挤压性围岩隧道判识及设计方法研究

李国良，李 宁，丁彦杰，刘志春

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043；2.特殊复杂环境下长大隧道建造技术铁路行业工程研究中心，陕西 西安 710043；3.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

隧道通过挤压性地层容易表现出围岩变形增速、变形加剧以及长时间变形的特性，同时造成支护变形、扭曲，甚至导致破坏并拆换，严重影响施工进度并增加安全风险[1-4]。典型挤压性围岩隧道如兰武二线乌鞘岭隧道[5]、兰渝铁路木寨岭隧道[6]等，其围岩挤入变形速率达10～25 cm/d及以上，总变形量达100～300 cm，甚至出现二次衬砌压溃现象，变形控制难度极大，施工风险极高，如表1所示。随着我国西部地区隧道工程的发展，挤压性围岩隧道变形机理及治理技术，成为国内外隧道界关注的难点和焦点问题[7-9]。

本文结合工程实践，分析挤压性围岩隧道的变形机理、变形潜势等基本问题，阐述挤压性围岩隧道的荷载计算方法、设计方法、变形控制技术等。

1 挤压性围岩的地质特征

1995年，国际岩石力学学会对挤压性岩石进行了研究及定义，明确了挤压性变形与时间密切相关，是围岩的蠕变效应，变形时长取决于地质条件和施工情况[10]。

李国良等[11]2018年进一步明确了挤压性围岩的特征：即软质围岩在高地应力条件下的开挖产生的位移，若超出围岩预留变形量，可以认为发生了挤压大变形。挤压性围岩需具备两个条件：①均处于高～极高地应力区；②软弱围岩，包括层片状软岩、断层破碎带及蚀变岩等。

1.1 地质背景概述

印度板块与欧亚板块在新生代期间的碰撞作用，使青藏高原隆升区边缘地带产生断裂并发育褶皱，地应力环境背景复杂，初始地应力通常为高-极高[12-14]。位于本带的乌鞘岭隧道、兰新高铁，兰渝铁路、成兰铁路等均位于板块构造高地应力集中区[15]，区域内存在活动断裂、地层褶皱、并具有明显流变效应，多座隧道出现了严重挤压性变形问题。

兰渝铁路兰州至广元段落为典型的青藏高原隆升区边缘地带地质环境，线路主要穿越黄土高原和秦岭高中山区[16]。线路所处环境经历了数次的构造运动，形成了特殊的构造变形、复杂的地应力场及岩性。沿线地震活动强烈，线路沿我国南北强震带展布，是地震多发、频发、活动最强烈区域之一[17]。

1.2 高地应力环境

高地应力与岩体所经受的应力历史和岩体强度、岩体弹性模量等诸多因素有关。对于高地应力的判定，国内外尚未统一，通常通过地应力值和岩石(体)强度应力比进行判定。

一般当地应力值为20 MPa以上可视为高地应力地区；我国在GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[18]中以岩石的强度应力比进行判定：Rc/σmax<4为极高地应力，Rc/σmax=4～7为高地应力。其中，Rc为岩石饱和抗压强度，σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力。

在依据高地应力条件来判断岩体是否产生挤压性大变形时，原岩的岩石强度应力比并非是决定大变形发生的必要条件。除了岩石强度外，岩体强度也影响围岩稳定性，岩体强度需要进行现场原位试验获取。

结合兰武线乌鞘岭特长隧道、兰渝铁路等高地应力隧道的实践经验，以及国内外高地应力划分条件，中铁第一勘察设计院集团有限公司提出高地应力的判定划分标准，如表2所示，该标准已纳入《川藏铁路高地应力软岩隧道设计指南》。

表2 高地应力的判定划分标准

1.3 软岩及其特征

国内外学者对软岩的定义基本上可分为三类：描述性定义(从物理现象进行描述)、指标化定义(从岩石强度等指标进行描述)和工程定义(从工程表现出的现象进行描述)。

①根据岩石的物理现象，郑雨天等[19]认为，软岩是在高地应力环境下，具有破碎、流变、蚀变等特性的岩体；②根据岩石的强度指标，国际岩石力学学会(ISRM)定义：软岩是指单轴抗压强度在0.5～25 MPa的一类岩石；③根据岩石的工程现象，何满潮等[20]提出了工程软岩的概念，即软岩的判定依据应为工程力指标，岩体强度低于工程力水平则可视为工程软岩；④我国TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[21]中定义软弱围岩为：强度低、完整性差、结构相对松散、围岩基本质量指标较小的围岩，一般指Ⅳ～Ⅵ级围岩。

