擠壓性圍巖隧道判識(shí)及設(shè)計(jì)方法研究

李國(guó)良，李 寧，丁彥杰，劉志春

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；2.特殊復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)大隧道建造技術(shù)鐵路行業(yè)工程研究中心，陜西 西安 710043；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隧道通過擠壓性地層容易表現(xiàn)出圍巖變形增速、變形加劇以及長(zhǎng)時(shí)間變形的特性，同時(shí)造成支護(hù)變形、扭曲，甚至導(dǎo)致破壞并拆換，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度并增加安全風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。典型擠壓性圍巖隧道如蘭武二線烏鞘嶺隧道[5]、蘭渝鐵路木寨嶺隧道[6]等，其圍巖擠入變形速率達(dá)10～25 cm/d及以上，總變形量達(dá)100～300 cm，甚至出現(xiàn)二次襯砌壓潰現(xiàn)象，變形控制難度極大，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，如表1所示。隨著我國(guó)西部地區(qū)隧道工程的發(fā)展，擠壓性圍巖隧道變形機(jī)理及治理技術(shù)，成為國(guó)內(nèi)外隧道界關(guān)注的難點(diǎn)和焦點(diǎn)問題[7-9]。

本文結(jié)合工程實(shí)踐，分析擠壓性圍巖隧道的變形機(jī)理、變形潛勢(shì)等基本問題，闡述擠壓性圍巖隧道的荷載計(jì)算方法、設(shè)計(jì)方法、變形控制技術(shù)等。

1 擠壓性圍巖的地質(zhì)特征

1995年，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)對(duì)擠壓性巖石進(jìn)行了研究及定義，明確了擠壓性變形與時(shí)間密切相關(guān)，是圍巖的蠕變效應(yīng)，變形時(shí)長(zhǎng)取決于地質(zhì)條件和施工情況[10]。

李國(guó)良等[11]2018年進(jìn)一步明確了擠壓性圍巖的特征：即軟質(zhì)圍巖在高地應(yīng)力條件下的開挖產(chǎn)生的位移，若超出圍巖預(yù)留變形量，可以認(rèn)為發(fā)生了擠壓大變形。擠壓性圍巖需具備兩個(gè)條件：①均處于高～極高地應(yīng)力區(qū)；②軟弱圍巖，包括層片狀軟巖、斷層破碎帶及蝕變巖等。

1.1 地質(zhì)背景概述

印度板塊與歐亞板塊在新生代期間的碰撞作用，使青藏高原隆升區(qū)邊緣地帶產(chǎn)生斷裂并發(fā)育褶皺，地應(yīng)力環(huán)境背景復(fù)雜，初始地應(yīng)力通常為高-極高[12-14]。位于本帶的烏鞘嶺隧道、蘭新高鐵，蘭渝鐵路、成蘭鐵路等均位于板塊構(gòu)造高地應(yīng)力集中區(qū)[15]，區(qū)域內(nèi)存在活動(dòng)斷裂、地層褶皺、并具有明顯流變效應(yīng)，多座隧道出現(xiàn)了嚴(yán)重?cái)D壓性變形問題。

蘭渝鐵路蘭州至廣元段落為典型的青藏高原隆升區(qū)邊緣地帶地質(zhì)環(huán)境，線路主要穿越黃土高原和秦嶺高中山區(qū)[16]。線路所處環(huán)境經(jīng)歷了數(shù)次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了特殊的構(gòu)造變形、復(fù)雜的地應(yīng)力場(chǎng)及巖性。沿線地震活動(dòng)強(qiáng)烈，線路沿我國(guó)南北強(qiáng)震帶展布，是地震多發(fā)、頻發(fā)、活動(dòng)最強(qiáng)烈區(qū)域之一[17]。

1.2 高地應(yīng)力環(huán)境

高地應(yīng)力與巖體所經(jīng)受的應(yīng)力歷史和巖體強(qiáng)度、巖體彈性模量等諸多因素有關(guān)。對(duì)于高地應(yīng)力的判定，國(guó)內(nèi)外尚未統(tǒng)一，通常通過地應(yīng)力值和巖石(體)強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行判定。

一般當(dāng)?shù)貞?yīng)力值為20 MPa以上可視為高地應(yīng)力地區(qū)；我國(guó)在GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[18]中以巖石的強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行判定：Rc/σmax<4為極高地應(yīng)力，Rc/σmax=4～7為高地應(yīng)力。其中，Rc為巖石飽和抗壓強(qiáng)度，σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力。

在依據(jù)高地應(yīng)力條件來判斷巖體是否產(chǎn)生擠壓性大變形時(shí)，原巖的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比并非是決定大變形發(fā)生的必要條件。除了巖石強(qiáng)度外，巖體強(qiáng)度也影響圍巖穩(wěn)定性，巖體強(qiáng)度需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)獲取。

結(jié)合蘭武線烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道、蘭渝鐵路等高地應(yīng)力隧道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)內(nèi)外高地應(yīng)力劃分條件，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司提出高地應(yīng)力的判定劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，該標(biāo)準(zhǔn)已納入《川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)指南》。

表2 高地應(yīng)力的判定劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 軟巖及其特征

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖的定義基本上可分為三類：描述性定義(從物理現(xiàn)象進(jìn)行描述)、指標(biāo)化定義(從巖石強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行描述)和工程定義(從工程表現(xiàn)出的現(xiàn)象進(jìn)行描述)。

①根據(jù)巖石的物理現(xiàn)象，鄭雨天等[19]認(rèn)為，軟巖是在高地應(yīng)力環(huán)境下，具有破碎、流變、蝕變等特性的巖體；②根據(jù)巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)定義：軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25 MPa的一類巖石；③根據(jù)巖石的工程現(xiàn)象，何滿潮等[20]提出了工程軟巖的概念，即軟巖的判定依據(jù)應(yīng)為工程力指標(biāo)，巖體強(qiáng)度低于工程力水平則可視為工程軟巖；④我國(guó)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]中定義軟弱圍巖為：強(qiáng)度低、完整性差、結(jié)構(gòu)相對(duì)松散、圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)較小的圍巖，一般指Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖。

