汪波，王杰，吳德興，趙玉東，張彪，李錚

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310058；3.杭州豐強(qiáng)土建工程研究院，浙江 杭州 310008)

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讓壓支護(hù)體系在軟巖大變形公路隧道中的應(yīng)用研究

汪波1，3，王杰1，吳德興2，趙玉東1，張彪1，李錚1

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310058；3.杭州豐強(qiáng)土建工程研究院，浙江 杭州 310008)

隨著軟巖大變形公路隧道支護(hù)體系中襯砌開裂、鋼支撐扭曲、錨桿拉斷等各種災(zāi)害問題的凸顯，傳統(tǒng)的強(qiáng)支護(hù)體系在大變形隧道處治中受到了極大的挑戰(zhàn)，基于此，從圍巖形變能合理釋放、進(jìn)而優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的這一思想出發(fā)，提出及時(shí)-強(qiáng)-讓壓支護(hù)的新型設(shè)計(jì)理念，并依據(jù)該設(shè)計(jì)理念提出基于讓壓錨桿+可縮性鋼拱架+帶變形槽或讓壓控制器的噴射混凝土組成的讓壓支護(hù)系統(tǒng)。以此支護(hù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合杜家山公路隧道的大變形特征，對該體系中起始讓壓點(diǎn)及讓壓量等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究，結(jié)果表明：采用讓壓支護(hù)體系時(shí)，起始讓壓點(diǎn)越晚或讓壓量越大，圍巖應(yīng)變能釋放越多，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載亦即越小。但若讓壓量較小或起始讓壓點(diǎn)過早，則不能達(dá)到有效釋放圍巖形變能、改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的目的。若起始讓壓點(diǎn)過晚或讓壓量較大，雖充分釋放了圍巖位移，但因釋放量過大而有可能導(dǎo)致圍巖的破壞甚至塌方風(fēng)險(xiǎn)，故讓壓支護(hù)體系中起始讓壓點(diǎn)及讓壓量的設(shè)置應(yīng)結(jié)合具體工程合理選擇。

公路隧道；軟巖大變形，及時(shí)強(qiáng)支護(hù)；讓壓支護(hù)；讓壓點(diǎn)；讓壓量

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，穿越西部復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋長大公路隧道逐年增多，如剛剛建成的穿越5.12汶川地震發(fā)震斷裂帶——龍門山斷裂帶上的廣(元)甘(肅)高速公路杜家山隧道、在建汶(川)馬(爾康)高速公路上的新鷓鴣山隧道、綿(竹)茂(縣)公路上的藍(lán)家?guī)r隧道等。該類公路隧道具有如下特點(diǎn)：第一，埋深大，所在區(qū)域地應(yīng)力高；第二，軟巖地層分布范圍大，其中千枚巖的分布極為廣泛。在上述場體環(huán)境條件下隧道在建設(shè)過程中大變形災(zāi)害問題突出，嚴(yán)重危及了施工及運(yùn)營安全[1]。截至目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者雖對隧道工程中出現(xiàn)的大變形問題開展了大量相關(guān)研究，但并未形成一套行之有效的技術(shù)保障體系，長期以來針對公路隧道中出現(xiàn)的大變形問題大多采用強(qiáng)支護(hù)以達(dá)到抑制變形的目的，“及時(shí)支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)”的基本理念在軟巖隧道大變形設(shè)計(jì)施工中占據(jù)主導(dǎo)地位，在上述思想支配下，軟巖大變形隧道的支護(hù)參數(shù)很多情況下突破了鐵路、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的推薦值。如廣甘路上杜家山隧道大變形段采用30 cm厚噴射混凝土、40 cm間距的鋼拱架及60 cm厚的二襯等大剛度支護(hù)措施[2]；宜巴高速上的臥佛山大變形公路隧道，同樣采用了剛性極強(qiáng)的支護(hù)參數(shù)[3]。同時(shí)在支護(hù)方式及工藝材料方面，大多采用常規(guī)的傳統(tǒng)模式，即噴射混凝土+常規(guī)剛性錨桿+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)[4]。但軟巖隧道中隨著圍巖變形量的逐漸增大，使得作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的形變荷載持續(xù)增加，支護(hù)體系處于極高的受力狀態(tài)，及時(shí)強(qiáng)支護(hù)措施在抑制圍巖變形的同時(shí)誘發(fā)了極大的形變壓力，導(dǎo)致隧道建成早期支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了諸如襯砌開裂、鋼支撐扭曲、錨桿拉斷等病害問題，及時(shí)強(qiáng)支護(hù)的設(shè)計(jì)理念及常規(guī)支護(hù)體系與工藝在公路大變形隧道處治中受到了極大的挑戰(zhàn)。因此，對于軟巖大變形公路隧道應(yīng)改變傳統(tǒng)的治理思維模式，不能一味的采用剛度大、支護(hù)強(qiáng)、延展性差、費(fèi)用高的支護(hù)手段來達(dá)到抑制圍巖變形的目的，而應(yīng)該在施工過程中及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)以控制圍巖早期變形的同時(shí)，讓其形變能得以適當(dāng)釋放，進(jìn)而優(yōu)化軟巖大變形公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及受力狀態(tài)。根據(jù)上述思路，本文提出一種新型支護(hù)體系——讓壓支護(hù)體系，從其作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)問題分析入手，結(jié)合具體工程，對其科學(xué)性和效用性進(jìn)行探討，以期為軟巖大變形公路隧道合理支護(hù)體系開辟新的途徑。

