让压支护体系在软岩大变形公路隧道中的应用研究

汪波，王杰，吴德兴，赵玉东，张彪，李铮

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310058；3.杭州丰强土建工程研究院，浙江 杭州 310008)



让压支护体系在软岩大变形公路隧道中的应用研究

汪波1，3，王杰1，吴德兴2，赵玉东1，张彪1，李铮1

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310058；3.杭州丰强土建工程研究院，浙江 杭州 310008)

随着软岩大变形公路隧道支护体系中衬砌开裂、钢支撑扭曲、锚杆拉断等各种灾害问题的凸显，传统的强支护体系在大变形隧道处治中受到了极大的挑战，基于此，从围岩形变能合理释放、进而优化支护结构受力的这一思想出发，提出及时-强-让压支护的新型设计理念，并依据该设计理念提出基于让压锚杆+可缩性钢拱架+带变形槽或让压控制器的喷射混凝土组成的让压支护系统。以此支护系统为基础，结合杜家山公路隧道的大变形特征，对该体系中起始让压点及让压量等关键技术问题进行研究，结果表明：采用让压支护体系时，起始让压点越晚或让压量越大，围岩应变能释放越多，支护结构承受荷载亦即越小。但若让压量较小或起始让压点过早，则不能达到有效释放围岩形变能、改善支护结构受力的目的。若起始让压点过晚或让压量较大，虽充分释放了围岩位移，但因释放量过大而有可能导致围岩的破坏甚至塌方风险，故让压支护体系中起始让压点及让压量的设置应结合具体工程合理选择。

公路隧道；软岩大变形，及时强支护；让压支护；让压点；让压量

近年来，随着我国基础设施建设力度不断加大，穿越西部复杂地质条件下的深埋长大公路隧道逐年增多，如刚刚建成的穿越5.12汶川地震发震断裂带——龙门山断裂带上的广(元)甘(肃)高速公路杜家山隧道、在建汶(川)马(尔康)高速公路上的新鹧鸪山隧道、绵(竹)茂(县)公路上的蓝家岩隧道等。该类公路隧道具有如下特点：第一，埋深大，所在区域地应力高；第二，软岩地层分布范围大，其中千枚岩的分布极为广泛。在上述场体环境条件下隧道在建设过程中大变形灾害问题突出，严重危及了施工及运营安全[1]。截至目前，国内外众多学者虽对隧道工程中出现的大变形问题开展了大量相关研究，但并未形成一套行之有效的技术保障体系，长期以来针对公路隧道中出现的大变形问题大多采用强支护以达到抑制变形的目的，“及时支护、强支护”的基本理念在软岩隧道大变形设计施工中占据主导地位，在上述思想支配下，软岩大变形隧道的支护参数很多情况下突破了铁路、公路隧道设计规范中的推荐值。如广甘路上杜家山隧道大变形段采用30 cm厚喷射混凝土、40 cm间距的钢拱架及60 cm厚的二衬等大刚度支护措施[2]；宜巴高速上的卧佛山大变形公路隧道，同样采用了刚性极强的支护参数[3]。同时在支护方式及工艺材料方面，大多采用常规的传统模式，即喷射混凝土+常规刚性锚杆+钢拱架联合支护[4]。但软岩隧道中随着围岩变形量的逐渐增大，使得作用在衬砌结构上的形变荷载持续增加，支护体系处于极高的受力状态，及时强支护措施在抑制围岩变形的同时诱发了极大的形变压力，导致隧道建成早期支护结构出现了诸如衬砌开裂、钢支撑扭曲、锚杆拉断等病害问题，及时强支护的设计理念及常规支护体系与工艺在公路大变形隧道处治中受到了极大的挑战。因此，对于软岩大变形公路隧道应改变传统的治理思维模式，不能一味的采用刚度大、支护强、延展性差、费用高的支护手段来达到抑制围岩变形的目的，而应该在施工过程中及时进行强支护以控制围岩早期变形的同时，让其形变能得以适当释放，进而优化软岩大变形公路隧道支护结构参数及受力状态。根据上述思路，本文提出一种新型支护体系——让压支护体系，从其作用机理、结构组成及关键技术问题分析入手，结合具体工程，对其科学性和效用性进行探讨，以期为软岩大变形公路隧道合理支护体系开辟新的途径。

