高原隧道建設(shè)中的大變形支護原理及施工技術(shù)

張錦松

（中鐵一局集團有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721000）

1 工程概況

神座隧道位于阿壩縣神座鄉(xiāng)，隧址區(qū)屬高原山地地貌，山體呈近南北向展布。進口段位于山體斜坡地帶，進口與神座分離式立交相接，地表覆蓋薄層粉質(zhì)黏土、較厚層角礫，下伏為強風(fēng)化-中風(fēng)化變砂巖與板巖互層，出口段位于高階地，與神座1號大橋相接，地表覆蓋較厚層粉土、角礫，下伏為強風(fēng)化-中風(fēng)化變砂與板巖互層。隧道總體走向為124°，隧道測設(shè)里程為左線Z2K74+760—Z2K80+324，隧道長5 564m，屬特長隧道，最大埋深約357m，進口設(shè)計高程為3 175.54m，出口設(shè)計高程為3 206.40m；右線K74+798—K80+347，隧道長5 549m，屬特長隧道，最大埋深約357m，進口設(shè)計高程為3 176.22m，出口設(shè)計高程為3 206.45m。

2 隧道不良地質(zhì)情況

神座隧道洞身圍巖主要為變砂巖與板巖互層，局部段落巖體單軸飽和抗壓強度為7.62MPa，受隧道埋深、地應(yīng)力影響，在K75+380—K75+600（Z2K75+360—K75+580）, K76+250—K77+980 （Z2K76+230—Z2K77+970）標(biāo)段，該隧道埋深超過252m，根據(jù)詳勘階段鉆孔的地應(yīng)力測試結(jié)果，該標(biāo)段有可能產(chǎn)生Ⅰ級輕微大變形。這些標(biāo)段開挖、支護時，應(yīng)加強隧道的初期支護施工控制和工序銜接。嚴(yán)格按照設(shè)計要求施工，并根據(jù)實際地質(zhì)條件采取超前水平鉆探及超前地質(zhì)預(yù)報，必要時實施超前應(yīng)力釋放措施。

3 大變形支護理念

3.1 限阻耗能支護原理

受線路、地形、地質(zhì)等因素的限制，隧道建設(shè)中遇到大變形問題難以避免，我國已經(jīng)在大量的隧道工程實踐中積累了豐富的軟弱圍巖隧道大變形治理經(jīng)驗，但軟弱圍巖隧道的支護理論與施工方法依然不夠成熟，一旦遇到嚴(yán)重大變形，施工總是在循環(huán)往復(fù)的支護“施作-破壞-拆換”過程中緩慢推進，軟弱圍巖大變形依舊為整條隧道甚至全線的控制難題之一。

圍巖壓力會隨著變形逐步得到釋放，在高地應(yīng)力軟弱圍巖環(huán)境隧道施工中，若圍巖變形達不到一定程度，圍巖壓力就無法降低到現(xiàn)有支護材料的可支護能力水平，但也不能過度釋放、無條件釋放，否則圍巖強度無法得到利用。故大變形隧道要注重“放”，同時注重“抗”，支護設(shè)計需要在“放”和“抗”之間找到平衡點，有控制地進行圍巖壓力釋放。解決隧道大變形支護破壞問題的關(guān)鍵在于處理圍巖壓力與圍巖變形的關(guān)系，能量為力與變形的乘積，隧道大變形問題實際是能量問題。隧道開挖前，圍巖處于三軸受力狀態(tài)，可儲存大量彈性應(yīng)變能，開挖后，圍巖側(cè)向壓力解除、抗壓強度降低，從而儲能能力降低，加之開挖后的應(yīng)力重分布導(dǎo)致了圍巖能量聚集，圍巖中就存在了剩余的能量，需要得到釋放。剩余能量的釋放由支護和圍巖共同承擔(dān)，軟弱圍巖發(fā)生延性破壞，剩余能量大多會隨著圍巖塑性變形得到耗散，圍巖變形量越大，塑性應(yīng)變耗能越高，遠超支護的吸能水平，故在隧道大變形條件下，支護不需要具有太高的吸能水平，而要具有較高的耗能水平。支護的耗能水平是指支護可以與圍巖協(xié)同發(fā)生大行程變形，利用圍巖的峰后性能，圍巖自身充分耗散剩余能量，無論支護是低剛度型高恒阻型還是低恒阻型，只要能限制支護阻力，不讓其結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過自身極限承載能力且支護阻力不小于最小支護阻力，并實現(xiàn)大幅變形，充分釋放圍巖壓力和耗散剩余能量，都可稱為限阻耗能型支護。

3.2 大變形隧道能量設(shè)計法

3.2.1 能量法設(shè)計思路

根據(jù)相關(guān)研究可知：坍落拱不是普遍存在的，特別是已開挖成拱形、又有支護提供抗力時，深埋隧道拱部圍巖往往不會形成坍落拱，支護承受的是形變壓力，非坍落拱荷載。圍巖特征曲線是一條曲線，形變壓力會隨變形而減小。

