近年来，随着经济发展和技术进步，水工、公路、铁路隧洞等地下工程迅速发展，其“长、大、深、群”的特点日趋明显，而它们所处的地质环境往往易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆、大变形等严重的次生工程地质灾害问题。高地应力与岩爆及大变形已成为影响地下工程围岩稳定性的难题。

初始地应力是岩体自重应力与构造应力的组合。一般来讲，其主要影响因素为构造运动、埋深、地形地貌、地壳剥蚀程度等。岩体的地应力状态是影响工程岩体安全的主导因素。对于地应力高低的判断，目前还没有统一的标准。一般来讲，认为最大主应力达到20～30 MPa时，就可以认为岩体处于高地应力状态。另外，还可以利用岩石的单轴抗压强度与最大主应力的比值（岩石强度应力比，Rb/σmax）来划分地应力等级。但在不同国家对地应力的高低的界定存在一定的差别。我国在《工程岩体分级标准》（GB 50218—1994）中，可按表4-6来划分地应力的高低。

表4-6　我国《工程岩体分级标准》（GB 50218—1994）地应力分级

注：RC—岩石单轴饱和抗压强度（MPa）；σmax—垂直硐室轴线方向最大初始应力。

高地应力是一个相对的概念，它与岩体所经受的应力历史、岩体强度、岩石弹性模量等诸多因素有关。1993年，中科院孙广忠教授就曾指出：强烈构造作用地区，地应力与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩石弹性模量相关，即弹性模量大的岩体内地应力高，弹性模量小的岩体内地应力低。

（一）岩爆问题

岩爆是指在高地应力区域，临空岩体中应力释放产生的突发式破坏的现象。岩爆发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部释放，致使岩体发生像爆炸一样的脆性断裂，造成大量岩石崩落，并产生巨大声响和气浪冲击。

岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7～8度，并伴有很大的声响。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。在这种条件下，一旦隧道开挖破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。

1.发生岩爆时的特点

（1）围岩坚硬、质脆，岩石的单轴抗压强度大于50 MPa；

（2）岩爆一般发生于新鲜完整、裂隙极少或仅有隐裂隙且具有较高的脆性和弹性的围岩，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，具有明显的岩体结构效应；

（3）如果地下水较少，岩体干燥，也容易发生岩爆；

（4）掘进过程中，掌子面至三倍洞径范围内岩爆活动较为频繁，且多发生在断面周边不圆顺处及壁面凹凸不平处等硐室周壁应力易集中部位，如图4-21所示；

图4-21　地下硐室施工过程中的岩爆现象

（5）岩爆段的硐室埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生与否的重要依据；

（6）岩爆发生的时间迟早不一，有的硐室开挖后随即就会发生岩爆，有的则要滞后若干时日或一个多月才会发生；

（7）岩爆随时间的延续有向深部累进发展的特征，因而岩爆地段应及时采取合理有效的支护措施。

2.岩爆烈度分级及预测方法

通过大量的工程实践，国内外学者大多将岩爆烈度划分为轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆3个等级，并主要采用洞壁围岩切向应力σθ与其单轴抗压强度Rb之比值作为岩爆判据。σθRb≤0.3，一般不会发生岩爆；0.3＜σθRb＜0.7，轻微岩爆；0.7≤σθRb＜0.9，中等岩爆；σθRb≥0.9，强烈岩爆。

在高地应力地区不一定都会发生岩爆，根据不同的岩体特性，地应力高低，强度应力比Rb/σmax，开挖及支护方式，会产生不同的结果。但在高地应力地区，有发生岩爆的潜在可能。一般高强度岩体会发生岩爆，中低强度岩体则发生较大变形。

高地应力区岩爆段施工过程中的预测预报研究工作非常重要，可以指导施工。目前，国内外对于岩爆的预测预报主要有以下几种。

（1）利用特殊地质现象。例如，钻孔岩芯饼裂现象（图4-22）；探洞现场大剪试验或表面应力解除时，底部会自动断裂甚至会被弹起；岩石应力-应变全过程试验曲线异常等。这些现象均预示着岩体具有较高地应力水平，可以帮助我们判断岩爆是否会发生。

（2）利用现场声发射现象监测进行岩爆预测。岩石在破坏前声发射信号会急剧增加，根据这一特点，可以将声发射技术推广应用到岩爆监测预报中。

（3）采用模糊数学综合评判方法，选取影响岩爆的因素，例如地应力大小、岩石抗压和抗拉强度、岩石弹性能量指数、岩体结构、水文地质条件等，对岩爆的发生与否进行预测评判。