根据岩石强度、定性判定可对软岩进行划分，如表3所示。

表3 软质岩坚硬程度的划分标准

1.4 挤压性围岩特征及变形机理

(1)挤压性围岩特征初判

挤压性围岩以薄层状、片状或破碎的软质岩为主，一般岩石抗压强度小于30 MPa。挤压性围岩构造运动强烈时，可见褶曲、构造、揉皱等现象，围岩致密、无水，如图1所示。

图1 挤压性围岩代表岩性

根据初始地应力场和岩石单轴饱和抗压强度对隧道进行初步宏观评价，判断是否为挤压性围岩，如表4所示。

表4 挤压性围岩初判标准

(2)典型挤压性围岩的物理力学特征

挤压性围岩的抗剪断强度及弹性模量等参数普遍较低，容易产生破坏。兰武铁路乌鞘岭特长隧道[22]围岩的抗剪(断)强度及原位变形试验成果见表5。

表5 挤压性围岩抗剪(断)强度及变形原位试验成果

(3)挤压性围岩微结构特征

软岩的物理、力学性质主要是由其本身的颗粒组成、孔隙形态、连接方式、含水量、矿物成分及其赋存状态所决定的。通过扫描电镜试验，对木寨岭隧道二叠系板岩夹炭质板岩横向和纵向在不同放大倍数下进行微结构研究。研究结果表明，岩石在横向和纵向上表现出较大的差异性，这说明矿物颗粒经受了较为强烈的定向应力作用，形成片状、扁平状的“层流结构”，破裂形态以压剪摩擦型为主。试样以拉剪型破坏为主，局部存在矿物颗粒的定向分布。微观结构形态及定量化参数揭示出围岩宏观赋存环境在不同方向上的地应力差别较大的特点，形成典型的动力变质岩特征，使其微观结构与宏观力学特性均表现出显著的各向异性。这也是导致围岩开挖扰动后因隧道轴线与地应力夹角及支护抗力方向不同而产生大变形的内因之一[23]。

总之，挤压性大变形的成因较为复杂，其是由地应力、工程扰动和地下水等综合条件导致。由于隧道施工引起地应力重分布，造成岩体失去自稳能力，产生较大的塑性变形，并可能使围岩支护遭到不同程度的破坏[24]。以典型挤压性围岩隧道兰新铁路木寨岭隧道为例，挤压性围岩的变形机理可概述为以下几点：①岩性软弱、岩体结构破碎、工程力学性质差；②地质构造发育、岩石动力变质作用强烈；③地应力高、水平地应力为主；④地下水对于围岩的软化效应。

2 挤压性大变形定义及特征

2.1 挤压性大变形定义

隧道开挖中，相对常规变形量产生的额外变形隧道的大变形是相对常规变形量而言的称为大变形。国内一般围岩常规支护(标准图参数)条件下单线和双线隧道的预留变形量上限分别为15、30 cm，约为其开挖跨度的2%。根据乌鞘岭、兰渝线等科研成果，在一般常规支护条件下，当隧道相对变形值大于2%时，可认为隧道发生了挤压大变形，如表6所示。当变形进一步发展时，常伴有初期支护开裂、掉块及钢架扭曲等大变形特征。

表6 铁路隧道一般围岩预留变形量

2.2 挤压性围岩隧道变形特征

挤压性围岩的变形破坏包括塑性流动、层状岩体的弯曲变形、碎裂结构的变形等。例如发生在软岩段在地下水渗出后发生的拱顶下沉、边墙内鼓就属于高强度应力比引起的软岩塑流。

高地应力区的隧道由于开挖卸荷作用，层状岩体发生弯曲，引起隧道壁侧向变形，根据岩层产状，可分为倾斜岩层、竖直岩层、水平岩层，此外，还包括碎裂结构、散体压密结构等岩体形态。挤压性围岩在上述岩层中的破坏如图2所示[25]。其中碎裂结构和散体压密结构通常存在节理破碎，岩体较破碎松散，隧道开挖过程中围岩可能坍塌掉块、弯曲甚至溃曲破坏，导致支护变形及破裂。

图2 挤压性围岩破坏形态

挤压性围岩隧道的变形特征主要有以下几种特点：

(1)变形量大

实测数据表明，挤压性围岩隧道变形可达数十厘米，严重者超过100 cm，往往表现为初期支护破坏严重，如喷混凝土开裂破坏、变形侵限、钢架扭曲剪断，甚至引起二衬混凝土开裂。如兰渝铁路木寨岭隧道斜井水平收敛最大值超过1 100 mm，如图3所示。

