软岩隧道变形主动支护控制

第1章　绪论 1.1　问题的缘起 随着我国基础设施建设的飞速发展，隧道与地下工程大规模建设，“深”“长”“险”“大”已成为当前隧道工程的主要特点。特别在我国西南、西北部广大山区，高地应力环境以及复杂多变的地质条件，使隧道修建过程中软岩的大变形问题日益严重和突出。如南昆铁路家竹箐隧道、兰新铁路乌鞘岭隧道、兰渝铁路木寨岭隧道、成兰铁路杨家坪隧道、松潘隧道、317线鹧鸪山隧道等，都先后出现了不同程度的软岩大变形问题（图1.1-1），*大变形量达到1000～2000mm或以上，给工程修建带来了严重困难和极大安全风险[1]。而按照我国“一带一路”倡议和“八纵八横”战略，目前西部山区包括渝（重庆）昆（昆明）高铁、川藏铁路等在建及拟建的隧道工程总计长度将超过1000km，高地应力环境下的软岩隧道大变形灾害成为制约重大（点）工程顺利推进和建成的瓶颈和难题，研究软岩大变形隧道快速高效修建技术极为迫切。 高地应力软岩隧道开挖过程中因围岩自承载能力弱，自稳时间短，围岩常常出现变形速度快、变形量大、持续时间长等特点，开挖后若支护不及时或支护强度不足，极易出现过大的围岩变形而导致结构破坏甚至坍塌等风险。故为有效抑制软岩隧道开挖后快速发展的变形，保持岩体自承载能力，将围岩塑性区及松动圈保持在合理范围内，“及时强支护”体系在高地应力软岩隧道大变形处治过程中被广泛采用。所谓“及时强支护”包含两层涵义：一是隧道开挖后及早地施作支护结构；二是加大支护结构刚度，如采用加厚、二次甚至多次复喷的喷射网筋混凝土、间距更密的高强度钢拱架及施作更加厚实、配筋率更高的刚性二次衬砌（二衬）结构等[2]。在上述思想支配下，锚、喷、网和钢架、二衬等支护诸参数的设计标准都大大突破了各行业规范中的推荐值，典型如兰渝线上的木寨岭铁路隧道[3]，为应对施工中出现的大变形灾害，在岭脊段采用了含H175型钢钢架在内的4层初支+1层二衬共1.9m厚的复合式“强力支护”系统（图1.1-2）。 近年来，随着对软岩大变形隧道发生破坏机理与支护控制技术研究的深入，对衬砌结构与围岩间相互作用机制的认知亦逐步加深，以汪波教授为代表的国内外学者提出了“被动支护”的概念[4]：所谓“被动支护”是指依赖围岩产生向洞内的变形或破坏来“诱发”支护结构受力以抵御可能发生的各类灾害的衬砌。从上述认知出发，结合我国隧道中目前采用的初支+二衬支护模式，及由此模式衍生出的由喷射混凝土、钢拱架、系统锚杆与模筑混凝土组成的支护体系可以看出，上述支护构件若要发挥作用，均首先需要围岩产生相对的位移，否则各构件难以发挥支护效应。因此，现行软岩大变形隧道中“强力支护”是由“全被动”常规支护构件组成的全被动支护模式。 在软岩隧道中，上述“强力被动支护”虽在一定条件下能抑制围岩产生的变形，并控制围岩松动圈的发展，暂时抑制了隧道洞室局部范围因变形失稳而塌方，但随着软岩隧洞开挖过程中围岩应力的过度松弛而大范围地释放，岩体因持续大变形而呈非线性流变的特征，以及遇水后表现出体胀和失水则崩解离析等软岩不良地质缺陷特性，其围岩形变荷载将会随历时而持续加剧增长，支护体系的受力和变形亦会随之急剧发展增大。由于“实时强力被动”支护体系无法及时主动加固围岩、快速提高或调动岩体尤其是深部岩体承载能力，故以其为理念的强支护措施在处理较大的隧道变形时，因抑制了岩体形变能的释放反而诱发了更大的围岩压力，导致支护结构处于极高的不利受力状态，经常出现普通刚性锚杆因不能适应围岩的挤压变形而被拉断失效，钢拱支架因受压荷过大而产生受压折弯、扭曲或剪断，喷射网筋混凝土开裂掉块、保护层剥落露筋，以及二衬严重开裂等工程事故（图1.1-3），而围岩因过度变形而大范围地“侵限”更十分常见。