1　让压支护的基本原理及其体系组成

1.1让压支护的基本原理

目前，我国软岩公路隧道大部分通过及时强支护手段来阻止围岩变形，所谓的及时强支护包含2层涵义：一是隧道开挖后及早地施做包含二衬在内的支护体系；二是及早施做的衬砌结构参数很强，如采取加厚的喷射混凝土、密布的高强度钢拱架及较厚的二次衬砌等，上述所谓的“抵抗原则”将会诱发过大的围岩压力，进而产生施工及营运风险[5]。因此，总结已有的工程经验，公路大变形软岩隧道的支护原则应在原有的“及时强支护”的基础上增加“让压”理念[5-9]，从而达到保持隧道稳定及优化支护参数的目的。据此，阐述及时-强-让压支护的基本原理如下。

1.1.1及时强支护

软岩大变形隧道中，由于岩体自身性状差，应力水平高，形变荷载大，变形速度快[9]，若不采取及时强支护措施，快速调整的围岩压力及持续增大的围岩变形，将使隧道周边岩体承受超过自身强度的过大压力而进入塑性状态，且岩体性状急剧恶化，最终将形成过大的松动圈而诱发坍塌风险。因此，为防止软岩隧道开挖后发生过大变形，以尽快速度将围岩松动圈保持在合理范围内，达到提高围岩承载能力，稳定隧道的目的，必须进行及时强支护，以期在尽早支护的同时提供较强的支护阻力。

1.1.2让压支护

所谓让压，是要求支护体系在及时强支护控制围岩形变，缩小松动圈范围，保持支护结构恒定承载力的条件下，应允许其产生一定的位移量以释放部分围岩压力，以充分发挥围岩的自承载能力、优化支护受力，达到保障隧道稳定、安全与优化支护参数的目的。

因此，基于及时-强-让压原理的支护技术在大变形软岩公路隧道中应满足2方面的要求：首先，要保障初支系统能提供及时的高支护阻力以抑制围岩变形，控制松动圈范围；其次，该支护在及时强支护后能实现自动让压功能。即支护体系具有“先抗后让”，“边抗边让”，“抗让联合”的特点(图1)。

图1　让压作用机理图Fig.1 Mechanism of yielding support

图1中，1为围岩特性曲线，2，3和4为支护力学特性曲线，2和3的支护刚度相同，即材料性能相同，3相对于2多了一个让压过程，即U3的位移量。4相对于2和3支护刚度明显增加，即采用了理论上更强的支护。从图中可以看出，3种支护的施加起点均相同(考虑及时支护)，即U1相同。支护曲线2，3和4与围岩特性曲线分别相较于b，c和a 3点，其中a和c 2点均位于支护弹性阶段，支护体系具有很好的安全性，而b点位于支护塑性阶段，并不能很好地保证结构的安全性。

上述分析表明，对于软岩隧道支护理论上途径有2种，一是如曲线4所示，即及时强支护，提高支护阻力以减小软岩隧道的围岩变形。二是如曲线3所示，在材料性能一定的情况下，支护在对围岩提供一定工作阻力以阻止围岩变形的同时，适当释放围岩位移，以减少最终支护阻力，使围岩-支护体系处于安全状态。比较2种支护方式可以看出，由于第2种支护具有让压功能，保持围岩稳定所需的支护阻力和刚度较第一种支护明显减弱，因而比较经济合理。

