高原隧道建設中的大變形支護原理及施工研究

楊銳

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100071）

1 引言

在高原隧道建設施工中，變形問題時有發(fā)生，為施工安全帶來不利影響。以往隧道項目施工變形控制中，施工方普遍采取支護方案并做好施工面監(jiān)測。新時期，隨著施工理念與技術(shù)的發(fā)展，升級支護施工技術(shù)、做好施工質(zhì)量控制變得十分重要。研究指出，在高原隧道項目施工全過程中，采取大變形支護方案效果理想，不僅能提升施工質(zhì)量，而且可減少變形發(fā)生概率，使項目施工水平達到合同要求。本文在分析大變形支護原理的基礎(chǔ)上，明確變形支護施工步驟，以確保項目施工質(zhì)量達標，促進建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2 項目概況

CZ 三期項目為高原隧道施工，隧區(qū)內(nèi)微地貌主要表現(xiàn)為高中山構(gòu)造侵蝕，河流階地地貌，地面標高3 970～4 430 m，相對高差200～500 m，自然坡度15°～50°，地形起伏較大，隧道最大埋深約402 m。隧道全長4 289 m，為單洞雙線隧道（見圖1）。

圖1 項目施工現(xiàn)場

3 大變形支護原理

現(xiàn)階段，我國多數(shù)施工單位已積累大量治理隧道圍巖大變形的經(jīng)驗，但對支護原理、施工要點的研究相對有限。隧道建設極易被地質(zhì)、線路和地形因素影響，進而出現(xiàn)變形情況（見圖2），由此可見，圍巖壓力與變形程度密切相關(guān)，建設高原隧道時應嚴格控制圍巖變形程度，一方面要避免變形程度不足導致圍巖壓力過高；另一方面要避免過度釋放，致使圍巖強度難以得到充分利用[1]。換言之，隧道建設期間，施工方應將“放”與“抗”放在同等位置上，結(jié)合現(xiàn)場情況確定二者的平衡點，由此達到對壓力釋放進行科學控制的目的。

圖2 隧道變形

綜上，要避免支護被破壞，需準確掌握圍巖壓力與變形程度之間的關(guān)系。正式開挖隧道前，圍巖多處于三軸受力狀態(tài)，彈性應變能儲量極大。開挖過程中，圍巖所承受側(cè)向壓力逐漸消除，與此同時，其儲存能量的能力隨抗壓強度的下降而降低，受應力分布影響，將有大量能量聚集于圍巖表面，圍巖內(nèi)部所存儲能量持續(xù)增多，只有盡快釋放剩余能量才能避免圍巖質(zhì)量受到影響[2]。研究發(fā)現(xiàn)，圍巖、支護均需參與了釋放能量的過程，釋放剩余能量導致圍巖受到延性破壞，多數(shù)能量均會被塑性變形所影響而耗散。考慮到應變耗能與圍巖變形程度的關(guān)系為正相關(guān)，且其取值通常會達到或超過支護所能吸收能量的上限，故在本項目中，施工方應重點關(guān)注支護所具有的耗能水平，而非傳統(tǒng)觀念所認為的吸能水平。上文提及的耗能水平指圍巖、支護的變形程度，圍巖可憑借峰后性能將剩余能量耗散，無論是常見的低恒阻支護，還是新型高恒阻支護，均應對支護阻力加以限制，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力始終在支護所能承受的范圍內(nèi)，且支護阻力在預設最小阻力值以上。

4 大變形支護施工步驟

4.1 確定施工方案

實踐表明，多數(shù)完成開挖且有支護作為支撐的隧道均不會出現(xiàn)坍落拱現(xiàn)象，此時，支護結(jié)構(gòu)所承受力與形變壓力相等，坍落拱所產(chǎn)生的影響可忽略不計。對大變形隧道而言，在圍巖條件確定的情況下，洞室內(nèi)部能量往往不會出現(xiàn)明顯變化，因此，除特殊情況外，均可通過能量法制訂設計方案，相關(guān)公式如下：

式中，W為圍巖內(nèi)部的能量，J；F為圍巖所承受的力，N；S為圍巖受力作用所移動距離長度，m[3]。

對式（1）進行分析可知，若能量固定，則位移、力存在無窮解，傳統(tǒng)理念更傾向于更改結(jié)構(gòu)剛度或厚度，該做法將增加結(jié)構(gòu)所承受力的大小，不具備良好的經(jīng)濟性。考慮到鋼筋混凝土和素混凝土結(jié)構(gòu)均具有剛度大、變形小等特點，故施工方?jīng)Q定放棄傳統(tǒng)方案，使用新材料及新結(jié)構(gòu)，由此獲得與大變形隧道需求相符的全新結(jié)構(gòu)，即限阻支護體系（見圖3、圖4）[4]。

圖3 限阻器左側(cè)偏壓

圖4 限阻器右側(cè)偏壓

隧道支護常用方法可概括如下。

1）少挖多支。通過強支硬頂方式，對支護剛度進行提升，雖然該方法可取得突出效果，但往往需消耗大量材料，項目成本難以控制，經(jīng)濟性無法滿足客戶要求。

2）多挖少支。該方法強調(diào)通過改變支護剛度和預留變形量的方式，對形變壓力進行釋放，由此達到控制支護受力的目的，該方法可確保支護參數(shù)始終維持在理想水平，其經(jīng)濟性較顯著。