1　讓壓支護(hù)的基本原理及其體系組成

1.1讓壓支護(hù)的基本原理

目前，我國軟巖公路隧道大部分通過及時(shí)強(qiáng)支護(hù)手段來阻止圍巖變形，所謂的及時(shí)強(qiáng)支護(hù)包含2層涵義：一是隧道開挖后及早地施做包含二襯在內(nèi)的支護(hù)體系；二是及早施做的襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)很強(qiáng)，如采取加厚的噴射混凝土、密布的高強(qiáng)度鋼拱架及較厚的二次襯砌等，上述所謂的“抵抗原則”將會誘發(fā)過大的圍巖壓力，進(jìn)而產(chǎn)生施工及營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，總結(jié)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，公路大變形軟巖隧道的支護(hù)原則應(yīng)在原有的“及時(shí)強(qiáng)支護(hù)”的基礎(chǔ)上增加“讓壓”理念[5-9]，從而達(dá)到保持隧道穩(wěn)定及優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的目的。據(jù)此，闡述及時(shí)-強(qiáng)-讓壓支護(hù)的基本原理如下。

1.1.1及時(shí)強(qiáng)支護(hù)

軟巖大變形隧道中，由于巖體自身性狀差，應(yīng)力水平高，形變荷載大，變形速度快[9]，若不采取及時(shí)強(qiáng)支護(hù)措施，快速調(diào)整的圍巖壓力及持續(xù)增大的圍巖變形，將使隧道周邊巖體承受超過自身強(qiáng)度的過大壓力而進(jìn)入塑性狀態(tài)，且?guī)r體性狀急劇惡化，最終將形成過大的松動圈而誘發(fā)坍塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，為防止軟巖隧道開挖后發(fā)生過大變形，以盡快速度將圍巖松動圈保持在合理范圍內(nèi)，達(dá)到提高圍巖承載能力，穩(wěn)定隧道的目的，必須進(jìn)行及時(shí)強(qiáng)支護(hù)，以期在盡早支護(hù)的同時(shí)提供較強(qiáng)的支護(hù)阻力。

1.1.2讓壓支護(hù)

所謂讓壓，是要求支護(hù)體系在及時(shí)強(qiáng)支護(hù)控制圍巖形變，縮小松動圈范圍，保持支護(hù)結(jié)構(gòu)恒定承載力的條件下，應(yīng)允許其產(chǎn)生一定的位移量以釋放部分圍巖壓力，以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力、優(yōu)化支護(hù)受力，達(dá)到保障隧道穩(wěn)定、安全與優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的目的。

因此，基于及時(shí)-強(qiáng)-讓壓原理的支護(hù)技術(shù)在大變形軟巖公路隧道中應(yīng)滿足2方面的要求：首先，要保障初支系統(tǒng)能提供及時(shí)的高支護(hù)阻力以抑制圍巖變形，控制松動圈范圍；其次，該支護(hù)在及時(shí)強(qiáng)支護(hù)后能實(shí)現(xiàn)自動讓壓功能。即支護(hù)體系具有“先抗后讓”，“邊抗邊讓”，“抗讓聯(lián)合”的特點(diǎn)(圖1)。

