高地应力软弱围岩隧道联合支护体系应用

张传军

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

近年来我国高地应力软弱围岩地区修建了大量的铁路干线、支线和专用线。隧道施工受高地应力的影响，极易发生大变形，常规的新奥法理论已不足以解决现场难题，需要不断创新、总结，形成一套具有可参照性的理论和技术，有针对性地开展试验研究工作。

冯豫、陆家梁、郊雨天、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，提出 “联合支护技术”［1］。

关宝树针对软弱围岩施工在 《软弱围岩隧道施工技术》一书中详细诠释说明［2］。

赵勇对软弱围岩地质特征与工程影响评价、变形机制与时空效应、支护结构与围岩作用体系、隧道软弱围岩变形控制技术等进行了系统深入研究，取得了一系列研究成果［3］。

根据以往施工经验，如兰武二线乌鞘岭隧道［4］，宜万线堡镇隧道［5］，兰渝铁路毛羽山隧道［6］，兰渝铁路两水隧道［7］，成兰铁路榴桐寨隧道［8］，并结合公路隧道［9，10］，均采取了比较可行的控变形理念和方法。在不同地域不同条件下的施工情况差异较大，虽进行过系统的试验研究，但情况不一，差异较为明显，目前国家对于高地应力软弱围岩隧道的标准化建设方面尚未有比较系统的总结和提炼，木寨岭隧道相比其它高地应力软岩隧道来说，地应力更高、变形更大，需要进一步进行分析总结，为后期规范的编制提供相关经验参考，从而达到覆盖面广、应用更为合理的标准化建设。

1 工程概况

1.1 地质概况

兰渝铁路木寨岭隧道全长19.1 km，隧道洞身最大埋深约600 m。该隧道地质条件非常复杂，隧道洞身共发育11个断裂，最大带宽约1 km，总长4.5 km，穿过3个背斜及2个向斜构造，洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的65.44%，属于典型的软弱围岩地段，围岩稳定性差易坍塌，支护体变形量大、变形速率高、持续时间长。

1.2 地应力状况

设计勘察阶段测得地应力最大水平主应力可达27.16 MPa，而木寨岭隧道洞身板岩及炭质板岩围岩强度约为0.26～5 MPa，围岩强度应力比仅为0.01～0.2，与规范极高地应力（σmax／R＜4）相比，处于 “特极高地应力”水平。

2 变形缺陷

2.1 初期支护变形

极高地应力作用区，未主动释放地应力且支护强度不够时，塑性变形明显，蠕变作用下发生空间移位，一旦达到支护结构的极限强度将发生破坏变形，常有的表现就是初期支护混凝土脱落、钢架扭曲外凸，见图1。

图1 木寨岭隧道初期支护挤压变形明显Figure 1 Extrusion deformation of initial support of muzhailing tunnel is obvious

2.2 衬砌开裂

初期支护蠕变过程中未达到稳定且地应力的变化形成的流变现象，会在衬砌支护后表现明显，伴有衬砌量测异常、结构开裂，最短时间不到1个月，最长约3 a甚至更长，见图2。

图2 DK 180＋840～＋860衬砌开裂Figure 2 Crack of DK180＋840～ ＋860 lining

3 试验阶段

随着地应力的增加，支护结构变形逐步增大、缺陷增多，共分4个阶段进行现场统计，支护体系在依次增强，最终采用应力主动释放、围岩主动加固、预留变形量加大、支护刚度加强的支护体系稳定有效的渡过高地应力区。

第1阶段 （单层初期支护 ＋2次衬砌），第2阶段 （双层初期支护 ＋2次衬砌），施工以来初期支护大面积拆换，衬砌大面积开裂，变形不可控。第3阶段 （3层初期支护 ＋2次衬砌），初期支护仍出现拆换，衬砌变形稳定，后期衬砌出现开裂。第4阶段 （导洞应力释放＋圆形断面＋3层初期支护＋2次衬砌），变形可控，初期支护无拆换，衬砌无开裂。

4 围岩变形、支护特性理论分析［9］

4.1 塑性变形区模拟

根据围岩特性曲线进行模拟分析，考虑塑性区围岩剪胀效应的围岩特性曲线 （GRC），支护压力为0时，即没有支护压力作用时，最大塑性区半径为2.72倍的洞室半径，最大仰拱封闭和开挖面距离宜取3.5～4倍洞室半径。

4.2 支护特性模拟

采用单层支护体不足以抵抗较大围岩应力，通过支护特性模拟，需采取多层支护加强，并需根据监控量测控制施做时机，利用其它加固措施延缓变形，并最终控制变形。

5 联合支护体系应用

通过有效的地应力释放能充分利用围岩自身的稳定性形成的塑性松动圈，再通过圆形断面进行扩挖，采用4层支护进行加固，多种锚杆体系予以辅助，可在很大程度上减小支护变形，减小蠕变及流变现象。

