高地應力松軟圍巖隧道支護技術研究與實踐

李留璽

（湖南城市學院土木工程學院，湖南益陽413000）

·隧道與建設工程·

高地應力松軟圍巖隧道支護技術研究與實踐

李留璽*

（湖南城市學院土木工程學院，湖南益陽413000）

分析了高地應力軟巖隧道變形機理，結合國內外高地應力軟巖隧道支護實踐提出了“錨網噴+可縮性U型鋼支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”的支護方案。該支護方案在重慶某隧道進行了現場試驗研究，結果表明：（1）隧道拱頂和壁幫累計移動量為10mm和22mm，支護效果較好；（2）該支護方式的優(yōu)點是允許圍巖出現一定流變變形，在提高U型鋼支架支護阻力的基礎上減少二次襯砌的形變壓力，從而確保隧道保持長期穩(wěn)定。

高地應力；軟巖；變形機理；支護技術；效果分析

近年來，隨著國內交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，穿越高地應力松軟圍巖的隧道越來越多，給隧道設計和施工單位帶來了較大挑戰(zhàn)。尤其是我國西部地區(qū)，山勢陡峻、山巖松軟易碎、地應力普遍較高，隧道在施工過程中和竣工后常出現圍巖變形和襯砌破壞[1]。目前，隧道專家普遍認為松軟圍巖隧道亟待解決的問題是尋求合理支護方法控制圍巖大變形。鑒于多年國內外施工經驗總結，控制隧道圍巖變形的理論和技術主要有隧道斷面優(yōu)化設計、支護參數優(yōu)化設計和合理確定開挖方法等，如隧道斷面采用近似圓形；隧道初期支護采用錨索、可縮U型鋼支架；采用臺階式開挖等[2-3]。這些理論和方法在一定程度上抑制了軟巖隧道變形，但進行高應力軟巖隧道圍巖控制時還存在一定問題。在前人研究成果的基礎上，根據高應力軟巖隧道變形特點，筆者提出“錨網噴+可縮性U型鋼支架+二次襯砌+壁后填充”的支護方案，該支護方案在貴州某隧道進行了試驗研究，結果顯示該支護方式下的圍巖控制效果較好。

1　高應力軟巖隧道變形機理

軟巖隧道的圍巖巖性中多含有伊利石、蒙脫石等遇水易膨脹軟化的低強度礦物質，這些礦物質一方面促使隧道圍巖遇水發(fā)生膨脹和崩解；另一方面降低了圍巖的結構面、片理面強度和子承載能力，造成圍巖極易出現變形和破壞[4]。在軟巖隧道開挖后，若圍巖遇水出現膨脹，其產生的膨脹壓力與圍巖應力共同作用在支護結構體上，當支護結構體強度無法承擔這部分力時便會引起隧道圍巖出現變形，圍巖變形最常表現在隧道底鼓和仰拱開裂等。軟巖的塑形流動作用和擠出作用也是造成隧道變形的重要因素：（1）軟巖隧道開挖后，圍巖應力重新分布，隧道部分圍巖進入彈塑性狀態(tài)，在隧道周圍形成一定尺寸的破壞松動圈，松動圈范圍內的巖體會出現典型塑形流變特性，其表現就是隨著時間的推移，隧道出現長期性的凈空收斂現象；（2）隧道圍巖的擠出作用是指隧道在開挖后，其重新分布的圍巖應力超過巖體自身強度而促使巖體處于塑形屈服狀態(tài)，促使隧道圍巖出現剪切滑移和彎曲變形，該圍巖變形與軟巖膨脹造成圍巖變形的主要區(qū)別是圍巖體積變化較小，以緩慢變形為其顯著特點。

地應力是影響軟巖隧道穩(wěn)定性的重要因素，在《巖土工程勘察規(guī)范》中根據巖石單軸抗壓強度Rb與最大主應力σmax的比值來劃定地應力，當比值Rb/σmax＜4時為極高地應力，當Rb/σmax＞7時未一般地應力，當4≤Rb/σmax≤7時為高地應力等級。高應力軟巖隧道施工實踐表明，在高應力作用下，隧道開挖后洞壁巖體有顯著位移和不同程度剝離現象，且隧道變形持續(xù)時間較長，隧道不易成洞。采用彈性力學對高應力軟巖隧道圍巖進行受力分析，隧道開挖后重新分布的圍巖應力狀態(tài)可由下式表示：

式中：a——隧道開挖半徑；

r——徑向位移；

θ——極徑與軸X夾角；

σ′θ——切向應力；

σ′r——徑向應力；

τ′rθ——剪切應力；

σA——地應力；

σB——隧道上部圍巖傳遞重力。

由上式可知，隨著地應力的逐漸增大，隧道圍巖徑向應力也逐漸增大，由于高地應力軟巖隧道圍巖所受地應力較大，且圍巖強度和自承載能力較弱，故在隧道開挖后，隧道圍巖出現內應力釋放和回彈，造成隧道圍巖出現剪脹擴容、滑移開裂、隧道內斂和隧道幫壁巖體片落等變形破壞現象。