1.2让压支护体系的基本构成

据我国《公路隧道设计规范》第9.2.6节规定“复合式衬砌中的二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为安全储备，并按构造要求设计，Ⅳ和Ⅴ级围岩中为承载结构，…”[10]，据此，国内公路隧道设计时二次衬砌多数情况下作为隧道的安全储备发挥作用，从该思想出发，本文针对软岩大变形公路隧道所提出的让压支护泛指初期支护体系。根据让压支护的基本原理，绘制该系统如图2所示。

(a)总体图；(b)A-A剖面图2　让压支护体系图Fig.2 Yielding support system diagram

图2中让压支护体系由如下几部分组成[11]：

1)让压锚杆：在锚杆中安装一种特定的让压装置，当支护结构发生大变形，锚杆承受的拉力超过其设计的让压力时，设计的让压装置将使锚杆体产生与岩土体相适应的变形，此时，拉力值则维持固定不变，直到为锚杆设定的让压量耗尽，此举是避免锚杆体拉断失效，保持支护作用(图3)。

图3　让压锚杆Fig.3 Yielding bolt

2)可缩性钢拱架：目前普遍采用U型可缩型拱架来实现(图2(b))，其基本原理是靠钢架接头之间卡缆预紧力产生磨阻力来实现钢架的恒阻滑移(图2(b))。

3)带变形槽或让压控制器的喷射混凝土[5]；为了能使喷射混凝土也能产生与钢拱架及让压锚杆相协调的变形，可对喷射混凝土预留变形槽或在喷射混凝土间设置可变形的让压控制器，如图2(b)所示。

1.3让压支护中的关键技术问题

1)让压点的设计：即及时-强-让压支护体系何时让压的问题？在及时强支护后，科学的让压点设计不仅能合理的控制松动圈范围，而且可有效改善支护受力状态，优化支护参数。一般来讲，让压点的设计应保证其在各构件的实际屈服极限内，以确保让压系统中各构件在支护过程中不发生屈服破坏。

2)让压量的设计：即让压支护体系让压多少的问题，让压量过小，诱发的围岩压力将增加，没有达到释放围岩形变能，充分发挥围岩自承载能力的目的，让压量过大，虽有效释放了围岩形变荷载，但有可能使得岩体松动圈过大而进入松动破坏状态，因此，合理的让压量设计也是让压支护系统中的关键环节。

2　让压支护体系在软岩大变形公路隧道中应用技术探讨

2.1计算方案的拟定

为探讨让压支护体系中让压点及让压量的合理设置，本文以广甘高速公路杜家山隧道为原型采用数值分析手段对该问题进行深入探讨，以期为让压技术的应用提供参考。

杜家山隧道位于横穿5.12汶川地震发震断裂带的广甘高速公路上，为双向分离式隧道，最大埋深约200 m。隧址区基本以千枚岩为主，受岩性强度低、岩体松散、遇水软化泥化等特性影响，隧道施工过程中出现了多次大变形现象，最大变形量值达100 cm左右[1]。

考虑到杜家山隧道根据现场实际开挖后的围岩变形特征，在可能发生的大变形段设置了25～35 cm的预留变形量值[2]，故让压分析中拟定计算方案时以该预留变形量为基础，设定位移总量值在20～40 cm左右，据此，形成计算方案如表1所示。

表1　计算工况表Table 1 Analysis of claims data

根据杜家山隧道实际情况，建立计算模型如图4所示，模型建立时为消除“边界效应”影响，横向以隧道中线位置向两侧各取70 m，竖向取仰拱底部以下52 m，拱顶以上取40 m(剩余埋深以施加竖向应力方式来实现)，沿隧道纵向取6 m。在模型的底部边界采用竖向约束，前后左右边界均采用水平约束。分析中围岩按均质弹塑性材料，采用M-C准则，初支采用实体单元，设置为弹性模型。

