围岩与初期支护间缓冲层的大变形控制效果及合理厚度研究

张 瑞，林 萍，刘成禹

(1.中铁隧道局集团建设有限公司，广西 南宁 533307；2.福州大学， 福建 福州 350116)

随着我国铁路、公路建设的深入推进，在地质构造发育、地应力高、围岩破碎地区建设长大隧道已不可避免。围岩大变形控制是此类地区地下工程建设面临的最大技术难题[1-2]。

高地应力软岩大变形隧道施工中，经常发生初期支护变形侵限、钢拱架扭曲、喷射混凝土开裂等现象[3-5]，严重威胁施工人员安全，影响施工进度。初期支护是控制围岩变形的关键结构，其变形及稳定情况直接反映了围岩变形的控制效果。因此，对高地应力大变形隧道控制初期支护变形，提高其稳定性的方法和技术进行研究具有重要意义。

基于放抗结合理念的多层支护结构在高地应力大变形隧道中得到广泛使用，并取得较好的变形控制效果[2,6-9]。近年来，已有学者对缓冲层在地下工程支护中的应用进行了研究。何一韬等[10]的研究表明，将缓冲层铺设在盾构隧道衬砌与二次衬砌之间，可改善衬砌结构的受力条件，防止外衬破坏。陈卫忠等[11]对具有蠕变特性的围岩研究表明，在隧道二次衬砌与初期支护间设置具有较高变形能力的预留变形层，能够改善支护结构受力，保证衬砌结构的长期稳定。吴顺川等[12]对膨胀性围岩的研究表明，在隧道二次衬砌与初期支护间设置缓冲层可有效减小二次衬砌变形，提高其稳定性。田云等[13]的研究表明，在二次衬砌与初期支护间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层，可提高软弱围岩隧道的长期稳定性。

目前，对缓冲层在隧道工程中的应用研究，针对的都是缓冲层设置在初期支护与二次衬砌间的情况，主要目的是改善二次衬砌的受力条件，减少其变形和开裂。对大多数高地应力大变形隧道而言，围岩和支护结构的破坏主要发生在二次衬砌施作前[2,6-7,14]。因此，针对高地应力大变形隧道，对在围岩与初期支护间设置缓冲层的作用和效果，以及不同工程条件下缓冲层的设置厚度等进行深入研究具有重要的现实意义。

本文以丽香铁路中义隧道为依托，在现场监测和缓冲层材料室内试验的基础上，对围岩与初期支护间设置缓冲层的效果及不同地应力侧压力系数下的缓冲层合理厚度进行研究，以期对高地应力大变形隧道变形控制提供借鉴。

1 工程概况

中义隧道为单线铁路隧道，长14.755 km，最大埋深1 240 m，是丽江至香格里拉铁路最长的隧道，位于云南省玉龙县境内。隧道地处青藏高原东南缘，地质构造复杂，残余构造应力大。地应力实测结果表明：与隧道走向接近垂直的水平方向为地应力最大主应力方向，该方向地应力与自重应力的比值为0.9～1.9，平均值为1.2。

中义隧道2014年年底正式开工，2016年年初开始隧道各开挖面相继出现大变形。在初期支护加强的情况下(全环间距0.6 m的I20b型钢拱架，27 cm厚的C25喷射混凝土，长4.5 m、间距1 m×1 m的系统锚杆)，最大水平收敛位移仍高达1 000 mm以上。初期支护变形具有水平收敛大于拱架下沉、边墙至拱腰段变形最大的特点，如图1所示。

图1 典型断面初期支护变形历时曲线

由于围岩变形快，很多区段初期支护尚未成环前就已破坏或变形侵限，给隧道施工进度和安全造成了极大影响。因此，研究适宜的、控制初期支护成环前变形的技术措施成了当务之急。经技术、经济比选，在围岩与初期支护间设缓冲层成为可行方案之一。