圖1　讓壓作用機(jī)理圖Fig.1 Mechanism of yielding support

圖1中，1為圍巖特性曲線，2，3和4為支護(hù)力學(xué)特性曲線，2和3的支護(hù)剛度相同，即材料性能相同，3相對于2多了一個(gè)讓壓過程，即U3的位移量。4相對于2和3支護(hù)剛度明顯增加，即采用了理論上更強(qiáng)的支護(hù)。從圖中可以看出，3種支護(hù)的施加起點(diǎn)均相同(考慮及時(shí)支護(hù))，即U1相同。支護(hù)曲線2，3和4與圍巖特性曲線分別相較于b，c和a 3點(diǎn)，其中a和c 2點(diǎn)均位于支護(hù)彈性階段，支護(hù)體系具有很好的安全性，而b點(diǎn)位于支護(hù)塑性階段，并不能很好地保證結(jié)構(gòu)的安全性。

上述分析表明，對于軟巖隧道支護(hù)理論上途徑有2種，一是如曲線4所示，即及時(shí)強(qiáng)支護(hù)，提高支護(hù)阻力以減小軟巖隧道的圍巖變形。二是如曲線3所示，在材料性能一定的情況下，支護(hù)在對圍巖提供一定工作阻力以阻止圍巖變形的同時(shí)，適當(dāng)釋放圍巖位移，以減少最終支護(hù)阻力，使圍巖-支護(hù)體系處于安全狀態(tài)。比較2種支護(hù)方式可以看出，由于第2種支護(hù)具有讓壓功能，保持圍巖穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力和剛度較第一種支護(hù)明顯減弱，因而比較經(jīng)濟(jì)合理。

1.2讓壓支護(hù)體系的基本構(gòu)成

據(jù)我國《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.6節(jié)規(guī)定“復(fù)合式襯砌中的二次襯砌，Ⅰ～Ⅲ級圍巖中為安全儲備，并按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)，Ⅳ和Ⅴ級圍巖中為承載結(jié)構(gòu)，…”[10]，據(jù)此，國內(nèi)公路隧道設(shè)計(jì)時(shí)二次襯砌多數(shù)情況下作為隧道的安全儲備發(fā)揮作用，從該思想出發(fā)，本文針對軟巖大變形公路隧道所提出的讓壓支護(hù)泛指初期支護(hù)體系。根據(jù)讓壓支護(hù)的基本原理，繪制該系統(tǒng)如圖2所示。

(a)總體圖；(b)A-A剖面圖2　讓壓支護(hù)體系圖Fig.2 Yielding support system diagram

圖2中讓壓支護(hù)體系由如下幾部分組成[11]：

1)讓壓錨桿：在錨桿中安裝一種特定的讓壓裝置，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，錨桿承受的拉力超過其設(shè)計(jì)的讓壓力時(shí)，設(shè)計(jì)的讓壓裝置將使錨桿體產(chǎn)生與巖土體相適應(yīng)的變形，此時(shí)，拉力值則維持固定不變，直到為錨桿設(shè)定的讓壓量耗盡，此舉是避免錨桿體拉斷失效，保持支護(hù)作用(圖3)。

圖3　讓壓錨桿Fig.3 Yielding bolt

2)可縮性鋼拱架：目前普遍采用U型可縮型拱架來實(shí)現(xiàn)(圖2(b))，其基本原理是靠鋼架接頭之間卡纜預(yù)緊力產(chǎn)生磨阻力來實(shí)現(xiàn)鋼架的恒阻滑移(圖2(b))。

3)帶變形槽或讓壓控制器的噴射混凝土[5]；為了能使噴射混凝土也能產(chǎn)生與鋼拱架及讓壓錨桿相協(xié)調(diào)的變形，可對噴射混凝土預(yù)留變形槽或在噴射混凝土間設(shè)置可變形的讓壓控制器，如圖2(b)所示。

1.3讓壓支護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)問題

1)讓壓點(diǎn)的設(shè)計(jì)：即及時(shí)-強(qiáng)-讓壓支護(hù)體系何時(shí)讓壓的問題？在及時(shí)強(qiáng)支護(hù)后，科學(xué)的讓壓點(diǎn)設(shè)計(jì)不僅能合理的控制松動圈范圍，而且可有效改善支護(hù)受力狀態(tài)，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。一般來講，讓壓點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在各構(gòu)件的實(shí)際屈服極限內(nèi)，以確保讓壓系統(tǒng)中各構(gòu)件在支護(hù)過程中不發(fā)生屈服破壞。