传统的“全被动”强力支护模式及其设计理论在高地应力软岩隧道建设中受到了极大的挑战，基于新型理论下的全新支护体系亟待提出。 根据隧道力学可知，洞室开挖打破了原有的围岩地应力平衡关系，导致洞壁切向应力急剧增大，径向应力急剧降低（基本为零）［图1.1-4（a）］，此时，洞壁围岩由原始的三维应力状态转变为二维应力状态，也即径向约束得到了解除。而对于强度低、性状差的软弱岩体而言，随着隧道开挖过程中岩体径向围压的减小或解除，岩体物理力学性能将逐步降低，岩体状况将逐步恶化，从而导致围岩自承能力迅速减弱，洞周岩体很快进入塑性状态，*终形成过大的松动圈而诱发大变形及坍塌等风险［图1.1-4（b）］[4]。 因此，处于高地应力状态下的软岩隧道洞室开挖后，为消除因洞壁周边约束解除而造成的高应力差及带来的岩体力学性状恶化问题，需主动快速地对洞壁施加径向支护力p（图1.1-5），以部分恢复洞壁径向应力，同时使洞周围岩的受力环境尽早恢复到三维应力状态，进而达到快速主动地减小高地应力隧道中洞周应力差、抑制裂隙的扩展贯通及宏观破裂面的形成、提高围岩物理力学性状及其自承能力的目的。图1.1-6为主动支护下的围岩应力变化。 基于上述认知，国内外相关学者提出了高地应力隧道中关于“主动支护”的明确定义与内涵[4-6]：所谓“主动支护”，是指在隧道开挖后，对洞室周边及时施加一预应力支护，以改善洞周应力状态及一定深度范围内围岩的自承能力，进而实现抑制或防止软岩隧道大变形发生的目的。故此，在当前我国软岩隧道中，不能一味地采用刚度大、支护强、造价高的“被动支护”手段以达到抑制大变形发生的目的，包含以砂浆锚杆为主体的全长黏结型锚杆在内的“全被动”支护模式应加以改变。 鉴于此，以国内典型高地应力软岩隧道为工程依托或示范，以快速改善围岩受力状态和“调动”围岩自承能力的“主动支护”理念为指导思想，开展以新型预应力锚固系统为核心载体的软岩隧道主动支护变形控制理论研究及其技术实践，以期揭示主动支护体系作用机制与承载机理，实现预应力“主动支护”作用下软岩隧道洞室稳定、灾变可控、结构安全与造价节约等多重并举的目的。 自20世纪初首例严重的交通隧道（辛普伦I线隧道）软岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生围岩大变形灾害的事例屡见不鲜。国外如日本的惠那山隧道、奥地利的陶恩隧道和阿尔贝格隧道等都是典型的软岩大变形灾害工程案例。国内如青藏线上的关角隧道、宝中线上的大寨岭隧道和堡子梁隧道、南昆线上的家竹箐铁路隧道、兰渝线上的木寨岭铁路隧道等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建设造成极大的困难，也给隧道设计、施工带来了一系列问题。为此，国内外众多学者针对软岩隧道支护技术方面开展了众多系列研究，并从软岩岩体特性及隧道变形机理等方面入手，先后提出了软岩隧道中“强力被动支护”、“让压支护”及“（预应力）主动支护”等三种主要支护理论[7]。 1.2.1　强力被动支护理论及其存在的问题 所谓“强力被动支护”包含3个方面内容： 其一，采用的支护理念为硬（支）抗，即力求以“高强支护力”抵抗围岩形变压力，实现对断面变形的成功控制。 其二，采用的支护技术措施为被动型式，即常规喷射混凝土、型钢拱架、砂浆锚杆和模筑二衬（钢筋）混凝土等，并形成了全被动式的支护体系。 