高地应力软岩大变形隧道支护结构设计研究

2020年11月铁路工程技术与经济第35卷第6期

高地应力软岩大变形隧道支护结构设计研究

刘喆

(中国铁路经济规划研究院有限公司，北京100038)

摘要：高地应力软岩大变形是复杂地质环境下铁路隧道修建过程中亟需解决的技术难题。文章探讨了现阶段高地应力软岩大变形隧道支护的主要型式，通过能量法理论，验证了分层支护和让压支护的设计合理性。依据“先让再抗后刚”等支护理念，重点研究了让压支护技术在隧道设计中的应用前景，为同类地质条件下大变形灾害的预防与治理提供借鉴。

关键词：高地应力；软岩大变形；分层支护；让压支护

中图分类号：U25 文献标识码：A文章编号：1007 -9890(2020)06 -0006 -04

Study on Supporting Structure Design of Tunnel

with High Ground Stress Induced Large Deformation in Soft Rock

LIU Zhe

(China Railway Economic and Planning Research Institute Co, Ltd. Beijing 100038, China)

Abstract： Large deformation in soft rock under high geo - stress is a technical problem to be solved in the process of railway tunnel construction under complex geological environment. This paper discusses the main types of tunnel support under high ground stress induced large deformation in soft rock at present.

Through the theory of energy method, the rationality of layered support and yield support design is verified. According to the support concept of 4 release initially, resist then and become rigid at last *, the paper focuses on the application of yielding support technology in tunnel design. It provides reference for the prevention and treatment of large deformation disaster under similar geological conditions.

Key words：High ground stress；Large deformation in soft rock ；Multi -echelon support；yielding pressure support

〇引言

随着我国中西部铁路建设的快速推进,以川藏 铁路、滇藏铁路等为代表的高原铁路建设成为了铁 路工程建设技术发展的高地之一，而高原铁路建设 将不可避免的大量修建超长深埋隧道。由于西部高 原及其边缘地区受青藏板块、扬子板块、华北板块和 塔里木板块的挤压作用,易于形成高地应力区，并经

收稿日期:2020-07 -15 ;修回日期：2020-10 -29

基金项目：国家铁路局科研课题（K F2019-016)

作者简介:刘喆（1988 -),男，工程师，工学博士，2018年毕业于北京交通大学桥梁与隧道工程专业，现主要从事铁路隧道技术标准管理及相关科研工作。E m a il :455402519@ q q. com 常引发岩爆、大变形等相关地质灾害，为隧道修建带 来了极大的挑战。

1高地应力条件的认识

由于岩体的复杂性和各种地质因素的影响，对于高地应力条件国内外还未形成统一认识。在 工程实践中，一般认为初始地应力在2 030 M Pa以上为高地应力。法国隧道协会、日本应用地质协 会和我国国家标准《工程岩体分级标准》等则采用 岩石单轴抗压强度和最大主应力的比值（即岩石 强度应力比）来划分地应力级别见表1。这样划分 和评价的实质是反映岩体承受压应力的相对能力。

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2020年1丨月铁路工程技术与经济第35卷第6期

表1地应力分级方案

极高地应力高地应力一般地应力法国隧道协会22〜44我国工程岩体分级标准44〜77

曰本新奥法设计施工指南

(19%年）

24~66

2理论分析

围岩大变形是围岩体在地应力以及地下水活动 等环境条件下，围岩岩体的一种变形破坏现象，其实 质是围岩自承能力的丧失或部分丧失，变形得不到 有效的约束，围岩发生的塑性变形，使围岩支护不同 程度的遭到破坏[2]。由此可见，隧道开挖引起的围 岩大变形，将伴随着岩体能量的释放，若要使围岩在 隧道开挖及支护后达到尽可能的稳定状态，则必须 降低围岩重新积聚能量的能量值。根据能量守恒理 论，隧道开挖与支护间的能量转化关系为：

w, +U m^uc + wr + w n + w f(1)式中为岩体内应力因开挖隧道而做的功；％为隧道开挖出的岩体释放的应变能；R为围岩内部重 新聚集的弹性能；％为洞室开挖过程中损失的弹性 能;％为围岩损失的非弹性应变能；％为支护结构 吸收的能量。

