趙 偉

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國的交通工程、水利工程、礦山工程快速發(fā)展，隨著國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)往西部復(fù)雜艱險山區(qū)推進(jìn)，在建的川藏鐵路、滇藏鐵路等都面臨深埋軟巖隧道擠壓性大變形的困擾。目前，深埋軟巖隧道大變形災(zāi)害的預(yù)防與治理，已經(jīng)成為山嶺隧道建設(shè)和運營維護(hù)亟待解決的難題之一。常規(guī)錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)往往失效，導(dǎo)致侵限換拱，更嚴(yán)重的導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)垮塌，工程進(jìn)度遲緩，風(fēng)險加大。

從隧道的力學(xué)特征上講，圍巖既有自己的材料屬性，亦有其結(jié)構(gòu)屬性，隧道采用分部開挖并控制循環(huán)進(jìn)尺，以及采用的各種輔助工法，均需要結(jié)合簡潔的力學(xué)模型加以分析和應(yīng)用；對初期支護(hù)，核心的問題則是其變形能力和承載能力。李小紅[1]結(jié)合蘭渝鐵路大變形隧道施工經(jīng)驗，依據(jù)“抗放結(jié)合”的原則，提出了軟巖隧道大變形控制的一些具體措施；汪波等[2]比較了強(qiáng)支護(hù)、分層支護(hù)和可縮式讓壓支護(hù)的力學(xué)特點，提出讓壓支護(hù)具有邊支邊讓等特性，可充分發(fā)揮圍巖及支護(hù)材料的性能，應(yīng)為軟巖大變形隧道支護(hù)的最優(yōu)措施。

結(jié)構(gòu)上的概念分析，是在對基礎(chǔ)力學(xué)的共同特點抽象、概括與總結(jié)的基礎(chǔ)上，著重從力學(xué)概念上分析結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力特點，抓住結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動力反應(yīng)問題等力學(xué)特性的關(guān)鍵要素。其意義在于，在工程設(shè)計和處理實際問題時，對結(jié)構(gòu)的合理形式及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力等具有總體的概念和定性的分析判斷[3]。

地質(zhì)力學(xué)中，用梁的彎曲研究皺褶的形成機(jī)制[4]；巖體力學(xué)中，用壓力拱承載結(jié)構(gòu)理論解釋隧道開挖引起應(yīng)力轉(zhuǎn)移表現(xiàn)形式[5]；在地下大跨車站實踐中，預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用[6]；在軟巖隧道讓壓支護(hù)研究方面，環(huán)向讓壓支護(hù)[7]、恒阻大變形錨桿(索)支護(hù)[8]、鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)體系[9]、限阻釋能型支護(hù)[10]、新型半剛性網(wǎng)殼支護(hù)[11]等均可看做是對結(jié)構(gòu)概念分析的應(yīng)用。

上述研究成果很好地詮釋了結(jié)構(gòu)概念分析在隧道工程中的重要價值，但缺少對隧道開挖工法及各種輔助措施應(yīng)用的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)地論述，初期支護(hù)的讓壓機(jī)理亦缺乏從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和大變形力學(xué)理論進(jìn)行深入研究，有必要選擇簡單統(tǒng)一的力學(xué)模型，便于隧道工程技術(shù)人員掌握利用。

論文以深埋軟巖隧道擠壓性變形控制為出發(fā)點，從圍巖結(jié)構(gòu)和初期支護(hù)讓壓兩個方面，運用結(jié)構(gòu)概念分析理論研究圍巖的結(jié)構(gòu)特征、支護(hù)結(jié)構(gòu)讓壓特征以及圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同工作的力學(xué)機(jī)制，研究讓壓支護(hù)的結(jié)構(gòu)化實現(xiàn)方法，并討論了讓壓支護(hù)在深埋軟巖隧道中的適用條件。對深入理解軟巖隧道大變形控制的各種措施具有重要理論意義和實用價值。

1 圍巖的拱結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用

1.1 圍巖拱結(jié)構(gòu)分析

新意法將隧道的開挖支護(hù)過程中的變形分為三種類型，即預(yù)收斂變形、擠出變形和收斂變形[12]，基于隧道穩(wěn)定性與拱效應(yīng)的密切相關(guān)性，建立了以控制掌子面穩(wěn)定為核心的巖土控制變形方法。

