李留璽

（湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000）

·隧道與建設(shè)工程·

高地應(yīng)力松軟圍巖隧道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

李留璽*

（湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000）

分析了高地應(yīng)力軟巖隧道變形機(jī)理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)實(shí)踐提出了“錨網(wǎng)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(hù)方案。該支護(hù)方案在重慶某隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：（1）隧道拱頂和壁幫累計(jì)移動(dòng)量為10mm和22mm，支護(hù)效果較好；（2）該支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)是允許圍巖出現(xiàn)一定流變變形，在提高U型鋼支架支護(hù)阻力的基礎(chǔ)上減少二次襯砌的形變壓力，從而確保隧道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

高地應(yīng)力；軟巖；變形機(jī)理；支護(hù)技術(shù)；效果分析

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，穿越高地應(yīng)力松軟圍巖的隧道越來(lái)越多，給隧道設(shè)計(jì)和施工單位帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。尤其是我國(guó)西部地區(qū)，山勢(shì)陡峻、山巖松軟易碎、地應(yīng)力普遍較高，隧道在施工過(guò)程中和竣工后常出現(xiàn)圍巖變形和襯砌破壞[1]。目前，隧道專家普遍認(rèn)為松軟圍巖隧道亟待解決的問(wèn)題是尋求合理支護(hù)方法控制圍巖大變形。鑒于多年國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，控制隧道圍巖變形的理論和技術(shù)主要有隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理確定開(kāi)挖方法等，如隧道斷面采用近似圓形；隧道初期支護(hù)采用錨索、可縮U型鋼支架；采用臺(tái)階式開(kāi)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(jìn)行高應(yīng)力軟巖隧道圍巖控制時(shí)還存在一定問(wèn)題。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)高應(yīng)力軟巖隧道變形特點(diǎn)，筆者提出“錨網(wǎng)噴+可縮性U型鋼支架+二次襯砌+壁后填充”的支護(hù)方案，該支護(hù)方案在貴州某隧道進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示該支護(hù)方式下的圍巖控制效果較好。

1　高應(yīng)力軟巖隧道變形機(jī)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(qiáng)度礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)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(jié)構(gòu)面、片理面強(qiáng)度和子承載能力，造成圍巖極易出現(xiàn)變形和破壞[4]。在軟巖隧道開(kāi)挖后，若圍巖遇水出現(xiàn)膨脹，其產(chǎn)生的膨脹壓力與圍巖應(yīng)力共同作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)體上，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度無(wú)法承擔(dān)這部分力時(shí)便會(huì)引起隧道圍巖出現(xiàn)變形，圍巖變形最常表現(xiàn)在隧道底鼓和仰拱開(kāi)裂等。軟巖的塑形流動(dòng)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(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，隧道部分圍巖進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，在隧道周圍形成一定尺寸的破壞松動(dòng)圈，松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖體會(huì)出現(xiàn)典型塑形流變特性，其表現(xiàn)就是隨著時(shí)間的推移，隧道出現(xiàn)長(zhǎng)期性的凈空收斂現(xiàn)象；（2）隧道圍巖的擠出作用是指隧道在開(kāi)挖后，其重新分布的圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體自身強(qiáng)度而促使巖體處于塑形屈服狀態(tài)，促使隧道圍巖出現(xiàn)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(diǎn)。

地應(yīng)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(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb與最大主應(yīng)力σmax的比值來(lái)劃定地應(yīng)力，當(dāng)比值Rb/σmax＜4時(shí)為極高地應(yīng)力，當(dāng)Rb/σmax＞7時(shí)未一般地應(yīng)力，當(dāng)4≤Rb/σmax≤7時(shí)為高地應(yīng)力等級(jí)。高應(yīng)力軟巖隧道施工實(shí)踐表明，在高應(yīng)力作用下，隧道開(kāi)挖后洞壁巖體有顯著位移和不同程度剝離現(xiàn)象，且隧道變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，隧道不易成洞。采用彈性力學(xué)對(duì)高應(yīng)力軟巖隧道圍巖進(jìn)行受力分析，隧道開(kāi)挖后重新分布的圍巖應(yīng)力狀態(tài)可由下式表示：

