張錦松

（中鐵一局集團有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721000）

1 工程概況

神座隧道位于阿壩縣神座鄉(xiāng)，隧址區(qū)屬高原山地地貌，山體呈近南北向展布。進口段位于山體斜坡地帶，進口與神座分離式立交相接，地表覆蓋薄層粉質黏土、較厚層角礫，下伏為強風化-中風化變砂巖與板巖互層，出口段位于高階地，與神座1號大橋相接，地表覆蓋較厚層粉土、角礫，下伏為強風化-中風化變砂與板巖互層。隧道總體走向為124°，隧道測設里程為左線Z2K74+760—Z2K80+324，隧道長5 564m，屬特長隧道，最大埋深約357m，進口設計高程為3 175.54m，出口設計高程為3 206.40m；右線K74+798—K80+347，隧道長5 549m，屬特長隧道，最大埋深約357m，進口設計高程為3 176.22m，出口設計高程為3 206.45m。

2 隧道不良地質情況

神座隧道洞身圍巖主要為變砂巖與板巖互層，局部段落巖體單軸飽和抗壓強度為7.62MPa，受隧道埋深、地應力影響，在K75+380—K75+600（Z2K75+360—K75+580）, K76+250—K77+980 （Z2K76+230—Z2K77+970）標段，該隧道埋深超過252m，根據(jù)詳勘階段鉆孔的地應力測試結果，該標段有可能產(chǎn)生Ⅰ級輕微大變形。這些標段開挖、支護時，應加強隧道的初期支護施工控制和工序銜接。嚴格按照設計要求施工，并根據(jù)實際地質條件采取超前水平鉆探及超前地質預報，必要時實施超前應力釋放措施。

3 大變形支護理念

3.1 限阻耗能支護原理

受線路、地形、地質等因素的限制，隧道建設中遇到大變形問題難以避免，我國已經(jīng)在大量的隧道工程實踐中積累了豐富的軟弱圍巖隧道大變形治理經(jīng)驗，但軟弱圍巖隧道的支護理論與施工方法依然不夠成熟，一旦遇到嚴重大變形，施工總是在循環(huán)往復的支護“施作-破壞-拆換”過程中緩慢推進，軟弱圍巖大變形依舊為整條隧道甚至全線的控制難題之一。

圍巖壓力會隨著變形逐步得到釋放，在高地應力軟弱圍巖環(huán)境隧道施工中，若圍巖變形達不到一定程度，圍巖壓力就無法降低到現(xiàn)有支護材料的可支護能力水平，但也不能過度釋放、無條件釋放，否則圍巖強度無法得到利用。故大變形隧道要注重“放”，同時注重“抗”，支護設計需要在“放”和“抗”之間找到平衡點，有控制地進行圍巖壓力釋放。解決隧道大變形支護破壞問題的關鍵在于處理圍巖壓力與圍巖變形的關系，能量為力與變形的乘積，隧道大變形問題實際是能量問題。隧道開挖前，圍巖處于三軸受力狀態(tài)，可儲存大量彈性應變能，開挖后，圍巖側向壓力解除、抗壓強度降低，從而儲能能力降低，加之開挖后的應力重分布導致了圍巖能量聚集，圍巖中就存在了剩余的能量，需要得到釋放。剩余能量的釋放由支護和圍巖共同承擔，軟弱圍巖發(fā)生延性破壞，剩余能量大多會隨著圍巖塑性變形得到耗散，圍巖變形量越大，塑性應變耗能越高，遠超支護的吸能水平，故在隧道大變形條件下，支護不需要具有太高的吸能水平，而要具有較高的耗能水平。支護的耗能水平是指支護可以與圍巖協(xié)同發(fā)生大行程變形，利用圍巖的峰后性能，圍巖自身充分耗散剩余能量，無論支護是低剛度型高恒阻型還是低恒阻型，只要能限制支護阻力，不讓其結構內(nèi)力超過自身極限承載能力且支護阻力不小于最小支護阻力，并實現(xiàn)大幅變形，充分釋放圍巖壓力和耗散剩余能量，都可稱為限阻耗能型支護。

3.2 大變形隧道能量設計法

3.2.1 能量法設計思路

根據(jù)相關研究可知：坍落拱不是普遍存在的，特別是已開挖成拱形、又有支護提供抗力時，深埋隧道拱部圍巖往往不會形成坍落拱，支護承受的是形變壓力，非坍落拱荷載。圍巖特征曲線是一條曲線，形變壓力會隨變形而減小。

