深埋老黃土隧道限阻耗能型支護(hù)方法

王 剛，龔 倫，申志軍,3，仇文革,4

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；3.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230022；4.成都天佑智隧科技有限公司，四川成都 610031）

隧道開(kāi)挖后圍巖會(huì)產(chǎn)生一定的變形和松弛，變形大小和松弛范圍與隧道條件和地質(zhì)條件相關(guān)，對(duì)于圍巖變形量級(jí)與松弛范圍不同的隧道，相應(yīng)地，其具體的開(kāi)挖與支護(hù)方法也有所不同。在軟弱圍巖中，隧道支護(hù)方法一般存在2 種理念：一是抵抗理念，要求隧道支護(hù)充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，使圍巖盡量少地受到擾動(dòng)，故支護(hù)應(yīng)提供足夠的剛度來(lái)抵抗圍巖的變形和松弛；二是讓壓理念，在隧道變形量級(jí)較大的情況下，以鋼架和噴射混凝土為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)支護(hù)的變形能力無(wú)法與圍巖變形相匹配，致使支護(hù)受到過(guò)大的形變壓力而發(fā)生破壞，故要求支護(hù)剛度較低，以便支護(hù)與圍巖協(xié)同變形，釋放圍巖壓力。

抵抗理念強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度匹配，讓壓理念強(qiáng)調(diào)變形協(xié)調(diào)，各有適用的條件，但沒(méi)有絕對(duì)的界限。Hoek［1］建議隧道徑向應(yīng)變小于10%時(shí)采用剛性支護(hù)抵抗變形，在大于10%時(shí)采用讓壓支護(hù)，而目前在國(guó)內(nèi)，抵抗理念為主流理念，初期支護(hù)設(shè)計(jì)著重于錨桿、鋼架、噴射混凝土等強(qiáng)度參數(shù)的選擇，較為強(qiáng)調(diào)支護(hù)的承載能力指標(biāo)，相應(yīng)忽略了變形能力指標(biāo)。在既有的黃土隧道支護(hù)方法相關(guān)研究中，大多為基于抵抗理念的、以控制圍巖變形為基礎(chǔ)進(jìn)行的支護(hù)強(qiáng)度匹配的研究，如陳建勛［2-4］、譚忠盛［5-7］等研究了黃土隧道中的錨桿效用、鋼架型式及其適應(yīng)條件，李樹(shù)忱等［8］研究了膨脹性黃土隧道“格柵鋼架+型鋼鋼架+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)方法，周亞［9］研究了鋼管混凝土代替鋼拱架支護(hù)方法的研究等，其他的研究角度相對(duì)較為鮮見(jiàn)。

本文從綜合圍巖壓力和變形的角度，提出隧道的能量支護(hù)理念；依托蒙華鐵路陽(yáng)山隧道深埋老黃土段支護(hù)破壞案例，在分析初期支護(hù)變形及受力機(jī)理的基礎(chǔ)上，論證深埋老黃土隧道中耗能支護(hù)的可行性，提出采用鋼板型限阻器的限阻耗能型支護(hù)型式，建立深埋老黃土隧道限阻耗能型支護(hù)方法；依托試驗(yàn)段的施工試驗(yàn)，考察限阻耗能型支護(hù)在深埋老黃土隧道中的工作狀態(tài)，并從安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工進(jìn)度3 個(gè)方面與原設(shè)計(jì)支護(hù)方案與加強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比。

1 隧道能量支護(hù)理念

隧道開(kāi)挖后，圍巖的壓力與變形是密切相關(guān)的。大剛度支護(hù)變形量小，抑制了圍巖變形，帶來(lái)較高的形變壓力；若允許圍巖發(fā)生一定變形，則會(huì)顯著降低圍巖壓力。隧道支護(hù)的關(guān)鍵在于處理好“抗”和“放”，即圍巖壓力與變形之間的關(guān)系。根據(jù)物理定律，能量為力與變形的乘積，由此可將隧道支護(hù)問(wèn)題視為能量支護(hù)問(wèn)題，從能量指標(biāo)的角度出發(fā)，探究圍巖中能量存儲(chǔ)與分配間的關(guān)系，更為合理地指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)。