图3 木寨岭隧道斜井变形曲线

(2)变形速率高

挤压性围岩隧道变形速率大，特别是前期变形速率高，如木寨岭隧道岭脊核心段开挖后最大变形速率超过20 cm/d，钢架出现明显扭曲，变形非常剧烈。

(3)支护受力大

挤压性围岩隧道荷载实测值与采用现有规范荷载计算方法得出的结果差距较大，以形变压力为主，随开挖时间迅速增大，产生较大的围岩压力，早期压力大，如果施工或支护措施不当，极易造成支护破坏。例如，对木寨岭隧道进行测试结果表明，围岩压力较大，其中仰拱和边墙处围岩压力较其他部位更为明显，如图4所示。

图4 木寨岭隧道围岩压力图(单位：kPa)

(4)变形持续时间长

众多研究表明，挤压性围岩隧道在开挖后很长一段时间内，变形持续发展，支护或衬砌上的压力一直在变化。

如图5所示，新城子隧道监测结果表明：①围岩压力具有长期缓慢增长的趋势，从曲线图判断，绝大部分测点在接近12个月的时间内趋于稳定，这一点与一般隧道短期内趋于稳定的特点有所不同，个别测点围岩压力在接近24个月的测试时间内仍未表现出非常稳定的趋势，表现出围岩极强的流变特性；②围岩压力量值整体较大，压力较大部位主要集中在拱腰至墙腰处，最大值为2 590.0 kPa，绝大部分围岩压力测试值分布在600 kPa以内。

图5 新城子隧道围岩压力时程曲线图

3 变形等级及变形潜势划分

3.1 变形等级划分

挤压性围岩因其特殊性，需要重新制定围岩分级及支护标准。目前，国内外学者已经展开了一定的研究，提出挤压性围岩变形分级的方法和标准，依据强度应力比、初始地应力、相对变形等指标，可以将挤压性大变形分为不同等级。

Jethwa等[26]、Hoek等[27]等以围岩强度应力比、相对变形为指标进行变形等级划分，如图6所示。

图6 Hoek挤压性围岩变形划分理论

(1)

目前，国内挤压性大变形分级主要为三级，但随着地质环境越来越复杂，三级分级有时不能满足需要，如兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段围岩强度应力比已超出现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[21]规定的极高地应力(Rc/σmax<4)范围。施工过程中挤压性变形剧烈，支护难度极大，现场采取了放抗结合的多重支护与超前应力释放小导洞等综合技术来控制变形，其变形等级、强度应力比也超出了以往定义的三级大变形。

3.2 变形潜势及其分级

变形潜势[29]是隧道周围岩体应力释放引起潜在变形的能力，可以对隧道变形进行预测。变形潜势与隧道埋深、地应力条件、围岩特性、洞室形状大小等因素有关。变形潜势是挤压性围岩内在因素，即围岩的变形潜势决定了围岩的变形等级大小。

结合国内兰渝乌鞘岭隧道科研情况和国外Hoek挤压性围岩等级划分标准，可对我国挤压性围岩的变形潜势及变形等级进行划分，将挤压性围岩隧道变形等级划分为四级，如表7所示，该划分标准已纳入《川藏铁路高地应力软岩隧道设计指南》。

表7 挤压性围岩变形等级划分标准

挤压强烈的地层围岩强度和地应力数据很难获取，根据兰渝、乌鞘岭等科研成果[30-31]，可根据岩层厚度及围岩完整程度对挤压性围岩变形潜势进行补充判释，如表8所示。

表8 挤压性围岩变形潜势分级

3.3 变形潜势进一步判定

挤压性围岩的强度和地应力实测困难，且围岩强度变化大，施工中难以据此进行支护参数的调整优化。为此，需对现场变形潜势判定方法进行研究。

3.3.1 岩体完整性判定法

在破碎岩体中，容易发生挤压性大变形，岩体的完整程度影响围岩的变形潜势。岩体完整性指数决定了围岩的完整程度，我国GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[18]种规定岩体体积节理数Jv与岩体完整性指数Kv的对应关系如表9所示。