需要说明的是，由于杜家山隧道后期施工中取消了锚杆的设置[12]，故本次让压分析中依据实际情况没有设置让压锚杆。

数值分析中围岩及衬砌材料参数的选取是依据广甘高速地勘资料，并结合《公路隧道设计规范》综合拟定的。对加固区则在参考已有研究资料的基础上，适当提高其材料参数的方法来实现。而对于让压构件材料参数的选择，则是以文献[6]中已应用的让压构件参数为基础，结合对可能成为让压构件的高弹性混凝土、让压控制器等材料的资料调研、性能试验后综合确定的。具体计算参数如表2所示。

图4　计算模型图Fig.4 Calculation model

为确保让压支护体系的可靠性及效用性，数值分析中对关键问题做了如下处理：

1) “起始让压点”和“让压量”的实现：因支护结构受力与围岩位移释放二者紧密相关，故表1中各工况“起始让压点”和“让压量”的设计以隧道开挖过程中的位移量来控制。具体实现过程为：隧道开挖强支护施作后，待其位移量值达到“起始让压点”的设计值(以拱顶沉降控制)，开始让压，直至达到设计的让压量后停止让压过程。

2)让压构件的模拟：数值分析中通过改变让压部位构件的材料参数来实现。具体实现过程为：隧道开挖后，支护初期，让压构件的材料参数同强支护体系，即处于及时强支护期；待位移达设计的“起始让压点”时，改变材料参数，激活让压构件，实现支护体系的让压，即处于让压期；当位移达设计让压量后，再次将让压构件的材参改变为强支护体系参数，即再次处于常规强支护期。

表2　计算力学参数的选取Table 2 Calculation mechanical parameters selection

2.2让压支护体系在软岩大变形公路隧道中的应用探讨

为了对比分析让压支护体系下不同起始让压点、让压量时围岩-支护结构位移场、应力场的变化规律，文中分别获取了不同工况下相关云图，需要说明的是，“工况4”中因让压量过大，计算未收敛，故文中未列出。

2.2.1围岩变形特征分析

计算获取各工况下围岩位移云图如图5所示。

单位：m(a)工况1-Uy；(b)工况2-Uy；(c)工况3-Uy;(d)工况1-Ux;(e)工况2-Ux;(f)工况3-Ux图5　不同工况下围岩竖向(Uy)和横向(Ux)位移分布云图Fig.5 Nephogram of vertical displacement (Uy) and lateral displacement(Ux)of different conditions of surrounding rock

从图中可以看出：让压点相同，设置的让压量越大，围岩产生的位移亦越大。如工况1和2中，起始让压点均为10 cm，工况1中边墙收敛值约26 cm，拱顶下沉17.7 cm；工况2边墙收敛值约29 cm，拱顶下沉21.2 cm，较工况1增大约15%。让压量相同，起始让压点越晚，围岩产生的位移就会越大。如工况1和3中，让压量都为5 cm，工况3边墙收敛值达到36 cm，拱顶下沉20.6 cm，较工况1增大约20%。上述分析表明，让压量与让压点的设置对围岩最终位移的影响程度基本相当。

2.2.2围岩应力特征分析

为分析不同让压条件下围岩应力变化特征，特获取各工况下围岩最小、最大主应力云图如图6所示(注：图中单位为Pa，应力以拉为正，压为负)。

(a)工况1-S3；(b)工况2-S3；(c)工况3-S3;(d)工况1-S1;(e)工况2-S1;(f)工况3-S1图6　不同工况围岩S3和S1云图Fig.6 S3,S1 nephogram of different conditions of surrounding rock