當判定隧道為大變形隧道時，一定圍巖條件下，某一洞室達到穩(wěn)定的能量是一定的/恒定的，為一常數(shù)。因此，可以采用能量法進行設計，其理論公式如下：

式（1）中：W為能量做功（J）；F為作用在物體上的力（N）；S為物體在這個力的方向上移動的距離（m）。

由式（1）知，當能量一定時，力和位移的組合是無窮多組解。按強度設計的理念往往是增加結構截面厚度、剛度，該時會造成結構承受較大的內(nèi)力，只產(chǎn)生較小的位移，不經(jīng)濟。

因素混凝土、鋼筋混凝土等形成的結構均是小變形、大剛度的結構，必須通過改進，結合運用新結構、新材料等形成的新型結構來滿足大變形隧道的需求，采用限阻支護體系便是行之有效的方案之一。

3.2.2 限阻器的工作特征

從結構組成來看，限阻器以豎向限阻鋼板、上下連接鋼板為基礎材料，以焊接的方法構成。從受力的角度來看，具有階段性的特征，具體做如下分析。

第1階段：彈性變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力具有線性增加的變化特點，此階段豎向限阻鋼板雖然存在彎曲但程度輕微，變形量相對較小。

第2 階段：屈服下降變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力具有下降的變化特點，可見此時的豎板存在異常，即開始屈服且有較大幅度的彎曲變形。

第3 階段：屈服殘余變形階段。隨著變形的發(fā)生，壓力并不改變，可以發(fā)現(xiàn)此過程中豎板中間有明顯的彎曲現(xiàn)象，觀察焊腳部位可見其反彎。

第4階段：壓實變形階段，隨著變形的發(fā)生，壓力有迅猛增加的變化，可見鋼板形態(tài)明顯異常，上下反彎點開始接觸，并伴有一定程度的限阻器被壓實的問題。

3.2.3 限阻耗能型支護的應用優(yōu)勢

圍巖壓力不是定值，而是與圍巖變形量相關的曲線，與支護剛度和支護時機有很大關系。圍巖在形變壓力作用下，單純增加支護剛度，圍巖壓力也會增大，大多數(shù)條件下強大的聯(lián)合支護手段仍不能夠抵抗圍巖的形變壓力。如果增大預留變形量，或降低支護剛度，允許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護受力會相應減小。

大變形隧道支護主要有著以下三種思路：

（1）多挖多支：采用強大的聯(lián)合支護手段抵抗圍巖的變形，直至反復拆換支護多次，圍巖能量釋放完成后隧道變形才得以控制，不僅僅造成了材料浪費，而且也會嚴重影響工期，不具有經(jīng)濟性。

（2）少挖多支：提升支護剛度，采用強支硬頂?shù)哪Ｊ剑m然能夠取得一定效果，但造成了材料的大量浪費，大幅提升工程造價，不具有經(jīng)濟性。

（3）多挖少支：增大預留變形量，或降低支護剛度，允許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護受力會相應減小?？梢越档椭ёo參數(shù)，具有顯著的經(jīng)濟性。

當前大變形隧道現(xiàn)場常用的方式為“多挖多支”，而且大多數(shù)場景下還需要多次拆換。可見“以放為主，限量抵抗”的支護原則，引入限阻耗能型支護，實現(xiàn)多挖少支，在保障安全性的情況下降低成本，有著很大的技術經(jīng)濟優(yōu)勢[1-2]。

3.3 大變形治理方案

為了適應現(xiàn)有施工水平，限阻耗能型支護是指在原設計的初期支護上增加徑向限阻器和環(huán)向限阻器。在初期支護外側增加具有恒阻功能的徑向限阻器，在初期支護環(huán)向設置環(huán)向限阻器。環(huán)向限阻器在工作前期限制結構內(nèi)力，使結構內(nèi)力在達到一定水平時不再增長，以保護鋼架和噴射混凝土不受破壞，并通過大行程的壓縮變形釋放圍巖壓力，最終達到預定目標后壓實或封閉限阻器，支護又變回剛度和強度均較大的剛性結構，為后期的穩(wěn)定工作提供安全儲備。徑向限阻器通過在二襯完成后持續(xù)工作，減少圍巖變形帶來的圍巖壓力。

根據(jù)隧道具體的變形情況，通過非對稱開挖和非對稱支護解決偏壓大變形，使用限阻器技術可以系統(tǒng)性解決目前支護侵限、破壞、套拱、換拱等技術困惑。一次性通過，不拆拱、不套拱、不換拱，安全高效。如圖1 所示，在處理大變形時初支可以采用統(tǒng)一規(guī)格的支護參數(shù)，通過設置徑向限阻器適應不同的大變形情況。

