countermeasures, and so on, can guarantee the safety of the exact tunnel construction. The throat tunnel construction practice of high geostress for tunnel construction of the regional high geostress have retained the meaning and value of technical experience, the reference for similar tunnel engineering.
Keywords: tunnel high geostress large deformation mechanics analysis of construction technology
中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号：
峡口隧道是瓦斯、高地应力隧道，这种隧道的构造应力容易引起对隧道的挤压使之大变形，因此，高地应力隧道施工过程中相关的特殊技术的使用尤为重要。在隧道施工阶段，一方面要注意工程的进度，确保工程如期完工，另一方面必须确保施工过程中隧道大变形地段施工的有效性以及整个隧道施工的安全性。
一、工程基本情况
峡口隧道是宜巴高速公路中的一段区域，其左、右线长分别为3163米和3177米，都属于长大隧道类型。该隧道项目位于鄂西山区，地处秦岭山脉山麓，所处区域的地形起伏很大，最大的埋深约有1848米，另外，隧道区域的构造作用使之形成了一系列的断裂和类型相似的褶皱。隧道的地层岩性大多数都是以碳质叶岩、深灰的薄或中厚层状的泥质灰岩和片麻岩等为主，并夹有大量层状的煤线、薄煤层及黑色的薄层碳质型泥岩，可溶性碳酸盐岩（岩溶）现象发育。 围岩的特殊性使使之稳定性和整体性都很差。峡口隧道施工的过程中，穿越的高地应力大变形地段累计约1600多米。此外，工程施工过程中，围岩曾发生坍塌事件，初期的支护侵限也多次发生变形，以及拱顶也严重下沉等问题，这些事件的发生对隧道的施工都有很强的破坏性。针对隧道高地应力的一些特点，本文结合峡口隧道的施工探究，介绍了解决相应问题的技术对策。
二、隧道松软围岩地段大变形的施工分析
在宜巴高速公路的峡口隧道段的原设计中，对于隧道高地应力部分的认识和预测都存在有较大的偏差，因此导致在隧道的施工中出现塌方现象，而且拱部的塌腔部分随着开挖的进行，不断地向前延伸。由于隧道拱顶过大的压力，初期的支护已失去作用。针对此情况进行探究，分析后得到高地应力隧道的变形具有以下的特点：第一，高地应力隧道的变形非常严重，变形量可达数十厘米，且收敛增长缓慢，没有稳定的趋势；第二，隧道的大变形不是在其埋深在700米时才发生的，而是在其上覆掩体约200米到300米之间的时候就发生了；第三，施工过程中原设计的支护形势不能满足要求，过大的地应力常常会造成拱部由于被压溃损、严重侵限造成支护严重变形或加剧等问题。左侧的拱腰部分明显的挤压变形，工字钢拱架也屈服并发生变形；第四，在峡口隧道施工中，经过实地测量的数据表明，隧道在埋深仅为300米到500米之间便出现有大的变形现象，而且还是非常严重的变形。当然，借此也可判断出这是高地应力，而不是垂直应力。
另外，对于峡口隧道高地应力区域施工的稳定性也进行了相应的分析。分析中必须先选取合适的数值分析模型，以ZK104+898到K104+938段为例，结合该地段的变形破坏的特点，对其进行数值的模拟分析，也便于后续的施工借鉴参考之用。需要注意的是，在对其进行数值的模拟分析时，必须把保证能够正视的反应出实际施工的过程，并在适当的时候有效的进行假定与简化。分析的过程包含有开挖过程荷载释放和支护过程模拟。
1、开挖过程中的荷载释放
该模拟中先用有限元得出要开挖面边界处的各结点的荷载，然后把開挖释放的相同的结点力反加到开外边界，并对赋予已经挖去的单元一小值，构成所谓的空单元，此时，开挖过程模拟便结束。需要注意的是，为避免空单元代替开挖单元时出现刚度的矩阵病态，必须赋予已挖去结点零位移，还要在总刚度方程中消去与这些结点相对应的方程。
