高地應力軟弱圍巖隧道聯(lián)合支護體系應用

張傳軍

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來我國高地應力軟弱圍巖地區(qū)修建了大量的鐵路干線、支線和專用線。隧道施工受高地應力的影響，極易發(fā)生大變形，常規(guī)的新奧法理論已不足以解決現(xiàn)場難題，需要不斷創(chuàng)新、總結，形成一套具有可參照性的理論和技術，有針對性地開展試驗研究工作。

馮豫、陸家梁、郊雨天、朱效嘉等人在總結新奧法支護的基礎上，提出 “聯(lián)合支護技術”［1］。

關寶樹針對軟弱圍巖施工在 《軟弱圍巖隧道施工技術》一書中詳細詮釋說明［2］。

趙勇對軟弱圍巖地質特征與工程影響評價、變形機制與時空效應、支護結構與圍巖作用體系、隧道軟弱圍巖變形控制技術等進行了系統(tǒng)深入研究，取得了一系列研究成果［3］。

根據以往施工經驗，如蘭武二線烏鞘嶺隧道［4］，宜萬線堡鎮(zhèn)隧道［5］，蘭渝鐵路毛羽山隧道［6］，蘭渝鐵路兩水隧道［7］，成蘭鐵路榴桐寨隧道［8］，并結合公路隧道［9，10］，均采取了比較可行的控變形理念和方法。在不同地域不同條件下的施工情況差異較大，雖進行過系統(tǒng)的試驗研究，但情況不一，差異較為明顯，目前國家對于高地應力軟弱圍巖隧道的標準化建設方面尚未有比較系統(tǒng)的總結和提煉，木寨嶺隧道相比其它高地應力軟巖隧道來說，地應力更高、變形更大，需要進一步進行分析總結，為后期規(guī)范的編制提供相關經驗參考，從而達到覆蓋面廣、應用更為合理的標準化建設。

1 工程概況

1.1 地質概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19.1 km，隧道洞身最大埋深約600 m。該隧道地質條件非常復雜，隧道洞身共發(fā)育11個斷裂，最大帶寬約1 km，總長4.5 km，穿過3個背斜及2個向斜構造，洞身穿越的板巖及炭質板巖區(qū)，占全隧的65.44%，屬于典型的軟弱圍巖地段，圍巖穩(wěn)定性差易坍塌，支護體變形量大、變形速率高、持續(xù)時間長。

1.2 地應力狀況

設計勘察階段測得地應力最大水平主應力可達27.16 MPa，而木寨嶺隧道洞身板巖及炭質板巖圍巖強度約為0.26～5 MPa，圍巖強度應力比僅為0.01～0.2，與規(guī)范極高地應力（σmax／R＜4）相比，處于 “特極高地應力”水平。

2 變形缺陷

2.1 初期支護變形

極高地應力作用區(qū)，未主動釋放地應力且支護強度不夠時，塑性變形明顯，蠕變作用下發(fā)生空間移位，一旦達到支護結構的極限強度將發(fā)生破壞變形，常有的表現(xiàn)就是初期支護混凝土脫落、鋼架扭曲外凸，見圖1。

圖1 木寨嶺隧道初期支護擠壓變形明顯Figure 1 Extrusion deformation of initial support of muzhailing tunnel is obvious

2.2 襯砌開裂

初期支護蠕變過程中未達到穩(wěn)定且地應力的變化形成的流變現(xiàn)象，會在襯砌支護后表現(xiàn)明顯，伴有襯砌量測異常、結構開裂，最短時間不到1個月，最長約3 a甚至更長，見圖2。

圖2 DK 180＋840～＋860襯砌開裂Figure 2 Crack of DK180＋840～ ＋860 lining

3 試驗階段

隨著地應力的增加，支護結構變形逐步增大、缺陷增多，共分4個階段進行現(xiàn)場統(tǒng)計，支護體系在依次增強，最終采用應力主動釋放、圍巖主動加固、預留變形量加大、支護剛度加強的支護體系穩(wěn)定有效的渡過高地應力區(qū)。

