软弱围岩隧道变形控制主动支护理念及技术

2021-07-30田四明吴克非刘大刚王明年王志龙

铁道学报 2021年6期

田四明，吴克非，刘大刚，王明年，王志龙

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.西南交通大学隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

隧道支护对控制隧道变形、确保隧道施工安全至关重要。一个完整的隧道支护体系由围岩和支护两部分构成，其中围岩是主体，支护是辅助[1]。

从力学角度分析，隧道支护本质是将围岩由开挖后的二维应力状态转变为三维应力状态，从而抑制围岩松弛发展、提升围岩自稳性[2]。从支护效能提升途径看，主要有三种：①利用支护构件支护作用，变“被动支护”为“主动支护”，充分调动和发挥围岩自支护能力，实现“由围岩支护围岩”的目标，这一点在软弱或特殊围岩变形控制中尤为重要；②提升支护构件本身的力学性能，如采用高性能支护材料或构件类型，提升支护效能；③强调支护的及时性，尽量减少因支护滞后所造成的围岩松弛发展。

然而现阶段我国隧道施工在变形控制方面，特别是软弱围岩隧道变形问题仍较为突出，具体表现为支护变形速率高、变形总量大，支护开裂现象较为普遍，严重者更会导致支护构件拆换现象发生，不仅大幅降低施工工效，且危及支护结构安全。因此，软弱围岩隧道变形控制已成为困扰我国隧道正常修建的瓶颈问题之一，主要表现为三个方面：①理念上普遍重视和强调支护的被动承载作用，忽视对围岩自支护能力的调动和发挥；②采用的支护材料或构件力学性能普遍较低，不能很好地发挥支护受力效能；③受施工工法、作业方式等影响，支护力提供及时性不足，未能很好地抑制围岩初期变形发展。

针对隧道变形控制的问题，国内外学者采用现场试验方法[3-7]、数值计算[8]及理论分析[9-15]，对软弱围岩变形机制及控制技术进行了较多的研究。而关于主动控制变形概念则较少提及，其中肖广智[16]从支护措施上给出了主动控制变形概念，并对国内外主动变形控制技术进行了详细的分析，证明了采用主动支护技术控制围岩变形，调动围岩自承载作用在隧道修建中的重要性。

现有研究均未对软弱围岩变形机制及变形主动支护控制原理进行深入分析，鉴于此，本文在系统总结和归纳国内外既有研究成果基础上，结合国内外隧道成功实践经验，提出主动支护控制隧道变形的理念，并系统研究分析了主动支护作用原理、主动支护构件类型及主动支护施工装备等内容，以期进一步提升我国软弱围岩隧道变形主动控制技术水平。

1 软弱围岩隧道变形机制及主动控制原理

1.1 软弱围岩隧道变形机制

软弱围岩隧道开挖引起的围岩应力状态调整是造成围岩变形的主要原因，而围岩应力状态与围岩力学参数、支护力提供的及时与否存在极大的相关性。目前，较多隧道施工中普遍重视以钢拱架(型钢、格栅)和喷射混凝土组成的初期支护及二次衬砌的被动支护作用，而对于主动加固围岩(提高围岩力学参数)、主动提供支护力方面不够重视，导致不能充分发挥围岩自身承载能力，围岩变形较大，施工安全隐患较多[16]。

引起软弱围岩应力调整的因素较多，如围岩本身物理力学特性、开挖施工工法及支护类型等，且各因素间具有一定的交互作用，故软弱围岩变形是一个极其复杂的力学演化过程[17]，见图1，随着隧道爆破开挖的扰动，围岩应力状态发生调整，弱化了围岩物理力学参数，进而致使围岩变形。围岩的变形导致围岩裂隙扩张，加之地下水的影响，进一步加速了围岩物理力学参数的弱化。对围岩变形量进行概化表示为

图1 软弱围岩隧道变形机制

u=f(αr,αη,αx,αs,αe,αp,αt,αD)

(1)

式中：u为围岩变形量；αr为围岩物理力学参数；αx为开挖面距离；αη为围岩软化系数；αs为支护结构参数；αe为开挖方法参数；αp为围岩应力参数；αt为时间参数；αD为施工扰动参数。