隧道施工時(shí)的圍巖能量關(guān)系如圖1 所示。圖中：A為圍巖能量密度；r為隧道半徑方向；σ為巖體單元應(yīng)力（壓力為正）；ε為巖體單元應(yīng)變；σci為初始狀態(tài)3 軸受力下的巖體單元應(yīng)力；σc為開(kāi)挖后側(cè)壓力解除后的巖體單元抗壓強(qiáng)度。由圖1 可知：在隧道開(kāi)挖前，圍巖單元處于3軸受力狀態(tài)，可以儲(chǔ)存大量的彈性應(yīng)變能。在隧道開(kāi)挖后，隧道周邊發(fā)生應(yīng)力集中，致使圍巖能量聚集（見(jiàn)圖1（a）），此時(shí)圍巖能量密度在隧道輪廓邊緣處最高，在遠(yuǎn)處邊界降為初始能量水平，而圍巖側(cè)向壓力解除或降低，巖體單元抗壓強(qiáng)度降低，從而儲(chǔ)能能力降低（見(jiàn)圖1（b）），導(dǎo)致隧道周邊一定深度內(nèi)圍巖的儲(chǔ)能能力小于其能量密度，從而產(chǎn)生需要釋放的剩余能量。在硬巖中，剩余能量往往通過(guò)巖爆的劇烈方式動(dòng)力釋放，此時(shí)為了吸收動(dòng)能，要求支護(hù)具有較高的吸能水平，如D-Bolt 等高吸能錨桿［10］便屬此類。而在軟弱圍巖中，剩余能量往往通過(guò)相對(duì)溫和的塑性流動(dòng)大變形方式耗散掉，與之對(duì)應(yīng)，便要求支護(hù)具有較高的耗能能力，這即是耗能型支護(hù)。吸能型支護(hù)與耗能型支護(hù)均屬于能量型支護(hù)。

圖1 隧道施工圍巖能量關(guān)系

對(duì)于耗能型支護(hù)，其工作原理為：在保證圍巖穩(wěn)定性的條件下允許圍巖塑性變形，輔助圍巖利用其峰后塑性承載力充分耗散剩余能量，最終使得隧道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。一些大變形隧道中采用的讓壓元件（Yielding element）［11］及恒阻大變形錨桿/索［12］等，實(shí)質(zhì)上都屬于實(shí)現(xiàn)耗能支護(hù)的方式。

耗能型支護(hù)需要滿足以下3 點(diǎn)要求：一是安全性，即提供保障圍巖穩(wěn)定的最小支護(hù)阻力；二是耗能性，即提供足夠的變形能力，充分耗散圍巖剩余能量；三是經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)圍巖壓力特征曲線，會(huì)出現(xiàn)若干組滿足隧道安全支護(hù)的圍巖壓力和變形量的解，故最后還需要結(jié)合圍巖超挖量、支護(hù)造價(jià)、施工時(shí)間等因素，達(dá)到綜合成本最低。

實(shí)現(xiàn)耗能型支護(hù)的方法一般有2 種：一是在支護(hù)環(huán)向設(shè)置耗能元件，把現(xiàn)有剛性支護(hù)變成柔性支護(hù)，通過(guò)耗能元件的壓縮變形帶動(dòng)支護(hù)和圍巖共同收縮變形，此類元件有可滑動(dòng)鋼架、襯砌應(yīng)力控制器（LSC）、高度可壓縮混凝土（HiDCon）和限阻器等；二是在支護(hù)背后設(shè)置耗能元件，通過(guò)耗能元件的壓縮變形實(shí)現(xiàn)支護(hù)不變而圍巖變形，此類可以采用鋼筋肋、泡沫混凝土等易壓縮可提供變形空間的材料。同時(shí)，還可在這2 種方法的基礎(chǔ)上徑向打設(shè)恒阻大變形錨桿/索等，以提供更大的支護(hù)阻力，提高安全性。

2 工程背景

2.1 地質(zhì)概況

陽(yáng)山隧道地處陜北黃土高原地區(qū)，為單洞雙線重載鐵路隧道，全長(zhǎng)11.6 km。隧道出口工區(qū)起訖里程DK388+650—DK391+270，最大埋深174 m，其中洞身DK389+580—DK390+960為深埋老黃土段，此處地層巖性為第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)老黃土（Q2pl），棕紅色局部夾棕黃色，土體堅(jiān)硬為主，夾多層古土壤層，層位穩(wěn)定，鈣質(zhì)含量高，鈣質(zhì)結(jié)核局部成層，節(jié)理不發(fā)育，呈大塊狀壓實(shí)結(jié)構(gòu)。水文地質(zhì)為第四系孔隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量較小，土體塑限20%、液限33.4%，開(kāi)挖未見(jiàn)地下水。