根據(jù)巖石強(qiáng)度、定性判定可對(duì)軟巖進(jìn)行劃分，如表3所示。

表3 軟質(zhì)巖堅(jiān)硬程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 擠壓性圍巖特征及變形機(jī)理

(1)擠壓性圍巖特征初判

擠壓性圍巖以薄層狀、片狀或破碎的軟質(zhì)巖為主，一般巖石抗壓強(qiáng)度小于30 MPa。擠壓性圍巖構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，可見褶曲、構(gòu)造、揉皺等現(xiàn)象，圍巖致密、無水，如圖1所示。

圖1 擠壓性圍巖代表巖性

根據(jù)初始地應(yīng)力場(chǎng)和巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度對(duì)隧道進(jìn)行初步宏觀評(píng)價(jià)，判斷是否為擠壓性圍巖，如表4所示。

表4 擠壓性圍巖初判標(biāo)準(zhǔn)

(2)典型擠壓性圍巖的物理力學(xué)特征

擠壓性圍巖的抗剪斷強(qiáng)度及彈性模量等參數(shù)普遍較低，容易產(chǎn)生破壞。蘭武鐵路烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道[22]圍巖的抗剪(斷)強(qiáng)度及原位變形試驗(yàn)成果見表5。

表5 擠壓性圍巖抗剪(斷)強(qiáng)度及變形原位試驗(yàn)成果

(3)擠壓性圍巖微結(jié)構(gòu)特征

軟巖的物理、力學(xué)性質(zhì)主要是由其本身的顆粒組成、孔隙形態(tài)、連接方式、含水量、礦物成分及其賦存狀態(tài)所決定的。通過掃描電鏡試驗(yàn)，對(duì)木寨嶺隧道二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖橫向和縱向在不同放大倍數(shù)下進(jìn)行微結(jié)構(gòu)研究。研究結(jié)果表明，巖石在橫向和縱向上表現(xiàn)出較大的差異性，這說明礦物顆粒經(jīng)受了較為強(qiáng)烈的定向應(yīng)力作用，形成片狀、扁平狀的“層流結(jié)構(gòu)”，破裂形態(tài)以壓剪摩擦型為主。試樣以拉剪型破壞為主，局部存在礦物顆粒的定向分布。微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)及定量化參數(shù)揭示出圍巖宏觀賦存環(huán)境在不同方向上的地應(yīng)力差別較大的特點(diǎn)，形成典型的動(dòng)力變質(zhì)巖特征，使其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性均表現(xiàn)出顯著的各向異性。這也是導(dǎo)致圍巖開挖擾動(dòng)后因隧道軸線與地應(yīng)力夾角及支護(hù)抗力方向不同而產(chǎn)生大變形的內(nèi)因之一[23]。

總之，擠壓性大變形的成因較為復(fù)雜，其是由地應(yīng)力、工程擾動(dòng)和地下水等綜合條件導(dǎo)致。由于隧道施工引起地應(yīng)力重分布，造成巖體失去自穩(wěn)能力，產(chǎn)生較大的塑性變形，并可能使圍巖支護(hù)遭到不同程度的破壞[24]。以典型擠壓性圍巖隧道蘭新鐵路木寨嶺隧道為例，擠壓性圍巖的變形機(jī)理可概述為以下幾點(diǎn)：①巖性軟弱、巖體結(jié)構(gòu)破碎、工程力學(xué)性質(zhì)差；②地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖石動(dòng)力變質(zhì)作用強(qiáng)烈；③地應(yīng)力高、水平地應(yīng)力為主；④地下水對(duì)于圍巖的軟化效應(yīng)。

2 擠壓性大變形定義及特征

2.1 擠壓性大變形定義

隧道開挖中，相對(duì)常規(guī)變形量產(chǎn)生的額外變形隧道的大變形是相對(duì)常規(guī)變形量而言的稱為大變形。國(guó)內(nèi)一般圍巖常規(guī)支護(hù)(標(biāo)準(zhǔn)圖參數(shù))條件下單線和雙線隧道的預(yù)留變形量上限分別為15、30 cm，約為其開挖跨度的2%。根據(jù)烏鞘嶺、蘭渝線等科研成果，在一般常規(guī)支護(hù)條件下，當(dāng)隧道相對(duì)變形值大于2%時(shí)，可認(rèn)為隧道發(fā)生了擠壓大變形，如表6所示。當(dāng)變形進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，常伴有初期支護(hù)開裂、掉塊及鋼架扭曲等大變形特征。

表6 鐵路隧道一般圍巖預(yù)留變形量

2.2 擠壓性圍巖隧道變形特征

擠壓性圍巖的變形破壞包括塑性流動(dòng)、層狀巖體的彎曲變形、碎裂結(jié)構(gòu)的變形等。例如發(fā)生在軟巖段在地下水滲出后發(fā)生的拱頂下沉、邊墻內(nèi)鼓就屬于高強(qiáng)度應(yīng)力比引起的軟巖塑流。

高地應(yīng)力區(qū)的隧道由于開挖卸荷作用，層狀巖體發(fā)生彎曲，引起隧道壁側(cè)向變形，根據(jù)巖層產(chǎn)狀，可分為傾斜巖層、豎直巖層、水平巖層，此外，還包括碎裂結(jié)構(gòu)、散體壓密結(jié)構(gòu)等巖體形態(tài)。擠壓性圍巖在上述巖層中的破壞如圖2所示[25]。其中碎裂結(jié)構(gòu)和散體壓密結(jié)構(gòu)通常存在節(jié)理破碎，巖體較破碎松散，隧道開挖過程中圍巖可能坍塌掉塊、彎曲甚至潰曲破壞，導(dǎo)致支護(hù)變形及破裂。

