基于让压原理的支护技术在软岩大变形隧道中的应用探讨

0基于让压原理的支护技术在软岩大变形隧道中的应用探讨摘要：随着隧道工程向长、大、深埋方向发展及向西部高烈度震区的穿越，高地应力及震区环境下的软岩大变形灾害问题日益凸显，如何有效应对上述灾害成为业界亟待解决的难题之一。文章通过对当前软岩隧道变形特征及处治措施的分析入手，剖析了当前当前软岩支护中存在的问题，提出了基于让压原理的软岩大变形支护设计理论与方法，并据此建立了新型的让压支护体系。从让压支护体系中让压锚杆的基本作用机理出发，对让压支护系统的各组成构件、关键技术等问题进行了深入探讨，指出了让压支护技术的下一步研究方向。关键词：软岩隧道，让压；大变形；支护体系DiscussiononApplicationofYieldingSupportingTechnologyforLarge-DeformationinSoftRockTunnelWANGB2，WUDexing3XUJinqiang1(1.PumpedstorageengineeringcenterofZheJiangprovinceHangzhou,310014;2.LaboratoryofTransportationTunnelEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031；3.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,Design&Research，Hangzhou,310006)Abstract:Asthetunneltobelongeranddeeper,crossedthehighintensityearthquakezoneinthewest,thelargedeformationofsoftrockinhighgeostressandearthquakezoneisincreasinglyprominent.Howtoeffectivelycopewiththesedisastersisoneoftheproblemsurgentlytobesolved.Analysisonthedeformationcharacteristicsandprocessingmeasuresofsoftrocktunnel,pointoutthecurrentproblemsexistinginthesoftrocksupportingsystem,thenproposedthedesigntheoryandmethodoflargedeformationinsoftrockbasedontheprincipleofyieldingsupport,andestablishedanewtypeofyieldingsupportsystem.Basedontheyieldingbolt’smechanisminyieldingsupportsystem,deeplydiscussionsaboutthevariouscomponentsandkeytechnologiesoftheyieldingsupportsystem,andsoon,thenputforwardfutureresearchdirectionofyieldingsupporttechnology.Keywords：softrocktunnel;yieldingsupport;largedeformation;supportingsystem1问题的提出在我国西部山区，分布有大范围的软岩地层，其中千枚岩的分布极为广泛，如兰新铁路线上的乌鞘岭隧道[1]、在建兰渝铁路线上的木寨岭隧道[2]、纸坊隧道；四川省境内318线上的鹧鸪山隧道[3]及5.12强震区内在建的广（元）甘（肃）、汶（川）马（尔康）等多条高速公路隧道等[4]。该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点，加之近年来随着隧道向长、大、深埋方向的发展，穿越高地应力、高烈度区软岩隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了隧道施工及运营安全。