高原隧道建设中的大变形支护原理及施工技术

张锦松

（中铁一局集团有限公司第三工程分公司，陕西 宝鸡 721000）

1 工程概况

神座隧道位于阿坝县神座乡，隧址区属高原山地地貌，山体呈近南北向展布。进口段位于山体斜坡地带，进口与神座分离式立交相接，地表覆盖薄层粉质黏土、较厚层角砾，下伏为强风化-中风化变砂岩与板岩互层，出口段位于高阶地，与神座1号大桥相接，地表覆盖较厚层粉土、角砾，下伏为强风化-中风化变砂与板岩互层。隧道总体走向为124°，隧道测设里程为左线Z2K74+760—Z2K80+324，隧道长5 564m，属特长隧道，最大埋深约357m，进口设计高程为3 175.54m，出口设计高程为3 206.40m；右线K74+798—K80+347，隧道长5 549m，属特长隧道，最大埋深约357m，进口设计高程为3 176.22m，出口设计高程为3 206.45m。

2 隧道不良地质情况

神座隧道洞身围岩主要为变砂岩与板岩互层，局部段落岩体单轴饱和抗压强度为7.62MPa，受隧道埋深、地应力影响，在K75+380—K75+600（Z2K75+360—K75+580）, K76+250—K77+980 （Z2K76+230—Z2K77+970）标段，该隧道埋深超过252m，根据详勘阶段钻孔的地应力测试结果，该标段有可能产生Ⅰ级轻微大变形。这些标段开挖、支护时，应加强隧道的初期支护施工控制和工序衔接。严格按照设计要求施工，并根据实际地质条件采取超前水平钻探及超前地质预报，必要时实施超前应力释放措施。

3 大变形支护理念

3.1 限阻耗能支护原理

受线路、地形、地质等因素的限制，隧道建设中遇到大变形问题难以避免，我国已经在大量的隧道工程实践中积累了丰富的软弱围岩隧道大变形治理经验，但软弱围岩隧道的支护理论与施工方法依然不够成熟，一旦遇到严重大变形，施工总是在循环往复的支护“施作-破坏-拆换”过程中缓慢推进，软弱围岩大变形依旧为整条隧道甚至全线的控制难题之一。

围岩压力会随着变形逐步得到释放，在高地应力软弱围岩环境隧道施工中，若围岩变形达不到一定程度，围岩压力就无法降低到现有支护材料的可支护能力水平，但也不能过度释放、无条件释放，否则围岩强度无法得到利用。故大变形隧道要注重“放”，同时注重“抗”，支护设计需要在“放”和“抗”之间找到平衡点，有控制地进行围岩压力释放。解决隧道大变形支护破坏问题的关键在于处理围岩压力与围岩变形的关系，能量为力与变形的乘积，隧道大变形问题实际是能量问题。隧道开挖前，围岩处于三轴受力状态，可储存大量弹性应变能，开挖后，围岩侧向压力解除、抗压强度降低，从而储能能力降低，加之开挖后的应力重分布导致了围岩能量聚集，围岩中就存在了剩余的能量，需要得到释放。剩余能量的释放由支护和围岩共同承担，软弱围岩发生延性破坏，剩余能量大多会随着围岩塑性变形得到耗散，围岩变形量越大，塑性应变耗能越高，远超支护的吸能水平，故在隧道大变形条件下，支护不需要具有太高的吸能水平，而要具有较高的耗能水平。支护的耗能水平是指支护可以与围岩协同发生大行程变形，利用围岩的峰后性能，围岩自身充分耗散剩余能量，无论支护是低刚度型高恒阻型还是低恒阻型，只要能限制支护阻力，不让其结构内力超过自身极限承载能力且支护阻力不小于最小支护阻力，并实现大幅变形，充分释放围岩压力和耗散剩余能量，都可称为限阻耗能型支护。

3.2 大变形隧道能量设计法

3.2.1 能量法设计思路

根据相关研究可知：坍落拱不是普遍存在的，特别是已开挖成拱形、又有支护提供抗力时，深埋隧道拱部围岩往往不会形成坍落拱，支护承受的是形变压力，非坍落拱荷载。围岩特征曲线是一条曲线，形变压力会随变形而减小。