第1階段 （單層初期支護 ＋2次襯砌），第2階段 （雙層初期支護 ＋2次襯砌），施工以來初期支護大面積拆換，襯砌大面積開裂，變形不可控。第3階段 （3層初期支護 ＋2次襯砌），初期支護仍出現(xiàn)拆換，襯砌變形穩(wěn)定，后期襯砌出現(xiàn)開裂。第4階段 （導洞應力釋放＋圓形斷面＋3層初期支護＋2次襯砌），變形可控，初期支護無拆換，襯砌無開裂。

4 圍巖變形、支護特性理論分析［9］

4.1 塑性變形區(qū)模擬

根據圍巖特性曲線進行模擬分析，考慮塑性區(qū)圍巖剪脹效應的圍巖特性曲線 （GRC），支護壓力為0時，即沒有支護壓力作用時，最大塑性區(qū)半徑為2.72倍的洞室半徑，最大仰拱封閉和開挖面距離宜取3.5～4倍洞室半徑。

4.2 支護特性模擬

采用單層支護體不足以抵抗較大圍巖應力，通過支護特性模擬，需采取多層支護加強，并需根據監(jiān)控量測控制施做時機，利用其它加固措施延緩變形，并最終控制變形。

5 聯(lián)合支護體系應用

通過有效的地應力釋放能充分利用圍巖自身的穩(wěn)定性形成的塑性松動圈，再通過圓形斷面進行擴挖，采用4層支護進行加固，多種錨桿體系予以輔助，可在很大程度上減小支護變形，減小蠕變及流變現(xiàn)象。

5.1 高地應力主動釋放

根據塑變理論，圍巖開挖后，若圍巖自身強度及支護強度小于蘊藏的地應力時，將發(fā)生塑性變形。塑性松動圈跟開挖洞室半徑有關，開挖洞室半徑越大，松動圈越大，采用較小開挖斷面提前主動釋放部分圍巖應力，形成較為穩(wěn)定的塑性區(qū)，可在一定條件下減小變形。

5.1.1 設計參數(shù)

木寨嶺隧道經設計單位理論測算并滿足現(xiàn)場出渣同步作業(yè)的情況下，采用7 m×6.8 m（寬×高）的應力釋放小導洞。單層初期支護，H175型鋼。

5.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據模擬

小導洞效果明顯，施工過程中變形極大，大范圍的出現(xiàn)初支開裂、拱架扭曲等現(xiàn)象，為確保施工安全，小導洞貫通前進行了局部地方套拱支護，加設臨時仰拱，并對開裂處進行補噴。

小導洞共施工3個月，選取距離洞口最近的量測樁進行統(tǒng)計分析，以典型斷面為例，通過整體量測數(shù)據統(tǒng)計，圍巖應力釋放不一，充分說明地質情況復雜的多變性，靠近洞口位置變形相對較大，釋放時間長，變形呈穩(wěn)定增長趨勢，一定程度上說明釋放是有時間效應的，需要及時進行擴挖支護，若延緩擴挖需要進行補強，見圖3。

圖3 典型斷面收斂曲線圖Figure 3 Convergence curves of typical sections

5.2 圓形斷面擴挖

5.2.1 斷面對比

木寨嶺隧道一般軟巖地段采用橢圓形斷面設計變形基本可控，進入嶺脊核心地段后，及軟巖大變形地段，橢圓形斷面初期支護出現(xiàn)變形侵限，襯砌開裂拆換，經調整圓形斷面后，變形可控，無初支侵限，襯砌無開裂。

5.2.2 預留變形量設計

導洞對圍巖應力進行了部分釋放并形成了較為穩(wěn)定的塑性區(qū)，在擴挖過程中塑性圈將繼續(xù)增大，需要再次釋放并加強支護進行抵抗，引用邊放邊抗的理論，適當加大預留變形量，根據指數(shù)回歸方程模擬即足夠又合理，木寨嶺隧道擴挖預留變形量設計為90～125 cm。