圖2 擠壓性圍巖破壞形態(tài)

擠壓性圍巖隧道的變形特征主要有以下幾種特點(diǎn)：

(1)變形量大

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，擠壓性圍巖隧道變形可達(dá)數(shù)十厘米，嚴(yán)重者超過100 cm，往往表現(xiàn)為初期支護(hù)破壞嚴(yán)重，如噴混凝土開裂破壞、變形侵限、鋼架扭曲剪斷，甚至引起二襯混凝土開裂。如蘭渝鐵路木寨嶺隧道斜井水平收斂最大值超過1 100 mm，如圖3所示。

圖3 木寨嶺隧道斜井變形曲線

(2)變形速率高

擠壓性圍巖隧道變形速率大，特別是前期變形速率高，如木寨嶺隧道嶺脊核心段開挖后最大變形速率超過20 cm/d，鋼架出現(xiàn)明顯扭曲，變形非常劇烈。

(3)支護(hù)受力大

擠壓性圍巖隧道荷載實(shí)測(cè)值與采用現(xiàn)有規(guī)范荷載計(jì)算方法得出的結(jié)果差距較大，以形變壓力為主，隨開挖時(shí)間迅速增大，產(chǎn)生較大的圍巖壓力，早期壓力大，如果施工或支護(hù)措施不當(dāng)，極易造成支護(hù)破壞。例如，對(duì)木寨嶺隧道進(jìn)行測(cè)試結(jié)果表明，圍巖壓力較大，其中仰拱和邊墻處圍巖壓力較其他部位更為明顯，如圖4所示。

圖4 木寨嶺隧道圍巖壓力圖(單位：kPa)

(4)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

眾多研究表明，擠壓性圍巖隧道在開挖后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，變形持續(xù)發(fā)展，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化。

如圖5所示，新城子隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：①圍巖壓力具有長(zhǎng)期緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從曲線圖判斷，絕大部分測(cè)點(diǎn)在接近12個(gè)月的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，這一點(diǎn)與一般隧道短期內(nèi)趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)有所不同，個(gè)別測(cè)點(diǎn)圍巖壓力在接近24個(gè)月的測(cè)試時(shí)間內(nèi)仍未表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的趨勢(shì)，表現(xiàn)出圍巖極強(qiáng)的流變特性；②圍巖壓力量值整體較大，壓力較大部位主要集中在拱腰至墻腰處，最大值為2 590.0 kPa，絕大部分圍巖壓力測(cè)試值分布在600 kPa以內(nèi)。

圖5 新城子隧道圍巖壓力時(shí)程曲線圖

3 變形等級(jí)及變形潛勢(shì)劃分

3.1 變形等級(jí)劃分

擠壓性圍巖因其特殊性，需要重新制定圍巖分級(jí)及支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了一定的研究，提出擠壓性圍巖變形分級(jí)的方法和標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比、初始地應(yīng)力、相對(duì)變形等指標(biāo)，可以將擠壓性大變形分為不同等級(jí)。

Jethwa等[26]、Hoek等[27]等以圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比、相對(duì)變形為指標(biāo)進(jìn)行變形等級(jí)劃分，如圖6所示。

圖6 Hoek擠壓性圍巖變形劃分理論

(1)

目前，國(guó)內(nèi)擠壓性大變形分級(jí)主要為三級(jí)，但隨著地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，三級(jí)分級(jí)有時(shí)不能滿足需要，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比已超出現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]規(guī)定的極高地應(yīng)力(Rc/σmax<4)范圍。施工過程中擠壓性變形劇烈，支護(hù)難度極大，現(xiàn)場(chǎng)采取了放抗結(jié)合的多重支護(hù)與超前應(yīng)力釋放小導(dǎo)洞等綜合技術(shù)來控制變形，其變形等級(jí)、強(qiáng)度應(yīng)力比也超出了以往定義的三級(jí)大變形。

3.2 變形潛勢(shì)及其分級(jí)

變形潛勢(shì)[29]是隧道周圍巖體應(yīng)力釋放引起潛在變形的能力，可以對(duì)隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。變形潛勢(shì)與隧道埋深、地應(yīng)力條件、圍巖特性、洞室形狀大小等因素有關(guān)。變形潛勢(shì)是擠壓性圍巖內(nèi)在因素，即圍巖的變形潛勢(shì)決定了圍巖的變形等級(jí)大小。

結(jié)合國(guó)內(nèi)蘭渝烏鞘嶺隧道科研情況和國(guó)外Hoek擠壓性圍巖等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)我國(guó)擠壓性圍巖的變形潛勢(shì)及變形等級(jí)進(jìn)行劃分，將擠壓性圍巖隧道變形等級(jí)劃分為四級(jí)，如表7所示，該劃分標(biāo)準(zhǔn)已納入《川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)指南》。

表7 擠壓性圍巖變形等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

擠壓強(qiáng)烈的地層圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力數(shù)據(jù)很難獲取，根據(jù)蘭渝、烏鞘嶺等科研成果[30-31]，可根據(jù)巖層厚度及圍巖完整程度對(duì)擠壓性圍巖變形潛勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)充判釋，如表8所示。

表8 擠壓性圍巖變形潛勢(shì)分級(jí)

3.3 變形潛勢(shì)進(jìn)一步判定

擠壓性圍巖的強(qiáng)度和地應(yīng)力實(shí)測(cè)困難，且圍巖強(qiáng)度變化大，施工中難以據(jù)此進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。為此，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變形潛勢(shì)判定方法進(jìn)行研究。

3.3.1 巖體完整性判定法

在破碎巖體中，容易發(fā)生擠壓性大變形，巖體的完整程度影響圍巖的變形潛勢(shì)。巖體完整性指數(shù)決定了圍巖的完整程度，我國(guó)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[18]種規(guī)定巖體體積節(jié)理數(shù)Jv與巖體完整性指數(shù)Kv的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表9所示。

表9 巖體完整性指數(shù)