隧道在開挖和支護(hù)過程中形成圍巖的自承載體，可以看作有若干個不連續(xù)的承載拱組成。圍巖穩(wěn)定前，拱的位置和形狀是動態(tài)的，從隧洞表面向深部發(fā)展，并趨于合理拱軸。由于拱的不連續(xù)性，當(dāng)某一拱腳處在臨近拱的塑性區(qū)內(nèi)，圍巖會沿拱腳作用力方向發(fā)生剪切滑動，導(dǎo)致圍巖擠出或垮塌。

圖1為圍巖拱結(jié)構(gòu)概念模型，拱結(jié)構(gòu)的最大特點是利用支座的水平反力來減小跨間的彎矩，以便適應(yīng)軟弱圍巖的強(qiáng)度特性（抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度）。從圍巖拱結(jié)構(gòu)概念模型圖上可以看出，圍巖結(jié)構(gòu)拱的承載力除了和拱的跨度l、矢高f、圍巖結(jié)構(gòu)拱所受的荷載q的大小和分布特點有關(guān)外，還受到圍巖的強(qiáng)度特征（黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E）的影響。圍巖穩(wěn)定前，其拱結(jié)構(gòu)的幾何形狀及材料物理參數(shù)也處于動態(tài)調(diào)整中；此外，拱腳的穩(wěn)定對圍巖拱結(jié)構(gòu)承載能力有重要影響，拱腳的集中作用力，易造成拱腳處圍巖的剪切破壞，導(dǎo)致拱腳的失穩(wěn)。

圖1 圍巖拱結(jié)構(gòu)概念模型

1.2 圍巖拱結(jié)構(gòu)應(yīng)用

隧道工程中，圍巖中的拱結(jié)構(gòu)既有橫向的、也有縱向的，既有拱部的、也有邊墻和底部的，圍巖拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定既取決于圍巖本身特有的力學(xué)性質(zhì)，也受開挖擾動的影響。軟巖隧道采用小斷面分部開挖（比如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七部開挖法）可以看作減小橫向拱的跨度；使用大縮腳錨管，則是為了穩(wěn)定橫向拱的拱腳；在縱向，控制循環(huán)進(jìn)尺，控制臺階長度等，是為了減小縱向拱的拱跨；掌子面預(yù)留核心土或?qū)φ谱用孢M(jìn)行加固，既穩(wěn)定了縱向拱的拱腳，又加強(qiáng)了掌子面拱殼的穩(wěn)定。以上措施均可看作拱結(jié)構(gòu)在隧道工程中的應(yīng)用，實現(xiàn)簡單力學(xué)模型下對各種變形控制措施的系統(tǒng)化分析。

隧道開挖工法及輔助措施選擇的前提條件是圍巖要具有一定的抗剪強(qiáng)度，在開挖跨度內(nèi)具備一定的自穩(wěn)能力，如果圍巖抗剪強(qiáng)度過低，或者地下水豐富，圍巖拱結(jié)構(gòu)難以形成，上述提高圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的措施便無從談起，這正是進(jìn)行超前引排水和超前預(yù)加固的原因，包括超前旋噴注漿、長大管棚、超前小導(dǎo)管等。

深埋軟巖隧道常見地質(zhì)為層狀巖層（薄層狀），層間走向及傾角復(fù)雜多變，往往存在地質(zhì)偏壓現(xiàn)象。因此，對于地質(zhì)偏壓情況，可以利用錨桿的疊合作用，提高結(jié)構(gòu)面間的抗剪切能力，使之成為整體，避免巖層出現(xiàn)大量彎折碎脹。

對于水平層狀巖層，頂部巖體處于層狀受彎的狀態(tài)，容易發(fā)生彎曲變形，或發(fā)展為豎向剪斷。此類巖層，應(yīng)根據(jù)圍巖破壞情況，開挖前增設(shè)大傾角超前小導(dǎo)管，或在支護(hù)封閉后增設(shè)豎向錨桿，使圍巖形成疊合結(jié)構(gòu)或把松散巖體懸吊在深部巖體中，以此避免頂部圍巖的失穩(wěn)。