2)讓壓量的設(shè)計(jì)：即讓壓支護(hù)體系讓壓多少的問題，讓壓量過小，誘發(fā)的圍巖壓力將增加，沒有達(dá)到釋放圍巖形變能，充分發(fā)揮圍巖自承載能力的目的，讓壓量過大，雖有效釋放了圍巖形變荷載，但有可能使得巖體松動圈過大而進(jìn)入松動破壞狀態(tài)，因此，合理的讓壓量設(shè)計(jì)也是讓壓支護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2　讓壓支護(hù)體系在軟巖大變形公路隧道中應(yīng)用技術(shù)探討

2.1計(jì)算方案的擬定

為探討讓壓支護(hù)體系中讓壓點(diǎn)及讓壓量的合理設(shè)置，本文以廣甘高速公路杜家山隧道為原型采用數(shù)值分析手段對該問題進(jìn)行深入探討，以期為讓壓技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

杜家山隧道位于橫穿5.12汶川地震發(fā)震斷裂帶的廣甘高速公路上，為雙向分離式隧道，最大埋深約200 m。隧址區(qū)基本以千枚巖為主，受巖性強(qiáng)度低、巖體松散、遇水軟化泥化等特性影響，隧道施工過程中出現(xiàn)了多次大變形現(xiàn)象，最大變形量值達(dá)100 cm左右[1]。

考慮到杜家山隧道根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開挖后的圍巖變形特征，在可能發(fā)生的大變形段設(shè)置了25～35 cm的預(yù)留變形量值[2]，故讓壓分析中擬定計(jì)算方案時(shí)以該預(yù)留變形量為基礎(chǔ)，設(shè)定位移總量值在20～40 cm左右，據(jù)此，形成計(jì)算方案如表1所示。

表1　計(jì)算工況表Table 1 Analysis of claims data

根據(jù)杜家山隧道實(shí)際情況，建立計(jì)算模型如圖4所示，模型建立時(shí)為消除“邊界效應(yīng)”影響，橫向以隧道中線位置向兩側(cè)各取70 m，豎向取仰拱底部以下52 m，拱頂以上取40 m(剩余埋深以施加豎向應(yīng)力方式來實(shí)現(xiàn))，沿隧道縱向取6 m。在模型的底部邊界采用豎向約束，前后左右邊界均采用水平約束。分析中圍巖按均質(zhì)彈塑性材料，采用M-C準(zhǔn)則，初支采用實(shí)體單元，設(shè)置為彈性模型。

需要說明的是，由于杜家山隧道后期施工中取消了錨桿的設(shè)置[12]，故本次讓壓分析中依據(jù)實(shí)際情況沒有設(shè)置讓壓錨桿。

數(shù)值分析中圍巖及襯砌材料參數(shù)的選取是依據(jù)廣甘高速地勘資料，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》綜合擬定的。對加固區(qū)則在參考已有研究資料的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高其材料參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。而對于讓壓構(gòu)件材料參數(shù)的選擇，則是以文獻(xiàn)[6]中已應(yīng)用的讓壓構(gòu)件參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合對可能成為讓壓構(gòu)件的高彈性混凝土、讓壓控制器等材料的資料調(diào)研、性能試驗(yàn)后綜合確定的。具體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖4　計(jì)算模型圖Fig.4 Calculation model

為確保讓壓支護(hù)體系的可靠性及效用性，數(shù)值分析中對關(guān)鍵問題做了如下處理：

1) “起始讓壓點(diǎn)”和“讓壓量”的實(shí)現(xiàn)：因支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與圍巖位移釋放二者緊密相關(guān)，故表1中各工況“起始讓壓點(diǎn)”和“讓壓量”的設(shè)計(jì)以隧道開挖過程中的位移量來控制。具體實(shí)現(xiàn)過程為：隧道開挖強(qiáng)支護(hù)施作后，待其位移量值達(dá)到“起始讓壓點(diǎn)”的設(shè)計(jì)值(以拱頂沉降控制)，開始讓壓，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的讓壓量后停止讓壓過程。