表9 岩体完整性指数

对高地应力条件下的软岩，无论挤压多么严重，施工时可通过掌子面完整程度直观判定，对岩体强度进行修正，调整挤压性围岩变形分级。

3.3.2 变形速率法

围岩变形曲线可划分为变形加速、发展、减速和收敛四个阶段，如图7所示。现场可根据加速阶段的变形速率计算变形潜势，采用开挖后连续3～5 d变形速率平均值vp，对本段围岩的变形潜势及支护参数与围岩的适应性进行评判[32]，即

(2)

式中：n为天数；vi为每天变形速率，i=1，2，…，n。

图7 变形曲线阶段划分示意(三台阶工法)

根据相关统计数据，得到变形速率分级及变形潜势，如表10所示。

表10 按变形速率对围岩变形潜势分级

施工过程中可通过上台阶开挖围岩的变形速度，计算变形潜势，进行动态设计。

3.3.3 总变形量法

于乌鞘岭隧道[33]及兰渝线隧道[34]的研究成果，并结合相关研究成果及标准，提出相对变形量与变形等级的关系，如表11所示。

表11 按相对变形量对围岩变形潜势分级

施工过程中，结合掌子面围岩完整程度等主要地质参数，依据前一段落或上循环的总变形量，对下一循环(阶段)的变形潜势进行预判。

综上，根据对变形潜势分级的研究结果，得出各阶段变形潜势等级划分的方法如下。

(1)勘察阶段：按GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[18],以强度应力比对初始地应力场宏观预判后，结合围岩特征对变形潜势进行初步判定。

(2)设计阶段：采用围岩强度应力比Rc/σmax指标(表7)及围岩分级、围岩特征等指标进行变形潜势及变形等级预测，进行预案设计。

(3)施工阶段：根据揭示的掌子面围岩特征、变形速率及总变形量等综合评价围岩变形潜势，确认变形等级；动态调整设计。

4 挤压性围岩隧道设计方法

4.1 荷载计算方法

隧道的荷载计算方法经过了一个多世纪的发展，目前以松动压力和形变压力两种计算类型为主，其计算方法通常分为理论法和经验法。

4.1.1 国内外围岩荷载计算方法

(1)国外围岩荷载计算方法

国外的围岩荷载计算研究起步较早，相关学者根据不同的力学模型提出了相应计算公式，例如太沙基[35]假定土体为具有一定黏聚力的松散土体，考虑了岩土体的黏聚力、内摩擦角、隧道埋深以及尺寸的影响，从土压力传递的角度出发推导适用于浅埋隧道荷载的计算公式。普氏压力拱理论[36]多用于我国的深埋隧道荷载计算，其认为隧道开挖顶部岩石会失去稳定而坍塌，但塌落到一定程度后，隧道上方岩土体会形成稳定的压力拱，从而进入新的平衡。Kastner[37]提出基于塑性形变的压力计算公式，但其实际应用较为困难。其后相关学者提出了形变压力的经验公式法，例如Barton[38]等基于Q系统围岩分类方法，将围岩分级指标用于挤压性围岩荷载计算。

总之，国外的荷载理论计算方法参数繁多，且获取难度大，而经验公式和方法不适用于我国围岩勘察设计体系。

(2)国内荷载计算方法

①谢家烋[39]在太沙基理论的基础上，提出浅埋隧道荷载计算理论，其较全面地反应了围岩物理力学指标和工程因素对围岩压力的影响，适合浅埋隧道计算，但对深埋隧道的计算仍存在较大误差。

②我国TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[21]推荐使用经验公式计算深埋松动围岩的垂直压力，即

(3)

式中：γ为围岩重度；h为隧道埋深；S为围岩级别；ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5)。其中，B为洞室宽度，m；i为B每增减1 m时的围岩压力增减率，当B<5 m时，取i=0.2；B>5 m时，可取i=0.1。

文献[21]中基于塌落拱理论对围岩荷载进行计算，不适用于挤压性围岩，我国挤压性围岩荷载计算方法尚存在空白，需要进一步进行研究。

4.1.2 挤压性围岩荷载计算方法

基于国内外95个典型挤压性围岩隧道断面实测样本(兰武二线乌鞘岭隧道、青藏铁路新关角隧道、兰渝铁路两水隧道、木寨岭隧道、新城子隧道、丽香铁路长坪、中义隧道、成兰铁路茂县隧道等)，对岩体强度应力比/变形等级、埋深、宽度、地应力侧压力系数、支护刚度和施工方法等因素，进行分析研究，确定变形等级S(反映围岩条件)、埋深H(作为S的修正)和宽度B(反映隧道条件)作为关键影响因子。通过多样本取值及拟合，刘志春、李国良等[40-41]提出挤压性围岩荷载计算公式。