2　高應力軟巖隧道支護方案的確定

軟巖隧道不同于硬巖隧道，軟巖隧道圍巖強度較低、自承載能力較弱，且在施工過程中容易產生較大的工程應力，若軟巖隧道支護方式不合理則會在施工過程中或隧道使用過程中出現較大的變形和襯砌破壞。日本惠那山1#隧道采用H型鋼拱架和鋼筋混凝土二次襯砌支護，結果在隧道圍巖變形作用下出現大量的鋼拱架扭曲損壞，且部分地帶二次襯砌開裂嚴重；惠那山2#隧道采用可縮性鋼架和長錨桿聯合支護，保證了二次襯砌的完整性，但是為避免圍巖流變增加了開挖工程量[5]。奧地利陶恩隧道采用長錨桿支護出現了較明顯的圍巖流動變形，在此基礎上增加可縮性鋼架方對圍巖形成了較好控制[5]；國內的蘭渝鐵路全線高地應力軟巖隧道采用可縮性鋼架支護時出現了近4km的大變形地段，拆換工程巨大，變更數量較多[6]；家竹箐隧道采用傳統(tǒng)的網噴支護時出現了拱頂大面積下沉和底部大范圍隆起，通過在混凝土噴層預留伸縮縫方一定程度的解決了隧道變形[7]。由此可知，僅僅想通過剛性支護來控制高地應力軟巖隧道變形較困難，家竹箐隧道支護實例證明只有采用剛柔結合的支護方式才能有效控制高地應力軟巖隧道。

通過大量的現場調研發(fā)現，高地應力軟巖隧道變形具有一定的時間效應，且支護結構的受力多以圍巖形變壓力為主，破碎圍巖松動壓力較小。故當隧道采用剛性支護時，剛性支護結構不能夠對圍巖變形不能形成一定的“躲讓”，這樣隨著圍巖流動變形程度的加大，剛性支護結構受力也越來越大，最終導致襯砌結構開裂，造成隧道失穩(wěn)?；诖耍挥胁捎脛側峤Y合的支護方式才能保證高地應力軟巖隧道保持長期穩(wěn)定，這就要求支護結構既能一定程度的協(xié)調圍巖變形，釋放圍巖壓力；又具有較大的剛度防止圍巖變形過度，避免隧道失穩(wěn)。

根據高地應力軟巖隧道變形特點，同時結合國內外高地應力軟巖隧道支護實踐，筆者提出“錨網噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”的聯合支護方式，該支護方式具體如圖1所示。該支護方式的優(yōu)點：高壓縮性材料具有較好的變形能力和延性，當其承壓達到峰值強度后只會發(fā)生軸向應變持續(xù)增加，不會出現整體破壞；通過該高壓縮性材料的填充，可以提高鋼架支護阻力，同時可吸收隧道圍巖流變，減少二次襯砌形變壓力，最終促使高應力軟巖隧道在允許一定程度變形的基礎上保持長期穩(wěn)定。

圖1　高地應力軟巖隧道合理支護方式

3　工程應用

3.1工程概況

重慶某隧道地所處山區(qū)地勢復雜多變，地形起伏較大，該隧道設計總長度為6400余米，最大埋深超過1500m，設計內輪廓為5.5單心圓，開挖高度為9.9m，隧道跨度為12.38m。該隧道圍巖巖性以泥巖、炭質泥巖和泥質灰?guī)r為主；巖性特征表現為節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，巖體軟弱易碎，圍巖分級為Ⅵ類圍巖。根據地應力測試可知，該隧道所在區(qū)域構造應力偏高，水平主應力最大為14.1MPa，測壓系數隨深度呈線性增大。隧道開挖時巖體破碎冒漏較嚴重，采用錨網噴支護后出現不連續(xù)性大范圍開裂，且開裂程度隨著隧道埋深的增大不斷增大，同時可縮性支架部分出現扭曲變形現象，說明該隧道圍巖流變效應較顯著，采用剛性支護手段不足以控制隧道圍巖變形，尋求新的支護手段對保證隧道穩(wěn)定具有重要的意義。

3.2支護方案確定

針對該隧道所受地應力情況，同時結合隧道圍巖物理特性，確定該隧道支護方案：錨網噴（初期支護24cm）+可縮性支架+二次襯砌（C25厚40cm）+壁后填充高壓縮性材料（厚15cm）。支護參數參數：錨桿為?25mm×3000mm中空注漿錨桿，錨桿間排距為120mm×100mm；鋼筋網為?8mm的鋼筋焊接而成，網格參數為25mm×25mm；可縮性鋼架采用U25型鋼，支架間距500mm，要求卡纜工作阻力不低于200kN、法相約束力不低于152kN，螺桿凸輪式連接件變形量不超過10cm；壁后高壓縮性填充材料選擇為泡沫混凝土材料，該材料強度較低，但延性和抗破裂性較好，其單軸抗壓強度為3.0MPa，屈服應力系數為0.48，屈服靜水壓力系數為0.1，泊松比為0.41。