通过对软弱围岩变形机制的分析，可将引起软弱围岩变形的主要因素概括为两点，即

(1)开挖后围岩力学参数的降低；

(2)开挖后支护力提供不及时。

下面将从这两方面展开对软弱围岩隧道变形主动控制原理的分析。

1.2 软弱围岩隧道变形主动控制原理

1.2.1 围岩力学参数

隧道开挖后，围岩力学参数的降低受多种因素影响，如开挖扰动、围岩裂隙的扩展(遇水软化)等，围岩的应力状态及变形受围岩力学参数影响较大[18]，见图2、图3，随着围岩力学参数的变化，围岩处于不同的应力状态，且围岩力学参数越弱，塑性区范围及变形越大。可见，主动加固围岩自身力学参数，可有效的减小围岩变形，提高围岩的稳定性。

图2 围岩参数与围岩应力状态关系曲线

图3 围岩参数与洞周变形关系曲线

(1)开挖扰动

山岭隧道通常使用钻爆法施工，而爆破对围岩稳定性的影响表现为原岩应力发生变化，物理力学性能劣化及产生新的爆破裂纹或原有裂纹的扩展，从而使围岩产生较大变形，严重影响围岩的稳定性。较多学者关于爆破对围岩的扰动进行了相关研究，其中杨小林等[19]基于损伤力学推导了爆破对岩体质量指标BQ影响系数的表达式，定量分析了爆破对围岩质量的影响及损伤程度，表达式为

η=1-(3ΔR+250D)/BQ0

(2)

式中：ΔR为爆破前后岩石的单轴抗压强度之差；D为根据弹性波速定义的损伤变量，D=1-(VPB/VPO)2，VPB、VPO分别为爆破前后岩体的弹性纵波波速；BQ0为爆破前岩体BQ指标，研究成果表明爆破可使岩体基本质量指标BQ值减小10%～30%。

我国目前对于软弱围岩的开挖方法已逐步由传统的小型机械分部开挖法转变为大型机械化全断面开挖，一次性爆破成型，有效地控制了爆破对围岩的扰动，见图4。因此，为减弱爆破对围岩的扰动影响，应加强对大型机械化全断面开挖方法的推广。

图4 不同开挖方法爆破扰动示意

(2)裂隙扩张，遇水软化

软弱围岩一般由固体相、液体相、气体相等两相或三相组成的多相体系，自身裂隙较多，且开挖后裂隙进一步扩张增多，体积增大，加之地下水的软化作用，导致岩体劣化严重，围岩变形增大，稳定性难以保证[17]。地下水对软弱围岩的软化程度可用软化系数来表征，大量文献对其进行了研究[20]，见表1。由表1可知，软质岩石软化程度较大，硬质岩石则基本不存在软化作用。

表1 部分岩石软化系数

另外，相关文献证明，岩石的饱水程度与岩石的吸水率相关，即岩石的饱水程度是一个与时间相关的量，岩石软化具有一定的时间效应，计算式为

W=f(w,t)

(3)

式中：W为围岩力学参数；w为含水率；t为浸水时间。

因此，及时有效的控制岩体裂隙的扩张及地下水的渗流侵蚀，可起到控制围岩变形，提高围岩稳定的作用。

我国隧道超前支护构件主要有超前注浆、超前管棚等，但由于我国隧道建设受成本控制，大型施工装备的限制，以及对超前支护设计理念的认识不足，对于超前支护的应用较少。而较多的工程实例证明，采用超前支护对围岩进行加固，通过提高围岩物理力学参数，形成承载加固圈，同时减小围岩裂隙的发展，有效的减弱了围岩变形，提高了围岩的整体稳定性。故为实现对围岩变形的主动控制，可加大对超前支护的推广及应用。