當(dāng)判定隧道為大變形隧道時，一定圍巖條件下，某一洞室達到穩(wěn)定的能量是一定的/恒定的，為一常數(shù)。因此，可以采用能量法進行設(shè)計，其理論公式如下：

式（1）中：W為能量做功（J）；F為作用在物體上的力（N）；S為物體在這個力的方向上移動的距離（m）。

由式（1）知，當(dāng)能量一定時，力和位移的組合是無窮多組解。按強度設(shè)計的理念往往是增加結(jié)構(gòu)截面厚度、剛度，該時會造成結(jié)構(gòu)承受較大的內(nèi)力，只產(chǎn)生較小的位移，不經(jīng)濟。

因素混凝土、鋼筋混凝土等形成的結(jié)構(gòu)均是小變形、大剛度的結(jié)構(gòu)，必須通過改進，結(jié)合運用新結(jié)構(gòu)、新材料等形成的新型結(jié)構(gòu)來滿足大變形隧道的需求，采用限阻支護體系便是行之有效的方案之一。

3.2.2 限阻器的工作特征

從結(jié)構(gòu)組成來看，限阻器以豎向限阻鋼板、上下連接鋼板為基礎(chǔ)材料，以焊接的方法構(gòu)成。從受力的角度來看，具有階段性的特征，具體做如下分析。

第1階段：彈性變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力具有線性增加的變化特點，此階段豎向限阻鋼板雖然存在彎曲但程度輕微，變形量相對較小。

第2 階段：屈服下降變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力具有下降的變化特點，可見此時的豎板存在異常，即開始屈服且有較大幅度的彎曲變形。

第3 階段：屈服殘余變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力并不改變，可以發(fā)現(xiàn)此過程中豎板中間有明顯的彎曲現(xiàn)象，觀察焊腳部位可見其反彎。

第4階段：壓實變形階段，隨著變形的發(fā)生，壓力有迅猛增加的變化，可見鋼板形態(tài)明顯異常，上下反彎點開始接觸，并伴有一定程度的限阻器被壓實的問題。

3.2.3 限阻耗能型支護的應(yīng)用優(yōu)勢

圍巖壓力不是定值，而是與圍巖變形量相關(guān)的曲線，與支護剛度和支護時機有很大關(guān)系。圍巖在形變壓力作用下，單純增加支護剛度，圍巖壓力也會增大，大多數(shù)條件下強大的聯(lián)合支護手段仍不能夠抵抗圍巖的形變壓力。如果增大預(yù)留變形量，或降低支護剛度，允許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護受力會相應(yīng)減小。

大變形隧道支護主要有著以下三種思路：

（1）多挖多支：采用強大的聯(lián)合支護手段抵抗圍巖的變形，直至反復(fù)拆換支護多次，圍巖能量釋放完成后隧道變形才得以控制，不僅僅造成了材料浪費，而且也會嚴(yán)重影響工期，不具有經(jīng)濟性。

（2）少挖多支：提升支護剛度，采用強支硬頂?shù)哪Ｊ?，雖然能夠取得一定效果，但造成了材料的大量浪費，大幅提升工程造價，不具有經(jīng)濟性。

（3）多挖少支：增大預(yù)留變形量，或降低支護剛度，允許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護受力會相應(yīng)減小?？梢越档椭ёo參數(shù)，具有顯著的經(jīng)濟性。

當(dāng)前大變形隧道現(xiàn)場常用的方式為“多挖多支”，而且大多數(shù)場景下還需要多次拆換?？梢姟耙苑艦橹?，限量抵抗”的支護原則，引入限阻耗能型支護，實現(xiàn)多挖少支，在保障安全性的情況下降低成本，有著很大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢[1-2]。

3.3 大變形治理方案

為了適應(yīng)現(xiàn)有施工水平，限阻耗能型支護是指在原設(shè)計的初期支護上增加徑向限阻器和環(huán)向限阻器。在初期支護外側(cè)增加具有恒阻功能的徑向限阻器，在初期支護環(huán)向設(shè)置環(huán)向限阻器。環(huán)向限阻器在工作前期限制結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力在達到一定水平時不再增長，以保護鋼架和噴射混凝土不受破壞，并通過大行程的壓縮變形釋放圍巖壓力，最終達到預(yù)定目標(biāo)后壓實或封閉限阻器，支護又變回剛度和強度均較大的剛性結(jié)構(gòu)，為后期的穩(wěn)定工作提供安全儲備。徑向限阻器通過在二襯完成后持續(xù)工作，減少圍巖變形帶來的圍巖壓力。