2.2 原支護(hù)方案

陽(yáng)山隧道出口深埋老黃土段圍巖級(jí)別Ⅳ土，設(shè)計(jì)隧道斷面高11.1 m，寬11.2 m，面積110.0 m2，采用三臺(tái)階法施工。原設(shè)計(jì)采用復(fù)合式襯砌支護(hù)，初期支護(hù)為全環(huán)H150 格柵鋼架噴C25 混凝土22 cm；格柵鋼架由主筋和“8”字形連接筋組成，截面高150.0 mm，主筋直徑22.0 mm，間距1.0 m；噴射混凝土24 h強(qiáng)度不低于10 MPa。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)破壞情況及改進(jìn)支護(hù)方案

上臺(tái)階施工至DK390+543.5 時(shí)，DK390+638—+639 段的右側(cè)上、中臺(tái)階連接板偏上部位噴射混凝土出現(xiàn)表層脫落掉塊現(xiàn)象（破壞斷面距掌子面約95 m）；施工時(shí)經(jīng)歷連續(xù)降雨，DK390+630—+650 段的右側(cè)上、中臺(tái)階交界處局部出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。隨著施工的持續(xù)進(jìn)行，噴射混凝土剝落及滲水現(xiàn)象沿縱向緩慢延伸發(fā)展，但監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)異常。施工至DK390+521.5 時(shí)，破壞現(xiàn)象加劇，初期支護(hù)迅速失去強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沿環(huán)向產(chǎn)生斜向圍巖側(cè)的貫穿裂縫，格柵鋼架變形外鼓，多處鋼筋外露，呈錯(cuò)臺(tái)狀扭曲，裂縫沿縱向貫通至掌子面附近，如圖2所示，破壞范圍DK390+530—+715共185 m。

圖2 初期支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)破壞形態(tài)

支護(hù)發(fā)生破壞后，采用加強(qiáng)型支護(hù)（ⅤC型支護(hù)） 方案在DK390+168—+520 段施工，架設(shè)H230 格柵鋼架（主筋直徑28 mm，間距0.6 m），噴射300 mm混凝土。

采用加強(qiáng)型支護(hù)方案后，初期支護(hù)整體穩(wěn)定，局部在DK390+465—+467 段出現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象（距掌子面約105 m），但鋼架無(wú)明顯錯(cuò)臺(tái)扭曲，噴射混凝土破壞未深入發(fā)展與縱向貫通，如圖3 所示。這說(shuō)明初期支護(hù)受力已達(dá)到其承載極限。

圖3 采用加強(qiáng)型支護(hù)方案后的初支局部破壞現(xiàn)象

3 初期支護(hù)變形及受力機(jī)理

3.1 圍巖含水率及初期支護(hù)變形規(guī)律

前述支護(hù)破壞段在開(kāi)挖過(guò)程中，施工測(cè)試黃土含水率較低，為15.0%～17.9%，低于老黃土20%的塑限，土體較硬，初期支護(hù)無(wú)滲水現(xiàn)象，施工變形量小，變形規(guī)律與淺埋大斷面黃土隧道變形規(guī)律相同，即拱頂沉降大于邊墻收斂。

經(jīng)歷連續(xù)降雨后，雨水滲入下層老黃土裂隙，導(dǎo)致該段土體含水率逐漸增加，達(dá)到20.0%～29.5%，普遍高于老黃土塑限，圍巖強(qiáng)度軟化，初期支護(hù)在臺(tái)階連接處出現(xiàn)滲水，同時(shí)隧道初期支護(hù)的變形量也隨著含水率的增加而增大，呈現(xiàn)邊墻收斂大于拱頂沉降的規(guī)律，具體數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 圍巖含水率及初期支護(hù)變形規(guī)律

土體含水率的持續(xù)增加導(dǎo)致圍巖軟化、自承能力降低，圍巖塑性區(qū)增大，不斷向初期支護(hù)塑性擠壓變形，更多的圍巖壓力施加到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，直至超出支護(hù)的承載能力導(dǎo)致支護(hù)破壞。

