高原隧道建设中的大变形支护原理及施工研究

杨锐

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100071）

1 引言

在高原隧道建设施工中，变形问题时有发生，为施工安全带来不利影响。以往隧道项目施工变形控制中，施工方普遍采取支护方案并做好施工面监测。新时期，随着施工理念与技术的发展，升级支护施工技术、做好施工质量控制变得十分重要。研究指出，在高原隧道项目施工全过程中，采取大变形支护方案效果理想，不仅能提升施工质量，而且可减少变形发生概率，使项目施工水平达到合同要求。本文在分析大变形支护原理的基础上，明确变形支护施工步骤，以确保项目施工质量达标，促进建筑行业高质量发展。

2 项目概况

CZ 三期项目为高原隧道施工，隧区内微地貌主要表现为高中山构造侵蚀，河流阶地地貌，地面标高3 970～4 430 m，相对高差200～500 m，自然坡度15°～50°，地形起伏较大，隧道最大埋深约402 m。隧道全长4 289 m，为单洞双线隧道（见图1）。

图1 项目施工现场

3 大变形支护原理

现阶段，我国多数施工单位已积累大量治理隧道围岩大变形的经验，但对支护原理、施工要点的研究相对有限。隧道建设极易被地质、线路和地形因素影响，进而出现变形情况（见图2），由此可见，围岩压力与变形程度密切相关，建设高原隧道时应严格控制围岩变形程度，一方面要避免变形程度不足导致围岩压力过高；另一方面要避免过度释放，致使围岩强度难以得到充分利用[1]。换言之，隧道建设期间，施工方应将“放”与“抗”放在同等位置上，结合现场情况确定二者的平衡点，由此达到对压力释放进行科学控制的目的。

图2 隧道变形

综上，要避免支护被破坏，需准确掌握围岩压力与变形程度之间的关系。正式开挖隧道前，围岩多处于三轴受力状态，弹性应变能储量极大。开挖过程中，围岩所承受侧向压力逐渐消除，与此同时，其储存能量的能力随抗压强度的下降而降低，受应力分布影响，将有大量能量聚集于围岩表面，围岩内部所存储能量持续增多，只有尽快释放剩余能量才能避免围岩质量受到影响[2]。研究发现，围岩、支护均需参与了释放能量的过程，释放剩余能量导致围岩受到延性破坏，多数能量均会被塑性变形所影响而耗散。考虑到应变耗能与围岩变形程度的关系为正相关，且其取值通常会达到或超过支护所能吸收能量的上限，故在本项目中，施工方应重点关注支护所具有的耗能水平，而非传统观念所认为的吸能水平。上文提及的耗能水平指围岩、支护的变形程度，围岩可凭借峰后性能将剩余能量耗散，无论是常见的低恒阻支护，还是新型高恒阻支护，均应对支护阻力加以限制，确保结构内力始终在支护所能承受的范围内，且支护阻力在预设最小阻力值以上。

4 大变形支护施工步骤

4.1 确定施工方案

实践表明，多数完成开挖且有支护作为支撑的隧道均不会出现坍落拱现象，此时，支护结构所承受力与形变压力相等，坍落拱所产生的影响可忽略不计。对大变形隧道而言，在围岩条件确定的情况下，洞室内部能量往往不会出现明显变化，因此，除特殊情况外，均可通过能量法制订设计方案，相关公式如下：

式中，W为围岩内部的能量，J；F为围岩所承受的力，N；S为围岩受力作用所移动距离长度，m[3]。

对式（1）进行分析可知，若能量固定，则位移、力存在无穷解，传统理念更倾向于更改结构刚度或厚度，该做法将增加结构所承受力的大小，不具备良好的经济性。考虑到钢筋混凝土和素混凝土结构均具有刚度大、变形小等特点，故施工方决定放弃传统方案，使用新材料及新结构，由此获得与大变形隧道需求相符的全新结构，即限阻支护体系（见图3、图4）[4]。

图3 限阻器左侧偏压

图4 限阻器右侧偏压

隧道支护常用方法可概括如下。

1）少挖多支。通过强支硬顶方式，对支护刚度进行提升，虽然该方法可取得突出效果，但往往需消耗大量材料，项目成本难以控制，经济性无法满足客户要求。

2）多挖少支。该方法强调通过改变支护刚度和预留变形量的方式，对形变压力进行释放，由此达到控制支护受力的目的，该方法可确保支护参数始终维持在理想水平，其经济性较显著。