式中：a——隧道開(kāi)挖半徑；

r——徑向位移；

θ——極徑與軸X夾角；

σ′θ——切向應(yīng)力；

σ′r——徑向應(yīng)力；

τ′rθ——剪切應(yīng)力；

σA——地應(yīng)力；

σB——隧道上部圍巖傳遞重力。

由上式可知，隨著地應(yīng)力的逐漸增大，隧道圍巖徑向應(yīng)力也逐漸增大，由于高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖所受地應(yīng)力較大，且圍巖強(qiáng)度和自承載能力較弱，故在隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力釋放和回彈，造成隧道圍巖出現(xiàn)剪脹擴(kuò)容、滑移開(kāi)裂、隧道內(nèi)斂和隧道幫壁巖體片落等變形破壞現(xiàn)象。

2　高應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)方案的確定

軟巖隧道不同于硬巖隧道，軟巖隧道圍巖強(qiáng)度較低、自承載能力較弱，且在施工過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的工程應(yīng)力，若軟巖隧道支護(hù)方式不合理則會(huì)在施工過(guò)程中或隧道使用過(guò)程中出現(xiàn)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(hù)，結(jié)果在隧道圍巖變形作用下出現(xiàn)大量的鋼拱架扭曲損壞，且部分地帶二次襯砌開(kāi)裂嚴(yán)重；惠那山2#隧道采用可縮性鋼架和長(zhǎng)錨桿聯(lián)合支護(hù)，保證了二次襯砌的完整性，但是為避免圍巖流變?cè)黾恿碎_(kāi)挖工程量[5]。奧地利陶恩隧道采用長(zhǎng)錨桿支護(hù)出現(xiàn)了較明顯的圍巖流動(dòng)變形，在此基礎(chǔ)上增加可縮性鋼架方對(duì)圍巖形成了較好控制[5]；國(guó)內(nèi)的蘭渝鐵路全線高地應(yīng)力軟巖隧道采用可縮性鋼架支護(hù)時(shí)出現(xiàn)了近4km的大變形地段，拆換工程巨大，變更數(shù)量較多[6]；家竹箐隧道采用傳統(tǒng)的網(wǎng)噴支護(hù)時(shí)出現(xiàn)了拱頂大面積下沉和底部大范圍隆起，通過(guò)在混凝土噴層預(yù)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(guò)剛性支護(hù)來(lái)控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形較困難，家竹箐隧道支護(hù)實(shí)例證明只有采用剛?cè)峤Y(jié)合的支護(hù)方式才能有效控制高地應(yīng)力軟巖隧道。

通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高地應(yīng)力軟巖隧道變形具有一定的時(shí)間效應(yīng)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力多以圍巖形變壓力為主，破碎圍巖松動(dòng)壓力較小。故當(dāng)隧道采用剛性支護(hù)時(shí)，剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)不能夠?qū)鷰r變形不能形成一定的“躲讓”，這樣隨著圍巖流動(dòng)變形程度的加大，剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也越來(lái)越大，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，造成隧道失穩(wěn)?；诖?，只有采用剛?cè)峤Y(jié)合的支護(hù)方式才能保證高地應(yīng)力軟巖隧道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)既能一定程度的協(xié)調(diào)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(guò)度，避免隧道失穩(wěn)。

根據(jù)高地應(yīng)力軟巖隧道變形特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)實(shí)踐，筆者提出“錨網(wǎng)噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”的聯(lián)合支護(hù)方式，該支護(hù)方式具體如圖1所示。該支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)：高壓縮性材料具有較好的變形能力和延性，當(dāng)其承壓達(dá)到峰值強(qiáng)度后只會(huì)發(fā)生軸向應(yīng)變持續(xù)增加，不會(huì)出現(xiàn)整體破壞；通過(guò)該高壓縮性材料的填充，可以提高鋼架支護(hù)阻力，同時(shí)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(yīng)力軟巖隧道在允許一定程度變形的基礎(chǔ)上保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖1　高地應(yīng)力軟巖隧道合理支護(hù)方式