3.2 初期支護(hù)的受力與破壞

測(cè)量并分析蒙華鐵路沿線多種圍巖地質(zhì)條件（石質(zhì)、土質(zhì)，Ⅱ—Ⅴ級(jí)）和不同斷面形狀（單、雙線）下深埋隧道的初期支護(hù)受力［13-15］，結(jié)合已發(fā)表的有關(guān)實(shí)測(cè)和計(jì)算支護(hù)內(nèi)力的文獻(xiàn)資料［16-19］，對(duì)此時(shí)的陽(yáng)山隧道支護(hù)受力情況做出判斷：隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)基本無(wú)受拉現(xiàn)象出現(xiàn)，支護(hù)處于小偏心受壓狀態(tài)為大概率事件。后期開(kāi)展的限阻耗能型支護(hù)內(nèi)力量測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了這一判定：深埋老黃土隧道初期支護(hù)在封閉后整體處于小偏心受壓狀態(tài)。

由于三臺(tái)階法施工帶來(lái)中臺(tái)階和下臺(tái)階的應(yīng)力釋放，初期支護(hù)的受力關(guān)鍵部位位于拱部。在圍巖弱化前，若初支不具備足夠的安全儲(chǔ)備，那么圍巖弱化后，初支拱部的內(nèi)力會(huì)很快達(dá)到支護(hù)的極限抗壓強(qiáng)度，加之拱腳在分臺(tái)階施作時(shí)存在強(qiáng)度損傷，那么在綜合因素的影響下，初支破壞會(huì)首先在拱腳部位發(fā)生，表現(xiàn)為小偏心受壓的斜截面剪切破壞。拱腳部位發(fā)生破壞后，圍巖及初支隨即產(chǎn)生較大變形，圍巖壓力繼續(xù)釋放，此時(shí)初支雖遭受破壞但并未完全失效，可憑借其殘余承載能力繼續(xù)起到支護(hù)作用。在破壞后的變形過(guò)程中，圍巖壓力逐漸減小，最終與初支殘余（或補(bǔ)強(qiáng)）承載能力持平，隧道圍巖又達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

老黃土塑性變形能力好，塑性變形過(guò)程中不易解體，若圍巖壓力為松散圍巖體帶來(lái)的塌落荷載，不隨圍巖變形而減小，那么初支破壞后，其殘余承載能力遠(yuǎn)低于其峰值承載能力，在塌落荷載作用下，初支遭受破壞后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)垮塌，故施加在深埋老黃土隧道初期支護(hù)上的圍巖壓力應(yīng)以形變荷載為主，即圍巖壓力主要來(lái)源于支護(hù)抑制圍巖變形而產(chǎn)生的形變荷載。

4 限阻耗能型支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工

4.1 耗能型支護(hù)方法及適用性

由前節(jié)分析可知，深埋老黃土隧道的初期支護(hù)主要受形變壓力，且因其塑性變形能力良好，故可采用耗能型支護(hù)，保護(hù)和輔助圍巖塑性變形、充分耗散剩余能量；由于支護(hù)受力為小偏心受壓，故可采用文獻(xiàn)［20］中的鋼板型限阻器，將其環(huán)向嵌入原初期支護(hù)受力關(guān)鍵部位，轉(zhuǎn)變剛性支護(hù)為耗能型支護(hù)，通過(guò)限阻器受壓后的屈服變形帶動(dòng)支護(hù)總體收縮變形，以實(shí)現(xiàn)控制圍巖變形、釋放形變壓力、耗散圍巖能量的目的。

4.2 限阻耗能型支護(hù)設(shè)計(jì)

限阻耗能型支護(hù)的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要結(jié)合工程自身特點(diǎn)。對(duì)于支護(hù)未發(fā)生破壞或無(wú)法通過(guò)類似工程等獲知隧道支護(hù)受力和變形特征的情況，應(yīng)首先通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)確定支護(hù)的受力和變形特征，然后根據(jù)圍巖超挖量、支護(hù)造價(jià)、施工時(shí)間等進(jìn)行成本最優(yōu)分析，選擇最合適的支護(hù)參數(shù)；對(duì)于本文依托工程這種初期支護(hù)已發(fā)生破壞的情況，可基于現(xiàn)場(chǎng)觀察和統(tǒng)計(jì)資料，分析隧道的支護(hù)受力和圍巖變形特征，給出最符合現(xiàn)場(chǎng)條件的支護(hù)參數(shù)。