从应力云图可以看出，隧道开挖后，洞室围岩基本处于受压状态，但随着起始让压点及让压量的不同而表现各异。

1)对比工况1和2可知，当让压支护中起始让压点相同时，让压量越大，围岩的最小主应力越小。如工况1和2，起始让压点均为10 cm，工况1中最小主应力为-15.4 MPa，工况2中最小主应力达到-9.8 MPa，较工况1减少约36%。同时对比分析工况1和3可知，当让压支护中让压量相同时，起始让压点越晚，围岩的最小主应力越小。如工况1和3中，让压量都为5 cm，工况3中最小主应力为-13.2 MPa，较工况1减少14%左右。说明让压量越大或起始让压点越晚，围岩位移将得到一定程度释放，围岩处于较小的应力状态，从而保障围岩性状不致过度恶化而丧失自承载能力。但总体而言，让压量的影响程度要大于起始让压点的设置。

2)对比各工况下最大主应力云图可知，当采用让压支护时，选取的起始让压点或让压量不同，围岩的最大主应力分布规律变化不大，仅工况3中隧道周边围岩呈现出小部分受拉状态。综合最小主应力分析可知，因不同让压状态下其差异性较大，从而导致围岩周边产生的应力差有所不同，即围岩的剪切破坏程度各异。

2.2.3围岩塑性区分布特征分析

软岩大变形隧道中，有效控制塑性区范围是判断支护体系及参数合理性的重要标志，为此，特获取不同工况下的围岩塑性区范围如图7所示。

从图中可以看出，各工况隧道周边围岩均产生了一定程度的剪切与受拉破坏，塑性区范围随让压支护中让压点及让压量的设置不同而各异，总体而言，设置让压量越大或起始让压点越晚，围岩塑性区范围亦将增大，越不利于围岩的稳定，因而合理的选择让压量是施加让压支护体系的关键。

2.2.4支护结构受力特征分析

一个合理的支护体系，除能有效保持控制围岩位移、塑性区的发展外，其受力合理性也是其重要的判别指标，为此，获取不同工况下支护受力云图如图8所示。

(a)工况1-S1；(b)工况2-S1；(c)工况3-S1图7　不同工况下围岩塑性区分布图Fig.7 Plastic zone distribution images of different conditions of surrounding rock

单位 Pa(a)工况1-S3；(b)工况2-S3；(c)工况3-S3；(d)工况1-S1；(e)工况2-S1；(f)工况3-S1图8　不同工况下初支S3和S1云图Fig.8 S3,S1 nephogram of different conditions of initial support

从图中可以看出，当采用让压支护时，衬砌结构的受力演化规律与围岩基本相似：

1)最小主应力方面：设置的让压量越大或起始让压点越晚，支护结构的最小主应力就越小。如工况1和2中，工况2支护结构的最小主应力较工况1减少约40%左右(工况1为-17.6 MPa，工况2为-9.96 MPa)。同样，工况1和3中，工况3支护结构的最小主应力较工况1减少约17%左右(工况3为-14.1 MPa)。

2)最大主应力方面：设置不同的让压量或起始让压点虽对支护体系中最大主应力有所影响，但总体影响有限。

2.2.4合理让压点及让压量的分析

正如前述分析中揭示的那样，让压支护体系中起始让压点及让压量的设置将直接影响到围岩-结构体系的稳定，因此，为合理设置依托工程中让压支护体系的起始让压点及让压量，将各工况下围岩、支护结构位移、应力最大值见表3，同时获取了不同工况下初支安全系数如图9所示(注：初支安全系数的获得主要以文献[10]中二衬安全系数的计算方式为参考，将初支材料的自身抗拉、压强度(主要以喷射混凝土控制)与各工况下初支实际所受最大拉、压应力值相比较而得)。

从表3可以看出，采用让压支护体系时，围岩的变形量在18～36 cm之间，基本符合杜家山隧道设置的25～35 cm的预留变形量值，但工况3的周边收敛接近限值。从受力方面来看，工况1和3的围岩、支护结构受力明显大于工况2，同时结合初支受力安全系数来看，工况2条件下支护受力更加合理、安全，安全储备也最高。