隧道开挖后，岩体发生黏性、塑性、脆性破裂现 象，导致围岩发生局部破坏，围岩将损耗能量％、%，并重新积聚一部分能量支护将吸收一部分能量％。由于围岩性质是固有属性，当隧道形式确 定后，及％可以近似认为是不变的，由此 可知：

Uc +Wn const(2)

基于公式（2)的围岩能量转化认识基础上，可 据此对隧道支护结构进行合理设计，通过适当提高 围岩损失的非弹性应变能％和支护结构吸收的能 量％,从而减小围岩重新积聚能量％,尽量保持围 岩的稳定。但％为非弹性损耗功，围岩大变形会 引起松散压力过大，故％的增大应限制在一定范 围内。因此，降低应考虑主要提高％。

3高地应力隧道支护技术

近年来，大量的工程实践[3<表明，软岩大变形 隧道隧道在修建过程中，隧洞开挖引起高地应力释 放,导致支护变形、弯曲，甚至断裂等破坏现象。高 地应力软岩隧道围岩变形量大，并且在开挖后的变形初期，挤出速率非常快。上述软岩大变形隧道特 点在国外的奥地利陶恩隧道、日本惠那山隧道[3],我国青藏线上关角隧道:4]、川藏公路二郎山隧道51、成兰铁路茂县、杨家坪、云屯堡隧道x、大瑞 铁路高黎贡山隧道[9]、兰渝铁路木寨岭隧道:1°]等工 程都出现了类似的围岩大变形现象，给隧道施工及 支护带来了极大困难。为此,外众多学者针对大变 形软岩隧道工程进行了一系列理论和试验研究。夏 才初1U基于Hoek - Brown强度准则，在隧道支护设 计分析过程中，通过考虑围岩的应变软化特征，提出 围岩非线性力学响应的求解方法;杨忠民[12)等基于 收敛-约束原理，分析初支及临时钢支撑影响下围 岩受力及变形情况，研究确定大变形隧道初支处治 时机;张德华[13]基于围岩-支护特征理论,提出了软岩大变形隧道合理的支护形式。以上研究成果对 于工程设计及施起到了一定的指导作用。但由于地 质环境复杂性、多变性的存在,各类理论模型和设计 方法均存在一定的局限性。目前，针对大变形隧道 支护设计，国内外有多种设计方法。总结来看，可分 为三种：及时强支护（常规支护）、分层支护、让压 支护。

3.1及时强支护

及时强支护设计理念为：在隧道开挖后立即施 做支护结构，通过设置高强度钢拱架、提高喷射混凝 土厚度等设计措施加大支护结构刚度。是早期“强 支硬顶”的支护设计理念的体现。及时强支护设计 在实际应用过程中，由于形变压力过大，导致支护结 构承载能力不足情况常有发生,造成支护受压变形、扭转弯曲，甚至出现破坏失效的严重后果。从而导 致围岩收敛过大，隧道轮廓侵入净空等问题，影响施 工安全和进度。根据前述理论分析的结论，及时强 支护将使围岩损失的非弹性应变能％大幅降低，导致围岩重新积聚能量与支护结构吸收的能量％ 之和较高。同时，传统支护结构刚度大，吸收能量后 在刚性体内积聚，容易导致整体结构失效。

3.2分层支护技术的应用

分层支护是指在隧道支护结构设计中，初期支 护分为两层或多层施做，第一层多采用刚度较小的 支护措施,释放围岩内部积聚的形变能，降低围岩压 力。围岩收敛到一定程度后，再施做第二层支护。如有需要，可依此方法进一步施作多层支护,最终使 隧道硐室保持稳定状态。双层支护设计的理论基础

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