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三层衬砌在高应力软岩隧道支护中的应用研究 ① 邓 华 （中交第三公路工程局有限公司，北京 １０００１２） 摘 要 以罗家隧道高应力软岩为例，对隧道衬砌支护进行了探讨。 采用三层衬砌设计，一方面允许围岩产生一定变形，增大变形 释放掉的围岩压力；另一方面提供较大的支护力，防止围岩产生大变形，保证隧道衬砌结构的安全。 数值计算及现场监控数据表 明，三层衬砌设计合理，对类似工程有一定借鉴意义。 关键词 高应力； 软岩； 衬砌； 隧道； 支护 中图分类号 ＴＤ３５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０２．００７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０２－００２８－０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ⁃ｌｉｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｓｓ ＤＥＮＧ Ｈｕａ （Ｔｈｉｒｄ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈｉｎａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ Ｌｕｏｊｉａ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌｓ． Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ⁃ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｙ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｔｏ ｓｔｏｐ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎｄ ｇｒｅａｔｅｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｏｎ⁃ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｌｌ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｓｕｃｈ ｔｈｒｅｅ⁃ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂｅｉｎｇ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ； ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ； ｌｉｎｉｎｇ； ｔｕｎｎｅｌ； ｓｕｐｐｏｒｔ 在山岭隧道修建过程中，隧道穿越高应力软岩段 时有发生，给隧道设计和施工带来了新的挑战，隧道在 设计过程中不得不面临软岩、高应力等方面的问 题［１－５］。 第一，隧道围岩较软，施工中容易发生较大的 变形，自承能力差；第二，在隧道施工期间容易产生高 应力，这对隧道支护结构不利，容易出现衬砌破坏。 在 高应力软岩段，如果初期支护太柔，虽然围岩压力得到 释放，但初期支护变形较大，容易导致衬砌侵入二次衬 砌空间，影响二衬的厚度，且初期支护变形过大容易导 致隧道塌方，影响施工进度［６－８］；倘若初期支护太刚， 会导致围岩压力得不到有效释放，隧道周边位移收敛 慢，影响二次衬砌施工进度，且后期二次衬砌承受的围 岩压力过大，即使提高二次衬砌的厚度，也容易导致隧 道二次衬砌开裂，影响隧道结构的稳定性及行车安 全［９－１０］。 