5.2.3 支護體系

a.支護參數(shù)。

采用兩層初期支護，H175型鋼，C30噴射混凝土，局部地方采用3層初期支護；邊墻增設4×Φ15.2 mm錨索，長15 m，8根／環(huán)，縱向間距2.8 m；邊墻設置R38N自進式長錨桿配合長錨索支護，8根／環(huán)，縱向間距1.4 m；超前、徑向注漿參照普通軟巖施工。仰拱設置桁架，H175型鋼每榀拱架設置，橫向與拱墻連接，豎向與仰拱拱架連接，縱向形成一體。加設第三層支護，全環(huán)噴射C30鋼筋混凝土，厚40 cm，Φ22主筋＠20 cm，Φ14縱向筋＠25 cm，以噴射混凝土代替模筑，增強支護，減少二次襯砌過度受力開裂變形。二次襯砌，全環(huán)C35鋼筋混凝土，厚70 cm；襯砌鋼筋環(huán)向采用Φ25主筋＠20 cm，間隔雙筋布置，Φ14縱向筋＠25 cm，Φ8箍筋＠25 cm。

b.支護斷面。（見圖4）

圖4 擴挖支護斷面圖Figure 4 Supporting section of enlarged excavation

5.2.4 工序組織與安排

從前期的施工情況來看，圓形斷面擴挖變形仍然較大，且變形速率快，短時間內若未得到有效控制，將出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)侵限，且在3層支護上施做的徑向注漿、長錨索長錨桿加固體系還會對圍巖后期造成擾動，穩(wěn)定后的支護體在繼續(xù)變形，襯砌前無法穩(wěn)定。因此仍將2層支護在中臺階提前施做，加固體系施做在2層支護之上并盡早施做，用以延緩支護體變形，確保3層支護后變形趨于穩(wěn)定。

圖5 二支滯后加固體系施工平面布置圖 （單位：m）Figure 5 Construction plan layout of two lagging reinforcement systems（Unit：m）

a.施工順序。

3臺階正常施工，控制第2層初期支護、仰拱、第3層支護以及長錨索、長錨桿施工時機。

b.2層支護施做時機。

因上中臺階拱腳變形速度快、空間移位大，為避免出下臺階前一層支護就已侵入2層支護凈空或拱架外凸不能順接的情況發(fā)生，2層支護在中臺階施做，根據之前的施工經驗，中臺階上套拱后變形明顯減小。

c.仰拱施做時機。

因2層支護已提前施做，現(xiàn)場已空出作業(yè)臺架的空間，仰拱可以同樣提前，為盡早將支護封閉成環(huán)，同時不影響掌子面正常作業(yè)并考慮到了備料空間，仰拱采用仰拱棧橋作業(yè)，距掌子面距離30 m，仰拱施工長度為5 m。

d.3層支護施工時機。

在中臺階施做2層支護的目的就是控制圍巖的變形速率，為后期仰拱襯砌提供時間，能在很大程度上降低圍巖收斂速率，因此盡早的施工3層支護對圍巖控制變形十分必要，根據現(xiàn)場情況，參照監(jiān)控數(shù)據，在2支侵入凈空前進行3層支護作業(yè)，仰拱緊跟3支，及時封閉成環(huán)。

e.徑向注漿、錨桿、錨索施做時機。

徑向注漿在1層支護后及時施做，納入正常工序，本循環(huán)立拱可對上循環(huán)加固，不占用工序時間。中臺階2層支護完及時施工上中臺階長錨桿，本循環(huán)對上循環(huán)進行施做。下臺階2層支護完及時利用履帶式潛孔鉆車施做下臺階長錨桿長錨索，不占工序同步施工。仰拱支護完成后及時利用臺架＋潛孔臺鉆進行上中臺階錨索施工。