對(duì)高地應(yīng)力條件下的軟巖，無論擠壓多么嚴(yán)重，施工時(shí)可通過掌子面完整程度直觀判定，對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行修正，調(diào)整擠壓性圍巖變形分級(jí)。

3.3.2 變形速率法

圍巖變形曲線可劃分為變形加速、發(fā)展、減速和收斂四個(gè)階段，如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)加速階段的變形速率計(jì)算變形潛勢(shì)，采用開挖后連續(xù)3～5 d變形速率平均值vp，對(duì)本段圍巖的變形潛勢(shì)及支護(hù)參數(shù)與圍巖的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)判[32]，即

(2)

式中：n為天數(shù)；vi為每天變形速率，i=1，2，…，n。

圖7 變形曲線階段劃分示意(三臺(tái)階工法)

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到變形速率分級(jí)及變形潛勢(shì)，如表10所示。

表10 按變形速率對(duì)圍巖變形潛勢(shì)分級(jí)

施工過程中可通過上臺(tái)階開挖圍巖的變形速度，計(jì)算變形潛勢(shì)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

3.3.3 總變形量法

于烏鞘嶺隧道[33]及蘭渝線隧道[34]的研究成果，并結(jié)合相關(guān)研究成果及標(biāo)準(zhǔn)，提出相對(duì)變形量與變形等級(jí)的關(guān)系，如表11所示。

表11 按相對(duì)變形量對(duì)圍巖變形潛勢(shì)分級(jí)

施工過程中，結(jié)合掌子面圍巖完整程度等主要地質(zhì)參數(shù)，依據(jù)前一段落或上循環(huán)的總變形量，對(duì)下一循環(huán)(階段)的變形潛勢(shì)進(jìn)行預(yù)判。

綜上，根據(jù)對(duì)變形潛勢(shì)分級(jí)的研究結(jié)果，得出各階段變形潛勢(shì)等級(jí)劃分的方法如下。

(1)勘察階段：按GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[18],以強(qiáng)度應(yīng)力比對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)宏觀預(yù)判后，結(jié)合圍巖特征對(duì)變形潛勢(shì)進(jìn)行初步判定。

(2)設(shè)計(jì)階段：采用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax指標(biāo)(表7)及圍巖分級(jí)、圍巖特征等指標(biāo)進(jìn)行變形潛勢(shì)及變形等級(jí)預(yù)測(cè)，進(jìn)行預(yù)案設(shè)計(jì)。

(3)施工階段：根據(jù)揭示的掌子面圍巖特征、變形速率及總變形量等綜合評(píng)價(jià)圍巖變形潛勢(shì)，確認(rèn)變形等級(jí)；動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。

4 擠壓性圍巖隧道設(shè)計(jì)方法

4.1 荷載計(jì)算方法

隧道的荷載計(jì)算方法經(jīng)過了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前以松動(dòng)壓力和形變壓力兩種計(jì)算類型為主，其計(jì)算方法通常分為理論法和經(jīng)驗(yàn)法。

4.1.1 國(guó)內(nèi)外圍巖荷載計(jì)算方法

(1)國(guó)外圍巖荷載計(jì)算方法

國(guó)外的圍巖荷載計(jì)算研究起步較早，相關(guān)學(xué)者根據(jù)不同的力學(xué)模型提出了相應(yīng)計(jì)算公式，例如太沙基[35]假定土體為具有一定黏聚力的松散土體，考慮了巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、隧道埋深以及尺寸的影響，從土壓力傳遞的角度出發(fā)推導(dǎo)適用于淺埋隧道荷載的計(jì)算公式。普氏壓力拱理論[36]多用于我國(guó)的深埋隧道荷載計(jì)算，其認(rèn)為隧道開挖頂部巖石會(huì)失去穩(wěn)定而坍塌，但塌落到一定程度后，隧道上方巖土體會(huì)形成穩(wěn)定的壓力拱，從而進(jìn)入新的平衡。Kastner[37]提出基于塑性形變的壓力計(jì)算公式，但其實(shí)際應(yīng)用較為困難。其后相關(guān)學(xué)者提出了形變壓力的經(jīng)驗(yàn)公式法，例如Barton[38]等基于Q系統(tǒng)圍巖分類方法，將圍巖分級(jí)指標(biāo)用于擠壓性圍巖荷載計(jì)算。

總之，國(guó)外的荷載理論計(jì)算方法參數(shù)繁多，且獲取難度大，而經(jīng)驗(yàn)公式和方法不適用于我國(guó)圍巖勘察設(shè)計(jì)體系。

(2)國(guó)內(nèi)荷載計(jì)算方法

①謝家烋[39]在太沙基理論的基礎(chǔ)上，提出淺埋隧道荷載計(jì)算理論，其較全面地反應(yīng)了圍巖物理力學(xué)指標(biāo)和工程因素對(duì)圍巖壓力的影響，適合淺埋隧道計(jì)算，但對(duì)深埋隧道的計(jì)算仍存在較大誤差。

②我國(guó)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]推薦使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算深埋松動(dòng)圍巖的垂直壓力，即

(3)

式中：γ為圍巖重度；h為隧道埋深；S為圍巖級(jí)別；ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)。其中，B為洞室寬度，m；i為B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時(shí)，取i=0.2；B>5 m時(shí)，可取i=0.1。

文獻(xiàn)[21]中基于塌落拱理論對(duì)圍巖荷載進(jìn)行計(jì)算，不適用于擠壓性圍巖，我國(guó)擠壓性圍巖荷載計(jì)算方法尚存在空白，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4.1.2 擠壓性圍巖荷載計(jì)算方法