限阻耗能型支護(hù)的具體設(shè)計(jì)方案為：保持原Ⅳ土型支護(hù)參數(shù)不變，在初期支護(hù)受力關(guān)鍵部位（左、右拱腳）設(shè)置2 個(gè)鋼板型限阻器，其安裝位置及支護(hù)型式如圖4 所示。為保證初期支護(hù)的整體性，限阻器通過(guò)連接板開(kāi)孔與鋼架螺栓連接，與噴射混凝土采用鋼筋連接，前后兩榀限阻器采用鋼筋幫焊的方式連接。同時(shí)，將左、右拱腳處外擴(kuò)150 mm，并預(yù)留80～120 mm變形量。

圖4 限阻耗能型支護(hù)設(shè)計(jì)

支護(hù)相關(guān)性能指標(biāo)取值及依據(jù)如下：根據(jù)初期支護(hù)破壞結(jié)果，支護(hù)破壞后約有一半8 字節(jié)長(zhǎng)度的環(huán)向錯(cuò)臺(tái)壓縮量，可設(shè)計(jì)限阻器的壓縮變形量為200 mm；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和支護(hù)受力數(shù)值分析，可設(shè)定限阻器初始峰值為8.0～12.0 MPa；因初始峰值與恒阻值存在相關(guān)性，根據(jù)初始峰值，可設(shè)定恒阻值為1.0～1.5 MPa，此恒阻值大于支護(hù)破壞后鋼架的殘余強(qiáng)度，滿足最小支護(hù)阻力的要求。

基于以上性能指標(biāo)，結(jié)合文獻(xiàn)［20］中的限阻器試驗(yàn)結(jié)果，鋼板型限阻器的設(shè)計(jì)參數(shù)分別?。簩挾葹槌跗谥ёo(hù)的厚度220 mm，豎向鋼板厚度7.5 mm、高度280.0 mm，間距100.0～150.0 mm，可根據(jù)鋼架間距在此區(qū)間調(diào)整。

4.3 試驗(yàn)段施工

選取加強(qiáng)段后續(xù)段落DK390+152—+168 為試驗(yàn)段，開(kāi)展限阻耗能型支護(hù)的施工試驗(yàn)，其上、中臺(tái)階施工方法與具體步序如圖5所示，其余步驟同原設(shè)計(jì)。支護(hù)分步施工如圖6所示。

圖5 限阻耗能型支護(hù)的施工方法與步序

施作完成后，限阻器距掌子面約1.5 倍洞徑時(shí)開(kāi)始明顯發(fā)生變形，最終壓縮變形量為100～150 mm，其工作變形過(guò)程如圖7 所示。初期支護(hù)變形期間，除與原剛性支護(hù)接觸斷面產(chǎn)生環(huán)向裂縫外，其他部位完好無(wú)破損，限阻器豎向鋼板之間的空隙會(huì)被前期噴入的混凝土和后期擠入的圍巖局部填充，上下連接板之間會(huì)產(chǎn)生輕微錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，但最大錯(cuò)臺(tái)量未超過(guò)10 mm，不影響穩(wěn)定后的后續(xù)工序施工；初期支護(hù)變形穩(wěn)定后（約2.5 個(gè)月），限阻器尚未達(dá)到完全壓實(shí)狀態(tài)，說(shuō)明圍巖壓力已釋放充分，圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線相交（圍巖壓力與支護(hù)阻力達(dá)到平衡），此時(shí)隧道系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定，采用噴射混凝土輔以小導(dǎo)管注漿的方式封閉限阻器，限阻器退出工作，限阻耗能型支護(hù)轉(zhuǎn)換成剛性支護(hù)，然后進(jìn)行二襯施作工序。

圖7 限阻器變形過(guò)程

試驗(yàn)段施工無(wú)支護(hù)破壞和拆換一次性實(shí)施通過(guò)，表明限阻耗能型支護(hù)可有效解決陽(yáng)山隧道深埋老黃土的初期支護(hù)破壞問(wèn)題，同時(shí)，由于施工期圍巖壓力釋放充分，施工完成后的初支二襯復(fù)合支護(hù)體系能更好地應(yīng)對(duì)運(yùn)營(yíng)期圍巖劣化帶來(lái)的圍巖壓力，擁有更高的運(yùn)營(yíng)期安全儲(chǔ)備。

4.4 支護(hù)變形及應(yīng)力量測(cè)

為考察限阻耗能型支護(hù)的施工力學(xué)特征，在試驗(yàn)段選取3 處斷面，分別量測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、圍巖應(yīng)力、鋼架主筋應(yīng)力及噴射混凝土應(yīng)力。

1）支護(hù)變形量測(cè)