根据对已有大量软岩隧道的现场监测资料分析表明[5]：该类隧道施工过程中，因围岩自承载能力弱，自稳时间短，导致开挖后应力调整阶段围岩变形速度快、变形量大，且应力调整阶段完成后，在应力相对稳定状态下围岩蠕变变形量较大，故积累的总变形量也较大，一般均大于200mm，有的可达500mm，甚至在1000mm以上；而处于高烈度区的软岩隧道除受隧道开挖后应力的调整影响外，施工中的爆破振动及地震或后期余震的动力影响也将可能进一步加大围岩-支护的变形量进而诱发风险，典型的案例如穿越5.12核心断裂带的广甘路杜家山隧道[6]，在余震作用下软岩变形突然增大进而诱发了新的塌方（图1）。图1余震引起的塌方及衬砌破坏截至目前，铁路、公路隧道虽出现了大量的软岩大变形问题并开展了相关研究，但并未形成一套行之有效的技术保障体系。而支护方式的选择受到诸多因素的限制，长期以来大多采用强支护以达到抑制变形的目的（如表1）[7-12]，支护参数的设计往往突破了《铁路隧道设计规范》或《公路隧道设计规范》中推荐值。如乌鞘岭隧道大变形段采用45cm厚的初期支护，80cm后的二衬等大刚度支护措施[1,12]；广甘路上的软岩隧道，同样采用了刚性极强的支护参数[13-14]。而支护方式及工艺材料方面大多采用常规的传统模式，即喷砼+普通刚性锚杆+钢拱架联合支护。但软岩隧道随着开挖过程中应力的逐渐释放，岩体的持续流变以及遇水后表现出的膨胀等特性使得围岩形变及荷载持续增加，支护体系的受力逐步增大，同时处于高烈度震区的软岩隧道围岩-结构还将可能受到地震等动力荷载的附加作用，采用的强支护措施往往难以抑制持续增长的形变压力，对于普通刚性锚杆常因不能适应围岩的变形而被拉断失效，钢拱架因受荷过大而产生扭曲或剪断，喷射砼出现开裂等现象（图2），传统的支护方式及工艺在日益复杂多变的工程中受到了极大的挑战，基于支护材料及其工艺更新的新型支护体系亟待提出。（a）初衬开裂（b）钢拱架扭曲变形图2软岩大变形强支护后破坏图因此，对于软岩大变形隧道应改变传统的“强支硬顶”治理思维模式，不能一味的采用刚度大、支护强、费用高的支护手段以抑制围岩的变形[15]，而应在施工过程中及时进行支护以控制围岩早期变形的同时，让围岩的形变能得以适当释放，这就要求支护体系除能提供较高的支护阻力外，还应具有一定的延伸性以适应变形的需要，此处要求的延伸性不是以削弱支护体系的设计标准，降低支护体系的承载能力为代价，而是要求支护体系自身在保持恒阻的条件下，通过设置特殊的让压装置来实现。考虑到锚杆在大变形隧道支护体系中是极为重要的也是易于破坏的承载单元，因此，本文以其为切入点，从对新型让压锚杆的基本原理分析入手，通过对软岩隧道大变形破坏特征及现行支护体系特点的探讨，提出基于让压原理的新型支护体系及其设计方法，成果有望为我国大变形软岩隧道的支护设计开辟新的蹊径。表1国内外典型软岩大变形隧道支护措施统计隧道名称岩性大变形特征支护措施辛普伦I线隧道全风化石灰质云母片岩在竣工若干年后，发生横通道边墙、拱部和隧底破裂、隆起围岩压力大地段采用工字钢梁，并在钢梁空隙间回填速凝混凝土阿尔贝格隧道岩石主要为千枚岩、片麻石，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩最大埋深740m，局部地段产生了20～35cm的支护位移，变形速度最大达11.5cm/d设计初期支护为喷射混凝土厚20～25cm，锚杆长13m，同时安设可缩钢架陶恩隧道绿泥岩、千枚岩施工中在千枚岩和绿泥岩地段发生了大变形，产生了50cm（一般）及120cm（最大）的位移，最大位移速度达20cm/d初期采用4m长锚杆，25cm喷层，36kg/m的钢支撑；后期锚杆改为6m，采用纵向伸缩缝，可缩支撑中屋隧道（日本）膨胀性凝灰岩拱顶下沉及净空位移达132mm和215.3mm，锚杆轴力达180kN，部分锚杆被拉断，衬砌出现裂缝加厚喷层，9m长锚杆，底部和底脚打锚杆，增大锚杆密度关角铁路隧道通过大小断层17