浅埋软岩隧道大变形特征及控制措施

浅埋软岩隧道大变形特征及控制措施

童一杰

身份证号：330621199906165939

【摘要】：文章旨在探讨浅埋软岩隧道的大变形特征及其控制措施，研究内容包括变形量大、变形速率高、持续时间长以及时间效应和塑性变形特征等方面。针对这些特征，提出了合理设计断面形状、加强支护措施、预留变形量、加强监测预警和控制掌子面稳定性等控制措施。研究表明，综合运用这些措施可有效控制浅埋软岩隧道的大变形问题，提高施工安全性和隧道长期稳定性，对于指导类似工程实践、降低施工风险和优化隧道设计具有重要的现实意义。

【关键词】：浅埋软岩；隧道；大变形

引言：随着交通建设的快速发展，隧道工程在我国得到了广泛的应用。然而，在山地、丘陵和高原地区，由于地质条件复杂，特别是浅埋软岩隧道，其施工过程中往往面临着大变形的问题。大变形不仅影响隧道的正常施工，还可能导致隧道结构失稳，造成安全事故。因此，深入研究浅埋软岩隧道大变形特征及控制措施，对于确保隧道工程的安全和稳定具有重要意义。

一、浅埋软岩隧道大变形特征

（一）变形量大

浅埋软岩隧道的一个显著特征是其变形量远超常规隧道。由于浅埋条件下岩体应力重分布不充分，加上软岩本身强度低、变形能力强，导致隧道开挖后，周围岩体产生大量塑性变形。变形量可达到数十厘米甚至上米，严重时会导致初期支护开裂、钢拱架变形、锚杆失效等问题。这种变形不仅影响施工安全，还可能引发地表沉降，危及周边建筑物和设施的稳定性。

（二）变形速率高

除了变形量大，浅埋软岩隧道的变形速率也明显高于常规隧道。开挖初期，软岩隧道周围岩体会迅速释放应力，导致短时间内产生大量变形。实测数据表明，开挖后24小时内的变形量可占总变形量的50%以上，72小时内可达70%-80%。这种高速变形对支护体系提出了更高要求，常规支护措施往往难以及时发挥作用。同时，高变形速率也增加了施工过程中掉块、坍塌等事件的发生率，给施工安全带来巨大挑战。

（三）变形持续时间长

与常规隧道相比，浅埋软岩隧道的变形过程往往持续时间更长。虽然开挖初期变形速率较高，但后期仍会有持续的缓慢变形。这种长期变形主要由软岩的流变特性和围岩应力的长期调整过程引起。变形持续时间可达数月甚至数年，给隧道长期稳定性带来不利影响。长期变形可能导致二次衬砌开裂、防水层破坏、路面隆起等问题，增加了隧道后期维护难度和成本。

（四）变形具有明显的时间效应和塑性变形特征

浅埋软岩隧道的变形过程表现出明显的时间效应，即变形-时间曲线呈非线性特征。这主要是由软岩的黏弹塑性本构特性决定的。初期变形以弹性变形为主，随后进入黏塑性变形阶段，最后可能出现加速蠕变阶段。此外，软岩隧道的变形还具有显著的塑性特征，即卸载后仍保留大量不可恢复变形。这种塑性变形会导致围岩强度的进一步降低和结构的持续松弛，加剧隧道的不稳定性。

二、浅埋软岩隧道大变形控制措施

（一）合理设计隧道断面形状

隧道断面形状对控制大变形至关重要。针对浅埋软岩隧道，应避免采用常规的马蹄形或圆形断面，而应选择更有利于应力分布的椭圆形或扁平拱形断面。这些断面形状可以减小拱顶和边墙的应力集中，有效降低变形量。同时，可考虑采用曲率可变的复合断面，使断面形状更好地适应围岩应力状态。在拱顶和边墙转角处采用较大曲率半径，可减少应力集中，防止支护结构开裂。此外，还可通过增大底部仰拱半径来提高隧道整体稳定性。在设计中，应结合数值模拟方法对不同断面形状进行优化分析，选择最佳方案。同时，考虑到软岩的各向异性特征，可采用正交试验设计方法，研究不同断面参数对隧道稳定性的影响规律。此外，还可结合岩体损伤力学理论，建立考虑围岩损伤演化的断面优化模型，更准确地预测和控制隧道变形。这些先进的设计方法将显著提高浅埋软岩隧道断面设计的科学性和可靠性。