图4-22　高地应力区岩芯饼化现象

3.岩爆安全防控与防治措施

在地下工程施工中，岩爆是潜在的工程危害，对施工人员及设备的安全构成巨大的威胁。在工程施工中总结的防控方法有：

（1）时间分期控制法。主要是根据施工及应力释放过程中各个阶段分别采取不同措施来防控，开挖前超期释放与超前支护结合，开挖后由浅至深的分层适时支护相结合，中后期释放岩体应力二次加固加以稳定。

（2）空间分区控制法。空间分区控制法的要点是“化整为零，分区释放，分区稳固与总体稳固相结合”。

（3）结构空间优化法。选择合理的结构形式，避免应力集中发生岩爆。

为了预防岩爆发生，工程选址时应当尽量避开易发生岩爆的高地应力集中区域，实在难避开时，也应尽量使硐室轴线与最大主应力方向平行布置，以减小应力集中系数，防止岩爆和降低岩爆烈度等级。目前，地下工程中岩爆防治措施主要有以下三大类：

（1）改善围岩物理力学性质。

在掌子面和洞壁喷水、洒水，一定程度上可以降低表层围岩的强度。采用超前钻孔向岩体高压注水，可以提前释放弹性应变能，并将最大切向应力向围岩深部转移；高压注水的劈裂作用可以软化、降低岩体的强度；高压注水可产生新的张裂隙并使原有裂隙扩展，降低岩体的储存弹性应变能的能力。

（2）改善围岩应力条件。

在岩爆地段宜短进尺掘进，减小装药量，控制进行光面爆破，减少围岩表层应力集中。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，减少对围岩的扰动。强烈岩爆地段必要时可采用上下台阶法开挖，降低岩爆的破坏程度。可采用超前钻孔、松动爆破等方法，降低岩体应力，在开挖前释放围岩应变能。

（3）加固围岩。

对于不同岩爆烈度的围岩，一般分别采取不同的加固处理措施。岩爆强烈地段，采用超前锚杆预支护，锁定前方围岩。超前开挖顶板支撑及紧跟衬砌可减少岩爆危害。

（二）软岩大变形问题

1.大变形的定义

在相同的强度应力比（Rb/σmax）条件下，高强度岩体会发生岩爆，中低强度的岩体则会发生大变形，其主要问题就是围岩收敛变形大，且持续时间长。《铁路二隧道设计规范》（TB 10003—2005）中对于大变形规定，岩石强度比（RC/σ1）小于4时为极高应力，软质岩在开挖过程中位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，成洞性差；岩石强度比（RC/σ1）为4～7时为高应力，软质岩在开挖过程中位移显著，持续时间长，成洞性差。

这种隧道围岩变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道将被完全封死，如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。围岩破坏区主要集中在两侧边墙，拱肩以上区域，主要出现鼓出、掉块，沿拱架的环向裂缝发育和变形破坏，如图4-23所示。

挤压性大变形通常为高地应力引起的大变形，是指围岩具有时效的大变形，其本质上是岩体内的剪应力超限而引起的剪切蠕动，变形可发生在施工阶段，也可能会延续较长时间。

图4-23　隧道衬砌开裂

2.软岩大变形的主要特征

（1）变形持续时间长。

（2）变形量值大。

（3）变形存在显著部位，一般边墙收敛较大。挤压大变形的变形显著部位集中在拱腰以下墙脚以上的两侧边墙。

（4）变而不塌，没有突变。

3.隧道围岩大变形分级

隧道围岩大变形分级如表4-7所示。

表4-7　隧道围岩大变形分级

4.高地应力下软弱围岩大变形机理分析

对于高地应力区的中低强度的软弱围岩，隧道围岩的大量变形主要是围岩发生塑性流动造成的，如图4-24所示。塑性流变破坏指隧道开挖引起应力重分布达到屈服面后，围岩处于塑性状态，发生塑性变形并引起围岩应力的继续调整，导致围岩剪切滑移，产生大变形，如图4-25所示。(www.daowen.com)

图4-24　软岩塑性流动机制

图4-25隧道拱顶下沉

（1）隧道围岩变形的计算方法。

图4-26　隧道应力分布图

图4-26所示为隧道应力布，其中径向应力为

切向应力为

剪切应力为

λ=1（侧压力系数）时塑性区半径为

洞壁位移为

围岩抗压强度为

式中：Rp——塑性区半径（m）；

　　　R0——隧道半径（m）；

　　　P0——地应力（MPa）；

　　　Pi——支护抗力（MPa）；

　　　Rb——围岩抗压强度（MPa）；

　　　c——黏聚力（MPa）；

　　　φ——内摩擦角（°）。

隧道开挖后原有应力状态被破坏。地应力以能量的形式一部分随开挖而释放，围岩发生瞬时回弹变形；另一部分则向围岩深部转移，发生应力重分布和局部区域应力集 中。

岩体在开挖前处于高围压环境，开挖后处于高地应力状态下的低围压和高应力差环境。

围压降低，岩石的峰值强度、残余强度和弹性变形区相应地减小。

（2）隧道塑性区扩展的影响因素。

① 围岩强度应力比、围岩强度。

高地应力与围岩强度是塑性区、洞壁位移增大的直接影响因素。塑性区半径随围岩强度及强度应力比的增加而减小。当强度应力比小于0.3～0.5时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。