(1)垂直均布压力计算式为

(4)

式中：q为垂直均布压力，MPa；B为隧道开挖跨度，m；H为隧道埋深，m；S的取值为1、2、3、4，其分别对应的挤压性围岩变形等级一、二、三、四级，勘察设计阶段按变形潜势判定变形等级取值，在施工阶段根据实测变形量确认的大变形等级进行修正。

(2)水平匀布压力可按表12确定。

表12 围岩水平匀布压力

变形等级对围岩压力影响显著，围岩压力随变形等级的增加呈指数增长趋势；开挖宽度及埋深对围岩压力的影响小，变形等级越高，开挖宽度和埋深的影响较大。

图8为式(4)计算结果与TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[21]中深埋隧道围岩压力计算结果的对比曲线。

图8 围岩压力计算值与规范值对比

可以看出，当S=-1、0、1时计算结果分别与Ⅳ、V、Ⅵ级围岩相当：因规范[21]的计算方法中过多考虑了开挖宽度的影响，使Ⅵ级围岩双线计算结果偏大。这也验证了挤压性围岩隧道围岩压力以形变压力为主，围岩压力远大于一般Ⅳ级、Ⅴ级围岩隧道的实测统计规律。

4.2 挤压性围岩隧道设计新方法

鉴于挤压性围岩的复杂性和多变性，勘测及设计阶段多以围岩定性评价为主、定量为辅进行变形等级分级，为隧道预设计提供依据。施工阶段中根据掌子面围岩特征和围岩变形情况对挤压性大变形的程度进行评定和确认，动态设计。

4.2.1 隧道预设计

在挤压性围岩隧道中，由于地应力较高，需要加大预留变形量，达到高地应力释放的目的。通过总结兰渝、成兰铁路等挤压性围岩建设经验，确定了预留变形量经验值，如表13所示。

表13 预留变形量经验值 mm

在隧道预设计阶段，应采用优化断面曲率、应力超前释放、递进式锚固体系、梯度让压支护体系、吸能缓冲结构、仰拱防隆起结构的组合方式进行设计，并根据不同变形等级进行措施选用，如表14所示。

表14 不同等级大变形设计措施表

4.2.2 图表设计法

挤压性围岩预设计基本思路为：根据隧道开挖跨度、埋置深度、变形等级及强度应力比基本参数，计算获得地质因子和工程因子，然后根据挤压性围岩隧道结构设计图(表)查得初期支护喷层厚度、钢架型号及间距、锚杆(索)体系、二衬混凝土厚度等参数。

(1)计算工程因子

工程因子y为隧道埋深和跨度的函数，表达式为

(5)

取开挖跨度B=3～25 m，隧道埋深H=100～2 000 m，得y=0.831～1.593，确定纵坐标y取值为0.8～1.6。

(2)计算地质因子

地质因子x为变形等级与强度应力的函数，其表达式为

x=Rc/σmax

S=8.27·e-7.03x

(6)

各级大变形对应围岩强度应力比Rc/σmax≤0.3，考虑向常规变形的延伸，确定横坐标x的取值范围0～0.5。

(2)构建图表

以地质因子作为横坐标x、工程因子作为纵坐标y，构建挤压性围岩隧道结构设计图表，如图9所示。通过该坐标系可以确定各设计分区结构型式、参数及辅助结构措施[23]。

图9 挤压性围岩隧道结构设计图表法

具体使用流程如图10所示。

图10 设计图表法使用流程

4.2.3 动态设计及管理

(1)支护体系适应性评价

挤压性围岩隧道变形控制的核心是控制围岩的变形速度，将高速、极高变形控制到中速及以下，将中速变形控制到可控状态。挤压性围岩隧道早期变形速率高，支护受力大，若支护不匹配极易造成开裂破坏、侵限拆换等现象，故施工中需对预设计的支护体系进行评价，判定初期支护与围岩变形潜势的适应性，如表15所示。

表15 初期支护体系适应性评价标准

按变形加速阶段变形速率(初期3～5 d平均变形速率)进行支护体系适应性评价的体系：当变形速率达到高速(大于50 mm/d)及以上时且无收敛趋势，说明围岩应变潜能巨大，需加强支护体系或采取超前应力释放等方式；当变形速率在中低速(10～50 mm/d)且渐趋收敛时，说明支护体系抗力与围岩应变能释放产生的挤压应力相适应，支护基本合理，视变形发展情况进行补强。