試驗(yàn)段每間隔5.0 m 處設(shè)置1 個(gè)結(jié)構(gòu)變形量測(cè)斷面，共設(shè)置DK390+165，DK390+160和DK390+155這3處斷面，分別量測(cè)拱頂沉降（拱頂）、限阻器上、下0.5 m 處水平收斂（測(cè)線1、測(cè)線2）和下臺(tái)階開(kāi)挖線上1.5 m處水平收斂（測(cè)線3）。限于篇幅，取DK390+165 斷面為例進(jìn)行分析，繪制其支護(hù)變形時(shí)程曲線并標(biāo)注各階段變形速率，如圖8所示，圖中正值表示指向洞內(nèi)的變形。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)圖8進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

圖8 DK390+165斷面處的支護(hù)變形時(shí)程曲線

（1）支護(hù)前期，DK390+165 斷面的變形速率較大，但此時(shí)限阻器還未壓縮變形，直到其距掌子面約1.5 倍洞徑即上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖5 d 左右才開(kāi)始變形。這種前期變形速率過(guò)快的現(xiàn)象在其他量測(cè)斷面也有出現(xiàn)。其發(fā)生的可能原因有2 個(gè)：一是側(cè)點(diǎn)靶標(biāo)經(jīng)常受施工擾動(dòng)，變形量測(cè)干擾較大；二是圍巖含水率高，噴射混凝土彈性模量低加之支護(hù)未閉合，因支護(hù)剛度低而導(dǎo)致。

（2）在限阻器開(kāi)始?jí)嚎s變形后，支護(hù)的最大變形速率為9.3 mm·d-1，出現(xiàn)在測(cè)線2 位置上。仰拱初支閉合后支護(hù)各測(cè)線上的變形速度均開(kāi)始變緩，約在自上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖12 d 后，除測(cè)線2外，其他部位變形皆接近穩(wěn)定，測(cè)線2 則按平均1.4 mm·d-1的速率持續(xù)變形，在54 d 后，測(cè)線2按0.6 mm·d-1的平均速率持續(xù)變形。

（3）最終，DK390+165 斷面的拱頂變形53.5 mm，測(cè)線1 變形89.3 mm、測(cè)線2 變形144.6 mm、測(cè)線3變形91.3 mm，3條測(cè)線的水平收斂均大于拱頂沉降，拱頂沉降小于限阻器壓縮變形（100～150 mm）。

DK390+160 和DK390+155 這2 處斷面的支護(hù)變形量測(cè)結(jié)果與之近似，不再展開(kāi)。

2）圍巖壓力量測(cè)

由于施工因素，圍巖壓力量測(cè)斷面較變形量測(cè)斷面稍有偏離，依次分別為DK390+163，DK390+159 和DK390+155，分別量測(cè)拱頂、左右拱腳、左右邊墻和左右墻腳共7 處圍巖壓力。限于篇幅，取與變形分析斷面對(duì)應(yīng)的DK390+163 斷面為例進(jìn)行分析，繪制其圍巖壓力時(shí)程曲線圖9所示，圖中正值表示受壓。由圖9可得到如下結(jié)論。

圖9 DK390+163斷面圍巖壓力時(shí)程曲線

（1）在施工過(guò)程中，該斷面的圍巖壓力出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，圍巖壓力一度出現(xiàn)峰值，之后隨著限阻器的壓縮屈服及大幅變形，圍巖壓力隨之減小，其中圍巖壓力降幅最大的部位為變形最大的拱腳處，這說(shuō)明支護(hù)變形后達(dá)到了釋放圍巖壓力的效果，也驗(yàn)證了圍巖壓力為形變壓力的分析。

（2）拱部始終是支護(hù)受力的關(guān)鍵部位，施工過(guò)程最大圍巖壓力出現(xiàn)在右拱腳，為0.46 MPa，其次為拱頂和左拱腳，依次分別為0.40 MPa 和0.25 MPa，最終拱頂與左右拱腳處圍巖壓力分別為0.38，0.11 和0.27 MPa，其他位置最終圍巖壓力較小且均勻，為0.07～0.08 MPa，這一受力規(guī)律也與支護(hù)實(shí)際在拱腳處發(fā)生破壞相符。