（二）加强支护措施

针对浅埋软岩隧道的大变形特征，传统支护措施往往难以满足要求，需采取加强支护措施。首先，应提高初期支护强度和刚度，可采用高强喷射混凝土、高强钢筋网和大型钢拱架等。其次，增加系统锚杆密度和长度，提高锚固力。可考虑采用树脂锚杆、中空注浆锚杆等新型锚杆，提高锚固效果。第三，采用复合支护体系，如管棚+钢拱架+锚网喷联合支护，发挥各支护元件的协同作用。第四，对于特殊软弱地段，可采用管幕、超前小导管等预加固措施。此外，还可考虑采用双层复合衬砌、变刚度衬砌等新型支护结构，以适应软岩的长期变形特性。在支护设计中，应充分考虑软岩的时间效应，采用分级支护和动态设计方法，根据监测结果及时调整支护参数。

（三）预留合理变形量

考虑到浅埋软岩隧道的大变形特征，合理预留变形量是控制支护结构内力的有效措施。预留变形量可通过设置柔性垫层、采用可压缩材料或延迟封闭支护等方式实现。具体预留变形量应根据围岩类别、埋深、断面尺寸等因素确定，一般可取设计轮廓线的3%-5%。对于特殊软弱地段，预留变形量可适当增大。预留变形的关键是把握时机，既要允许围岩适度变形以释放应力，又要及时封闭支护以控制过大变形。可采用"限压让压"原理，在支护结构中设置压力传感器，当压力达到设定值时触发变形释放机构。此外，还可采用分段开挖、分层支护等措施，使围岩变形得到充分释放。需注意的是，预留变形量应与监测数据相结合，根据实际情况动态调整，避免过大或过小。

（四）加强监测和预警

鉴于浅埗软岩隧道变形的复杂性和不确定性，加强监测和预警对于控制大变形至关重要。应建立全方位、多层次的监测体系，包括围岩变形、支护结构内力、地表沉降等多个方面。可采用多点位移计、应变计、压力盒、光纤传感器等先进监测设备，实现实时、连续、自动化监测。特别是对隧道拱顶、边墙和掌子面等关键部位进行重点监测。同时，建立基于大数据和人工智能的预警模型，通过分析监测数据的变化趋势，及时发现异常情况并预测可能发生的大变形。制定分级预警标准和应急预案，一旦出现异常情况立即采取相应措施。此外，还应加强施工过程中的人工巡查，及时发现裂缝、渗水等异常现象。通过监测和预警系统，可以实现对隧道变形的动态控制和主动预防。

（五）加强掌子面变形及稳定性控制

掌子面是浅埗软岩隧道施工中最薄弱的环节，其稳定性直接关系到整个隧道的安全。为控制掌子面变形，可采取以下措施:首先，合理确定开挖步长，一般应控制在0.5-1.5m，必要时可缩短至0.3-0.5m。其次，采用预留核心土、临时仰拱等措施增强掌子面稳定性。对于特殊软弱地段，可采用管棚支护、注浆加固等预加固措施。此外，还可考虑采用机械化开挖设备，如全断面隧道掘进机(TBM)或部分断面隧道掘进机(PBM)，以减少对围岩的扰动。在掌子面支护方面，可采用喷射混凝土、玻璃纤维锚杆等临时支护措施。对于高地应力条件下的软岩隧道，可考虑采用预应力支护技术，通过预应力锚索对掌子面施加主动支撑力。同时，加强掌子面变形监测，及时调整支护参数和施工工艺。通过综合采取这些措施，可有效控制掌子面变形，确保隧道施工安全。

【结束语】

浅埋软岩隧道大变形是隧道工程中常见的问题，其控制措施需要从多个方面入手。通过合理设计隧道断面形状、加强支护措施、预留合理变形量、加强掌子面变形及稳定性控制以及加强监测和预警等措施，可以有效控制浅埋软岩隧道大变形，确保隧道工程的安全和稳定。未来，随着隧道工程技术的不断发展，相信会有更多的有效措施被应用于浅埋软岩隧道大变形控制中。

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