3.3支護效果分析

3.3.1監(jiān)測方案設計

為了掌握在“錨網噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”支護方式下隧道拱頂下沉和隧道壁幫收斂規(guī)律，在施工范圍內共布置3個觀測站，分別為1#、2#、3#測站，每個觀測站對應一個巷道監(jiān)測斷面，在觀測斷面頂板、底板和兩幫各安裝一個基樁作為原始觀測點，并做好原始數據的記錄，隧道變形量采用斷面收斂計進行定期觀測，觀測方案布置具體如圖2所示。

圖2　隧道收斂變形觀測方案布置示意

3.3.2支護效果分析

隧道圍巖變形監(jiān)測結果如圖3、圖4所示。由圖3可知，隨著時間推移，在20d內拱頂基本呈0.5mm/d的線性下沉變化，在20-27d范圍內，拱頂變化率逐漸降低，在30d后拱頂下沉曲線趨于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測結果顯示，在30d內，拱頂下沉累計量為10mm。由圖4可知，隧道在13d內水平收斂速度較大，平均為0.65m/d，13-32d范圍內，隧道水平收斂曲線逐漸變緩，32d后曲線基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，在隧道保持穩(wěn)定之前水平收斂累計量約為22mm。從圖3和圖4可知，隧道拱頂和壁幫在支護初期都會出現一定的變形，該變形主要是圍巖應力釋放導致，但是由于支護結構的存在，該變形量能夠維持在隧道可控范圍內，從隧道變形觀測結果可知，該隧道變形量不大，總體支護效果較好。

圖3　隧道拱頂下沉與時間關系

圖4　隧道水平收斂與時間關系

4　結束語

（1）通過高地應力軟巖隧道支護機理分析，結合國內外高地應力軟巖隧道支護實踐提出高地應力軟巖最佳支護方案為剛柔結合的“錨網噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”聯合支護方式。

（2）“錨網噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”聯合支護方式的主要優(yōu)點是允許隧道圍巖出現一定程度的流變變形，提高U型鋼支架支護阻力，同時可減少二次襯砌的形變壓力，最終促使隧道保持在長期穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）以重慶某高地應力軟巖隧道為研究對象，通過現場觀測掌握了該隧道的變形規(guī)律。實測結果表明，隧道拱頂和壁幫累計移動量為10mm和22mm，說明通過該支護方式有效地解決了高地應力軟巖隧道支護問題。

[1]何小龍.高地應力軟巖隧道合理施工工法研究[J].山西建筑，2013，39(23):156-158.

[2]王萬通.關于高地應力軟巖隧道施工方法的探討[J].價值工程，2013(12):108-110.

[3]鄒翀,張民慶,李沿宗,等.高地應力軟巖隧道施工變形控制方法試驗研究[J].隧道建設，2012，32(1):5-10.

[4]方貽立,李睿哲,陳建平,等.軟巖隧道大變形機理分析[J].華東公路，2013(6)：56-59.

[5]張梅,何志軍,張民慶,等.高地應力軟巖隧道變形控制設計與施工技術[J].現代隧道技術，2012，49(6):13-22.

[6]孫紹峰.蘭渝鐵路軟巖隧道特征及大變形控制技術[J].現代隧道技術，2012，49(3):125-130.

[7]張志強,關寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應力條件下的變形規(guī)律研究[J].巖土工程學報，2000，22(6):96-100.

Tunnel Supporting Technology Research and Practice in Soft Surrounding Rock under High Ground Stress

LI Liu-xi
(School of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang Hunan 413000,China)

Analyzing the deformation mechanism of tunnel in soft surrounding rock under high ground stress,combining with tunnel supporting practice in soft surrounding rock at home and abroad, the supporting scheme of"anchor net spray+compressible U section steel bracket+secondary lining+filling the high compression materials"was advanced.The scheme had been carried out in field test at a tunnel in Chongqing,the result showed that:(1)the cumulative movement amount of tunnel vault and wall is 10mm and 22mm,supporting effect is fine;(2)the supporting way has an advantage to allow a certain rheological deformation of surround rock,and reduce the deformation pressure of secondary lining on the basis of improving U type steel supporting resistance,so as to ensure the long-term stability of the tunnel.

high ground stress；soft rock；deformation mechanism；supporting technology；effect analysis

U451

A

1004-5716(2015)07-0166-04

2014-07-17

湖南省教育廳青年項目（13B010）。

李留璽（1984-），男（漢族），河南柘城人，助教，現從事地下工程方面的教研工作。