条，隧区沉积岩、岩浆岩、变质岩均有出露最大变形达50cm，喷射混凝土剥落掉块，拱架严重变形、扭曲喷层25cm，拱墙设φ8钢筋网，全断面设2榀/m的I16型钢钢架，每榀钢架底部设I16横撑家竹箐隧道泥质砂岩、页岩及煤层煤系地层长达390m范围发生大变形，拱顶下沉240cm，边墙内移160cm，底鼓80～100cm；钢拱架严重变形，喷层裂开剥落喷层250mm+150mm，8m长锚杆,可缩式钢架，55cm+25cm双层钢纤维砼木寨岭公路隧道炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱断层破碎带埋深约12Om严重地段拱顶下沉量累计达155cm，在部分地段初期支护进行了二次换拱，特殊地段换拱达4次自进式锚杆长8~10m，间距0.5*0.5m，钢拱架采用I22b@0.5m，喷砼厚度25cm，设钢筋网，超前支护采用42小导管注浆@0.3m；二衬采用60cm钢筋砼。乌鞘岭隧道千枚岩初支下沉量较大，日下沉量在20mm以上，衬砌前的总下沉量在150mm左右正洞大变形段初期支护分2层（25+20cm），分两次施做，二衬采用80cm厚的钢筋砼结构，其余地段采用大刚度支护凉风垭隧道灰岩、沙页岩互层，高地应力在原坍方范围右洞左侧（靠左洞一侧）拱墙交接处出现了约40cm的大变形。喷层25cm，锚杆注浆，施加20b型钢钢架，间距40cm，4~6m长的自进式中空锚杆（0.8*0.8m），55cm厚的钢筋砼结构杜家山隧道千枚岩最大变形量达50cm，初衬喷射砼开裂、钢拱架扭曲、剪断现象严重，二衬开裂喷层30cm，I22b钢架间距40cm，二衬采用厚60cm钢筋砼2.软岩隧道的大变形破坏特征及支护特点分析根据对国内外大量软岩隧道的统计分析表明，软岩岩体及大变形灾害存在如下特点：2.1软岩基本特性(1)岩体强度低、遇水软化、应力强度比高：一般以页岩、泥岩、千枚岩等为代表的软岩地层，开挖暴露后易风化、遇水易软化，在应力强度比高的地段容易发生塑性大变形现象。(2)岩体层间结合差、易滑塌：以千枚岩为代表的软弱岩体，层间粘结力较低，尤其在绢云母富含较高的情况下，层间滑脱现象明显，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。(3)岩体具有一定的膨胀性和流变特性，变形持续时间长，形变荷载大。(4)处于强震区的软弱岩体经强烈地震动力作用后，揉搓损伤现象明显，产状紊乱，挤压破碎现象严重，裂隙贯通性好。2.2大变形的基本特点（1）总体变形以向洞内挤出为主，变形量大、持续时间长，以广甘路获取的现场监测数据来看，最大形变量达50cm[4]；若考虑软岩的流变特性，后期随着时间的推移隧道变形收敛值仍将会有较大的增长趋势。（2）灾害主要表现为初喷混凝土开裂、钢拱架扭曲乃至侵界，严重时伴有掌子面坍塌的发生（图1、2）。（3）隧道变形收敛速率高，围岩自稳能力差，在很短时间内，围岩将对初期支护产生较大的压力，且形变压力随时间的增长不断增大。2.3支护特点分析为应对软岩硐室的大变形问题，“强支护”及“及时支护”已成为现今其处置措施的主要技术手段，以此设计思路为理念，导致现今软岩隧道大变形支护具有如下特征：（1）软岩变形段基本都采用极强的以被动承压的支护手段进行控制，该类支护刚度大、延展性差、抗震性能低，若遇超出承载能力的压力或偶然荷载（如地震、爆破荷载等）发生时极易产生如喷砼开裂、剥落、锚杆拉断、钢拱架扭曲等破坏，如某公路隧道软岩大变形段采用强支护方案后二衬在余震作用下能量积聚而产生了裂缝(图3)图3钢拱架扭曲及二衬开裂图（2）为控制变形的进一步发展，大变形段二衬一般及时跟进，由于二衬基本采用现场模注生成，早期强度未达标准时，形变压力已持续作用上来，导致二衬产生开裂进而影响后期承载（图3）；（3）部分隧道采用了主动让围岩变形的支护手段，但主动变形仅限于钢拱架部分，如阿尔贝格隧道、陶恩隧道。由于支护是一含喷砼+锚杆及钢拱架的复杂体系，变形过程中上述各部分是一相互协调的综合体，因此，仅容许钢拱架产生相应的变形难以达到预期效果，支护体系变形量不协调时易出现锚杆