基于國(guó)內(nèi)外95個(gè)典型擠壓性圍巖隧道斷面實(shí)測(cè)樣本(蘭武二線烏鞘嶺隧道、青藏鐵路新關(guān)角隧道、蘭渝鐵路兩水隧道、木寨嶺隧道、新城子隧道、麗香鐵路長(zhǎng)坪、中義隧道、成蘭鐵路茂縣隧道等)，對(duì)巖體強(qiáng)度應(yīng)力比/變形等級(jí)、埋深、寬度、地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)、支護(hù)剛度和施工方法等因素，進(jìn)行分析研究，確定變形等級(jí)S(反映圍巖條件)、埋深H(作為S的修正)和寬度B(反映隧道條件)作為關(guān)鍵影響因子。通過多樣本取值及擬合，劉志春、李國(guó)良等[40-41]提出擠壓性圍巖荷載計(jì)算公式。

(1)垂直均布?jí)毫τ?jì)算式為

(4)

式中：q為垂直均布?jí)毫?，MPa；B為隧道開挖跨度，m；H為隧道埋深，m；S的取值為1、2、3、4，其分別對(duì)應(yīng)的擠壓性圍巖變形等級(jí)一、二、三、四級(jí)，勘察設(shè)計(jì)階段按變形潛勢(shì)判定變形等級(jí)取值，在施工階段根據(jù)實(shí)測(cè)變形量確認(rèn)的大變形等級(jí)進(jìn)行修正。

(2)水平勻布?jí)毫砂幢?2確定。

表12 圍巖水平勻布?jí)毫?/p>

變形等級(jí)對(duì)圍巖壓力影響顯著，圍巖壓力隨變形等級(jí)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；開挖寬度及埋深對(duì)圍巖壓力的影響小，變形等級(jí)越高，開挖寬度和埋深的影響較大。

圖8為式(4)計(jì)算結(jié)果與TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]中深埋隧道圍巖壓力計(jì)算結(jié)果的對(duì)比曲線。

圖8 圍巖壓力計(jì)算值與規(guī)范值對(duì)比

可以看出，當(dāng)S=-1、0、1時(shí)計(jì)算結(jié)果分別與Ⅳ、V、Ⅵ級(jí)圍巖相當(dāng)：因規(guī)范[21]的計(jì)算方法中過多考慮了開挖寬度的影響，使Ⅵ級(jí)圍巖雙線計(jì)算結(jié)果偏大。這也驗(yàn)證了擠壓性圍巖隧道圍巖壓力以形變壓力為主，圍巖壓力遠(yuǎn)大于一般Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖隧道的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

4.2 擠壓性圍巖隧道設(shè)計(jì)新方法

鑒于擠壓性圍巖的復(fù)雜性和多變性，勘測(cè)及設(shè)計(jì)階段多以圍巖定性評(píng)價(jià)為主、定量為輔進(jìn)行變形等級(jí)分級(jí)，為隧道預(yù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。施工階段中根據(jù)掌子面圍巖特征和圍巖變形情況對(duì)擠壓性大變形的程度進(jìn)行評(píng)定和確認(rèn)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

4.2.1 隧道預(yù)設(shè)計(jì)

在擠壓性圍巖隧道中，由于地應(yīng)力較高，需要加大預(yù)留變形量，達(dá)到高地應(yīng)力釋放的目的。通過總結(jié)蘭渝、成蘭鐵路等擠壓性圍巖建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，確定了預(yù)留變形量經(jīng)驗(yàn)值，如表13所示。

表13 預(yù)留變形量經(jīng)驗(yàn)值 mm

在隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用優(yōu)化斷面曲率、應(yīng)力超前釋放、遞進(jìn)式錨固體系、梯度讓壓支護(hù)體系、吸能緩沖結(jié)構(gòu)、仰拱防隆起結(jié)構(gòu)的組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)不同變形等級(jí)進(jìn)行措施選用，如表14所示。

表14 不同等級(jí)大變形設(shè)計(jì)措施表

4.2.2 圖表設(shè)計(jì)法

擠壓性圍巖預(yù)設(shè)計(jì)基本思路為：根據(jù)隧道開挖跨度、埋置深度、變形等級(jí)及強(qiáng)度應(yīng)力比基本參數(shù)，計(jì)算獲得地質(zhì)因子和工程因子，然后根據(jù)擠壓性圍巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(表)查得初期支護(hù)噴層厚度、鋼架型號(hào)及間距、錨桿(索)體系、二襯混凝土厚度等參數(shù)。

(1)計(jì)算工程因子

工程因子y為隧道埋深和跨度的函數(shù)，表達(dá)式為

(5)

取開挖跨度B=3～25 m，隧道埋深H=100～2 000 m，得y=0.831～1.593，確定縱坐標(biāo)y取值為0.8～1.6。

(2)計(jì)算地質(zhì)因子

地質(zhì)因子x為變形等級(jí)與強(qiáng)度應(yīng)力的函數(shù)，其表達(dá)式為

x=Rc/σmax

S=8.27·e-7.03x

(6)

各級(jí)大變形對(duì)應(yīng)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax≤0.3，考慮向常規(guī)變形的延伸，確定橫坐標(biāo)x的取值范圍0～0.5。

(2)構(gòu)建圖表

以地質(zhì)因子作為橫坐標(biāo)x、工程因子作為縱坐標(biāo)y，構(gòu)建擠壓性圍巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖表，如圖9所示。通過該坐標(biāo)系可以確定各設(shè)計(jì)分區(qū)結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)及輔助結(jié)構(gòu)措施[23]。

圖9 擠壓性圍巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖表法

具體使用流程如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)圖表法使用流程

4.2.3 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及管理

(1)支護(hù)體系適應(yīng)性評(píng)價(jià)

擠壓性圍巖隧道變形控制的核心是控制圍巖的變形速度，將高速、極高變形控制到中速及以下，將中速變形控制到可控狀態(tài)。擠壓性圍巖隧道早期變形速率高，支護(hù)受力大，若支護(hù)不匹配極易造成開裂破壞、侵限拆換等現(xiàn)象，故施工中需對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)的支護(hù)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，判定初期支護(hù)與圍巖變形潛勢(shì)的適應(yīng)性，如表15所示。