2)讓壓構(gòu)件的模擬：數(shù)值分析中通過改變讓壓部位構(gòu)件的材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)過程為：隧道開挖后，支護(hù)初期，讓壓構(gòu)件的材料參數(shù)同強(qiáng)支護(hù)體系，即處于及時(shí)強(qiáng)支護(hù)期；待位移達(dá)設(shè)計(jì)的“起始讓壓點(diǎn)”時(shí)，改變材料參數(shù)，激活讓壓構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體系的讓壓，即處于讓壓期；當(dāng)位移達(dá)設(shè)計(jì)讓壓量后，再次將讓壓構(gòu)件的材參改變?yōu)閺?qiáng)支護(hù)體系參數(shù)，即再次處于常規(guī)強(qiáng)支護(hù)期。

表2　計(jì)算力學(xué)參數(shù)的選取Table 2 Calculation mechanical parameters selection

2.2讓壓支護(hù)體系在軟巖大變形公路隧道中的應(yīng)用探討

為了對比分析讓壓支護(hù)體系下不同起始讓壓點(diǎn)、讓壓量時(shí)圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)位移場、應(yīng)力場的變化規(guī)律，文中分別獲取了不同工況下相關(guān)云圖，需要說明的是，“工況4”中因讓壓量過大，計(jì)算未收斂，故文中未列出。

2.2.1圍巖變形特征分析

計(jì)算獲取各工況下圍巖位移云圖如圖5所示。

單位：m(a)工況1-Uy；(b)工況2-Uy；(c)工況3-Uy;(d)工況1-Ux;(e)工況2-Ux;(f)工況3-Ux圖5　不同工況下圍巖豎向(Uy)和橫向(Ux)位移分布云圖Fig.5 Nephogram of vertical displacement (Uy) and lateral displacement(Ux)of different conditions of surrounding rock

從圖中可以看出：讓壓點(diǎn)相同，設(shè)置的讓壓量越大，圍巖產(chǎn)生的位移亦越大。如工況1和2中，起始讓壓點(diǎn)均為10 cm，工況1中邊墻收斂值約26 cm，拱頂下沉17.7 cm；工況2邊墻收斂值約29 cm，拱頂下沉21.2 cm，較工況1增大約15%。讓壓量相同，起始讓壓點(diǎn)越晚，圍巖產(chǎn)生的位移就會越大。如工況1和3中，讓壓量都為5 cm，工況3邊墻收斂值達(dá)到36 cm，拱頂下沉20.6 cm，較工況1增大約20%。上述分析表明，讓壓量與讓壓點(diǎn)的設(shè)置對圍巖最終位移的影響程度基本相當(dāng)。

2.2.2圍巖應(yīng)力特征分析

為分析不同讓壓條件下圍巖應(yīng)力變化特征，特獲取各工況下圍巖最小、最大主應(yīng)力云圖如圖6所示(注：圖中單位為Pa，應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù))。

(a)工況1-S3；(b)工況2-S3；(c)工況3-S3;(d)工況1-S1;(e)工況2-S1;(f)工況3-S1圖6　不同工況圍巖S3和S1云圖Fig.6 S3,S1 nephogram of different conditions of surrounding rock

從應(yīng)力云圖可以看出，隧道開挖后，洞室圍巖基本處于受壓狀態(tài)，但隨著起始讓壓點(diǎn)及讓壓量的不同而表現(xiàn)各異。

1)對比工況1和2可知，當(dāng)讓壓支護(hù)中起始讓壓點(diǎn)相同時(shí)，讓壓量越大，圍巖的最小主應(yīng)力越小。如工況1和2，起始讓壓點(diǎn)均為10 cm，工況1中最小主應(yīng)力為-15.4 MPa，工況2中最小主應(yīng)力達(dá)到-9.8 MPa，較工況1減少約36%。同時(shí)對比分析工況1和3可知，當(dāng)讓壓支護(hù)中讓壓量相同時(shí)，起始讓壓點(diǎn)越晚，圍巖的最小主應(yīng)力越小。如工況1和3中，讓壓量都為5 cm，工況3中最小主應(yīng)力為-13.2 MPa，較工況1減少14%左右。說明讓壓量越大或起始讓壓點(diǎn)越晚，圍巖位移將得到一定程度釋放，圍巖處于較小的應(yīng)力狀態(tài)，從而保障圍巖性狀不致過度惡化而喪失自承載能力。但總體而言，讓壓量的影響程度要大于起始讓壓點(diǎn)的設(shè)置。