2 缓冲层材料及其物理力学参数

经现场试验和综合比选，中义隧道围岩与初期支护间采用的缓冲层为聚苯乙烯泡沫板(EPS)。它由聚苯乙烯发泡而成，成型过程中形成许多封闭的空腔，具有轻质、高强的特点[15]。

为获得聚苯乙烯泡沫板(EPS)的物理力学参数，按照国内外学者对EPS进行力学特性试验研究的方法[15-16]，对边长为50 mm的EPS立方体试件进行单轴压缩试验。试样压缩过程中的轴向应力-应变曲线如图2所示，轴向、横向应变曲线如图3所示。

图2 轴向应力-应变曲线

由图2可看出：聚苯乙烯泡沫板在应变>0.08(压缩量>4 mm)以后，应力和应变近似呈线性关系。即，聚苯乙烯泡沫板在压缩变形较大的阶段，应力-应变关系可按线弹性考虑。

由图3可看出：聚苯乙烯泡沫板在轴向应变<0.13(压缩量<6.5 mm)之前，横向应变很小；轴向应变>0.13(压缩量>6.5 mm后)，横向应变与轴向应变的比值(泊松比μ)随轴向应变的增加逐渐增大，泊松比为0.16～0.30。

图3 轴向、横向应变曲线

工程实际中，如果聚苯乙烯泡沫板压缩量太小，则不能发挥控制围岩变形的作用。中义隧道在围岩与初期支护间设缓冲层的区段，现场试验发现，单块泡沫板(厚50 mm)的压缩量都在15 mm以上。为此，根据图2、图3的试验结果得出聚苯乙烯泡沫板的弹性模量E和泊松比μ，见表1。

表1 聚苯乙烯泡沫板的物理力学参数

3 缓冲层效果及设置参数分析

数值计算方法可以模拟复杂的工程条件，已成为地下工程围岩稳定性分析的重要手段之一，广泛用于复杂地下工程的计算分析[17]。为此，本文也采用数值方法对初期支护与围岩间设缓冲层时初期支护的内力和位移进行计算。MIDAS/GTS是目前隧道工程中普遍使用的数值计算软件，本文的数值计算也采用该软件。

3.1 数值分析模型

中义隧道埋深小于700 m的区段，经过已施工段的工程实践，采用加强支护、合理预留变形量、根据监控量测结果适时进行初期支护补强等措施可较好地控制大变形。拟在围岩和初期支护间设缓冲层的区段，隧道埋深大多在700 m～900 m，因此，数值计算选取隧道埋深为800 m。隧址区地应力实测结果表明：与隧道走向接近垂直的水平方向为最大主应力方向，该方向地应力与自重应力的比值为0.9～1.9，平均值为1.2。为此，数值计算选取的地应力侧压系数为0.9～1.7。

3.1.1 数值模型构建

隧道开挖引起的围岩应力重分布的范围大体是隧洞半径的5倍[17]。中义隧道大变形区段横断面形状接近椭圆，高10.9 m、宽8.91 m。为减少边界效果对计算结果的影响，模型上边界距隧顶50 m，左、右边界距隧道中心40 m。数值模型高100 m、宽80 m，边界条件为：左、右边界水平方向固定，底部竖向固定，如图4所示。

图4 数值模型

隧道大变形区段为V级围岩，以片理化玄武岩为主，为层状碎裂结构，层厚1 cm～10 cm。为获得大变形区段围岩的黏聚力c和内摩擦角φ，在现场选取4个测点进行原位钻孔剪切测试，得到围岩的c、φ值为220 kPa、15.0°。在现场测试的基础上，参考《铁路隧道设计规范》[18](TB 10003—2005)选取围岩的物理力学参数，见表2。

表2 围岩物理力学参数

中义隧道大变形最严重，拟在围岩和初期支护间铺设缓冲层的区段采用双层钢拱架+喷锚联合支护。支护参数为：间距0.8 m的I20b双层钢拱架，厚54 cm的C25喷射混凝土，长4.5 m、间距1 m×1 m的系统锚杆，40 cm的预留变形量。数值模型中，将钢拱架和喷射混凝土层作为一个整体，用梁单元模拟，系统锚杆用杆单元模拟。钢拱架和喷射混凝土层的整体弹性模量，按照刚度相等的原则，将钢拱架的折算给喷射混凝土层[19]。初期支护的物理力学参数见表3。