軟巖隧道中，處在頂部自承載拱下的圍巖劣化，自重作用下必然松散垮塌，產(chǎn)生比較大的松散壓力，因此礦山法隧道掘進(jìn)前，拱部范圍超前小導(dǎo)管是必不可少的預(yù)支護(hù)措施。在極軟巖或水平薄層狀巖體中，隧道開挖容易形成塌腔，則需要采取管棚支護(hù)的措施。

深埋軟巖儲存的勢能高，隧道開挖后，發(fā)生應(yīng)力重分布，同時，伴隨著圍巖內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)移、耗散和集中。盡管隧道的切向應(yīng)力增大是形成圍巖承載拱的重要條件，但如果能量在切向過于集中，圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度，將導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞。深埋軟巖的卸壓技術(shù)通過將隧道周邊圍巖局部“掏空”，在圍巖內(nèi)部主動預(yù)留變形空間，以此降低應(yīng)力的過于集中，同時實現(xiàn)圍巖承載拱往深部轉(zhuǎn)移，在圍巖深部形成拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，在隧道周邊形成低應(yīng)力圈。

讓壓支護(hù)則是基于深埋軟巖隧道在初期支護(hù)實施后仍具有較大的流變變形特性，初期支護(hù)在提供一定支護(hù)阻力、實現(xiàn)與圍巖同步較大變形的過程中，其承載能力不降低的一種支護(hù)技術(shù)，并以此降低隧道周邊圍巖的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力，降低圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)阻力。

2 讓壓支護(hù)的結(jié)構(gòu)概念分析

2.1 讓壓支護(hù)基本原理

圖2為讓壓支護(hù)原理示意圖[7]，實線表示剛性支護(hù)的情形，虛線表示允許適當(dāng)變形的讓壓支護(hù)情形，讓壓支護(hù)一方面降低了圍巖中的切向應(yīng)力，另一方面降低了圍巖壓力，對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均起到讓壓保護(hù)的作用。

圖2 讓壓支護(hù)原理

常規(guī)初期支護(hù)的剛度主要指的是結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。初期支護(hù)在大變形條件下，彎曲變形引起環(huán)向壓力的偏心增大，產(chǎn)生附加彎矩，加速了支護(hù)的破壞和圍巖的失穩(wěn)。當(dāng)受到較大彎曲應(yīng)力時，噴射混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。因此，常規(guī)的彎曲讓壓支護(hù)實際上是一種先剛后柔的支護(hù)形式，且以犧牲支護(hù)的抗彎剛度和承載能力實現(xiàn)柔性，難以適應(yīng)深埋軟巖大變形隧道對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形能力和承載能力的要求，必須改變讓壓方式，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形讓壓過程中，其抗彎剛度和承載能力不降低。

深埋軟巖的強(qiáng)流變特性意味著能量釋放具有時間和空間的相關(guān)性，讓壓支護(hù)通過動態(tài)的變形讓壓使得巖體能量釋放，圍巖應(yīng)力和圍巖壓力以及保持圍巖穩(wěn)定需要的支護(hù)阻力得以降低。因此，“柔剛-剛?cè)?強(qiáng)剛”變剛度特性是深埋軟巖隧道讓壓支護(hù)應(yīng)具有的最重要的力學(xué)特征，也因為初期支護(hù)承擔(dān)結(jié)構(gòu)的功能，控制軟巖隧道大變形最終必須依靠強(qiáng)而有力的剛性支護(hù)，讓壓的目的主要在于降低后期強(qiáng)剛支護(hù)的成本。

2.2 環(huán)向讓壓和讓壓預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)

圖3為環(huán)向讓壓支護(hù)示意圖。環(huán)向讓壓支護(hù)[7]充分利用噴射混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點，在初期支護(hù)的彎矩或彎曲變形較小處設(shè)置低抗壓剛度的金屬讓壓裝置，通過環(huán)向壓力使得讓壓裝置屈服，既能提供一定的支護(hù)阻力，又通過環(huán)向周長的縮短調(diào)整圍巖應(yīng)力和圍巖壓力，根本上改變了常規(guī)支護(hù)彎曲變形讓壓的模式，降低了幾何非線性誘發(fā)的力學(xué)大變形效應(yīng)的不利影響，確保了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力不因變形而降低,體現(xiàn)了“實現(xiàn)變形大，規(guī)避大變形”的讓壓支護(hù)原則。環(huán)向讓壓支護(hù)具有以下特點：