2)對比各工況下最大主應(yīng)力云圖可知，當(dāng)采用讓壓支護(hù)時(shí)，選取的起始讓壓點(diǎn)或讓壓量不同，圍巖的最大主應(yīng)力分布規(guī)律變化不大，僅工況3中隧道周邊圍巖呈現(xiàn)出小部分受拉狀態(tài)。綜合最小主應(yīng)力分析可知，因不同讓壓狀態(tài)下其差異性較大，從而導(dǎo)致圍巖周邊產(chǎn)生的應(yīng)力差有所不同，即圍巖的剪切破壞程度各異。

2.2.3圍巖塑性區(qū)分布特征分析

軟巖大變形隧道中，有效控制塑性區(qū)范圍是判斷支護(hù)體系及參數(shù)合理性的重要標(biāo)志，為此，特獲取不同工況下的圍巖塑性區(qū)范圍如圖7所示。

從圖中可以看出，各工況隧道周邊圍巖均產(chǎn)生了一定程度的剪切與受拉破壞，塑性區(qū)范圍隨讓壓支護(hù)中讓壓點(diǎn)及讓壓量的設(shè)置不同而各異，總體而言，設(shè)置讓壓量越大或起始讓壓點(diǎn)越晚，圍巖塑性區(qū)范圍亦將增大，越不利于圍巖的穩(wěn)定，因而合理的選擇讓壓量是施加讓壓支護(hù)體系的關(guān)鍵。

2.2.4支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析

一個(gè)合理的支護(hù)體系，除能有效保持控制圍巖位移、塑性區(qū)的發(fā)展外，其受力合理性也是其重要的判別指標(biāo)，為此，獲取不同工況下支護(hù)受力云圖如圖8所示。

(a)工況1-S1；(b)工況2-S1；(c)工況3-S1圖7　不同工況下圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zone distribution images of different conditions of surrounding rock

單位 Pa(a)工況1-S3；(b)工況2-S3；(c)工況3-S3；(d)工況1-S1；(e)工況2-S1；(f)工況3-S1圖8　不同工況下初支S3和S1云圖Fig.8 S3,S1 nephogram of different conditions of initial support

從圖中可以看出，當(dāng)采用讓壓支護(hù)時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的受力演化規(guī)律與圍巖基本相似：

1)最小主應(yīng)力方面：設(shè)置的讓壓量越大或起始讓壓點(diǎn)越晚，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力就越小。如工況1和2中，工況2支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力較工況1減少約40%左右(工況1為-17.6 MPa，工況2為-9.96 MPa)。同樣，工況1和3中，工況3支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力較工況1減少約17%左右(工況3為-14.1 MPa)。

2)最大主應(yīng)力方面：設(shè)置不同的讓壓量或起始讓壓點(diǎn)雖對支護(hù)體系中最大主應(yīng)力有所影響，但總體影響有限。

2.2.4合理讓壓點(diǎn)及讓壓量的分析

正如前述分析中揭示的那樣，讓壓支護(hù)體系中起始讓壓點(diǎn)及讓壓量的設(shè)置將直接影響到圍巖-結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，因此，為合理設(shè)置依托工程中讓壓支護(hù)體系的起始讓壓點(diǎn)及讓壓量，將各工況下圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力最大值見表3，同時(shí)獲取了不同工況下初支安全系數(shù)如圖9所示(注：初支安全系數(shù)的獲得主要以文獻(xiàn)[10]中二襯安全系數(shù)的計(jì)算方式為參考，將初支材料的自身抗拉、壓強(qiáng)度(主要以噴射混凝土控制)與各工況下初支實(shí)際所受最大拉、壓應(yīng)力值相比較而得)。

從表3可以看出，采用讓壓支護(hù)體系時(shí)，圍巖的變形量在18～36 cm之間，基本符合杜家山隧道設(shè)置的25～35 cm的預(yù)留變形量值，但工況3的周邊收斂接近限值。從受力方面來看，工況1和3的圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯大于工況2，同時(shí)結(jié)合初支受力安全系數(shù)來看，工況2條件下支護(hù)受力更加合理、安全，安全儲備也最高。