表15 初期支護(hù)體系適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按變形加速階段變形速率(初期3～5 d平均變形速率)進(jìn)行支護(hù)體系適應(yīng)性評(píng)價(jià)的體系：當(dāng)變形速率達(dá)到高速(大于50 mm/d)及以上時(shí)且無收斂趨勢(shì)，說明圍巖應(yīng)變潛能巨大，需加強(qiáng)支護(hù)體系或采取超前應(yīng)力釋放等方式；當(dāng)變形速率在中低速(10～50 mm/d)且漸趨收斂時(shí)，說明支護(hù)體系抗力與圍巖應(yīng)變能釋放產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力相適應(yīng)，支護(hù)基本合理，視變形發(fā)展情況進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

(2)擠壓性圍巖隧道變形控制管理體系

與一般圍巖不同，擠壓性圍巖監(jiān)控量測(cè)管理采用變形位移和速率雙控指標(biāo)，變形管理等級(jí)劃分見表16和變形管理對(duì)策見表17。當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已接近表中規(guī)定的數(shù)值，或者混凝土表面已出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)，應(yīng)采取立即補(bǔ)強(qiáng)措施，并改變施工方法或設(shè)計(jì)參數(shù)。

表16 擠壓性圍巖隧道施工變形管理等級(jí)劃分

表17 擠壓性圍巖隧道變形管理對(duì)策

5 擠壓性圍巖隧道變形控制技術(shù)

擠壓性圍巖隧道應(yīng)遵循優(yōu)化洞形、主動(dòng)控制、適度釋放、強(qiáng)化支護(hù)的控制理念，即控制支護(hù)的強(qiáng)度，合理選擇支護(hù)時(shí)間，容許圍巖適度變形，充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力,從而以最低的支護(hù)代價(jià)控制圍巖變形，獲得滿足工程要求的穩(wěn)定性。

5.1 斷面優(yōu)化

擠壓性大變形隧道普遍具有水平地應(yīng)力高于垂直地應(yīng)力的特征，調(diào)整邊墻和仰拱曲率可以更好地適應(yīng)地應(yīng)力分布。蘭渝鐵路木寨嶺隧道、蘭武二線烏鞘嶺隧道均采用了此種技術(shù)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能。

例如，蘭渝鐵路木寨嶺隧道，根據(jù)埋深、圍巖、地應(yīng)力情況，結(jié)合施工期間的初支變形大和二襯開裂情況，將木寨嶺隧道洞身12.7 km板巖段劃分為嶺脊核心段(DK180+800—DK181+800，約1 km)、嶺脊一般段(DK177+240—DK180+800、DK181+800—DK182+550，約4.3 km)、一般段(DK182+550—DK189+775，約6.2 km)3個(gè)段落：

(1)一般段：應(yīng)力比1～3，累計(jì)收斂平均約300 mm。

(2)嶺脊一般段：應(yīng)力比0.2～0.6，累計(jì)收斂平均約500 mm。

(3)嶺脊核心段：應(yīng)力比0.01～0.2，累計(jì)收斂大部分集中在1 500～2 000 mm，最大收斂達(dá)4 385 mm。

基于段落劃分結(jié)果，提出斷面優(yōu)化方案：

一般段：斷面形狀采用馬蹄形斷面，采用先放后抗，先柔后剛，采取相對(duì)應(yīng)加固措施，以抗為主，設(shè)計(jì)采用預(yù)設(shè)計(jì)斷面以及單層初支體系，如圖11所示。

圖11 木寨嶺隧道馬蹄形斷面(單位：cm)

嶺脊一般段：斷面形狀采用橢圓形斷面，采用邊放邊抗，先柔后剛，采取相對(duì)應(yīng)加固措施，加大預(yù)留變形量，以抗為主，設(shè)計(jì)采用單層支護(hù)+系統(tǒng)注漿及錨桿加固體系，較大部分出現(xiàn)初支大變形，小部分襯砌開裂，如圖12所示。

圖12 木寨嶺隧道橢圓形斷面(單位：cm)

嶺脊核心段：斷面形狀采用圓形斷面，采用嶺脊一般段相同支護(hù)及控變理念后大面積出現(xiàn)初支大變形和襯砌開裂；后采用邊支邊讓，加大預(yù)留變形量，多層支護(hù)以抗為主，長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)錨索主動(dòng)加固，仍出現(xiàn)大面積初支大變形和襯砌開裂；最后采用導(dǎo)洞主動(dòng)釋放，擴(kuò)挖邊支邊讓，先柔后剛，圓形斷面多層支護(hù)以抗為主，長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)錨索主動(dòng)加固，如圖13所示。

圖13 木寨嶺隧道圓形斷面

5.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

5.2.1 長(zhǎng)、中、短錨固體系

錨桿通過限制隧道圍巖的膨脹變形和破裂面發(fā)展，減少巖石碎脹變形和裂縫的進(jìn)一步破壞，錨索則需組合錨桿才能有效發(fā)揮作用。錨桿施工方便快捷，可抑制早期變形和快速位移，降低錨索對(duì)洞周圍巖破壞的影響；錨索可控制洞周深處圍巖變形，使隧道洞周和遠(yuǎn)區(qū)圍巖共同作用，協(xié)調(diào)變形。對(duì)擠壓性極為強(qiáng)烈的地層可采用全長(zhǎng)錨固性錨索，施工初期采用端頭錨固進(jìn)行張拉，控制圍巖前期變形，變形趨緩時(shí)，考慮其在變形過程中造成預(yù)應(yīng)力損失，再次張拉補(bǔ)償后進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，抵抗長(zhǎng)期流變影響。

在蘭渝鐵路新城子隧道施工中，采取長(zhǎng)、中、短相結(jié)合的錨固體系，加固圍巖，通過自進(jìn)式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索配合使用，以及多層支護(hù)措施，分階段有梯次的改善圍巖，有效提高圍巖承載能力，如圖14所示。