圖3 環(huán)向讓壓支護(hù)示意圖

（1）隧道初期支護(hù)屬于壓彎構(gòu)件，噴射混凝土的彎曲變形能力較低，是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。環(huán)向讓壓支護(hù)通過環(huán)向壓力(軸力)使得讓壓裝置屈曲，與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特點相一致，通過讓壓裝置的彈塑性變形吸收和消耗能量，符合圍巖壓力變化特點及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能；

（2）環(huán)向讓壓支護(hù)的讓壓裝置應(yīng)設(shè)置在彎矩較小處，同時，該區(qū)域剪力較大，應(yīng)確保讓壓裝置的剪切剛度和承載力，降低剪切錯動，讓壓裝置應(yīng)具有“強(qiáng)剪弱壓”的特點；

（3）Q235 鋼具有延性好、對環(huán)境和溫度適應(yīng)性強(qiáng)的特點，且造價低廉，在工程結(jié)構(gòu)耗能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是制作金屬屈曲型讓壓裝置的理想材料，屈曲型環(huán)向讓壓裝置的結(jié)構(gòu)材料選用Q235B 級鋼。

短而密系統(tǒng)錨桿對圍巖具有“加筋”作用，但由于其在實際工程中實施率低，對深埋軟巖隧道變形控制的有效性有待實踐的檢驗。長錨桿（索）在深埋軟巖大變形隧道中可以發(fā)揮更好的作用。長錨桿（索）的結(jié)構(gòu)作用，一是傳遞荷載，將圍巖壓力傳遞到深部穩(wěn)定巖體，二是給支護(hù)結(jié)構(gòu)提供支點，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載作用效應(yīng)。錨桿（錨索）的應(yīng)用可根據(jù)圍巖穩(wěn)定的時空變化擇機(jī)選擇，施工快，具有立即生效的特性，因此，深埋軟巖隧道大變形控制應(yīng)重視長錨桿（索）對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用。

圖4為外置式讓壓錨墊板結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖。外置式讓壓預(yù)應(yīng)力錨索[13]既可以加固圍巖，將圍巖壓力轉(zhuǎn)移至深部穩(wěn)定巖體，又可以對支護(hù)結(jié)構(gòu)起到減跨作用。通過預(yù)緊力的外置式讓壓錨索和環(huán)向讓壓支護(hù)聯(lián)合，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索讓壓與初期支護(hù)環(huán)向讓壓的協(xié)調(diào)工作。外置式讓壓預(yù)應(yīng)力錨索具有以下特點：

圖4 外置式讓壓錨墊板（單位：mm）

（1）預(yù)應(yīng)力錨索通過外置式讓壓錨墊板的設(shè)計，在柔性支護(hù)階段提供主動支護(hù)阻力同時，通過錨墊板的壓縮實現(xiàn)支護(hù)阻力下的變形；

（2）預(yù)應(yīng)力錨索在剛性支護(hù)階段對初期的主要作用是減小跨度，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

聯(lián)合讓壓支護(hù)的目的是適應(yīng)深埋軟巖隧道變形特點，從時間和空間上研究圍巖、錨索、初期支護(hù)的相互作用關(guān)系，從支護(hù)體系的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性方面實現(xiàn)隧道的最終穩(wěn)定。本文提出的聯(lián)合讓壓支護(hù)是綜合考慮預(yù)應(yīng)力錨索與初期支護(hù)的協(xié)調(diào)變形和同步讓壓的作用，除了錨索發(fā)揮加固圍巖，降低圍壓壓力的作用外，更重視和強(qiáng)調(diào)錨索對支護(hù)結(jié)構(gòu)的減跨效果，發(fā)揮錨索在調(diào)整支護(hù)內(nèi)力和在強(qiáng)剛支護(hù)階段的力學(xué)作用。