3）多挖多支。该方法的关键是以联合支护措施为依托，通过多次拆换支护的方式，使围岩能量及时释放，由此达到控制隧道变形的目的，该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为多挖多支，项目经济性难以保证。在本项目中，施工方在限量抵抗和以放为主原则的指导下，创造性地引入限阻支护，通过多挖少支的方式，使项目质量、建设成本最大程度接近预期。

4.2 明确施工要点

4.2.1 前期准备

研究发现，经过变形的支护结构，通常能展现收敛状态，考虑到限阻器可强化支护结构柔性，使其出现轻微变形，故支护变形带来的积极影响主要体现在两个方面：一是释放形变压力；二是将力所造成的负面影响降至最低。二次衬砌前，施工方需在限阻器内部注入适量混凝土，既能约束钢板变形程度，又可使钢架连成整体，进而获得较为稳定且可靠的支护。通过上文分析可知，只有对钢架、限阻器所承受力的大小加以控制，才能将项目投运后出现质量问题的概率降至最低，并确保隧道所具有价值得到最大化实现。由于限阻器被用于隧道建设的时间较短，尚存较多亟待解决的问题，故在项目施工期间，施工方应严格按照规定开展检测等工作，确保潜在威胁能及时发现并消除。

4.2.2 变形检测

本项目使用激光扫描仪检测支护变形情况，若支护已出现变形，需技术人员尽快确定变形程度并将检测结果同步给施工方，确保施工方能及时了解地质条件，根据地质条件调整设计方案。如果支护变形速度达2～3 cm/d，应增加检测次数，以免由于检测不及时引起不必要的问题；如果变形速度≥3 cm/d，应尽快采取相应措施，对变形速度及程度加以控制。在本项目中，施工方将限阻器变形阈值设定为15 cm，一旦限阻器变形超过15 cm，便需喷射提前拌和的混凝土，达到封闭目的。另外，还需对拱腰安装的限阻器引起重视，由于该限阻器直接影响拱腰支护质量，故在条件允许的情况下，可通过增设套拱的方式，增强拱墙的稳定性，将拱部支护被破坏的概率降至最低。

4.2.3 设备安装

在拱腰恰当位置增设限阻器，限阻钢板所使用原材料首选Q235B 钢，由技术人员负责对型钢架、限阻器进行科学连接，连接方法如下：先通过螺栓连接，再焊接钢筋加固，使型钢架、限阻器成为一个整体。喷射混凝土前需在限阻器后侧安装防水板，再用沥青填充限阻器空隙，填充量应控制在1/3 左右，最后用土工布填充其他区域。待喷射混凝土工作完成，应尽快去除土工布，仔细清理钢板，保证钢板表面不存在松散料，随后即可着手进行二次衬砌。

若项目出现压缩量超出允许范围的情况，应通过注浆方式逐一处理密实度不达标的区域。本项目所使用工具为无缝钢管，要求施工方将注浆压力控制在0.5 MPa 左右，在施工的同时监测结构位移情况，确保位移问题能及时得到处理，并如实记录结构位移量、限阻器变形量，为后续工作的开展提供便利。为确保监测数据具有实际意义，需施工方针对现场情况对限阻器断面加以设置，分别对拱脚、拱顶及边墙进行实时监测，此外，还应将初支内力、围岩压力加入监测名单，一旦发现初支出现质量问题，便增设套拱，以使拱墙更加牢固且可靠。

4.3 安全管理策略

在本项目中，为保证施工安全，需尽快落实以下工作。

1）在竖向钢板所形成空隙内填充土工布，避免混凝土被喷射至钢板空隙内，使限阻器性能受到影响。待施工告一段落，便可去除土工布。

2）重视监测初期变形、限阻器状态的工作情况，如监测发现限阻器压缩量在允许范围外，应尽快用混凝土填充钢板之间存在的空隙，通过小导管注浆与混凝土喷射相结合的方式，保证支护可靠性及稳定性。

5 结语

研究发现，施工单位普遍更倾向于通过施作、破坏及拆换的方式进行支护施工，该做法既不利于提升施工质量，又无法缩短项目工期，围绕大变形支护展开讨论很有必要。高原隧道极易受围岩性能不理想或施工影响而遭遇突发情况，导致项目无法如期交付，要想避免类似问题，关键是要准确掌握支护原理，结合围岩变形原因制定相应的支护方案，灵活运用限阻支护及其他支护技术强化围岩稳定性。事实证明，将限阻器用于隧道建设，能在保证施工质量的前提下缩短工期，未来可加大该技术的推广力度，使其发挥更大优势。