基于让压原理的支护技术在软岩大变形隧道中的应用探讨

基于让压原理的支护技术在软岩大变形隧道中的应用探讨

摘要：随着隧道工程向长、大、深埋方向发展及向西部高烈度震区的穿越，高地应力及震区环境下的软岩大变形灾害问题日益凸显，如何有效应对上述灾害成为业界亟待解决的难题之一。文章通过对当前软岩隧道变形特征及处治措施的分析入手，剖析了当前当前软岩支护中存在的问题，提出了基于让压原理的软岩大变形支护设计理论与方法，并据此建立了新型的让压支护体系。从让压支护体系中让压锚杆的基本作用机理出发，对让压支护系统的各组成构件、关键技术等问题进行了深入探讨，指出了让压支护技术的下一步研究方向。

关键词：软岩隧道，让压；大变形；支护体系

Discussion on Application of Yielding Supporting Technology for Large-Deformation in Soft Rock

Tunnel

WANG B2，WU Dexing3 XUJinqiang1

(1. Pumped storage engineering center of ZheJiang province Hangzhou, 310014; boratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest

Jiaotong University, Chengdu 610031；3. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research，Hangzhou, 310006)

Abstract: As the tunnel to be longer and deeper , crossed the high intensity earthquake zone in the west, the large deformation of soft rock in high geostress and earthquake zone is increasingly prominent. How to effectively cope with these disasters is one of the problems urgently to be solved .

Analysis on the deformation characteristics and processing measures of soft rock tunnel, point out the current problems existing in the soft rock supporting system, then proposed the design theory and method of large deformation in soft rock based on the principle of yielding support, and established a new type of yielding support system. Based on the yielding bolt’s mechanism in yielding support system, deeply discussions about the various components and key technologies of the yielding support system, and so on, then put forward future research direction of yielding support technology .

Key words：soft rock tunnel ;yielding support ; large deformation; supporting system

1 问题的提出

在我国西部山区，分布有大范围的软岩地层，其中千枚岩的分布极为广泛，如兰新铁路线上的乌鞘岭隧道[1]、在建兰渝铁路线上的木寨岭隧道[2]、纸坊隧道；四川省境内318线上的鹧鸪山隧道[3]及5.12强震区内在建的广（元）甘（肃）、汶（川）马（尔康）等多条高速公路隧道等[4]。

该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点，加之近年来随着隧道向长、大、深埋方向的发展，穿越高地应力、高烈度区软岩隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了隧道施工及运营安全。

根据对已有大量软岩隧道的现场监测资料分析表明[5]：该类隧道施工过程中，因围岩自承载能力弱，自稳时间短，导致开挖后应力调整阶段围岩变形速度快、变形量大，且应力调整阶段完成后，在应力相对稳定状态下围岩蠕变变形量较大，故积累的总变形量也较大，一般均大于200mm，有的可达500mm，甚至在1000mm以上；而处于高烈度区的软岩隧道除受隧道开挖后应力的调整影响外，施工中的爆破振动及地震或后期余震的动力影响也将可能进一步加大围岩-支护的变形量进而诱发风险，典型的案例如穿越5.12核心断裂带的广甘路杜家山隧道[6]，在余震作用下软岩变形突然增大进而诱发了新的塌方（图1）。

图1 余震引起的塌方及衬砌破坏

截至目前，铁路、公路隧道虽出现了大量的软岩大变形问题并开展了相关研究，但并未形成一套行之有效的技术保障体系。而支护方式的选择受到诸多因素的限制，长期以来大多采用强支护以达到抑制变形的目的（如表1）[7-12]，支护参数的设计往往突破了《铁路隧道设计规范》或《公路隧道设计规范》中推荐值。如乌鞘岭隧道大变形段采用45cm厚的初期支护，80cm后的二衬等大刚度支护措施[1,12]；广甘路上的软岩隧道，同样采用了刚性极强的支护参数[13-14]。而支护方式及工艺材料方面大多采用常规的传统模式，即喷砼+普通刚性锚杆+钢拱架联合支护。但软岩隧道随着开挖过程中应力的逐渐释放，岩体的持续流变以及遇水后表现出的膨胀等特性使得围岩形变及荷载持续增加，支护体系的受力逐步增大，同时处于高烈度震区的软岩隧道围岩-结构还将可能受到地震等动力荷载的附加作用，采用的强支护措施往往难以抑制持续增长的形变压力，对于普通刚性锚杆常因不能适应围岩的变形而被拉断失效，钢拱架因受荷过大而产生扭曲或剪断，喷射砼出现开裂等现象（图2），传统的支护方式及工艺在日益复杂多变的工程中受到了极大的挑战，基于支护材料及其工艺更新的新型支护体系亟待提出。

（a）初衬开裂（b）钢拱架扭曲变形

图2 软岩大变形强支护后破坏图

因此，对于软岩大变形隧道应改变传统的“强支硬顶”治理思维模式，不能一味的采用刚度大、支护强、费用高的支护手段以抑制围岩的变形[15]，而应在施工过程中及时进行支护以控制围岩早期变形的同时，让围岩的形变能得以适当释放，这就要求支护体系除能提供较高的支护阻力外，还应具有一定的延伸性以适应变形的需要，此处要求的延伸性不是以削弱支护体系的设计标准，降低支护体系的承载能力为代价，而是要求支护体系自身在保持恒阻的条件下，通过设置特殊的让压装置来实现。考虑到锚杆在大变形隧道支护体系中是极为重要的也是易于破坏的承载单元，因此，本文以其为切入点，从对新型让压锚杆的基本原理分析入手，通过对软岩隧道大变形破坏特征及现行支护体系特点的探讨，提出基于让压原理的新型支护体系及其设计方法，成果有望为我国大变形软岩隧道的支护设计开辟新的蹊径。

表1 国内外典型软岩大变形隧道支护措施统计