圖14 錨固體系示意

(1)變形等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)，受擠壓程度較輕，圍巖具有一定的承載能力，聚集的應(yīng)變能較小，開挖后圍巖變形速度較低，破壞范圍小，設(shè)置短錨桿即可穿過塑性區(qū)錨入原巖，達(dá)到加固圍巖、控制變形的目的。

(2)三、四級(jí)大變形段單次錨固不能使圍巖變形趨于穩(wěn)定，需采用長(zhǎng)、中、短相結(jié)合的錨固方法。由于三、四級(jí)變形聚集的應(yīng)變能極大，開挖后圍巖呈高速位移狀態(tài)且塑性區(qū)范圍大，此時(shí)錨桿頭尾均位于蠕變區(qū)內(nèi)，錨桿和蠕變區(qū)圍巖一起移動(dòng)，錨固效果差，故需先降低圍巖變形速度(如采取導(dǎo)洞釋放、臨時(shí)橫撐等措施)再進(jìn)行錨固。

5.2.2 “大剛度”支護(hù)體系

為抑制圍巖應(yīng)變能產(chǎn)生的巨大擠壓和沖擊作用，應(yīng)使用大剛度鋼架以承擔(dān)圍巖的形變壓力，可采用低高度、高強(qiáng)度的型鋼鋼架，如H鋼等，并采用早高強(qiáng)噴射混凝土(設(shè)計(jì)強(qiáng)度不低于C25)進(jìn)行初期支護(hù)。例如，烏鞘嶺隧道嶺脊地段、蘭渝鐵路木寨嶺隧道等擠壓性圍巖隧道均采用H175鋼架，大剛度鋼筋混凝土襯砌等。

5.2.3 多重支護(hù)

多重支護(hù)是采用“邊放邊抗”的原則，通過分層施做支護(hù)，允許圍巖變形釋放部分應(yīng)力，但又能限制圍巖過度變形的一種支護(hù)手段，其原理可以用圖15支護(hù)特性曲線來說明[42]：盡管一次支護(hù)甚至二次支護(hù)屈服，但設(shè)置二次支護(hù)至三次支護(hù)后能夠使支護(hù)最終的抗力與圍巖壓力相平衡，將變形量控制在容許范圍內(nèi)，這種方法比較適合國(guó)內(nèi)的施工現(xiàn)狀。

圖15 多層支護(hù)的特性曲線原理

例如，木寨嶺隧道進(jìn)入F14-1逆斷層后，存在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，初期支護(hù)重復(fù)拆換，二次襯砌開裂，鋼筋彎曲，施工陷入惡性循環(huán)?；诖耍C合前期施工試驗(yàn)及量測(cè)情況，采取加大初支剛度(雙層H175型鋼支護(hù)+仰拱桁架+噴射混凝土支護(hù))、系統(tǒng)注漿加固圍巖、加大二襯剛度的綜合施工措施。

5.3 施工技術(shù)

5.3.1 導(dǎo)洞應(yīng)力釋放技術(shù)

擠壓性圍巖巖體中積聚的應(yīng)變能，需通過變形來充分釋放，才能使圍巖壓力降到一個(gè)合理的水平，以減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是二次襯砌的長(zhǎng)期安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)擠壓性圍巖隧道工程不能只強(qiáng)調(diào)變形控制，同時(shí)也需要強(qiáng)調(diào)應(yīng)力釋放，而這也是擠壓性圍巖與一般圍巖工程不同之處。

超前導(dǎo)洞(平導(dǎo))應(yīng)力釋放在烏鞘嶺、木寨嶺、新城子等典型擠壓大變形隧道工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證，取得好的釋放效果，如圖16所示。

圖16 木寨嶺隧道嶺脊超前導(dǎo)洞釋放(單位：m)

(1)烏鞘嶺隧道在埋深最大DK175+503～DK176+898地段，利用左線隧道位置的平行導(dǎo)坑釋放應(yīng)力，平行導(dǎo)坑的收斂變形為100～150 mm，擴(kuò)挖的收斂變形為250～300 mm，為采用臺(tái)階法一次建成收斂變形的70%～75%；

(2)木寨嶺隧道嶺脊核心段采用超前導(dǎo)洞釋放應(yīng)力，通過對(duì)比可以看出，超前導(dǎo)坑應(yīng)力釋放后第1層減小幅度約為11.7%，第2層減小幅度約為22.3%，變形累計(jì)減小34%。

通過烏鞘嶺、木寨嶺、新城子、毛羽山等超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放試驗(yàn)，超前應(yīng)力釋放在極高地應(yīng)力條件下作用較為突出。為達(dá)到釋放效果，超前導(dǎo)洞要有足夠的釋放截面比及釋放時(shí)間，截面比不小于70%，釋放時(shí)間不小于30 d。

5.3.2 緩沖吸能結(jié)構(gòu)

在蘭渝鐵路木寨嶺隧道變形潛勢(shì)強(qiáng)烈的Ⅲ級(jí)大變形段落，進(jìn)行初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)緩沖層試驗(yàn)研究，如圖17所示 ，在變形難以穩(wěn)定段落可增加支護(hù)結(jié)構(gòu)吸能能力，并盡量減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖17 緩沖層結(jié)構(gòu)

對(duì)木寨嶺隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖段共設(shè)置5個(gè)斷面，分別為DyK181+029、DK181+242、DyK181+242、DK181+011、DyK181+170。其中在DyK181+170設(shè)置緩沖層，與其余斷面進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖18所示。

圖18 導(dǎo)洞擴(kuò)挖段緩沖層測(cè)試結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果顯示，同等條件下施加緩沖層的斷面接觸壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力平均值分別為71、15、5 MPa，而未施加緩沖層的斷面接觸壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力平均值分別為160.3、49.3、12.8 MPa。緩沖層斷面整體應(yīng)力水平明顯小于同等條件下未施加緩沖層的斷面。測(cè)試結(jié)果顯示，施加緩沖層的斷面接觸壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力分別只有未施加斷面的44.3%、30.5%、39.2%，表明緩沖層對(duì)于減小高地應(yīng)力條件下襯砌受力作用明顯。