5.1 高地应力主动释放

根据塑变理论，围岩开挖后，若围岩自身强度及支护强度小于蕴藏的地应力时，将发生塑性变形。塑性松动圈跟开挖洞室半径有关，开挖洞室半径越大，松动圈越大，采用较小开挖断面提前主动释放部分围岩应力，形成较为稳定的塑性区，可在一定条件下减小变形。

5.1.1 设计参数

木寨岭隧道经设计单位理论测算并满足现场出渣同步作业的情况下，采用7 m×6.8 m（宽×高）的应力释放小导洞。单层初期支护，H175型钢。

5.1.2 现场监测及数据模拟

小导洞效果明显，施工过程中变形极大，大范围的出现初支开裂、拱架扭曲等现象，为确保施工安全，小导洞贯通前进行了局部地方套拱支护，加设临时仰拱，并对开裂处进行补喷。

小导洞共施工3个月，选取距离洞口最近的量测桩进行统计分析，以典型断面为例，通过整体量测数据统计，围岩应力释放不一，充分说明地质情况复杂的多变性，靠近洞口位置变形相对较大，释放时间长，变形呈稳定增长趋势，一定程度上说明释放是有时间效应的，需要及时进行扩挖支护，若延缓扩挖需要进行补强，见图3。

图3 典型断面收敛曲线图Figure 3 Convergence curves of typical sections

5.2 圆形断面扩挖

5.2.1 断面对比

木寨岭隧道一般软岩地段采用椭圆形断面设计变形基本可控，进入岭脊核心地段后，及软岩大变形地段，椭圆形断面初期支护出现变形侵限，衬砌开裂拆换，经调整圆形断面后，变形可控，无初支侵限，衬砌无开裂。

5.2.2 预留变形量设计

导洞对围岩应力进行了部分释放并形成了较为稳定的塑性区，在扩挖过程中塑性圈将继续增大，需要再次释放并加强支护进行抵抗，引用边放边抗的理论，适当加大预留变形量，根据指数回归方程模拟即足够又合理，木寨岭隧道扩挖预留变形量设计为90～125 cm。

5.2.3 支护体系

a.支护参数。

采用两层初期支护，H175型钢，C30喷射混凝土，局部地方采用3层初期支护；边墙增设4×Φ15.2 mm锚索，长15 m，8根／环，纵向间距2.8 m；边墙设置R38N自进式长锚杆配合长锚索支护，8根／环，纵向间距1.4 m；超前、径向注浆参照普通软岩施工。仰拱设置桁架，H175型钢每榀拱架设置，横向与拱墙连接，竖向与仰拱拱架连接，纵向形成一体。加设第三层支护，全环喷射C30钢筋混凝土，厚40 cm，Φ22主筋＠20 cm，Φ14纵向筋＠25 cm，以喷射混凝土代替模筑，增强支护，减少二次衬砌过度受力开裂变形。二次衬砌，全环C35钢筋混凝土，厚70 cm；衬砌钢筋环向采用Φ25主筋＠20 cm，间隔双筋布置，Φ14纵向筋＠25 cm，Φ8箍筋＠25 cm。

b.支护断面。（见图4）

图4 扩挖支护断面图Figure 4 Supporting section of enlarged excavation

5.2.4 工序组织与安排

从前期的施工情况来看，圆形断面扩挖变形仍然较大，且变形速率快，短时间内若未得到有效控制，将出现薄弱环节侵限，且在3层支护上施做的径向注浆、长锚索长锚杆加固体系还会对围岩后期造成扰动，稳定后的支护体在继续变形，衬砌前无法稳定。因此仍将2层支护在中台阶提前施做，加固体系施做在2层支护之上并尽早施做，用以延缓支护体变形，确保3层支护后变形趋于稳定。

图5 二支滞后加固体系施工平面布置图 （单位：m）Figure 5 Construction plan layout of two lagging reinforcement systems（Unit：m）

a.施工顺序。

3台阶正常施工，控制第2层初期支护、仰拱、第3层支护以及长锚索、长锚杆施工时机。

b.2层支护施做时机。

因上中台阶拱脚变形速度快、空间移位大，为避免出下台阶前一层支护就已侵入2层支护净空或拱架外凸不能顺接的情况发生，2层支护在中台阶施做，根据之前的施工经验，中台阶上套拱后变形明显减小。

c.仰拱施做时机。

因2层支护已提前施做，现场已空出作业台架的空间，仰拱可以同样提前，为尽早将支护封闭成环，同时不影响掌子面正常作业并考虑到了备料空间，仰拱采用仰拱栈桥作业，距掌子面距离30 m，仰拱施工长度为5 m。