3）多挖多支。該方法的關(guān)鍵是以聯(lián)合支護措施為依托，通過多次拆換支護的方式，使圍巖能量及時釋放，由此達到控制隧道變形的目的，該方法存在材料消耗量大、施工速度慢等不足。以往，高原隧道施工方式普遍為多挖多支，項目經(jīng)濟性難以保證。在本項目中，施工方在限量抵抗和以放為主原則的指導下，創(chuàng)造性地引入限阻支護，通過多挖少支的方式，使項目質(zhì)量、建設成本最大程度接近預期。

4.2 明確施工要點

4.2.1 前期準備

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過變形的支護結(jié)構(gòu)，通常能展現(xiàn)收斂狀態(tài)，考慮到限阻器可強化支護結(jié)構(gòu)柔性，使其出現(xiàn)輕微變形，故支護變形帶來的積極影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是釋放形變壓力；二是將力所造成的負面影響降至最低。二次襯砌前，施工方需在限阻器內(nèi)部注入適量混凝土，既能約束鋼板變形程度，又可使鋼架連成整體，進而獲得較為穩(wěn)定且可靠的支護。通過上文分析可知，只有對鋼架、限阻器所承受力的大小加以控制，才能將項目投運后出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率降至最低，并確保隧道所具有價值得到最大化實現(xiàn)。由于限阻器被用于隧道建設的時間較短，尚存較多亟待解決的問題，故在項目施工期間，施工方應嚴格按照規(guī)定開展檢測等工作，確保潛在威脅能及時發(fā)現(xiàn)并消除。

4.2.2 變形檢測

本項目使用激光掃描儀檢測支護變形情況，若支護已出現(xiàn)變形，需技術(shù)人員盡快確定變形程度并將檢測結(jié)果同步給施工方，確保施工方能及時了解地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整設計方案。如果支護變形速度達2～3 cm/d，應增加檢測次數(shù)，以免由于檢測不及時引起不必要的問題；如果變形速度≥3 cm/d，應盡快采取相應措施，對變形速度及程度加以控制。在本項目中，施工方將限阻器變形閾值設定為15 cm，一旦限阻器變形超過15 cm，便需噴射提前拌和的混凝土，達到封閉目的。另外，還需對拱腰安裝的限阻器引起重視，由于該限阻器直接影響拱腰支護質(zhì)量，故在條件允許的情況下，可通過增設套拱的方式，增強拱墻的穩(wěn)定性，將拱部支護被破壞的概率降至最低。

4.2.3 設備安裝

在拱腰恰當位置增設限阻器，限阻鋼板所使用原材料首選Q235B 鋼，由技術(shù)人員負責對型鋼架、限阻器進行科學連接，連接方法如下：先通過螺栓連接，再焊接鋼筋加固，使型鋼架、限阻器成為一個整體。噴射混凝土前需在限阻器后側(cè)安裝防水板，再用瀝青填充限阻器空隙，填充量應控制在1/3 左右，最后用土工布填充其他區(qū)域。待噴射混凝土工作完成，應盡快去除土工布，仔細清理鋼板，保證鋼板表面不存在松散料，隨后即可著手進行二次襯砌。

若項目出現(xiàn)壓縮量超出允許范圍的情況，應通過注漿方式逐一處理密實度不達標的區(qū)域。本項目所使用工具為無縫鋼管，要求施工方將注漿壓力控制在0.5 MPa 左右，在施工的同時監(jiān)測結(jié)構(gòu)位移情況，確保位移問題能及時得到處理，并如實記錄結(jié)構(gòu)位移量、限阻器變形量，為后續(xù)工作的開展提供便利。為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)具有實際意義，需施工方針對現(xiàn)場情況對限阻器斷面加以設置，分別對拱腳、拱頂及邊墻進行實時監(jiān)測，此外，還應將初支內(nèi)力、圍巖壓力加入監(jiān)測名單，一旦發(fā)現(xiàn)初支出現(xiàn)質(zhì)量問題，便增設套拱，以使拱墻更加牢固且可靠。

4.3 安全管理策略

在本項目中，為保證施工安全，需盡快落實以下工作。

1）在豎向鋼板所形成空隙內(nèi)填充土工布，避免混凝土被噴射至鋼板空隙內(nèi)，使限阻器性能受到影響。待施工告一段落，便可去除土工布。

2）重視監(jiān)測初期變形、限阻器狀態(tài)的工作情況，如監(jiān)測發(fā)現(xiàn)限阻器壓縮量在允許范圍外，應盡快用混凝土填充鋼板之間存在的空隙，通過小導管注漿與混凝土噴射相結(jié)合的方式，保證支護可靠性及穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)，施工單位普遍更傾向于通過施作、破壞及拆換的方式進行支護施工，該做法既不利于提升施工質(zhì)量，又無法縮短項目工期，圍繞大變形支護展開討論很有必要。高原隧道極易受圍巖性能不理想或施工影響而遭遇突發(fā)情況，導致項目無法如期交付，要想避免類似問題，關(guān)鍵是要準確掌握支護原理，結(jié)合圍巖變形原因制定相應的支護方案，靈活運用限阻支護及其他支護技術(shù)強化圍巖穩(wěn)定性。事實證明，將限阻器用于隧道建設，能在保證施工質(zhì)量的前提下縮短工期，未來可加大該技術(shù)的推廣力度，使其發(fā)揮更大優(yōu)勢。