1.2.2 支护力提供

隧道开挖后，围岩的应力状态及变形与支护力存在相关性见图5。及时有效的提供支护力，可改善围岩的应力状态及控制围岩塑性区的发展。

图5 支护力与围岩应力状态关系曲线

我国洞身支护主要由钢拱架(型钢、格栅)和锚喷构件(预应力锚(索)杆、早高强喷射混凝土)等构成的初期支护及由模筑钢筋混凝土构成的二次衬砌组成。其中，锚喷支护可通过直接与围岩相互作用，形成锚岩组合体，进而改善围岩应力状态，提高围岩力学参数。但钢拱架支护和模筑钢筋混凝土(考虑承载情况下)并不能直接改变围岩性质，见图6。而是由于围岩开挖变形对围岩产生的被动反力，进而实现支护功能。从时间角度上分析，钢拱架及传统砂浆锚杆并不能及时有效的对围岩提供支护作用，而预应锚杆(索)及早高强喷射混凝土支护则可以实现。从支护力角度分析，开挖初期，同一时间条件下，预应锚杆(索)及早高强喷射混凝土支护组合体能够主动提供较大且及时的支护力，见图7。预应力锚杆施加后及时主动的提供了支护力，有效的控制了围岩的变形，而实际工程中施作的系统锚杆，是随围岩变形被动受力，进而对围岩变形起到控制作用，控制效果滞后且支护力提供不及时，导致围岩变形相对较大。

图6 洞身支护构件概化图

图7 围岩-支护相互作用机制(不同支护类型)

综上分析可知，引起软弱围岩隧道变形的因素较多，力学机制较为复杂，仅采用常规的被动提供支护功能的支护构件是无法有效的提高软弱围岩稳定性。通过对软弱围岩隧道变形主动控制原理的分析可知，若减小软弱围岩变形，提高围岩稳定性，需主动提高围岩力学参数并及时有效的提供支护力，进而主动改善软弱围岩的应力状态。

随着我国施工装备的快速发展，用于软弱围岩隧道开挖的全断面施工工法，以及超前支护、预应力锚杆(索)、早高强喷射混凝土施工工艺的逐渐成熟，具备了实现对软弱围岩变形主动控制、提高围岩承载能力。

2 软弱围岩隧道变形控制主动支护设计理念及主动支护技术

2.1 隧道变形控制主动支护设计理念

本文给出隧道变形控制主动支护设计理念，即以超前支护、早高强喷射混凝土及预应力锚杆(索)为主要支护手段，以主动改善围岩应力状态为中心，通过主动提高围岩力学参数或降低施工对围岩力学参数的损伤影响，主动及时有效地提供支护力，充分调动和发挥围岩的自稳能力，真正实现围岩在支护中的主体地位，并利用围岩-支护协同承载体系达到控制隧道变形的目的。

将基于现有的主动支护技术-超前注浆、预应力锚杆(索)及早高强喷射混凝土展开分析，并对其作用机制进行论述。

2.2 隧道变形控制主动支护技术

2.2.1 超前注浆

注浆作为一种改善不良地层的特殊施工技术，是处理软弱地层的重要手段之一，目前在注浆理论方面的探索取得了巨大的进展。袁敬强等[21]通过对全风化花岗岩注浆加固特性试验研究，证明了注浆可有效地提高围岩力学参数，见图8。

图8 注浆加固效果

郑(州)—万(州)铁路黄家沟隧道[22]横洞大里程D1K472+320—D1K472+350段进行了超前高压注浆预加固，在保证隧道施工安全的同时，提高了围岩的整体稳定性。现场测试结果表明，采用超前注浆加固可控制隧道超挖量、减少喷射混凝土用量、节省隧道开挖和喷射混凝土作业时间，从而加快了隧道整体施工进度。通过对现场Ⅴ级围岩的统计分析，开挖进度由注浆前每月45 m提高到注浆后每月50～60 m，施工效率提高约22%，且渗水量明显减少。

2.2.2 预应力锚杆(索)

长期以来我国隧道施工惯用普通砂浆锚杆，由于其注浆质量难以保证、锚固力受砂浆材料龄期影响不能及时达到早期强度，且我国隧道支护施工以人工方式为主，总体机械化水平不高，导致锚杆(索)、喷射混凝土等主动支护施做质量难以保证，故在抑制隧道围岩早期变形方面往往效果欠佳。近些年，为适应不同工程支护需求，锚杆(索)已发展有多种类型[23-24]，如低预应力中空锚杆、自进式中空锚杆、恒阻变形锚杆(索)等，为隧道主动支护构件选择提供了良好的条件。