（3）由于現(xiàn)場(chǎng)原因未測(cè)得未設(shè)限阻器段的圍巖壓力，通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算得到致使支護(hù)發(fā)生破壞的圍巖壓力在0.8 MPa 左右，綜合3 個(gè)測(cè)試斷面的圍巖壓力數(shù)據(jù)，設(shè)限阻器后最大圍巖壓力經(jīng)測(cè)試不超過(guò)0.5 MPa，多處于0.1～0.2 MPa 水平，圍巖壓力的降低幅度至少為37.5%。

DK390+159 和DK390+155 這2 處斷面的圍巖壓力量測(cè)結(jié)果與之近似，不再展開(kāi)。

3）支護(hù)內(nèi)力量測(cè)

繪制全部3 個(gè)測(cè)試斷面的最終支護(hù)內(nèi)力包絡(luò)圖如圖10 所示，圖中支護(hù)內(nèi)力包括噴射混凝土和鋼架主筋的凈空側(cè)和圍巖側(cè)的應(yīng)力，數(shù)值以受壓為正、受拉為負(fù)，藍(lán)色虛線為各部位量測(cè)到的最小值、紅色實(shí)線為最大值。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)圖10 進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

（1）支護(hù)各截面基本無(wú)受拉區(qū)域的存在，說(shuō)明支護(hù)處于小偏心受壓狀態(tài)；凈空側(cè)應(yīng)力普遍高于圍巖側(cè)應(yīng)力，說(shuō)明偏心距偏向于凈空側(cè)。

（2）支護(hù)受力最大位置在拱部，左右拱腳處噴射混凝土應(yīng)力普遍小于拱頂應(yīng)力，說(shuō)明限阻器起到了保護(hù)支護(hù)關(guān)鍵部位受力的作用；同時(shí)可看到拱腳處噴射混凝土應(yīng)力大于限阻器恒阻值，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，一方面支護(hù)與圍巖之間摩擦作用較強(qiáng)，增加了拱腳截面噴射混凝土內(nèi)力，另一方面限阻器受圍巖和混凝土填充影響也導(dǎo)致恒阻值有所增加。

（3）噴射混凝土應(yīng)力最大值為32.1 MPa，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)位置為DK390+155 斷面右拱腳，此應(yīng)力值已超過(guò)C25噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯的混凝土剝皮掉落現(xiàn)象，包括在28.9 MPa和29.2 MPa應(yīng)力水平較高的位置，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度已超過(guò)30.0 MPa；其他位置噴射混凝土內(nèi)力基本小于20.0 MPa，具有1.5倍以上的安全系數(shù)；鋼架主筋內(nèi)力最大值為230.7 MPa，遠(yuǎn)小于HRB400鋼筋的抗壓屈服強(qiáng)度，支護(hù)各截面的鋼筋均擁有較高安全系數(shù)。

5 支護(hù)方案對(duì)比

分別從安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工進(jìn)度這3 個(gè)方面，將本文提出的耗能型支護(hù)方法設(shè)計(jì)的限阻耗能型支護(hù)方案與以強(qiáng)度指標(biāo)方法設(shè)計(jì)的原設(shè)計(jì)支護(hù)（Ⅳ土）方案、加強(qiáng)型支護(hù)（Ⅴc）方案進(jìn)行對(duì)比分析，綜合分析限阻耗能型支護(hù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

1）安全性對(duì)比

原設(shè)計(jì)支護(hù)方案和加強(qiáng)型支護(hù)方案并未進(jìn)行受力量測(cè)，因此可從支護(hù)是否發(fā)生破壞及破壞原因的角度出發(fā)，評(píng)判對(duì)比陽(yáng)山隧道深埋老黃土段3種支護(hù)方案的結(jié)構(gòu)安全性，詳見(jiàn)表2。對(duì)比可知，限阻耗能型支護(hù)方案的結(jié)構(gòu)安全性最高，加強(qiáng)型支護(hù)方案次之。

表2 3種支護(hù)方案的結(jié)構(gòu)安全性對(duì)比

2）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

限阻耗能型支護(hù)方案為在原設(shè)計(jì)支護(hù)基礎(chǔ)上的初期支護(hù)優(yōu)化方案，當(dāng)圍巖壓力充分釋放后，二襯及其他工序可按照Ⅳ級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與施工，二者直接成本差別較??；而加強(qiáng)型支護(hù)方案則需采用Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在綜合考慮工程造價(jià)后，限阻耗能型支護(hù)方案比加強(qiáng)型支護(hù)方案節(jié)省直接成本1.4萬(wàn)元·m-1。

