高地应力松软围岩隧道支护技术研究与实践

李留玺

（湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000）

·隧道与建设工程·

高地应力松软围岩隧道支护技术研究与实践

李留玺*

（湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000）

分析了高地应力软岩隧道变形机理，结合国内外高地应力软岩隧道支护实践提出了“锚网喷+可缩性U型钢支架+二次衬砌+壁后填充高压缩性材料”的支护方案。该支护方案在重庆某隧道进行了现场试验研究，结果表明：（1）隧道拱顶和壁帮累计移动量为10mm和22mm，支护效果较好；（2）该支护方式的优点是允许围岩出现一定流变变形，在提高U型钢支架支护阻力的基础上减少二次衬砌的形变压力，从而确保隧道保持长期稳定。

高地应力；软岩；变形机理；支护技术；效果分析

近年来，随着国内交通运输业的飞速发展，穿越高地应力松软围岩的隧道越来越多，给隧道设计和施工单位带来了较大挑战。尤其是我国西部地区，山势陡峻、山岩松软易碎、地应力普遍较高，隧道在施工过程中和竣工后常出现围岩变形和衬砌破坏[1]。目前，隧道专家普遍认为松软围岩隧道亟待解决的问题是寻求合理支护方法控制围岩大变形。鉴于多年国内外施工经验总结，控制隧道围岩变形的理论和技术主要有隧道断面优化设计、支护参数优化设计和合理确定开挖方法等，如隧道断面采用近似圆形；隧道初期支护采用锚索、可缩U型钢支架；采用台阶式开挖等[2-3]。这些理论和方法在一定程度上抑制了软岩隧道变形，但进行高应力软岩隧道围岩控制时还存在一定问题。在前人研究成果的基础上，根据高应力软岩隧道变形特点，笔者提出“锚网喷+可缩性U型钢支架+二次衬砌+壁后填充”的支护方案，该支护方案在贵州某隧道进行了试验研究，结果显示该支护方式下的围岩控制效果较好。

1　高应力软岩隧道变形机理

软岩隧道的围岩岩性中多含有伊利石、蒙脱石等遇水易膨胀软化的低强度矿物质，这些矿物质一方面促使隧道围岩遇水发生膨胀和崩解；另一方面降低了围岩的结构面、片理面强度和子承载能力，造成围岩极易出现变形和破坏[4]。在软岩隧道开挖后，若围岩遇水出现膨胀，其产生的膨胀压力与围岩应力共同作用在支护结构体上，当支护结构体强度无法承担这部分力时便会引起隧道围岩出现变形，围岩变形最常表现在隧道底鼓和仰拱开裂等。软岩的塑形流动作用和挤出作用也是造成隧道变形的重要因素：（1）软岩隧道开挖后，围岩应力重新分布，隧道部分围岩进入弹塑性状态，在隧道周围形成一定尺寸的破坏松动圈，松动圈范围内的岩体会出现典型塑形流变特性，其表现就是随着时间的推移，隧道出现长期性的净空收敛现象；（2）隧道围岩的挤出作用是指隧道在开挖后，其重新分布的围岩应力超过岩体自身强度而促使岩体处于塑形屈服状态，促使隧道围岩出现剪切滑移和弯曲变形，该围岩变形与软岩膨胀造成围岩变形的主要区别是围岩体积变化较小，以缓慢变形为其显著特点。

地应力是影响软岩隧道稳定性的重要因素，在《岩土工程勘察规范》中根据岩石单轴抗压强度Rb与最大主应力σmax的比值来划定地应力，当比值Rb/σmax＜4时为极高地应力，当Rb/σmax＞7时未一般地应力，当4≤Rb/σmax≤7时为高地应力等级。高应力软岩隧道施工实践表明，在高应力作用下，隧道开挖后洞壁岩体有显著位移和不同程度剥离现象，且隧道变形持续时间较长，隧道不易成洞。采用弹性力学对高应力软岩隧道围岩进行受力分析，隧道开挖后重新分布的围岩应力状态可由下式表示：