5.2.5 變形及數(shù)據模擬分析

取嶺脊核心段擴挖典型斷面進行數(shù)據進行統(tǒng)計，可明顯看出上臺階收斂較大，拱頂下沉與下臺階收斂相對較小，一定程度上驗證了水平主應力是影響隧道變形的關鍵，側向位移是高地應力作用下軟巖隧道的主要特征。隨著支護參數(shù)的加強變形速率在明顯降低，呈一定規(guī)律減緩，可充分說明高地應力的支護體系需要足夠的剛度。

圖6 DK 181＋200典型斷面收斂速率曲線圖Figure 6 Convergence rate curve of DK181＋200 typical section

圖7 DK181＋170累計收斂柱狀圖Figure 7 Cumulative convergence histogram of DK181＋170

根據量測數(shù)據統(tǒng)計分析：①凈空收斂大于拱頂下沉，比例為1／2～2／3，說明隧道主應力在主要集中在水平方向，形成側向壓力較大。②從累計變形來看，中臺階施做2支，累計變形可減小一半，說明擴挖過程中圍巖應力需要邊放邊抗，及時強有力的剛性支護才能減小變形，不能長時間的釋放后支護。③3層支護施工后變形趨于穩(wěn)定，無異常變形，說明錨固體系再第2層支護上施做可提前穩(wěn)固支護體，第3層支護后未產生任何擾動，襯砌前支護體系穩(wěn)定可靠。

5.2.6 結構受力分析

導洞擴挖段結構整體受力均較小，除個別仰拱因是做較早受力較大外，其余部位接觸壓力最大在200～300 kPa左右，鋼筋應力最大在-50～-100 MPa左右，混凝土應力最大在-10～-20 MPa左右，測試斷面的結構受力在6個月左右部分趨于穩(wěn)定，安全儲備較多。

5.3 仰拱特殊設置

仰拱缺陷在木寨嶺隧道表現(xiàn)為2種，一種是垂直隧道側向隆起造成結構開裂破壞，通過仰拱缺陷處理，發(fā)現(xiàn)缺陷破壞點大部分集中在拱墻與仰拱連接處，一種是沿隧道縱向發(fā)生移位造成拉裂縫，發(fā)造成開裂破壞，受34°角的水平主應力的影響下，結構強度不夠極易發(fā)生。

根據破壞形式，利用拱部受力情況進行相似模擬，需要對薄弱點進行加固，橫向與拱墻形成一體，縱向與全隧連成一體，所有支護體系與拱墻相同，增加剛度，全環(huán)穩(wěn)固封閉。通過現(xiàn)場試驗，采用H175型鋼拱架橫向與拱墻連接，縱向與所有仰拱連接，穩(wěn)固的基礎可靠度增加，桁架連接處避開拱墻與仰拱交接的薄弱點，互補進行咬合。

6 結論與建議

a.高地應力作用下的軟弱圍巖塑性變形極不穩(wěn)定，隨著塑性區(qū)長時間蠕變造成的流變現(xiàn)象，極易造成初期支護變形侵限，二次襯砌結構開裂破壞，需要合理的支護體系進行抵抗。

b.開挖后的圍巖在沒有支護體作用下，塑性圈在不斷延伸，前期變化極快，后期逐步穩(wěn)定，在采用支護體作用下，若支護體系剛度不夠，塑變發(fā)生的位移極易造成缺陷，通過應力的主動釋放，效果明顯，實用性較強。

c.經過模擬測算，高地應力環(huán)境下，需要分析相關數(shù)據采取足夠剛度的支護體，邊放邊抗、以抗為主。

d.結構破壞缺陷是在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生，有害位移將導致整個結構破壞，加強支護體系需要做到全環(huán)統(tǒng)一，薄弱處特殊設置，應將仰拱與拱墻同等進行模擬。

e.監(jiān)控量測需要模擬分析，最有利的回歸曲線可預估最大變形量及各層支護體系變形比例，相應指導施工。

f.合理的支護體系需要對施工時機及工裝進行準確分析，前期支護體系不宜滯后施工，后期支護體系不宜過早施工，如第2層支護需在中臺階進行施做，襯砌則需要待第3層支護穩(wěn)定后施做。