(2)挤压性围岩隧道变形控制管理体系

与一般围岩不同，挤压性围岩监控量测管理采用变形位移和速率双控指标，变形管理等级划分见表16和变形管理对策见表17。当实测数据已接近表中规定的数值，或者混凝土表面已出现明显裂缝时，应采取立即补强措施，并改变施工方法或设计参数。

表16 挤压性围岩隧道施工变形管理等级划分

表17 挤压性围岩隧道变形管理对策

5 挤压性围岩隧道变形控制技术

挤压性围岩隧道应遵循优化洞形、主动控制、适度释放、强化支护的控制理念，即控制支护的强度，合理选择支护时间，容许围岩适度变形，充分发挥和调动围岩的自承能力,从而以最低的支护代价控制围岩变形，获得满足工程要求的稳定性。

5.1 断面优化

挤压性大变形隧道普遍具有水平地应力高于垂直地应力的特征，调整边墙和仰拱曲率可以更好地适应地应力分布。兰渝铁路木寨岭隧道、兰武二线乌鞘岭隧道均采用了此种技术，提高支护结构的受力性能。

例如，兰渝铁路木寨岭隧道，根据埋深、围岩、地应力情况，结合施工期间的初支变形大和二衬开裂情况，将木寨岭隧道洞身12.7 km板岩段划分为岭脊核心段(DK180+800—DK181+800，约1 km)、岭脊一般段(DK177+240—DK180+800、DK181+800—DK182+550，约4.3 km)、一般段(DK182+550—DK189+775，约6.2 km)3个段落：

(1)一般段：应力比1～3，累计收敛平均约300 mm。

(2)岭脊一般段：应力比0.2～0.6，累计收敛平均约500 mm。

(3)岭脊核心段：应力比0.01～0.2，累计收敛大部分集中在1 500～2 000 mm，最大收敛达4 385 mm。

基于段落划分结果，提出断面优化方案：

一般段：断面形状采用马蹄形断面，采用先放后抗，先柔后刚，采取相对应加固措施，以抗为主，设计采用预设计断面以及单层初支体系，如图11所示。

图11 木寨岭隧道马蹄形断面(单位：cm)

岭脊一般段：断面形状采用椭圆形断面，采用边放边抗，先柔后刚，采取相对应加固措施，加大预留变形量，以抗为主，设计采用单层支护+系统注浆及锚杆加固体系，较大部分出现初支大变形，小部分衬砌开裂，如图12所示。

图12 木寨岭隧道椭圆形断面(单位：cm)

岭脊核心段：断面形状采用圆形断面，采用岭脊一般段相同支护及控变理念后大面积出现初支大变形和衬砌开裂；后采用边支边让，加大预留变形量，多层支护以抗为主，长锚杆长锚索主动加固，仍出现大面积初支大变形和衬砌开裂；最后采用导洞主动释放，扩挖边支边让，先柔后刚，圆形断面多层支护以抗为主，长锚杆长锚索主动加固，如图13所示。

图13 木寨岭隧道圆形断面

5.2 支护设计方案

5.2.1 长、中、短锚固体系

锚杆通过限制隧道围岩的膨胀变形和破裂面发展，减少岩石碎胀变形和裂缝的进一步破坏，锚索则需组合锚杆才能有效发挥作用。锚杆施工方便快捷，可抑制早期变形和快速位移，降低锚索对洞周围岩破坏的影响；锚索可控制洞周深处围岩变形，使隧道洞周和远区围岩共同作用，协调变形。对挤压性极为强烈的地层可采用全长锚固性锚索，施工初期采用端头锚固进行张拉，控制围岩前期变形，变形趋缓时，考虑其在变形过程中造成预应力损失，再次张拉补偿后进行全长锚固，抵抗长期流变影响。

在兰渝铁路新城子隧道施工中，采取长、中、短相结合的锚固体系，加固围岩，通过自进式锚杆、预应力锚索配合使用，以及多层支护措施，分阶段有梯次的改善围岩，有效提高围岩承载能力，如图14所示。

图14 锚固体系示意

(1)变形等级为一、二级时，受挤压程度较轻，围岩具有一定的承载能力，聚集的应变能较小，开挖后围岩变形速度较低，破坏范围小，设置短锚杆即可穿过塑性区锚入原岩，达到加固围岩、控制变形的目的。

(2)三、四级大变形段单次锚固不能使围岩变形趋于稳定，需采用长、中、短相结合的锚固方法。由于三、四级变形聚集的应变能极大，开挖后围岩呈高速位移状态且塑性区范围大，此时锚杆头尾均位于蠕变区内，锚杆和蠕变区围岩一起移动，锚固效果差，故需先降低围岩变形速度(如采取导洞释放、临时横撑等措施)再进行锚固。