式中：a——隧道开挖半径；

r——径向位移；

θ——极径与轴X夹角；

σ′θ——切向应力；

σ′r——径向应力；

τ′rθ——剪切应力；

σA——地应力；

σB——隧道上部围岩传递重力。

由上式可知，随着地应力的逐渐增大，隧道围岩径向应力也逐渐增大，由于高地应力软岩隧道围岩所受地应力较大，且围岩强度和自承载能力较弱，故在隧道开挖后，隧道围岩出现内应力释放和回弹，造成隧道围岩出现剪胀扩容、滑移开裂、隧道内敛和隧道帮壁岩体片落等变形破坏现象。

2　高应力软岩隧道支护方案的确定

软岩隧道不同于硬岩隧道，软岩隧道围岩强度较低、自承载能力较弱，且在施工过程中容易产生较大的工程应力，若软岩隧道支护方式不合理则会在施工过程中或隧道使用过程中出现较大的变形和衬砌破坏。日本惠那山1#隧道采用H型钢拱架和钢筋混凝土二次衬砌支护，结果在隧道围岩变形作用下出现大量的钢拱架扭曲损坏，且部分地带二次衬砌开裂严重；惠那山2#隧道采用可缩性钢架和长锚杆联合支护，保证了二次衬砌的完整性，但是为避免围岩流变增加了开挖工程量[5]。奥地利陶恩隧道采用长锚杆支护出现了较明显的围岩流动变形，在此基础上增加可缩性钢架方对围岩形成了较好控制[5]；国内的兰渝铁路全线高地应力软岩隧道采用可缩性钢架支护时出现了近4km的大变形地段，拆换工程巨大，变更数量较多[6]；家竹箐隧道采用传统的网喷支护时出现了拱顶大面积下沉和底部大范围隆起，通过在混凝土喷层预留伸缩缝方一定程度的解决了隧道变形[7]。由此可知，仅仅想通过刚性支护来控制高地应力软岩隧道变形较困难，家竹箐隧道支护实例证明只有采用刚柔结合的支护方式才能有效控制高地应力软岩隧道。

通过大量的现场调研发现，高地应力软岩隧道变形具有一定的时间效应，且支护结构的受力多以围岩形变压力为主，破碎围岩松动压力较小。故当隧道采用刚性支护时，刚性支护结构不能够对围岩变形不能形成一定的“躲让”，这样随着围岩流动变形程度的加大，刚性支护结构受力也越来越大，最终导致衬砌结构开裂，造成隧道失稳。基于此，只有采用刚柔结合的支护方式才能保证高地应力软岩隧道保持长期稳定，这就要求支护结构既能一定程度的协调围岩变形，释放围岩压力；又具有较大的刚度防止围岩变形过度，避免隧道失稳。

根据高地应力软岩隧道变形特点，同时结合国内外高地应力软岩隧道支护实践，笔者提出“锚网喷+可缩性支架+二次衬砌+壁后填充高压缩性材料”的联合支护方式，该支护方式具体如图1所示。该支护方式的优点：高压缩性材料具有较好的变形能力和延性，当其承压达到峰值强度后只会发生轴向应变持续增加，不会出现整体破坏；通过该高压缩性材料的填充，可以提高钢架支护阻力，同时可吸收隧道围岩流变，减少二次衬砌形变压力，最终促使高应力软岩隧道在允许一定程度变形的基础上保持长期稳定。

图1　高地应力软岩隧道合理支护方式

3　工程应用

3.1工程概况

重庆某隧道地所处山区地势复杂多变，地形起伏较大，该隧道设计总长度为6400余米，最大埋深超过1500m，设计内轮廓为5.5单心圆，开挖高度为9.9m，隧道跨度为12.38m。该隧道围岩岩性以泥岩、炭质泥岩和泥质灰岩为主；岩性特征表现为节理裂隙发育程度较高，岩体软弱易碎，围岩分级为Ⅵ类围岩。根据地应力测试可知，该隧道所在区域构造应力偏高，水平主应力最大为14.1MPa，测压系数随深度呈线性增大。隧道开挖时岩体破碎冒漏较严重，采用锚网喷支护后出现不连续性大范围开裂，且开裂程度随着隧道埋深的增大不断增大，同时可缩性支架部分出现扭曲变形现象，说明该隧道围岩流变效应较显著，采用刚性支护手段不足以控制隧道围岩变形，寻求新的支护手段对保证隧道稳定具有重要的意义。