所以在高应力软岩段，隧道支护结构应采用 “刚柔并济”的方式，既能有效释放围岩压力，也能保 证衬砌支护不产生过大的变形。 为了实现这个过程， 本文提出三次衬砌的概念，即隧道开挖之后首先施做 第一层较柔的临时防护罩，使得围岩压力得到有效释 放，然后施做初期支护，确保围岩不产生过大的变形， 最后施做二次衬砌。 １ 工程概况 罗家隧道为某高速公路上一座长隧道，围岩以碳 质泥岩为主，其中 Ｋ６＋２３０－３８０ 段埋深为 ３８０ ｍ 左右， 围岩自稳能力差。 参照隧道规范及相关经验，本段原 设计隧道衬砌采用如下形式初期支护参数为 ３０ ｃｍ 喷射混凝土＋２０ｂ 工字钢钢架（纵距 ０．４０ ｍ），仰拱成 环，预留变形量为 １５ ｃｍ；二次衬砌为 ５５ ｃｍ 厚 Ｃ３０ 钢 筋混凝土结构；径向锚杆为 Ｄ２５ 中空注浆锚杆，纵横 间距按 １ ｍ １ ｍ 布置，见图 １。 ２０１３ 年 ６ 月 ５～２０ 日，通过对 Ｋ６＋２５０－２７０ 段初 期支护进行现场监控，结果显示初期支护周边位移难 以收敛，拱顶沉降最后在 ６ ｍｍ／ ｄ 左右徘徊，这不满足 施做二次衬砌的条件（一般情况下初期支护拱顶 沉降小于 ０．３ ｍｍ／ ｄ 时才能施做二次衬砌），一直等到 ①收稿日期 ２０１５－１０－１３ 作者简介 邓 华（１９７８－），男，湖南长沙人，工程师，主要从事公路桥梁与隧道施工与管理工作。 第 ３６ 卷第 ２ 期 ２０１６ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１６ *8D/20b-0 D240 cm730 cm 15 cmB44 350 g/m2, 1.2 mm/EVA,;2 55 cm/C30-106 ,; ,*8 50 cm C30-106. 26 cm/C3006 620b.D-D240 cm D25D2D15-L350 cm D/02100 cm100 cm5/D D 8 D 26 23-1700 R1-581 9 图 １ 原设计隧道衬砌 ６ 月 ２５ 日，监控显示初期支护拱顶衬砌仍为 ３ ｍｍ／ ｄ， 考虑到再不施做二次衬砌的话，初期支护可能会因为 变形过大且侵入二次衬砌空间，于是现场决定施做二 次衬砌。 Ｋ６＋２５０－２７０ 段二次衬砌施做完毕立马停止 隧道施工并对二次衬砌进行监控，１５ 天之后发现二次 衬砌大面积开裂。 对 Ｋ６＋２３０－３８０ 段进行了补勘，岩芯见图 ２，并对 岩芯进行了三轴试验，结果见图 ３。 从图 ３ 可以看出， 本段岩石强度极低，属于软岩，对隧道结构不利。 图 ２ 岩芯 A 24 18 12 6 0 0.0000.003 12 MPa 6 MPa 0.0060.009 8A4 MPa 图 ３ 围岩三轴试验结果 本段隧道埋深只有 ３８０ ｍ，不过地应力测试结果 显示该段地应力较高，水平主应力最大值为 １９ ＭＰａ， Ｒｃ／ σｍａｘ＝５（Ｒｃ为岩石单轴饱和抗压强度，σｍａｘ为垂直 洞轴线方向的最大初始应力）。 侧压力系数随深度变 化情况见图 ４。 从图 ４ 可以看出，侧压力系数较大。 4; 10 16 22 28 34 0.00.30.60.91.21.81.52.1 , m 图 ４ 侧压力系数随深度变化曲线 从以上对隧道岩性的分析可以看出，本段隧道围 岩属高应力软岩，围岩自重应力及构造应力均较大。 原设计衬砌支护本身较强，不过本段隧道围岩地应力 高，地应力没有得到充分释放，导致初期支护周边位移 迟迟无法收敛，虽然勉强施做了二次衬砌，但二次衬砌 承受的围岩压力过大，从而导致开裂。 经研究决定采 用三层衬砌来解决高应力、软岩的问题。 ２ 三层衬砌设计 ２．１ 衬砌支护参数 为了隧道结构安全，采用三层衬砌。 第一层为临 时柔性防护罩，使围岩发生一定变形，有效释放围岩压 力，支护参数为 ２２ ｃｍ 喷射混凝土＋Φ２２ ｃｍ 格栅拱架 （纵距 ０．