用伸縮縫將初期支護(hù)斷開，在伸縮縫處設(shè)置環(huán)向讓壓裝置，環(huán)向讓壓初期支護(hù)[7]和預(yù)應(yīng)力錨索錨頭讓壓[13]的協(xié)調(diào)變形使得伸縮縫隨著圍巖變形而相應(yīng)變窄，此時初期支護(hù)發(fā)生剛體位移為主的周長縮短，待讓壓量達(dá)到預(yù)定值后，對伸縮縫處讓壓裝置空腔進(jìn)行補(bǔ)噴予以加固，并可根據(jù)變形收斂檢測情況，采取增設(shè)二次初期支護(hù)等措施，同時提高錨索的預(yù)緊力，形成強(qiáng)剛高承載力的支護(hù)體系。

圖5為聯(lián)合讓壓支護(hù)示意圖，將環(huán)向讓壓初期支護(hù)與外置式讓壓預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合，讓壓錨索與環(huán)向讓壓支護(hù)協(xié)同工作，實現(xiàn)支護(hù)初期的“柔剛”，提供一定的支護(hù)阻力。環(huán)向讓壓支護(hù)通過讓壓裝置的彈塑性變形存儲和消耗能量，讓壓量可控，整個變形過程中，支護(hù)體系的承載力和剛度不降低，實現(xiàn)支護(hù)中期的“剛?cè)帷?。預(yù)定讓壓量完成后，支護(hù)體系進(jìn)入后期的“強(qiáng)剛”支護(hù)階段。預(yù)應(yīng)力錨索一方面對圍巖提供主動徑向阻力，使圍巖處于三向受力狀態(tài)，限制松動圈的發(fā)展，另一方面，預(yù)應(yīng)力錨索對支護(hù)結(jié)構(gòu)有減跨作用，提高了支護(hù)的剛度，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，從而提高了抗彎、抗剪和抗扭承載力，實現(xiàn)了支護(hù)后期的“強(qiáng)剛”。

圖5 環(huán)向讓壓和預(yù)應(yīng)力錨索讓壓聯(lián)合支護(hù)

圖6為聯(lián)合讓壓支護(hù)的結(jié)構(gòu)特征曲線，曲線①代表外置式讓壓預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)特征曲線；曲線②代表環(huán)向讓壓初期支護(hù)的特征曲線；曲線③代表聯(lián)合讓壓支護(hù)的結(jié)構(gòu)特征曲線。假定初期支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨索同步工作：

圖6 聯(lián)合讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線

（1）變形量達(dá)到U1時，環(huán)向讓壓支護(hù)進(jìn)入恒阻讓壓階段，此時，預(yù)應(yīng)力錨索也進(jìn)入讓壓階段；

（2）變形量達(dá)到U2時，錨索和環(huán)向支護(hù)恒阻讓壓結(jié)束，隨著圍巖繼續(xù)變形，錨索拉力快速增大，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度得到提升；

（3）變形量到達(dá)U3時錨索達(dá)到最大承載力，隨后錨索失去作用，進(jìn)入由初期支護(hù)單獨工作階段，直至初期支護(hù)達(dá)到極限變形量（U4）后，進(jìn)入后屈曲階段。研究目標(biāo)是變形達(dá)到U3前圍巖及支護(hù)體系取得穩(wěn)定。

由上述結(jié)構(gòu)概念的力學(xué)分析可知，聯(lián)合讓壓支護(hù)，通過降低初期支護(hù)的局部抗壓剛度實現(xiàn)柔性，通過提高初期支護(hù)的抗彎剛度實現(xiàn)剛性支護(hù)，更能體現(xiàn)先柔后剛的支護(hù)效果，材料利用率高，支護(hù)體系力學(xué)性能發(fā)揮更好。

2.3 圍巖與初期支護(hù)一體化

圖7為圍巖和初期支護(hù)組成的支護(hù)體系示意圖，由內(nèi)到外依次是支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖松散體和圍巖擠密體，從力學(xué)效應(yīng)上講，三部分應(yīng)形成為疊合支護(hù)體。

圖7 支護(hù)體系的疊合結(jié)構(gòu)模型

疊合支護(hù)不是幾層結(jié)構(gòu)單元的簡單疊加，而是要實現(xiàn)一體化受力，組成剛度大、承載力高的疊合結(jié)構(gòu)。疊合支護(hù)力學(xué)作用發(fā)揮的關(guān)鍵是疊合層接觸面之間的抗剪強(qiáng)度和各疊合層之間物理力學(xué)性能的匹配。