其三，在施工上要求“快挖快支”，尽快闭合支护体系，二衬常紧跟围岩掌子面。 强力被动支护的核心思想正如王梦恕院士指出的那样：“隧道开挖后应及时施做锚喷支护，及早给围岩施加一定量的围压，以期尽早提供较强的支护阻力，决不允许过多的释放，在软岩大变形隧道中寻找*佳支护点是错误的”。总体而言，强力被动型支护措施仍是目前软岩隧道大变形处治过程中的首选。如日本惠那山隧道Ⅰ线采用了厚度高达1.2m的初支及二衬+两层型钢拱架的强支护体系；Ⅱ线海夹石断层带也同样采用了极强的支护措施。国内兰渝铁路线上两水隧道为遏制大变形的产生和发展，亦采用了双层初支（喷射混凝土30cm+20cm，型钢拱架型钢钢架）+二衬（拱墙60cm、仰拱70cm）和初支（喷射混凝土30cm，型钢钢架）+双层二衬（50cm+30cm，C45钢筋混凝土）的强支护手段。 但是，正如前述分析那样，“强力被动支护”体系由于约束了围岩的变形发展，岩体形变能得不到有效释放，在大尺度变形的软岩隧道中反而诱发了过大的围岩压力，使得支护结构处于极为不利的高应力状态，以“硬扛”模式形成的强力刚性结构在形变量较大的软岩隧道中出现不同程度的各类工程灾害问题几成常态！现今的软岩隧道在强力被动支护下呈现如下突出特征： （1）软岩变形段基本都采用极强的被动承压支护手段进行控制，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）发生时极易产生前述的如喷射混凝土开裂、剥落，锚杆拉断，以及钢拱架扭曲等破坏，如惠那山Ⅰ线隧道、杜家山隧道等。 （2）为控制变形发展及预防塌方风险，大变形段二衬及时跟进。我国隧道二衬施作普遍采用现浇模筑混凝土工艺，受其限制，二衬浇筑后需经一定时间的养护才能满足设计中提出的强度要求，进而实现较好的承载目的。但软岩隧道中过早地施作二衬，导致其早期强度未达设计标准时，围岩形变压力就已作用上来，从而诱发新建隧道二衬开裂进而影响后期承载的现象，如杜家山隧道[8]、同寨隧道[9]等（图1.2-1）。 1.2.2　让压支护理论及其存在的问题 近年来随着软岩隧道建设过程中各类灾害问题的大量出现，传统“强支硬顶”治理思维模式受到了越来越多的质疑。基于“先抗后让”“边抗边让”“抗让联合”特点的让压支护理念被业内学者提出，该理念汲取了及时强支护及双层支护的核心思想，即在原有的“及时支护”“强支护”的基础上增加了“让压支护”的功能（图1.2-2）。 所谓让压，是要求在保持支护结构恒定承载力的条件下，允许其产生一定的位移量［图1.2-2（a）中的让压段］以释放部分围岩压力及动荷载作用时积聚的能量，待让压量释放完毕后，结构随变形的进一步加大而持续承载直至破坏，以达到充分发挥围岩的自承载能力、优化支护受力、保障隧道稳定安全的目的。让压支护理念正如孙钧院士在《地下工程设计理论与实践》一书中指出的那样，对于软岩大变形地下洞室，支护结构应具备强柔性、高可缩性、边支边让、支护结构后期的增阻性及经济性和施工的便利性等特点。 关于让压支护技术在地下工程中的研究，主要集中在喷射混凝土、钢拱架和锚杆上，其中隧道工程中以喷射混凝土和钢拱架的让压为主，主要存在两类方式： （1）其一为在环向支护构件中融入高压缩性元件，如FFu元件、Meypo元件、Wabe元件、屈服应力控制器和限阻器等，典型工程如：①都灵（意大利）至里昂（法国）Base隧道Saint Martin La Porte段[11]，隧