2、模拟支护的过程
由于支护的工程和地下工程开挖都是相互交替和分期进行的，所以在对数值的分析过程中对这种过程的模拟也是必不可少的。必须考虑过整个的施工程序后再对隧道内部的单元进行划分，而且所有浇注与开挖区域的边线必须都是所处单元的边线，绝不能在单元的内部进行。一般情况下，支护的过程模拟都是比较简单的。即在开挖后相应规定分期内，重新赋予所谓支护部分中相应的空单元衬砌材料的参数，然后进行计算。根据结果分析，比较围岩的应力与变形的情况，再对支护和开挖方案进行合理的调整，以便最后确定最优的施工程序。
三、对于施工中出现的问题的处理对策
在对峡口隧道的变形的特点及其数值模拟分析后，可初步确定隧道变形的原因，即是由高地应力造成的破坏。通过应力解除法来测定高地应力的具体数值，测量得出，峡口隧道的岩体是位于三向不相等压应力场之中，并分别得出了其最小的主应力、中间主应力和最大主应力的数值。对于这样的情况，分析探究后确定了可采用的技术对策等。
1、支护设计参数
支护参数的设计，其实也是对支护的过程模拟，在模拟比对中，对其相关数据进行改进和保留，使之能够更好地配合工程的开展。支护参数设计的过程中，必须详细记录各不同支护的信息，以便施工之用。除此之外，必须认真对待该项程序的实施，确保每个数据的误差达到最小，这样，也可尽量避免或减少以后施工过程中不良事故的发生或影响。
2、二次衬砌的施工
通常情况下，在围岩测量稳定后需要作二次衬砌，然而，软岩高地应力的大变形却是一个非常缓慢的过程。即使所测量的数据非常稳定，但是地应力仍旧是在缓慢不断的向支护施加，故此除了需要加大初期支护的强度、厚度和刚度以外，还需要合理的加大二次衬砌中的厚度和强度等，使用钢筋混凝土的施工策略。另外，根据实际的测量和工程的实际情况等，如果发现地质有异常现象，在需要的情况下必须及时的进行二次衬砌。这样的过程，可确保工程顺利的进行。
3、仰拱施工
需要注意的是，在高地应力区域，根据其围岩和监控测量的具体情况，及时的施作仰拱和矮边墙，以便尽早形成闭合环。开发仰拱混凝土施工利用了支墩式的栈桥抗干扰的仰拱施工法，实现了仰拱全断面的施作，防止了纵向的施工缝的产生，使仰拱的整体性得到了有效的保证。
4、部分针对性措施
第一，加强超前支护的措施，尽早对软弱岩体段施行预处理，以保证对开挖后的隧道松动圈的发展的有效控制；第二，利用柔性的支护来吸收围岩有限的变形，然后在施行超常规的刚性支护体系，以抵御另外的挤压变形；第三，初期的支护中，用钢纤维的混凝土代替喷射混凝土，可提高抗剪切能力和结构的强度；第四，对沉降的变形量进行合理的预留，这样可有效吸收残余的变形外力，进而防止初期支护侵限引起的衬砌的厚度不足等问题。
四、结束语
高地应力环境中的隧道施工工程，其过程中需要应对较多的问题。其中，构造应力引起的具有破坏性的挤压变形，需要采取台阶法施工，另外，在施工的时候，上台阶挤压变形的程度较大。在其软变形区域，由于所承受的形变压力较大，初期支护的结构容易遭到破坏，所以通常二次衬砌都会被预先考虑。高地应力环境中的隧道施工需要注意的问题有很多，文中一些施工措施为该类型的工程积累了一定的经验和相关技术等，这些都可供相类似的工程参考使用。
参考文献：
[1]何满潮,中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M],徐州: 中国矿业大学出版社, 1996.
[2]孙均,地下工程设计理论与实践[M],上海: 上海科学技術出版社, 1996.
[3]于书翰,隧道施工[M],北京: 人民交通出版社, 1999.
[4]周玉宏, 赵燕明, 程崇国. 偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J],岩石力学与工程学报, 2002.
[5]李晓红,隧道新奥法及其量测技术[M],北京: 科学出版社,2002.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。