d.3层支护施工时机。

在中台阶施做2层支护的目的就是控制围岩的变形速率，为后期仰拱衬砌提供时间，能在很大程度上降低围岩收敛速率，因此尽早的施工3层支护对围岩控制变形十分必要，根据现场情况，参照监控数据，在2支侵入净空前进行3层支护作业，仰拱紧跟3支，及时封闭成环。

e.径向注浆、锚杆、锚索施做时机。

径向注浆在1层支护后及时施做，纳入正常工序，本循环立拱可对上循环加固，不占用工序时间。中台阶2层支护完及时施工上中台阶长锚杆，本循环对上循环进行施做。下台阶2层支护完及时利用履带式潜孔钻车施做下台阶长锚杆长锚索，不占工序同步施工。仰拱支护完成后及时利用台架＋潜孔台钻进行上中台阶锚索施工。

5.2.5 变形及数据模拟分析

取岭脊核心段扩挖典型断面进行数据进行统计，可明显看出上台阶收敛较大，拱顶下沉与下台阶收敛相对较小，一定程度上验证了水平主应力是影响隧道变形的关键，侧向位移是高地应力作用下软岩隧道的主要特征。随着支护参数的加强变形速率在明显降低，呈一定规律减缓，可充分说明高地应力的支护体系需要足够的刚度。

图6 DK 181＋200典型断面收敛速率曲线图Figure 6 Convergence rate curve of DK181＋200 typical section

图7 DK181＋170累计收敛柱状图Figure 7 Cumulative convergence histogram of DK181＋170

根据量测数据统计分析：①净空收敛大于拱顶下沉，比例为1／2～2／3，说明隧道主应力在主要集中在水平方向，形成侧向压力较大。②从累计变形来看，中台阶施做2支，累计变形可减小一半，说明扩挖过程中围岩应力需要边放边抗，及时强有力的刚性支护才能减小变形，不能长时间的释放后支护。③3层支护施工后变形趋于稳定，无异常变形，说明锚固体系再第2层支护上施做可提前稳固支护体，第3层支护后未产生任何扰动，衬砌前支护体系稳定可靠。

5.2.6 结构受力分析

导洞扩挖段结构整体受力均较小，除个别仰拱因是做较早受力较大外，其余部位接触压力最大在200～300 kPa左右，钢筋应力最大在-50～-100 MPa左右，混凝土应力最大在-10～-20 MPa左右，测试断面的结构受力在6个月左右部分趋于稳定，安全储备较多。

5.3 仰拱特殊设置

仰拱缺陷在木寨岭隧道表现为2种，一种是垂直隧道侧向隆起造成结构开裂破坏，通过仰拱缺陷处理，发现缺陷破坏点大部分集中在拱墙与仰拱连接处，一种是沿隧道纵向发生移位造成拉裂缝，发造成开裂破坏，受34°角的水平主应力的影响下，结构强度不够极易发生。

根据破坏形式，利用拱部受力情况进行相似模拟，需要对薄弱点进行加固，横向与拱墙形成一体，纵向与全隧连成一体，所有支护体系与拱墙相同，增加刚度，全环稳固封闭。通过现场试验，采用H175型钢拱架横向与拱墙连接，纵向与所有仰拱连接，稳固的基础可靠度增加，桁架连接处避开拱墙与仰拱交接的薄弱点，互补进行咬合。

6 结论与建议

a.高地应力作用下的软弱围岩塑性变形极不稳定，随着塑性区长时间蠕变造成的流变现象，极易造成初期支护变形侵限，二次衬砌结构开裂破坏，需要合理的支护体系进行抵抗。

b.开挖后的围岩在没有支护体作用下，塑性圈在不断延伸，前期变化极快，后期逐步稳定，在采用支护体作用下，若支护体系刚度不够，塑变发生的位移极易造成缺陷，通过应力的主动释放，效果明显，实用性较强。

c.经过模拟测算，高地应力环境下，需要分析相关数据采取足够刚度的支护体，边放边抗、以抗为主。

d.结构破坏缺陷是在薄弱环节发生，有害位移将导致整个结构破坏，加强支护体系需要做到全环统一，薄弱处特殊设置，应将仰拱与拱墙同等进行模拟。

e.监控量测需要模拟分析，最有利的回归曲线可预估最大变形量及各层支护体系变形比例，相应指导施工。

f.合理的支护体系需要对施工时机及工装进行准确分析，前期支护体系不宜滞后施工，后期支护体系不宜过早施工，如第2层支护需在中台阶进行施做，衬砌则需要待第3层支护稳定后施做。