② 高地应力。

高地应力值越大，塑性区范围越大，侧压力系数不等于1时更为明显；洞壁位移与塑性区的面积成正比。

③ 侧压力系数。

当侧压力系数小于1/3或大于3时，在拱顶、边墙位置产生拉应力。 随着侧压力系数的增大，洞壁位移也逐渐增大。

5.软岩大变形隧道工程案例

日本的岩手隧道，长25.8 km，采用新奥法施工，地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2～6 MPa。施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移为100～400 mm，最大达到411 mm；下断面的净空位移最大为200 mm，拱顶下沉为10～100 mm。

日本惠那山隧道，长8.635 km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为黏土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为1.7～3.0 MPa，隧道埋深为400～450 m，原始地应力为10～11 MPa。施工时产生了大变形，在地质最差的地段，拱顶下沉达到930 mm，边墙收敛达到1 120 mm，有600 cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。最后采用9.0 m和13.5 m的长锚杆，并重新喷护20 cm厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。

奥地利阿尔贝格隧道长13 980 m，开挖断面面积90～103 m2，岩石主要为千枚岩、片麻岩，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩，岩石强度为1.2～1.9 MPa，隧道的埋深平均为350 m，最大埋深为740 m，原始地应力为13.0 MPa，围岩强度比为0.1～0.2。隧道采用自上而下的分布开挖法，先开挖弧形导坑，施作初期支护，然后再开挖台阶（分左、右两次分别进行），最后检底。由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，该隧道设计时的初期支护就比较强，喷射混凝土厚20～25 cm，锚杆长6.0 m，同时安设了可缩刚架。但是由于岩层产状不利，锚杆的长度仍不够，施工中支护产生了很大变形，拱顶下沉量达到15～35 cm，最大水平收敛达70 cm，变形速度达11.5 cm/d，后来采取将锚杆的长度增加到9.0～12.0 m的办法，才使变形得到了控制，变形速度降为5.0 cm/d，变形收敛时间为100～150 d。

家竹箐隧道全长4 990 m。隧道位于盘关向斜东翼，属单斜构造，岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW。由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1，其破碎带宽15～20 m。隧道横穿家竹箐煤田，隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，中部3 890 m为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深（404 m）的煤系地层地段，由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。在一般地段拱顶下沉为50～80 cm，侧壁内移50～60 cm，底部隆起50～80 cm；在变形最严重地段，拱顶下沉达到240 cm，底部隆起达到80～100 cm，侧壁内移达到160 cm。为整治病害，具体措施如下：① 设置特长锚杆加固地层；② 改善隧道断面形状，加大边墙曲率；③ 采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④ 加大预留变形量；⑤ 提高二次衬砌的刚度；⑥ 加强仰拱。大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储备。

木寨岭隧道全长 1 710 m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及硅质砂板岩。存在的主要构造体系是山字形构造体系。该区域属地应力集中区，隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155 cm。经研究主要采取的处理措施有：① 开挖总体采用双侧壁法；② 初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。导坑开挖时预留变形；③ 修改原设计仰拱；④ 二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤ 对需换拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。

6.软岩大变形的控制措施

根据国内外的隧道工程施工经验，对软弱围岩大变形的治理措施归纳如下：

（1）选择合理的开挖方式。

（2）预留变形量设置。

《公路隧道设计规范》和《铁路隧道设计规范》中规定高地应力条件下，预留变形量应根据量测数据反馈分析确定。

（3）控制二次衬砌合理施作时间。

（4）采取合理的支护措施。

① 在控制变形方面，可以采用提高喷射混凝土标号、钢支撑规格，采用多重支护结构（二次支护、套拱）等方法，以及采用可缩性钢架、系统长锚杆、大变形恒阻锚杆、让压锚杆等适应大变形的支护措施；

② 在控制掌子面超前变形方面，可以采用超前导洞（图4-27）或者超前钻孔（图4-28）超前进行应力释放，或者超前支护加固围岩，控制围岩变形。

图4-27　超前导洞

图4-28超前钻孔

（5）加强施工期间的监测与预报。

在施工期间，加强洞壁收敛变形及拱顶下沉量监测，以及变形速率发展趋势，对最终位移值进行预测。加强对掌子面前方地质体的预报，及时了解前方的地质条件，在施工中及时调整施工措施。