5.2.2 “大刚度”支护体系

为抑制围岩应变能产生的巨大挤压和冲击作用，应使用大刚度钢架以承担围岩的形变压力，可采用低高度、高强度的型钢钢架，如H钢等，并采用早高强喷射混凝土(设计强度不低于C25)进行初期支护。例如，乌鞘岭隧道岭脊地段、兰渝铁路木寨岭隧道等挤压性围岩隧道均采用H175钢架，大刚度钢筋混凝土衬砌等。

5.2.3 多重支护

多重支护是采用“边放边抗”的原则，通过分层施做支护，允许围岩变形释放部分应力，但又能限制围岩过度变形的一种支护手段，其原理可以用图15支护特性曲线来说明[42]：尽管一次支护甚至二次支护屈服，但设置二次支护至三次支护后能够使支护最终的抗力与围岩压力相平衡，将变形量控制在容许范围内，这种方法比较适合国内的施工现状。

图15 多层支护的特性曲线原理

例如，木寨岭隧道进入F14-1逆断层后，存在隧道支护结构变形严重，初期支护重复拆换，二次衬砌开裂，钢筋弯曲，施工陷入恶性循环。基于此，综合前期施工试验及量测情况，采取加大初支刚度(双层H175型钢支护+仰拱桁架+喷射混凝土支护)、系统注浆加固围岩、加大二衬刚度的综合施工措施。

5.3 施工技术

5.3.1 导洞应力释放技术

挤压性围岩岩体中积聚的应变能，需通过变形来充分释放，才能使围岩压力降到一个合理的水平，以减轻支护结构尤其是二次衬砌的长期安全风险。因此，对挤压性围岩隧道工程不能只强调变形控制，同时也需要强调应力释放，而这也是挤压性围岩与一般围岩工程不同之处。

超前导洞(平导)应力释放在乌鞘岭、木寨岭、新城子等典型挤压大变形隧道工程实践中得到验证，取得好的释放效果，如图16所示。

图16 木寨岭隧道岭脊超前导洞释放(单位：m)

(1)乌鞘岭隧道在埋深最大DK175+503～DK176+898地段，利用左线隧道位置的平行导坑释放应力，平行导坑的收敛变形为100～150 mm，扩挖的收敛变形为250～300 mm，为采用台阶法一次建成收敛变形的70%～75%；

(2)木寨岭隧道岭脊核心段采用超前导洞释放应力，通过对比可以看出，超前导坑应力释放后第1层减小幅度约为11.7%，第2层减小幅度约为22.3%，变形累计减小34%。

通过乌鞘岭、木寨岭、新城子、毛羽山等超前导洞应力释放试验，超前应力释放在极高地应力条件下作用较为突出。为达到释放效果，超前导洞要有足够的释放截面比及释放时间，截面比不小于70%，释放时间不小于30 d。

5.3.2 缓冲吸能结构

在兰渝铁路木寨岭隧道变形潜势强烈的Ⅲ级大变形段落，进行初期支护与二次衬砌之间设缓冲层试验研究，如图17所示 ，在变形难以稳定段落可增加支护结构吸能能力，并尽量减少应力集中现象。

图17 缓冲层结构

对木寨岭隧道导洞扩挖段共设置5个断面，分别为DyK181+029、DK181+242、DyK181+242、DK181+011、DyK181+170。其中在DyK181+170设置缓冲层，与其余断面进行应力对比，测试结果对比如图18所示。

图18 导洞扩挖段缓冲层测试结果对比

测试结果显示，同等条件下施加缓冲层的断面接触压力、钢筋应力、混凝土应力平均值分别为71、15、5 MPa，而未施加缓冲层的断面接触压力、钢筋应力、混凝土应力平均值分别为160.3、49.3、12.8 MPa。缓冲层断面整体应力水平明显小于同等条件下未施加缓冲层的断面。测试结果显示，施加缓冲层的断面接触压力、钢筋应力、混凝土应力分别只有未施加断面的44.3%、30.5%、39.2%，表明缓冲层对于减小高地应力条件下衬砌受力作用明显。