對于深埋軟巖隧道，隧道開挖變形引起表層圍巖劣化，其物理力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度、彈性模量等）和噴射混凝土相比相差懸殊，松散體產(chǎn)生松散壓力并將圍巖壓力傳至初期支護(hù)，與噴射混凝土的疊合作用差，共同工作的能力弱。因此，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化受力的關(guān)鍵是提高圍巖力學(xué)性質(zhì)，提高支護(hù)和圍巖接觸面的抗剪切能力。圖8為通過對松散體圍巖注漿加固改良，支護(hù)體背面灌漿填充，以及利用注漿管提高圍巖及圍巖和支護(hù)接觸面的抗剪強(qiáng)度，達(dá)到疊合支護(hù)的作用效應(yīng)。

圖8 圍巖–支護(hù)疊合結(jié)構(gòu)體系

3 深埋軟巖隧道讓壓支護(hù)適用條件

圍巖自承載能力的強(qiáng)弱和流變性質(zhì)是決定支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化和支護(hù)時機(jī)的依據(jù)。若圍巖的強(qiáng)度太低，無法形成自承載體，或圍巖的流變不明顯，隧道開挖引起的能量釋放在短時間內(nèi)（或瞬時）完成，則應(yīng)盡早采用強(qiáng)剛支護(hù)，不應(yīng)讓壓。

圖9表示圍巖壓力、變形與支護(hù)成本之間的關(guān)系，水平軸代表圍巖變形量或圍巖從隧道開挖到穩(wěn)定的時間。向上的豎軸表示圍巖壓力，向下的豎軸表示支護(hù)成本。

圖9 圍巖壓力、支護(hù)成本與變形關(guān)系曲線

曲線①表示巖體強(qiáng)度極低，難以形成有效的自承載體，曲線②表示圍巖通過一定的收斂變形能夠形成自承載體，假定兩種情況下，圍巖均表現(xiàn)出強(qiáng)的塑性變形和流變性質(zhì)。

曲線③表示剛性支護(hù)，曲線④表示讓壓柔性支護(hù)，假定兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)在達(dá)到平衡狀態(tài)前承載力不降低。

曲線⑤表示支護(hù)成本隨著變形量的增加而增加，適用于圍巖強(qiáng)度低，難以形成自承載體的圍巖（曲線①），應(yīng)該采用剛性支護(hù)（曲線③）。

曲線⑥表示一定變形量下，支護(hù)成本隨著變形量的增大而降低，適用于能夠形成自承載體的圍巖（曲線②），應(yīng)該采用柔性支護(hù)（曲線④），需注意，讓壓最大并非代表著成本最低。

曲線①所表示的圍巖，其本身抗剪強(qiáng)度極低，僅具有荷載和傳遞荷載的作用，不能形成自承載體，任憑發(fā)生怎么大的塑性變形，圍巖中的應(yīng)力和穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力不會降低。過大的預(yù)留變形量必然導(dǎo)致開挖出渣工作量增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)跨度大，荷載作用效應(yīng)大，提高支護(hù)的成本。因此，對于圍巖強(qiáng)度很低的軟巖隧道，除了在開挖前進(jìn)行必要的圍巖改良補(bǔ)強(qiáng)外，開挖后盡早實施強(qiáng)支護(hù)。

曲線②表示圍巖具有一定的抗剪強(qiáng)度，圍巖應(yīng)力重分布能夠形成自承載體，可以看出，此階段圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這個變形過程正是圍巖卸壓和支護(hù)結(jié)構(gòu)讓壓的過程，在這個過程中，初期支護(hù)所受的圍巖壓力是逐漸增加的，但達(dá)到穩(wěn)定平衡時所需的支護(hù)阻力降低了，控制軟巖隧道大變形最終必須依靠強(qiáng)而有力的強(qiáng)剛支護(hù)，讓壓的目的主要在于降低后期強(qiáng)剛支護(hù)的成本。

本文所討論的讓壓支護(hù)，應(yīng)確保初期支護(hù)在讓壓的過程中承載能力不降低，也即其強(qiáng)度和穩(wěn)定性在讓壓變形過程中必須得到保障，而這正是當(dāng)前讓壓支護(hù)研究及工程實踐中的核心問題。