当判定隧道为大变形隧道时，一定围岩条件下，某一洞室达到稳定的能量是一定的/恒定的，为一常数。因此，可以采用能量法进行设计，其理论公式如下：

式（1）中：W为能量做功（J）；F为作用在物体上的力（N）；S为物体在这个力的方向上移动的距离（m）。

由式（1）知，当能量一定时，力和位移的组合是无穷多组解。按强度设计的理念往往是增加结构截面厚度、刚度，该时会造成结构承受较大的内力，只产生较小的位移，不经济。

因素混凝土、钢筋混凝土等形成的结构均是小变形、大刚度的结构，必须通过改进，结合运用新结构、新材料等形成的新型结构来满足大变形隧道的需求，采用限阻支护体系便是行之有效的方案之一。

3.2.2 限阻器的工作特征

从结构组成来看，限阻器以竖向限阻钢板、上下连接钢板为基础材料，以焊接的方法构成。从受力的角度来看，具有阶段性的特征，具体做如下分析。

第1阶段：弹性变形阶段。随着变形的发生，压力具有线性增加的变化特点，此阶段竖向限阻钢板虽然存在弯曲但程度轻微，变形量相对较小。

第2 阶段：屈服下降变形阶段。随着变形的发生，压力具有下降的变化特点，可见此时的竖板存在异常，即开始屈服且有较大幅度的弯曲变形。

第3 阶段：屈服残余变形阶段。随着变形的发生，压力并不改变，可以发现此过程中竖板中间有明显的弯曲现象，观察焊脚部位可见其反弯。

第4阶段：压实变形阶段，随着变形的发生，压力有迅猛增加的变化，可见钢板形态明显异常，上下反弯点开始接触，并伴有一定程度的限阻器被压实的问题。

3.2.3 限阻耗能型支护的应用优势

围岩压力不是定值，而是与围岩变形量相关的曲线，与支护刚度和支护时机有很大关系。围岩在形变压力作用下，单纯增加支护刚度，围岩压力也会增大，大多数条件下强大的联合支护手段仍不能够抵抗围岩的形变压力。如果增大预留变形量，或降低支护刚度，允许围岩释放一定的形变压力，初期支护受力会相应减小。

大变形隧道支护主要有着以下三种思路：

（1）多挖多支：采用强大的联合支护手段抵抗围岩的变形，直至反复拆换支护多次，围岩能量释放完成后隧道变形才得以控制，不仅仅造成了材料浪费，而且也会严重影响工期，不具有经济性。

（2）少挖多支：提升支护刚度，采用强支硬顶的模式，虽然能够取得一定效果，但造成了材料的大量浪费，大幅提升工程造价，不具有经济性。

（3）多挖少支：增大预留变形量，或降低支护刚度，允许围岩释放一定的形变压力，初期支护受力会相应减小。可以降低支护参数，具有显著的经济性。

当前大变形隧道现场常用的方式为“多挖多支”，而且大多数场景下还需要多次拆换。可见“以放为主，限量抵抗”的支护原则，引入限阻耗能型支护，实现多挖少支，在保障安全性的情况下降低成本，有着很大的技术经济优势[1-2]。

3.3 大变形治理方案

为了适应现有施工水平，限阻耗能型支护是指在原设计的初期支护上增加径向限阻器和环向限阻器。在初期支护外侧增加具有恒阻功能的径向限阻器，在初期支护环向设置环向限阻器。环向限阻器在工作前期限制结构内力，使结构内力在达到一定水平时不再增长，以保护钢架和喷射混凝土不受破坏，并通过大行程的压缩变形释放围岩压力，最终达到预定目标后压实或封闭限阻器，支护又变回刚度和强度均较大的刚性结构，为后期的稳定工作提供安全储备。径向限阻器通过在二衬完成后持续工作，减少围岩变形带来的围岩压力。