3.2支护方案确定

针对该隧道所受地应力情况，同时结合隧道围岩物理特性，确定该隧道支护方案：锚网喷（初期支护24cm）+可缩性支架+二次衬砌（C25厚40cm）+壁后填充高压缩性材料（厚15cm）。支护参数参数：锚杆为Ø25mm×3000mm中空注浆锚杆，锚杆间排距为120mm×100mm；钢筋网为Ø8mm的钢筋焊接而成，网格参数为25mm×25mm；可缩性钢架采用U25型钢，支架间距500mm，要求卡缆工作阻力不低于200kN、法相约束力不低于152kN，螺杆凸轮式连接件变形量不超过10cm；壁后高压缩性填充材料选择为泡沫混凝土材料，该材料强度较低，但延性和抗破裂性较好，其单轴抗压强度为3.0MPa，屈服应力系数为0.48，屈服静水压力系数为0.1，泊松比为0.41。

3.3支护效果分析

3.3.1监测方案设计

为了掌握在“锚网喷+可缩性支架+二次衬砌+壁后填充高压缩性材料”支护方式下隧道拱顶下沉和隧道壁帮收敛规律，在施工范围内共布置3个观测站，分别为1#、2#、3#测站，每个观测站对应一个巷道监测断面，在观测断面顶板、底板和两帮各安装一个基桩作为原始观测点，并做好原始数据的记录，隧道变形量采用断面收敛计进行定期观测，观测方案布置具体如图2所示。

图2　隧道收敛变形观测方案布置示意

3.3.2支护效果分析

隧道围岩变形监测结果如图3、图4所示。由图3可知，随着时间推移，在20d内拱顶基本呈0.5mm/d的线性下沉变化，在20-27d范围内，拱顶变化率逐渐降低，在30d后拱顶下沉曲线趋于稳定状态，监测结果显示，在30d内，拱顶下沉累计量为10mm。由图4可知，隧道在13d内水平收敛速度较大，平均为0.65m/d，13-32d范围内，隧道水平收敛曲线逐渐变缓，32d后曲线基本保持稳定状态，在隧道保持稳定之前水平收敛累计量约为22mm。从图3和图4可知，隧道拱顶和壁帮在支护初期都会出现一定的变形，该变形主要是围岩应力释放导致，但是由于支护结构的存在，该变形量能够维持在隧道可控范围内，从隧道变形观测结果可知，该隧道变形量不大，总体支护效果较好。

图3　隧道拱顶下沉与时间关系

图4　隧道水平收敛与时间关系

4　结束语

（1）通过高地应力软岩隧道支护机理分析，结合国内外高地应力软岩隧道支护实践提出高地应力软岩最佳支护方案为刚柔结合的“锚网喷+可缩性支架+二次衬砌+壁后填充高压缩性材料”联合支护方式。

（2）“锚网喷+可缩性支架+二次衬砌+壁后填充高压缩性材料”联合支护方式的主要优点是允许隧道围岩出现一定程度的流变变形，提高U型钢支架支护阻力，同时可减少二次衬砌的形变压力，最终促使隧道保持在长期稳定状态。

（3）以重庆某高地应力软岩隧道为研究对象，通过现场观测掌握了该隧道的变形规律。实测结果表明，隧道拱顶和壁帮累计移动量为10mm和22mm，说明通过该支护方式有效地解决了高地应力软岩隧道支护问题。

[1]何小龙.高地应力软岩隧道合理施工工法研究[J].山西建筑，2013，39(23):156-158.

[2]王万通.关于高地应力软岩隧道施工方法的探讨[J].价值工程，2013(12):108-110.

[3]邹翀,张民庆,李沿宗,等.高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究[J].隧道建设，2012，32(1):5-10.

[4]方贻立,李睿哲,陈建平,等.软岩隧道大变形机理分析[J].华东公路，2013(6)：56-59.

[5]张梅,何志军,张民庆,等.高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术[J].现代隧道技术，2012，49(6):13-22.

[6]孙绍峰.兰渝铁路软岩隧道特征及大变形控制技术[J].现代隧道技术，2012，49(3):125-130.

[7]张志强,关宝树.软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究[J].岩土工程学报，2000，22(6):96-100.

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

湖南省教育厅青年项目（13B010）。

李留玺（1984-），男（汉族），河南柘城人，助教，现从事地下工程方面的教研工作。