７５ ｍ），仰拱不成环，预留变形量为 ３０ ｃｍ；第 二层为刚性初期支护，防止围岩变形过大而发生塌方， 支护参数为 ２６ ｃｍ 喷射混凝土＋２０ｂ 工字钢钢架（纵距 ０．７５ ｍ），仰拱成环，预留变形量为 １５ ｃｍ；第三层为 ４５ ｃｍ 厚 Ｃ３０ 钢筋混凝土二次衬砌，见图 ５。 ２．２ 衬砌计算 隧道开挖后，施做第一层柔性防护罩，使围岩变形 释放压力，当周边位移速率小于 ５ ｍｍ／ ｄ 时，施做初期 支护，当周边位移速率小于 ０．３ ｍｍ／ ｄ 时，施做二次衬 砌。 采用 ｍｉｄａｓ⁃ｇｔｓ 数值计算软件对衬砌进行了计算， 采用围岩压力释放率来体现三层衬砌分批施做的过 程，即隧道开挖和施做第一层衬砌之后围岩压力释放 ３０％，施做第二层衬砌之后围岩压力释放 ３０％，施做第 三层衬砌之后围岩压力释放 ４０％。 开挖方法采用三 台阶法，计算参数见表 １。 ９２第 ２ 期邓 华 三层衬砌在高应力软岩隧道支护中的应用研究 ,/C
20 cmC- D275 cm722 cm 30 cmB44 *8D/20b-0 D275 cm726 cm 15 cmB44 350 g/m2, 1.2 mm/EVA,;2 45 cm/C30-106 ,; ,*8 45 cm C30-106. 24 cm/C3006 620b.D-D275 cm D25D2D15-L350 cm D/02100 cm100 cm5/D D 8 D 26 23-1700 R1-581 9 图 ５ 三层衬砌 表 １ 材料参数表 材 料 单元 类型 模型 类型 弹性 模量 泊松 比 容 重 容重 （饱和） 粘聚力 ／ ＭＰａ 摩擦角 ／ （） 厚度或 直径／ ｍ 柔性 防护罩 实体 单元 弹性２１０．２７２４０．２２ 初期 支护 实体 单元 弹性２８．８ ０．２５２５０．２６ 二次 衬砌 实体 单元 弹性２９．８０．２２６０．４５ 围岩 实体 单元 摩尔 库伦 ０．１０．４５２０２１３２０ Ｄ２５ 中空 注浆锚杆 结构 单元 植入式 桁架 １０００．２５８０．０２５ 注 弹性模量单位为 ＧＰａ；容重单位为 ｋＮ／ ｍ３。 隧道模型见图 ６。 为了图片效果，略去周边围岩 网格。 通过计算分别得出了三层衬砌的竖向位移，结 果见图 ７ ～ ９。 为节约篇幅，不列出三层衬砌应力分 布图。 图 ６ 隧道模型 图 ７ 防护罩位移 图 ８ 初期支护位移 图 ９ 二次衬砌位移 从图 ７ 可以看出，隧道开挖施做第一层防护罩之 后，最大沉降发生在拱顶，为 １２．９ ｃｍ，未侵入初期支护 空间，且有效释放了围岩压力。 从图 ８ 可以看出，初期 支护最大沉降发生在拱顶，为 ８．４５ ｃｍ，未侵入到第二次 衬砌空间，继续有效释放了围岩压力。 从图 ９ 可以看 出，施做二次衬砌之后，拱顶最大沉降值为 ７．３８ ｍｍ， 拱底最大隆起量为 ８．７４ ｍｍ，位移不大，说明二次衬砌 处于安全状态。 从以上分析可以看出，在高应力软岩隧道中，释放 掉围岩压力非常关键，隧道衬砌承受的力 Ｐ 为 Ｐ ＝ ＰＨ － Ｐ Ｚ － Ｐ Ｓ 式中 ＰＨ为隧道开挖后围岩向隧道空间内部运动的合 力；ＰＺ为围岩自承力；ＰＳ为围岩因变形而释放掉的力。 ０３矿 冶 工 程第 ３６ 卷 因此要保证隧道二次衬砌结构安全，就必须要减 小 Ｐ，增大 ＰＳ。 ＰＳ通过临时防护罩及初期支护慢慢释 放掉。 采用三层衬砌联合支护方案，一方面允许围岩 产生一定变形，增大变形释放掉的围岩压力，另一方面 提供较大的支护力，防止围岩由于变形失去自承能力， 从而保证隧道衬砌结构的安全。 ２．３ 现场衬砌变形监控 对衬砌拱顶沉降进行现场了监控，临时防护罩施 做完之后，拱顶下沉速率小于 ５ ｍｍ／ ｄ 时，施做初期支 护，初期支护拱顶下沉速率小于 ０．３ ｍｍ／ ｄ 时，施做二 次衬砌，拱顶沉降值见图 １０。 ;0d 100 80 60 40 20 00 1020304050 .,1Dmm                                    4;,/C *8D/ ,*8 图 １０ 现场衬砌拱顶沉降监控结果 从图 １０ 可以看出，临时防护罩施做之后，前 ２ 天 的变形速率为 １０ ｍｍ／ ｄ，变形速率较大，到第 ４ 天时变 形速率下降至 ５ ｍｍ／ ｄ，这时开始施做初期支护。 初期 支护施做完成之后，从第 ４ 天到第 １６ 天左右初期支护 的变形速率为 １～５ ｍｍ／ ｄ，进一步释放了围岩压力及 变形，第 １６～１８ 天初期支护的变形速率为 ０．３ ｍｍ／ ｄ， 第 １８ 天开始施做二次衬砌，这时初期支护拱顶沉降值 约为 ５１ ｍｍ，未侵入到二次衬砌的空间。 一直到第 ５０ 天二次衬砌的变形基本稳定，初期支护的拱顶最终沉 降值为 ６０ ｍｍ 左右，二次衬砌的拱顶沉降值为 ８．４ ｍｍ 左右，二次衬砌是安全的。现场监控值比数值模拟值 稍小，这属于正常现象。 从现场衬砌拱顶监控值来看， 采用三层衬砌能有效释放围岩压力，也能保证衬砌的 安全。 ３ 结 语 采用三层衬砌对隧道衬砌进行设计，第一层为临 时柔性防护罩，支护参数为 ２２ ｃｍ 喷射混凝土＋Φ２２ ｍｍ 格栅拱架（纵距０．７５ ｍ）；第二层为刚性初期支护， 支护参数为 ２６ ｃｍ 喷射混凝土＋２０ｂ 工字钢钢架（纵距 ０．７５ ｍ）；第三层为 ４５ ｃｍ 厚 Ｃ３０ 钢筋混凝土二次衬 砌。 采用 ｍｉｄａｓ⁃ｇｔｓ 数值计算软件对衬砌进行了计算 并对现场拱顶沉降进行了监控，结果表明，三层衬砌联 合支护方案既能释放掉部分围岩压力，也能保证隧道 结构的安全。 参考文献 ［１］ 田洪铭，陈卫忠． 高应力软岩隧道合理支护方案研究［Ｊ］． 岩石力 学与工程学报，２０１１，３０（１１）２２８７－２２８８． ［２］ 王建宇，胡元芳，刘志强． 高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可 让性支护原理［Ｊ］． 现代隧道技术，２０１２，４９（３）９－１０． ［３］ 李向阳，韩立军，杨 灵． 软岩大断面硐室动态施工与耦合支护技 术研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（１）１８－２３． ［４］ 冯 伟，朱 江，宋远卓． 极弱胶结地层中大断面硐室开挖及支护 技术研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１５（３）９－１３． ［５］ 林同立，何忠明，蔡 军． 改扩建高速公路路堑边坡拓宽方案对比 分析［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（６）１８－２１． ［６］ 王中文，方建勤，夏才初，等． 考虑围岩蠕变特性的隧道二衬合理 支护时机确定方法［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２０１０，２９（Ｓ１） ３２４１－３２４２． ［７］ 刘招伟，王明胜，方俊波． 高地应力大变形隧道支护系统的试验研 究［Ｊ］． 土木工程学报，２０１０，４３（５）１１２－１１３． ［８］ 曲海锋，朱合华，黄成造，等． 隧道初期支护的钢拱架与钢格栅选 择研究［Ｊ］． 地下空间与工程学报，２００７，３（２）２５９－２６０． ［９］ 刘志春，李文江，孙明磊，等．乌鞘岭隧道 Ｆ４ 断层区段监控量测综 合分析［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００６，２５（７）１５０３－１５０４． ［１０］ 张继奎，方俊波． 高地应力千枚岩大变形隧道支护参数试验研究 ［Ｊ］． 铁道工程学报，２００５，８９（５）６７－６８． １３第 ２ 期邓 华 三层衬砌在高应力软岩隧道支护中的应用研究