表3各工况围岩、支护位移应力综合表

Table 3 Conditions of surrounding rock and support displacement stress

工况序号让压参数围岩变形围岩应力支护应力让压点让压量拱顶下沉/cm边墙收敛/cm最小主应力/MPa最小主应力/MPa11051826-15-17.6210102128-10-1031552136-13-1441510未收敛

(a)工况1；(b)工况2；(c)工况3图9　不同工况下初支安全系数图Fig.9 Initial support safety coefficient under different conditions

因此，综合比较后建议广甘高速公路杜家山隧道若采用让压支护体系，起始让压点设计为10 cm，让压量设置为10 cm最为适宜。

3　结论

1)让压支护体系在原有及时强支护的基础上，增加了让压功能，使支护系统具备“先抗后让、抗让结合”的特点，达到了充分释放围岩形变能，优化支护参数的目的。

2)依据及时-强-让压支护的基本原则，提出基于让压锚杆+可缩性钢拱架+带变形槽或让压控制器的喷射混凝土组成的让压支护系统，并指出起始让压点及让压量的设计是本系统的关键所在。

3)依托杜家山公路隧道，对让压支护体系中的关键技术问题开展研究，分析表明：采用让压支护体系时，起始让压点越晚或让压量越大，围岩释放围岩位移、应力也就越大，支护结构承受荷载亦即越小。但若让压量较小或起始让压点过早，则不能达到有效释放围岩形变能、改善支护结构受力的目的。若起始让压点过晚或让压量较大，虽充分释放了了围岩位移，但因释放量过大而有可能导致围岩的破坏甚至塌方风险，故起始让压点及让压量的设置应结合工程实际合理选择。

随着公路隧道向我国西部山区长大深埋方向的进一步发展，软岩大变形问题将越来越突出，本文仅从理念及数值分析手段对让压支护系统的可行性及关键技术进行了探讨，下阶段研究建议应结合具体工程进行现场试验研究，以验证该系统的可靠性及可实施性，为让压支护体系的推广提供技术支撑。

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Study on application of yielding supporting system forlarge-deformation in soft rock highway tunnel

WANG Bo1,3，WANG Jie1, WU Dexing2, ZHAO Yudong1, ZHANG Biao1, LI Zheng1

(1. Southwest Jiaotong University，MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Chengdu 610031, China；2. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research，Hangzhou 310006，China;3. Hangzhou Fengqiang Civil Engineering Research Institute，Hangzhou 310008， China)

With the outburst of various disasters in large deformation highway tunnel in soft rock，such as lining cracking, steel twisted and bolt broken, the traditional strong support system in the treatment of large deformation tunnel is now under great challenge. Considering the idea of releasing deformation energy and optimizing the structure stress, a new design idea named timely-strong-yielding support is presented in this paper. According to this design concept, the yielding support system that consists of yielding bolt, collapsible steel arch and sprayed concrete with deformable slot or pressure controller, was proposed. On the basis of this support system and the characteristics of large deformation of Dujiashan highway tunnel, this paper studied the key technical problems of the system, including yielding point, yielding amount and so on. The results shows that when using yielding support, the later of yielding point, the more deformation energy will be released, and things are the same with more yielding amount. However, the purpose of releasing rock deformation energy and improving structure stress effectively couldn't be achieved if there is less yielding amount or earlier yielding point. More deformation energy would be released with greater yielding amount or later yielding point. On the other hand, the release of deformation energy will result in surrounding rock failure even collapse. Therefore, the yielding point and the yielding amount shall be combined with specific engineering to help us to make reasonable choices.

highway tunnel; large deformation of soft rock; timely strong support; yielding support ; yielding point ; yielding amount

2015-12-26

国家自然科学基金资助项目(51378434，51578456)；国家自然科学基金高铁联合基金资助项目(U1134208)

汪波(1975-)，男，安徽郎溪人，副教授，博士，从事地下工程方面的研究工作；E-mail：ahbowang@163.com

U459.2

A

1672-7029(2016)10-1985-09