表3各工況圍巖、支護(hù)位移應(yīng)力綜合表

Table 3 Conditions of surrounding rock and support displacement stress

工況序號讓壓參數(shù)圍巖變形圍巖應(yīng)力支護(hù)應(yīng)力讓壓點(diǎn)讓壓量拱頂下沉/cm邊墻收斂/cm最小主應(yīng)力/MPa最小主應(yīng)力/MPa11051826-15-17.6210102128-10-1031552136-13-1441510未收斂

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3圖9　不同工況下初支安全系數(shù)圖Fig.9 Initial support safety coefficient under different conditions

因此，綜合比較后建議廣甘高速公路杜家山隧道若采用讓壓支護(hù)體系，起始讓壓點(diǎn)設(shè)計(jì)為10 cm，讓壓量設(shè)置為10 cm最為適宜。

3　結(jié)論

1)讓壓支護(hù)體系在原有及時(shí)強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，增加了讓壓功能，使支護(hù)系統(tǒng)具備“先抗后讓、抗讓結(jié)合”的特點(diǎn)，達(dá)到了充分釋放圍巖形變能，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的目的。

2)依據(jù)及時(shí)-強(qiáng)-讓壓支護(hù)的基本原則，提出基于讓壓錨桿+可縮性鋼拱架+帶變形槽或讓壓控制器的噴射混凝土組成的讓壓支護(hù)系統(tǒng)，并指出起始讓壓點(diǎn)及讓壓量的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

3)依托杜家山公路隧道，對讓壓支護(hù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究，分析表明：采用讓壓支護(hù)體系時(shí)，起始讓壓點(diǎn)越晚或讓壓量越大，圍巖釋放圍巖位移、應(yīng)力也就越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載亦即越小。但若讓壓量較小或起始讓壓點(diǎn)過早，則不能達(dá)到有效釋放圍巖形變能、改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的目的。若起始讓壓點(diǎn)過晚或讓壓量較大，雖充分釋放了了圍巖位移，但因釋放量過大而有可能導(dǎo)致圍巖的破壞甚至塌方風(fēng)險(xiǎn)，故起始讓壓點(diǎn)及讓壓量的設(shè)置應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際合理選擇。

隨著公路隧道向我國西部山區(qū)長大深埋方向的進(jìn)一步發(fā)展，軟巖大變形問題將越來越突出，本文僅從理念及數(shù)值分析手段對讓壓支護(hù)系統(tǒng)的可行性及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，下階段研究建議應(yīng)結(jié)合具體工程進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性及可實(shí)施性，為讓壓支護(hù)體系的推廣提供技術(shù)支撐。

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Study on application of yielding supporting system forlarge-deformation in soft rock highway tunnel

WANG Bo1,3，WANG Jie1, WU Dexing2, ZHAO Yudong1, ZHANG Biao1, LI Zheng1

(1. Southwest Jiaotong University，MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Chengdu 610031, China；2. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research，Hangzhou 310006，China;3. Hangzhou Fengqiang Civil Engineering Research Institute，Hangzhou 310008， China)

With the outburst of various disasters in large deformation highway tunnel in soft rock，such as lining cracking, steel twisted and bolt broken, the traditional strong support system in the treatment of large deformation tunnel is now under great challenge. Considering the idea of releasing deformation energy and optimizing the structure stress, a new design idea named timely-strong-yielding support is presented in this paper. According to this design concept, the yielding support system that consists of yielding bolt, collapsible steel arch and sprayed concrete with deformable slot or pressure controller, was proposed. On the basis of this support system and the characteristics of large deformation of Dujiashan highway tunnel, this paper studied the key technical problems of the system, including yielding point, yielding amount and so on. The results shows that when using yielding support, the later of yielding point, the more deformation energy will be released, and things are the same with more yielding amount. However, the purpose of releasing rock deformation energy and improving structure stress effectively couldn't be achieved if there is less yielding amount or earlier yielding point. More deformation energy would be released with greater yielding amount or later yielding point. On the other hand, the release of deformation energy will result in surrounding rock failure even collapse. Therefore, the yielding point and the yielding amount shall be combined with specific engineering to help us to make reasonable choices.

highway tunnel; large deformation of soft rock; timely strong support; yielding support ; yielding point ; yielding amount

2015-12-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378434，51578456)；國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1134208)

汪波(1975-)，男，安徽郎溪人，副教授，博士，從事地下工程方面的研究工作；E-mail：ahbowang@163.com

U459.2

A

1672-7029(2016)10-1985-09