根據(jù)隧道具體的變形情況，通過非對稱開挖和非對稱支護解決偏壓大變形，使用限阻器技術(shù)可以系統(tǒng)性解決目前支護侵限、破壞、套拱、換拱等技術(shù)困惑。一次性通過，不拆拱、不套拱、不換拱，安全高效。如圖1 所示，在處理大變形時初支可以采用統(tǒng)一規(guī)格的支護參數(shù)，通過設(shè)置徑向限阻器適應(yīng)不同的大變形情況。

圖1 限阻器設(shè)置情況

4 限阻器施工技術(shù)

4.1 限阻器施工要點

4.1.1 施工安全性分析

經(jīng)過前期的變形，二次襯砌施作時初支變形基本達到收斂狀態(tài)，通過限阻器的配置可增強初支結(jié)構(gòu)的柔性，因此允許該結(jié)構(gòu)有所變形，圍巖形變壓力釋放，減小力的不良作用。二次襯砌施工前，用混凝土填充限阻器，在材料的包裹下阻尼鋼板變形受到約束，并縱向?qū)摷苄纬蛇B接約束，此時能夠構(gòu)成相對完整、穩(wěn)定的初期支護。由此看來，限阻器和鋼架的受力必須得到有效的控制，在受力狀態(tài)良好的前提下能夠保證運營期間的安全性，給隧道的正常使用提供保障。但限阻器施工要點較多，施工期間可能存在施工風(fēng)險，因此必須依據(jù)規(guī)范加強檢測，一旦發(fā)現(xiàn)問題則及時處理。

4.1.2 檢測技術(shù)

儀器可選用三維激光掃描儀，由專員操作，用該儀器檢測初期支護，判斷其是否存在變形，若有則進一步判斷具體的變形程度。加強超前地質(zhì)預(yù)報，通過此方式掌握掌子面前方的地質(zhì)條件，予以有效處理。根據(jù)實測結(jié)果判斷初期支護的實際情況，若其變形速率在2～3cm/d，增加觀測頻率，及時掌握實際情況；實測值超3cm/d 時采取處理措施，阻止變形的發(fā)生。限阻器的壓縮變形限值為15cm，達到該值后隨即噴射混凝土，以有效封閉。拱腰部位環(huán)向限阻器有明顯變形現(xiàn)象時，將影響拱部初期支護結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其遭到破壞，針對此狀況，可對拱墻施作套拱，增強穩(wěn)定性。

4.1.3 限阻器安裝要點

在初支左右拱腰22.5°設(shè)環(huán)向限阻器，以Q235B鋼為原材料制作限阻鋼板。布置好的環(huán)向限阻器與型鋼架需穩(wěn)定連接，為此采取螺栓連接的處理方法，并沿縱向用鋼筋焊接，形成整體[3]；在組織混凝土噴射前，于限阻器背后放置防水板，向限阻器空隙內(nèi)注瀝青（以1/3 為宜），其他部位均用土工布填滿，此處理方法可避免混凝土噴入其中，待混凝土噴射工作完成后，取出預(yù)先填塞的土工布。二次襯砌施工前，清理限阻器鋼板的松散料，確認(rèn)該部位保持潔凈后噴混凝土。對于壓縮量超限的情況，可針對背后不密實部位做注漿處理，材料選用φ42×3.5 無縫鋼管，注漿壓力為0.5MPa。施工期間加強結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測，若實測數(shù)據(jù)存在異常則分析具體的原因，妥善處理。及時檢測環(huán)向限阻器壓縮變形量，完整記錄信息。為了保證檢測結(jié)果的可靠性，合理設(shè)置限阻器斷面至關(guān)重要，宜布置在拱頂、邊墻、拱腳處，做全面的監(jiān)測。此外，圍巖壓力、初支內(nèi)力也是重點監(jiān)測對象。若發(fā)現(xiàn)拱部初支明顯受損，需對拱墻施作套拱，做加強處理。

4.2 施工安全措施

用土工布封堵豎向鋼板間的空隙，保證嚴(yán)密性，以免后續(xù)噴射施工時混凝土進入其中（若存在此情況將抑制限阻器的性能）。待下一循環(huán)初期支護施工時，取出預(yù)先設(shè)置的土工布。

加強對限阻器和初期支護變形的監(jiān)測，若實測結(jié)果顯示限阻器壓縮量超出許可范圍，以噴射混凝土的方法填充豎向鋼板的空隙，必要時可輔助應(yīng)用小導(dǎo)管注漿的方法，全面保證初期支護的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

在隧道工程中，受施工的擾動性影響，加之圍巖自身性能欠佳，可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響工程的正常施工。作為施工單位，需要加強對隧道圍巖變形的分析，采取有效的支護措施，全面保證圍巖穩(wěn)定性。其中，限阻耗能型支護技術(shù)具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢，對于維持圍巖穩(wěn)定狀態(tài)而言大有裨益，可將其靈活推廣至隧道工程中。