表3 初期支护物理力学参数

围岩和初期支护间的缓冲层用平面应变单元模拟，采用线弹性模型，参数根据本文第2节聚苯乙烯泡沫板的试验结果按表1选取。围岩采用弹塑性本构关系中的摩尔-库仑模型，参数按表2选取。

在拱顶围岩和初期支护间铺设缓冲层，施工安全无法保障，加之中义隧道大变形区段初期支护变形具有水平收敛大于拱顶下沉的特点。因此，缓冲层仅在拱腰至拱脚段铺设。

3.1.2 数值模型合理性验证

中义隧道DK42+840—DK43+050段隧道埋深780 m～820 m，平均埋深800 m，附近地应力测孔测得的地应力侧压力系数为1.38。采用双层钢拱架支护，并在围岩和初期支护间设10 cm厚聚苯乙烯泡沫板缓冲层，目前施工已完成。该区段22个监控量测断面测得的、初期支护变形稳定后的边墙、拱腰水平收敛及拱顶下沉平均值分别为556.3 mm、331.0 mm和198.9 mm。施工中采用40 cm的预留变形量，绝大部分区段变形未超限。

根据DK42+840—DK43+050段的隧道平均埋深、初期支护参数和缓冲层厚度，按照3.1.1节所述数值模型计算出的围岩水平、竖向位移如图5所示。

由图5可看出：数值模型计算出的边墙、拱腰水平收敛位移及拱顶下沉分别为572.1 mm、356.7 mm和182.9 mm。数值模型计算结果与DK42+840—DK43+050段22个断面实测结果平均值的相对误差分别为2.8%、7.2%和8.8%。

数值模型计算结果和实测结果均具有边墙水平收敛最大、拱顶下沉最小、拱腰水平收敛居中的特点，两者在数值上也比较接近。这说明上述数值计算模型及参数选取是合理的，可用于后续的计算分析。

图5 围岩位移(单位：m)

3.2 围岩与初期支护间铺设缓冲层的效果

由于中义隧道地应力侧压力系数实测值平均值为1.2。为此，选取隧道埋深800 m、地应力侧压力系数1.2，对拱脚至拱腰设置厚度分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm缓冲层时的初期支护位移和内力进行计算。

计算结果表明：地应力侧压力系数1.2，埋深800 m，不同缓冲层厚度下的初期支护位移、内力分布规律基本相同；初期支护最大位移、最大弯矩、最大轴力以及喷射混凝土最大拉、压应力的出现部位也基本相同，但不同缓冲层厚度下的数值并不相等。隧道埋深800 m，双层钢拱架，不同缓冲层厚度下初期支护位移、内力的主要计算结果见表4。

表4 埋深800 m、地应力侧压力系数1.2双层拱架下初期支护位移及内力计算结果

由表4可看出：

(1) 与不设缓冲层相比，在围岩与初期支护间增设厚度50 mm～200 mm的缓冲层可使水平收敛最大位移减小50 mm～60 mm，拱顶下沉减少15 mm～22 mm，减少幅度均在10%左右；缓冲层厚度超过100 mm后，初期支护位移随缓冲层厚度的增加变化不大。

(2) 初期支护最大轴力、喷射混凝土最大压应力随缓冲层厚度增加逐渐减少，在缓冲层厚度50 mm时减少最为明显；未设缓冲层时，喷射混凝土最大压应力达20.85 MPa，已超过其轴心抗压强度标准值16.7 MPa，增设厚度不小于50 mm的缓冲层后，喷射混凝土最大压应力均小于其轴心抗压强度标准值。