5.3.3 微臺(tái)階法施工技術(shù)

擠壓性圍巖隧道施工方法應(yīng)根據(jù)圍巖變形等級(jí)、斷面大小確定，一般宜采用微臺(tái)階法開挖。施工中應(yīng)采用控制爆破、弱爆破開挖，條件適宜地段可采用挖機(jī)、單臂掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械開挖。采用微臺(tái)階法施工時(shí)，可分層開挖微臺(tái)階以適當(dāng)釋放圍巖應(yīng)變能。長(zhǎng)臺(tái)階法初期支護(hù)封閉時(shí)間長(zhǎng)，圍巖松弛范圍過大，不利于變形控制。

(1)烏鞘嶺隧道微臺(tái)階施工方法

在烏鞘嶺隧道F7斷層施工前期,采用臺(tái)階法施工, 仰拱未及時(shí)封閉成環(huán), 隧道襯砌滯后, 這是F7斷層變形加大的原因之一。施工工序如圖19所示，其中上臺(tái)階長(zhǎng)50 m，在距掌子面90 m處仰拱未封閉成環(huán), 下臺(tái)階分4步拉中槽開挖, 工序較為繁多, 工序相互影響, 不利變形控制。

圖19 烏鞘嶺隧道臺(tái)階法施工橫截面、縱斷面示意(單位：cm)

經(jīng)過研究，采用微臺(tái)階法施工，施工工序如圖20所示。遵循“微臺(tái)階、弱爆破、早封閉”原則，上臺(tái)階控制在5 m左右，仰拱距掌子面距離控制在20 m以內(nèi)，變形總量控制在350 mm以內(nèi)，有效控制了變形發(fā)展。表18給出烏鞘嶺隧道F7斷層地段長(zhǎng)、微臺(tái)階法對(duì)比結(jié)果，封閉時(shí)變形值占累計(jì)變形的70%～80%。

圖20 烏鞘嶺隧道微臺(tái)階法施工步序(單位：cm)

表18 烏鞘嶺隧道不同大變形等級(jí)的施工采取措施表

(2)新城子隧道微臺(tái)階施工方法

新城子隧道采用微臺(tái)階法施工，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明變形速率明顯下降，即縮短臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)控制變形起到關(guān)鍵作用，結(jié)合施工，臺(tái)階長(zhǎng)度為：上臺(tái)階4～6 m，中臺(tái)階4～6 m，下斷面至仰拱距離小于15 m，如圖21所示。

圖21 新城子微臺(tái)階法示意(單位：m)

5.3.4 二襯施作時(shí)機(jī)

高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道具有明顯的流變性質(zhì)，具有變形量大、變形速率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大等特征，擠壓荷載由圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)共同承載。二次襯砌施做過早，會(huì)使結(jié)構(gòu)承載過大而壓潰；施做太晚，初期支護(hù)可能失穩(wěn)甚至產(chǎn)生坍塌，因此二次襯砌的施做時(shí)機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)急需解決和明確的問題。

烏鞘嶺隧道施工時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)科研試驗(yàn)，采用內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)：二次襯砌施作時(shí)機(jī)在F7斷層、千枚巖地段控制指標(biāo)為3～5 mm/d，拆模時(shí)間確定為，按混凝土最低強(qiáng)度大于7.5 MPa和48 h雙控制。施工過程中襯砌無開裂，運(yùn)營(yíng)多年結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

根據(jù)蘭渝鐵路現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌受力監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析，其二次襯砌施作時(shí)機(jī)為：變形速率(不小于7 d的平均值)雙線≤2 mm/d、單線≤1 mm/d。蘭渝鐵路木寨嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)二襯施做時(shí)機(jī)統(tǒng)計(jì)如圖22所示。

依據(jù)以上研究，提出擠壓性圍巖隧道的二襯施做規(guī)定：變形基本穩(wěn)定應(yīng)符合變形速率明顯下降并趨于緩和；中小跨可按變形速率(7 d平均值)小于1 mm/d、大跨及以上可按小于2 mm/d執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)已納入《川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)指南》。

圖22 襯砌施做時(shí)變形速率按襯砌長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)的分布情況

6 展望

擠壓性圍巖隧道變形治理為世界性難題，國(guó)內(nèi)外在擠壓性圍巖修建了大量的隧道工程，積累了較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但由于擠壓性圍巖的復(fù)雜性，擠壓性變形問題仍比較普遍，目前的研究仍存在以下問題：

(1)擠壓性圍巖的變形機(jī)理仍需進(jìn)一步研究：國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)擠壓性圍巖變形力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了約一個(gè)世紀(jì)的研究，并已提出了圍巖彈塑性力學(xué)的相應(yīng)理論，但是由于高地應(yīng)力巖石的復(fù)雜特性，擠壓性圍巖受到埋深、開挖、時(shí)間等因素的影響，其力學(xué)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

(2)治理方法研究：擠壓性圍巖隧道目前治理方法包括讓壓、硬抗、讓抗結(jié)合等手段，但目前并未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，究其原因是對(duì)圍巖大變形災(zāi)害機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠，尚未建立統(tǒng)一的圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)支護(hù)-圍巖關(guān)系、支護(hù)體系作用機(jī)理缺乏理論性研究。

(3)錨固體系研究：以往隧道以砂漿、中空錨桿等注漿錨桿為主，錨固效果較差；噴射混凝土早期強(qiáng)度偏低，難以有效抑制圍巖變形。為此，需對(duì)樹脂錨桿等低預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索等錨固技術(shù)及噴射混凝土早期強(qiáng)度等進(jìn)行深入研究。

因此，需要對(duì)擠壓性圍巖的變形機(jī)理、支護(hù)-圍巖作用機(jī)理等進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。