3）施工進(jìn)度對(duì)比

限阻耗能型支護(hù)方案的施工進(jìn)度優(yōu)于加強(qiáng)型支護(hù)方案，稍慢于原設(shè)計(jì)支護(hù)方案。Ⅳ級(jí)圍巖日進(jìn)尺2 個(gè)循環(huán)為4.0 m，Ⅴ級(jí)圍巖日進(jìn)尺2 個(gè)循環(huán)為2.4 m；由于限阻器重量大、安裝精度要求高，采用人力施工難度較大，工人施工熟練程度不足，加之需要安裝量測(cè)元件，導(dǎo)致施工進(jìn)度偏慢，平均1 d 不足2 個(gè)施工循環(huán)為3.2 m。雖然限阻耗能性支護(hù)方案施工進(jìn)度較慢，但這可規(guī)避更耗時(shí)費(fèi)力的支護(hù)破壞拆換返工風(fēng)險(xiǎn)，而且隨著隧道機(jī)械化施工的全面配套升級(jí)，限阻器安裝帶來(lái)施工進(jìn)度問(wèn)題會(huì)得到解決。

4）綜合對(duì)比

限阻耗能型支護(hù)方案可以有效解決支護(hù)破壞問(wèn)題，并給隧道整體支護(hù)結(jié)構(gòu)在后期工作留足安全系數(shù)，在安全性方面優(yōu)于原設(shè)計(jì)支護(hù)方案和加強(qiáng)型支護(hù)方案，在造價(jià)上也比加強(qiáng)型支護(hù)方案節(jié)省了1.4萬(wàn)元· m-1，故限阻耗能型支護(hù)方案既能增加隧道安全性，又可有效降低施工成本。

綜上，從結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工進(jìn)度方面綜合比對(duì)，限阻耗能型支護(hù)方案的優(yōu)越性明顯。

6 結(jié) 論

（1）針對(duì)目前國(guó)內(nèi)軟弱隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)往往片面強(qiáng)調(diào)支護(hù)的承載能力而忽略其變形能力，導(dǎo)致支護(hù)變形能力不能適應(yīng)圍巖變形而發(fā)生破壞的問(wèn)題，綜合力與變形的能量理念，提出更為合理的指導(dǎo)軟弱圍巖隧道支護(hù)的限阻耗能型支護(hù)方法。

（2）依托工程老黃土含水率增大軟化后不斷向初期支護(hù)塑性擠壓變形，隧道圍巖壓力以形變壓力為主，初期支護(hù)整體處于小偏心受壓狀態(tài)，在此受力狀態(tài)下可采用基于限阻器的耗能型支護(hù)，通過(guò)限阻器環(huán)向壓縮帶動(dòng)支護(hù)隨圍巖共同變形來(lái)釋放圍巖壓力、耗散剩余能量。

（3）根據(jù)依托工程現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)破壞先驗(yàn)資料，采用豎向鋼板厚7.5 mm、高280 mm、間距100～150 mm的鋼板型限阻器滿足安全性和耗能性要求，將其環(huán)向嵌入初期支護(hù)的左右拱腳位置形成限阻耗能型支護(hù)，能夠治理蒙華鐵路陽(yáng)山隧道深埋老黃土的初期支護(hù)破壞問(wèn)題。

（4）根據(jù)試驗(yàn)段施工與測(cè)試，限阻器在距掌子面約1.5倍洞徑時(shí)開(kāi)始?jí)嚎s變形、最終壓縮變形量為100～150 mm；隨著支護(hù)的持續(xù)變形，支護(hù)受到的圍巖壓力有減小現(xiàn)象；受支護(hù)與圍巖間的摩擦作用和限阻器局部填充導(dǎo)致恒阻值增加的綜合影響，支護(hù)各部位內(nèi)力值皆高于限阻器設(shè)計(jì)恒阻值，但均處于安全狀態(tài)，支護(hù)除特殊情況外無(wú)破損現(xiàn)象；初期支護(hù)變形穩(wěn)定、圍巖壓力釋放充分后封閉限阻器、施作二襯。

（5）限阻耗能型支護(hù)既增加了支護(hù)的安全性又降低了工程造價(jià)，相比加強(qiáng)型支護(hù)節(jié)省直接成本1.4萬(wàn)元·m-1，優(yōu)越性明顯；但限阻器重量大、且工人施工熟練度不足導(dǎo)致施工進(jìn)度較慢，為保證施工質(zhì)量和作業(yè)效率，還應(yīng)與隧道機(jī)械化施工配合發(fā)展。