根据隧道具体的变形情况，通过非对称开挖和非对称支护解决偏压大变形，使用限阻器技术可以系统性解决目前支护侵限、破坏、套拱、换拱等技术困惑。一次性通过，不拆拱、不套拱、不换拱，安全高效。如图1 所示，在处理大变形时初支可以采用统一规格的支护参数，通过设置径向限阻器适应不同的大变形情况。

图1 限阻器设置情况

4 限阻器施工技术

4.1 限阻器施工要点

4.1.1 施工安全性分析

经过前期的变形，二次衬砌施作时初支变形基本达到收敛状态，通过限阻器的配置可增强初支结构的柔性，因此允许该结构有所变形，围岩形变压力释放，减小力的不良作用。二次衬砌施工前，用混凝土填充限阻器，在材料的包裹下阻尼钢板变形受到约束，并纵向将钢架形成连接约束，此时能够构成相对完整、稳定的初期支护。由此看来，限阻器和钢架的受力必须得到有效的控制，在受力状态良好的前提下能够保证运营期间的安全性，给隧道的正常使用提供保障。但限阻器施工要点较多，施工期间可能存在施工风险，因此必须依据规范加强检测，一旦发现问题则及时处理。

4.1.2 检测技术

仪器可选用三维激光扫描仪，由专员操作，用该仪器检测初期支护，判断其是否存在变形，若有则进一步判断具体的变形程度。加强超前地质预报，通过此方式掌握掌子面前方的地质条件，予以有效处理。根据实测结果判断初期支护的实际情况，若其变形速率在2～3cm/d，增加观测频率，及时掌握实际情况；实测值超3cm/d 时采取处理措施，阻止变形的发生。限阻器的压缩变形限值为15cm，达到该值后随即喷射混凝土，以有效封闭。拱腰部位环向限阻器有明显变形现象时，将影响拱部初期支护结构，导致其遭到破坏，针对此状况，可对拱墙施作套拱，增强稳定性。

4.1.3 限阻器安装要点

在初支左右拱腰22.5°设环向限阻器，以Q235B钢为原材料制作限阻钢板。布置好的环向限阻器与型钢架需稳定连接，为此采取螺栓连接的处理方法，并沿纵向用钢筋焊接，形成整体[3]；在组织混凝土喷射前，于限阻器背后放置防水板，向限阻器空隙内注沥青（以1/3 为宜），其他部位均用土工布填满，此处理方法可避免混凝土喷入其中，待混凝土喷射工作完成后，取出预先填塞的土工布。二次衬砌施工前，清理限阻器钢板的松散料，确认该部位保持洁净后喷混凝土。对于压缩量超限的情况，可针对背后不密实部位做注浆处理，材料选用φ42×3.5 无缝钢管，注浆压力为0.5MPa。施工期间加强结构位移监测，若实测数据存在异常则分析具体的原因，妥善处理。及时检测环向限阻器压缩变形量，完整记录信息。为了保证检测结果的可靠性，合理设置限阻器断面至关重要，宜布置在拱顶、边墙、拱脚处，做全面的监测。此外，围岩压力、初支内力也是重点监测对象。若发现拱部初支明显受损，需对拱墙施作套拱，做加强处理。

4.2 施工安全措施

用土工布封堵竖向钢板间的空隙，保证严密性，以免后续喷射施工时混凝土进入其中（若存在此情况将抑制限阻器的性能）。待下一循环初期支护施工时，取出预先设置的土工布。

加强对限阻器和初期支护变形的监测，若实测结果显示限阻器压缩量超出许可范围，以喷射混凝土的方法填充竖向钢板的空隙，必要时可辅助应用小导管注浆的方法，全面保证初期支护的稳定性。

5 结语

在隧道工程中，受施工的扰动性影响，加之围岩自身性能欠佳，可能诱发地质灾害，严重影响工程的正常施工。作为施工单位，需要加强对隧道围岩变形的分析，采取有效的支护措施，全面保证围岩稳定性。其中，限阻耗能型支护技术具有突出的应用优势，对于维持围岩稳定状态而言大有裨益，可将其灵活推广至隧道工程中。