3　工程應(yīng)用

3.1工程概況

重慶某隧道地所處山區(qū)地勢(shì)復(fù)雜多變，地形起伏較大，該隧道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為6400余米，最大埋深超過(guò)1500m，設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓為5.5單心圓，開(kāi)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(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r為主；巖性特征表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，巖體軟弱易碎，圍巖分級(jí)為Ⅵ類圍巖。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試可知，該隧道所在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力偏高，水平主應(yīng)力最大為14.1MPa，測(cè)壓系數(shù)隨深度呈線性增大。隧道開(kāi)挖時(shí)巖體破碎冒漏較嚴(yán)重，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)后出現(xiàn)不連續(xù)性大范圍開(kāi)裂，且開(kāi)裂程度隨著隧道埋深的增大不斷增大，同時(shí)可縮性支架部分出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，說(shuō)明該隧道圍巖流變效應(yīng)較顯著，采用剛性支護(hù)手段不足以控制隧道圍巖變形，尋求新的支護(hù)手段對(duì)保證隧道穩(wěn)定具有重要的意義。

3.2支護(hù)方案確定

針對(duì)該隧道所受地應(yīng)力情況，同時(shí)結(jié)合隧道圍巖物理特性，確定該隧道支護(hù)方案：錨網(wǎng)噴（初期支護(hù)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(hù)參數(shù)參數(shù)：錨桿為?25mm×3000mm中空注漿錨桿，錨桿間排距為120mm×100mm；鋼筋網(wǎng)為?8mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格參數(shù)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(guò)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(qiáng)度較低，但延性和抗破裂性較好，其單軸抗壓強(qiáng)度為3.0MPa，屈服應(yīng)力系數(shù)為0.48，屈服靜水壓力系數(shù)為0.1，泊松比為0.41。

3.3支護(hù)效果分析

3.3.1監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

為了掌握在“錨網(wǎng)噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”支護(hù)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(nèi)共布置3個(gè)觀測(cè)站，分別為1#、2#、3#測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站對(duì)應(yīng)一個(gè)巷道監(jiān)測(cè)斷面，在觀測(cè)斷面頂板、底板和兩幫各安裝一個(gè)基樁作為原始觀測(cè)點(diǎn)，并做好原始數(shù)據(jù)的記錄，隧道變形量采用斷面收斂計(jì)進(jìn)行定期觀測(cè)，觀測(cè)方案布置具體如圖2所示。

圖2　隧道收斂變形觀測(cè)方案布置示意

3.3.2支護(hù)效果分析

隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3可知，隨著時(shí)間推移，在20d內(nèi)拱頂基本呈0.5mm/d的線性下沉變化，在20-27d范圍內(nèi)，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(cè)結(jié)果顯示，在30d內(nèi)，拱頂下沉累計(jì)量為10mm。由圖4可知，隧道在13d內(nèi)水平收斂速度較大，平均為0.65m/d，13-32d范圍內(nèi)，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(jì)量約為22mm。從圖3和圖4可知，隧道拱頂和壁幫在支護(hù)初期都會(huì)出現(xiàn)一定的變形，該變形主要是圍巖應(yīng)力釋放導(dǎo)致，但是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，該變形量能夠維持在隧道可控范圍內(nèi)，從隧道變形觀測(cè)結(jié)果可知，該隧道變形量不大，總體支護(hù)效果較好。

圖3　隧道拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系

圖4　隧道水平收斂與時(shí)間關(guān)系

4　結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)機(jī)理分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)實(shí)踐提出高地應(yīng)力軟巖最佳支護(hù)方案為剛?cè)峤Y(jié)合的“錨網(wǎng)噴+可縮性支架+二次襯砌+壁后填充高壓縮性材料”聯(lián)合支護(hù)方式。

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

（3）以重慶某高地應(yīng)力軟巖隧道為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)掌握了該隧道的變形規(guī)律。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，隧道拱頂和壁幫累計(jì)移動(dòng)量為10mm和22mm，說(shuō)明通過(guò)該支護(hù)方式有效地解決了高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)問(wèn)題。

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[2]王萬(wàn)通.關(guān)于高地應(yīng)力軟巖隧道施工方法的探討[J].價(jià)值工程，2013(12):108-110.

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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(xiàng)目（13B010）。

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