深埋軟巖隧道大變形控制要實現(xiàn)“剛?cè)?柔剛-強(qiáng)剛”的變剛度初期支護(hù)，讓壓變形量設(shè)計是核心的內(nèi)容之一，變形量控制指標(biāo)的確定應(yīng)根據(jù)圍巖能量釋放需要和初期支護(hù)的變形能力綜合考慮，進(jìn)行一隧一議的力學(xué)計算和試驗總結(jié)，從結(jié)構(gòu)剛度上講，通過“變形大”實現(xiàn)釋放能量，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定上講，要規(guī)避“大變形”，確保承載力。

不同讓壓方式的初期支護(hù)，變形能力不同?？刂谱冃瘟啃r，可采用彎曲讓壓支護(hù)，控制變形量大時，則應(yīng)采用環(huán)向讓壓支護(hù)。變形量的控制指標(biāo)應(yīng)考慮初期支護(hù)的力學(xué)特征，尤其是考慮初期支護(hù)在強(qiáng)剛階段通過預(yù)應(yīng)力錨索減跨和圍巖-初期支護(hù)一體化后的承載能力，圍巖必須在初期支護(hù)達(dá)到極限承載力前穩(wěn)定，穩(wěn)定前為讓壓階段。

讓壓支護(hù)的目的之一是降低促使圍巖穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力，降低到初期支護(hù)的承載范圍之內(nèi)，深埋軟巖隧道的初期支護(hù)更多地承擔(dān)結(jié)構(gòu)的作用，從非線性力學(xué)上講，初期支護(hù)的變形能力和承載能力是一致的，極限承載力下的變形量即為極限變形量，深埋軟巖隧道變形控制指標(biāo)不應(yīng)超過初期支護(hù)的極限變形量，或者說，初期支護(hù)的極限變形量既定的情況下，應(yīng)采取措施進(jìn)行圍巖卸壓或者提高初期支護(hù)后期剛度來控制圍巖的變形。

深埋軟巖隧道的讓壓支護(hù)應(yīng)貫徹“柔剛-剛?cè)?強(qiáng)剛”的支護(hù)理念，其核心是支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度控制，這里并非是把初期支護(hù)視為柔性階段，二襯視為剛性支護(hù)，而是要實現(xiàn)初期支護(hù)本身的變剛度特性，并以初期支護(hù)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到保障為前提。深埋軟巖隧道應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測分析，研判圍巖的流變性質(zhì)，適時加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度。

4 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)概念分析是地下工程一種重要的力學(xué)分析方法，將深埋軟巖隧道圍巖自承載體簡化為拱結(jié)構(gòu)模型，圍巖穩(wěn)定應(yīng)從巖體強(qiáng)度、縱橫向拱跨、矢高和拱腳等方面綜合施策，而非單一的治理措施。

（2）聯(lián)合讓壓支護(hù)是解決深埋軟巖隧道大變形的有效措施，常規(guī)錨噴支護(hù)較大彎曲變形情況下，力學(xué)大變形效應(yīng)顯著。環(huán)向讓壓護(hù)與讓壓預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合讓壓支護(hù)，保證初期支護(hù)承載力不因變形大而降低，實現(xiàn)初期支護(hù)變形大，又規(guī)避了力學(xué)大變形效應(yīng)的不利影響，且通過預(yù)應(yīng)力錨索對初期支護(hù)的減跨作用，提高支護(hù)剛度，調(diào)整支護(hù)內(nèi)力，達(dá)到了先柔后剛的支護(hù)效果。

（3）應(yīng)用疊合結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，實現(xiàn)圍巖和初期支護(hù)的一體化受力，實現(xiàn)支護(hù)后期強(qiáng)剛的支護(hù)效果，其力學(xué)作用發(fā)揮的關(guān)鍵是提高圍巖和噴射混凝土接觸面之間的抗剪強(qiáng)度，并對圍巖松散體進(jìn)行改良加固。

（4）初期支護(hù)極限承載力下的變形量即為其極限變形量，深埋軟巖隧道變形不應(yīng)超過初期支護(hù)的極限變形量。