圖1 限阻器設置情況

4 限阻器施工技術

4.1 限阻器施工要點

4.1.1 施工安全性分析

經(jīng)過前期的變形，二次襯砌施作時初支變形基本達到收斂狀態(tài)，通過限阻器的配置可增強初支結構的柔性，因此允許該結構有所變形，圍巖形變壓力釋放，減小力的不良作用。二次襯砌施工前，用混凝土填充限阻器，在材料的包裹下阻尼鋼板變形受到約束，并縱向將鋼架形成連接約束，此時能夠構成相對完整、穩(wěn)定的初期支護。由此看來，限阻器和鋼架的受力必須得到有效的控制，在受力狀態(tài)良好的前提下能夠保證運營期間的安全性，給隧道的正常使用提供保障。但限阻器施工要點較多，施工期間可能存在施工風險，因此必須依據(jù)規(guī)范加強檢測，一旦發(fā)現(xiàn)問題則及時處理。

4.1.2 檢測技術

儀器可選用三維激光掃描儀，由專員操作，用該儀器檢測初期支護，判斷其是否存在變形，若有則進一步判斷具體的變形程度。加強超前地質預報，通過此方式掌握掌子面前方的地質條件，予以有效處理。根據(jù)實測結果判斷初期支護的實際情況，若其變形速率在2～3cm/d，增加觀測頻率，及時掌握實際情況；實測值超3cm/d 時采取處理措施，阻止變形的發(fā)生。限阻器的壓縮變形限值為15cm，達到該值后隨即噴射混凝土，以有效封閉。拱腰部位環(huán)向限阻器有明顯變形現(xiàn)象時，將影響拱部初期支護結構，導致其遭到破壞，針對此狀況，可對拱墻施作套拱，增強穩(wěn)定性。

4.1.3 限阻器安裝要點

在初支左右拱腰22.5°設環(huán)向限阻器，以Q235B鋼為原材料制作限阻鋼板。布置好的環(huán)向限阻器與型鋼架需穩(wěn)定連接，為此采取螺栓連接的處理方法，并沿縱向用鋼筋焊接，形成整體[3]；在組織混凝土噴射前，于限阻器背后放置防水板，向限阻器空隙內(nèi)注瀝青（以1/3 為宜），其他部位均用土工布填滿，此處理方法可避免混凝土噴入其中，待混凝土噴射工作完成后，取出預先填塞的土工布。二次襯砌施工前，清理限阻器鋼板的松散料，確認該部位保持潔凈后噴混凝土。對于壓縮量超限的情況，可針對背后不密實部位做注漿處理，材料選用φ42×3.5 無縫鋼管，注漿壓力為0.5MPa。施工期間加強結構位移監(jiān)測，若實測數(shù)據(jù)存在異常則分析具體的原因，妥善處理。及時檢測環(huán)向限阻器壓縮變形量，完整記錄信息。為了保證檢測結果的可靠性，合理設置限阻器斷面至關重要，宜布置在拱頂、邊墻、拱腳處，做全面的監(jiān)測。此外，圍巖壓力、初支內(nèi)力也是重點監(jiān)測對象。若發(fā)現(xiàn)拱部初支明顯受損，需對拱墻施作套拱，做加強處理。

4.2 施工安全措施

用土工布封堵豎向鋼板間的空隙，保證嚴密性，以免后續(xù)噴射施工時混凝土進入其中（若存在此情況將抑制限阻器的性能）。待下一循環(huán)初期支護施工時，取出預先設置的土工布。

加強對限阻器和初期支護變形的監(jiān)測，若實測結果顯示限阻器壓縮量超出許可范圍，以噴射混凝土的方法填充豎向鋼板的空隙，必要時可輔助應用小導管注漿的方法，全面保證初期支護的穩(wěn)定性。

5 結語

在隧道工程中，受施工的擾動性影響，加之圍巖自身性能欠佳，可能誘發(fā)地質災害，嚴重影響工程的正常施工。作為施工單位，需要加強對隧道圍巖變形的分析，采取有效的支護措施，全面保證圍巖穩(wěn)定性。其中，限阻耗能型支護技術具有突出的應用優(yōu)勢，對于維持圍巖穩(wěn)定狀態(tài)而言大有裨益，可將其靈活推廣至隧道工程中。