表4的计算结果表明，初期支护最大轴力、喷射混凝土最大压应力均出现在拱顶和边墙，这也是目前初期支护破坏最严重的部位，如图8、图9所示。现场调查发现，拱顶、边墙初期支护的破坏过程大多表现为：刚开始时喷射混凝土发生压碎、剥落，并随初期支护变形增大逐渐加剧，最后发生钢拱架压屈、弯折，如图6、图7所示。

图6 拱顶破坏图 图7 边墙破坏图

由初期支护破坏过程可看出：拱顶和边墙是初期支护最先发生破坏的关键部位，其破坏是由喷射混凝土的压碎开始的。因此，可将初期支护喷射混凝土的最大压应力是否超过其轴心抗压强度标准值作为判断初期支护是否开始失稳的标准。

表4的计算结果表明，在围岩与初期支护间设置缓冲层后，初期支护喷射混凝土最大压应力随着缓冲层厚度增加逐渐减少。这说明，围岩和初期支护间缓冲层的铺设可有效提高初期支护的稳定性。

为验证围岩和初期支护间增设缓冲层的变形控制效果。在铺设缓冲层的区段，采用埋设简易测量装置(见图8)和钻芯取样(见图9)的方法，得到初期支护变形稳定后EPS泡沫板缓冲层挤压后的厚度。结果表明：原先厚度为10 cm的缓冲层，挤密后的厚度大多为6 cm～7 cm，单侧厚度减少3 cm～4 cm。即，可减少围岩的单侧收敛变形3 cm～4 cm，这与表4的计算结果基本一致。

上述结果表明，在围岩与初期支护间增设缓冲层可明显提高初期支护的稳定性，并减少初期支护的变形，有较好的大变形控制效果。

图8 缓冲层厚度变化简易测量装置

图9 钻孔取芯确定缓冲层压缩后的厚度

3.3 不同地应力侧压力系数下的缓冲层合理厚度

由于中义隧道拟在围岩和初期支护间设缓冲层的区段隧道埋深大多在700 m～900 m附近，地应力侧压力系数实测值在0.9～1.7之间。为此，对隧道埋深800 m，地应力侧压力系数分别为0.7、0.9、1.1、1.2、1.3、1.5、1.7，在拱腰至拱脚铺设不同厚度缓冲层时的初期支护位移和内力进行数值计算。为保证初期支护的稳定性，喷射混凝土的最大压力应小于其轴心抗压强度标准值(C25混凝土为16.7 MPa)。以此为标准，得出隧道埋深800 m、不同地应力侧压力系数下的缓冲层合理厚度见表5。

表5 埋深800 m不同地应力侧压系数下的合理缓冲层厚度

按照表5的厚度铺设缓冲层，与未设缓冲层相比，初期支护最大水平收敛和拱顶下沉的减小数值见表6。

表6 埋深800 m设置缓冲层后初期支护位移减少情况

由表6可看出：隧道埋深800 m、地应力侧压力系数λ=1.1～1.7时，在围岩与初期支护间设置合理厚度的缓冲层后，可使初期支护最大水平收敛位移减少49 mm～62 mm，拱顶下沉减少14 mm～27 mm；总体而言，地应力侧压力系数越高，初期支护最大水平收敛、拱顶下沉减少的绝对数值越大。这说明，地应力侧压力系数越大，在围岩与初期支护间设置缓冲层控制变形的效果越明显。

4 结 论

(1) 在围岩与初期支护间设置厚度合理的、具有较高变形能力的EPS泡沫板缓冲层，可明显减少初期支护的最大轴力和喷射混凝土最大压应力，显著提高初期支护的稳定性。

(2) 丽香铁路中义隧道埋深800 m、地应力侧压力系数λ=1.1～1.7条件下的计算结果表明，在围岩与初期支护间设置合理厚度的缓冲层后，可使初期支护最大水平收敛位移、拱顶下沉减少10%左右。

(3) 丽香铁路中义隧道埋深在800 m附近、发生大变形的区段，地应力侧压力系数小于0.9时，可不设缓冲层；地应力侧压力系数为1.0～1.3、1.3～1.5、1.5～1.7时，缓冲层的合理厚度分别为100 mm、150 mm、200 mm。