5.3.3 微台阶法施工技术

挤压性围岩隧道施工方法应根据围岩变形等级、断面大小确定，一般宜采用微台阶法开挖。施工中应采用控制爆破、弱爆破开挖，条件适宜地段可采用挖机、单臂掘进机等机械开挖。采用微台阶法施工时，可分层开挖微台阶以适当释放围岩应变能。长台阶法初期支护封闭时间长，围岩松弛范围过大，不利于变形控制。

(1)乌鞘岭隧道微台阶施工方法

在乌鞘岭隧道F7断层施工前期,采用台阶法施工, 仰拱未及时封闭成环, 隧道衬砌滞后, 这是F7断层变形加大的原因之一。施工工序如图19所示，其中上台阶长50 m，在距掌子面90 m处仰拱未封闭成环, 下台阶分4步拉中槽开挖, 工序较为繁多, 工序相互影响, 不利变形控制。

图19 乌鞘岭隧道台阶法施工横截面、纵断面示意(单位：cm)

经过研究，采用微台阶法施工，施工工序如图20所示。遵循“微台阶、弱爆破、早封闭”原则，上台阶控制在5 m左右，仰拱距掌子面距离控制在20 m以内，变形总量控制在350 mm以内，有效控制了变形发展。表18给出乌鞘岭隧道F7断层地段长、微台阶法对比结果，封闭时变形值占累计变形的70%～80%。

图20 乌鞘岭隧道微台阶法施工步序(单位：cm)

表18 乌鞘岭隧道不同大变形等级的施工采取措施表

(2)新城子隧道微台阶施工方法

新城子隧道采用微台阶法施工，现场试验表明变形速率明显下降，即缩短台阶长度对控制变形起到关键作用，结合施工，台阶长度为：上台阶4～6 m，中台阶4～6 m，下断面至仰拱距离小于15 m，如图21所示。

图21 新城子微台阶法示意(单位：m)

5.3.4 二衬施作时机

高地应力软弱围岩隧道具有明显的流变性质，具有变形量大、变形速率高、持续时间长、支护结构受力大等特征，挤压荷载由围岩和衬砌结构共同承载。二次衬砌施做过早，会使结构承载过大而压溃；施做太晚，初期支护可能失稳甚至产生坍塌，因此二次衬砌的施做时机是现场急需解决和明确的问题。

乌鞘岭隧道施工时，通过现场科研试验，采用内控标准：二次衬砌施作时机在F7断层、千枚岩地段控制指标为3～5 mm/d，拆模时间确定为，按混凝土最低强度大于7.5 MPa和48 h双控制。施工过程中衬砌无开裂，运营多年结构状态良好。

根据兰渝铁路现场二次衬砌受力监测及稳定性分析，其二次衬砌施作时机为：变形速率(不小于7 d的平均值)双线≤2 mm/d、单线≤1 mm/d。兰渝铁路木寨岭隧道现场二衬施做时机统计如图22所示。

依据以上研究，提出挤压性围岩隧道的二衬施做规定：变形基本稳定应符合变形速率明显下降并趋于缓和；中小跨可按变形速率(7 d平均值)小于1 mm/d、大跨及以上可按小于2 mm/d执行。该标准已纳入《川藏铁路高地应力软岩隧道设计指南》。

图22 衬砌施做时变形速率按衬砌长度统计的分布情况

6 展望

挤压性围岩隧道变形治理为世界性难题，国内外在挤压性围岩修建了大量的隧道工程，积累了较为丰富的工程经验，但由于挤压性围岩的复杂性，挤压性变形问题仍比较普遍，目前的研究仍存在以下问题：

(1)挤压性围岩的变形机理仍需进一步研究：国内外学者已经对挤压性围岩变形力学机理进行了约一个世纪的研究，并已提出了围岩弹塑性力学的相应理论，但是由于高地应力岩石的复杂特性，挤压性围岩受到埋深、开挖、时间等因素的影响，其力学机理仍需进一步研究。

(2)治理方法研究：挤压性围岩隧道目前治理方法包括让压、硬抗、让抗结合等手段，但目前并未形成统一认识，究其原因是对围岩大变形灾害机理认识不够，尚未建立统一的围岩变形控制标准，并且对支护-围岩关系、支护体系作用机理缺乏理论性研究。

(3)锚固体系研究：以往隧道以砂浆、中空锚杆等注浆锚杆为主，锚固效果较差；喷射混凝土早期强度偏低，难以有效抑制围岩变形。为此，需对树脂锚杆等低预应力锚杆、锚索等锚固技术及喷射混凝土早期强度等进行深入研究。

因此，需要对挤压性围岩的变形机理、支护-围岩作用机理等进行进一步深入研究。