周辉等[25]通过室内试验及有限元数值计算对预应力锚杆对板岩劣化的控制机制进行了研究，结果表明，预应力锚杆削弱了裂隙尖端应力集中现象，有效地抑制了岩体内裂隙的扩展与贯通、板裂化破坏的形成，且能在一定程度上控制板裂化破坏的范围。

郑(州)—万(州)铁路隧道[22]通过设置试验段，分析了涨壳式预应力中空锚杆控制围岩变形的效果。涨壳式预应力中空锚杆布设在隧道拱部150°范围内，施做采用凿岩台车或锚杆钻注一体机机械化作业，施加40 kN以上初始张拉力，注浆材料水灰比0.3∶1～0.4∶1，注浆压力控制0.5～1.2 MPa，可保证锚杆杆体注浆饱满。通过试验数据分析，荷载值与临空面位移关系曲线见图9。由图9可见，较之同参数下普通砂浆锚杆，涨壳式预应力中空锚杆可有效降低围岩变形20%～40%。

图9 荷载值与临空面位移关系曲线

2.2.3 早高强(纤维)喷射混凝土

随着混凝土材料技术的发展，喷射混凝土逐渐进入高性能时代[26]。软岩隧道承载能力低、变形速率快，普通喷混凝土早期强度低，作为传统支护对策已无法应对，故对于软岩隧道，初期支护设计需要尽快提高喷混凝土的早龄期强度，以利于围岩初期变形速率的控制。从主动支护对喷射混凝土力学需求角度分析，早高强喷射混凝土、纤维喷射混凝土的发展为主动支护构件选择提供了良好条件。相应地，作为初期支护重要组成部分的喷射混凝土，其喷射后的强度变化规律及硬化速度也极大地影响围岩的变形及应力重分布。

(1)早高强喷射混凝土

张德华等[27]为探明喷射混凝土的强度增长规律及其硬化速度对初期支护性能的影响，结合隧道工程实践，进行了一系列喷射混凝土现场试验，建立了喷射混凝土强度和弹性模量增长规律，确定了喷射混凝土硬化速度对初期支护性能的影响规律，见图10。由图10可见，在软弱围岩中提高喷混凝土的早期强度十分重要，是控制围岩变形和稳定的关键，喷混凝土早期强度越大，对控制拱顶沉降变形效果越显著。

图10 不同硬化条件下拱顶沉降值

兰(州)— 渝(重庆)铁路木寨岭隧道大战沟斜井变形控制中，采用早高强喷射混凝土替代原C25普通混凝土，喷层厚度25 cm，其余支护参数不变，开展了现场试验研究。早高强喷射混凝土与普通喷射混凝土支护效果对比见图11。由图11可知，早高强喷混凝土技术能够有效遏制围岩早期变形发展，与普通喷射混凝土段支护效果相比，拱顶沉降减小了54%，水平收敛减小了42%。

图11 早高强喷射混凝土与普通喷射混凝土支护效果对比

(2)纤维喷射混凝土

纤维可改善混凝土的韧性、抗冲击性以及其他性能。通过在混凝土中掺合一定比例的纤维，形成纤维喷射混凝土，可显著提升混凝土的抗拉强度和变形能力，阻止原有缺陷扩展并延缓新裂缝形成。现阶段采用的纤维类型主要包括钢纤维、合成纤维及纤维素纤维等，评价纤维喷混凝土的指标主要包括两个方面:①纤维特征参数;②纤维喷混凝土韧性指标。试验证明，纤维(钢纤维、聚丙烯纤维)喷射混凝土具有防止混凝土剥落的效果，同时可有效提高喷射混凝土承载能力。

隧道工程中采用喷射钢纤维混凝土在世界多国家已得到了较为广泛的应用，我国虽起步较晚，但近些年已在铁路和公路隧道以及其他领域开始使用，并取得了较好的效果。其中，秦岭隧道部分地段按设计要求施作了掺钢纤维喷射混凝土作为永久支护，并通过对现场喷射钢纤维混凝土力学特性的测试，表明支护结构具有较高的稳定性，保证了秦岭隧道的施工质量。