基于围岩压力-承载区特征曲线的挤压大变形隧道支护原则研究

Research on Support Principle of Large Extrusion Deformation Tunnel Based on the Characteristic Curve between Surrounding Rock Pressure and Bearing Zone

摘要

挤压大变形隧道常常出现初期支护侵限、喷射混凝土局部开裂、钢架扭曲甚至局部塌方等灾变。以高速铁路大埋深Ⅳ级围岩双线隧道为研究对象，通过数值模拟法建立围岩压力-承载区特征曲线；依托中老铁路会排山隧道进行现场测试，验证围岩压力、变形与松弛范围的关系；基于松弛区对埋深的敏感性，给出不同埋深下Ⅳ级围岩隧道支护原则。结果表明：随着变形的增加，围岩压力逐渐减小，而松弛区逐渐增大，岩体离散阈值出现在松弛区范围内；围岩压力-承载区特征曲线的结果基本可以反映现场的实际情况；Ⅳ级围岩隧道在埋深达到千米级时，围岩开挖后可先进行混凝土初喷及锚杆支护，锚杆长度建议为6~8 m，如遇变形速度快或变形量大时可采用预应力锚杆，适当增加支护刚度，可采用刚柔结合的支护形式。

Abstract

Large extrusion deformation tunnels often encounter disasters such as initial support encroachment, local cracking of sprayed concrete, steel frame distortion, and even partial landslides. Focusing on double-track Grade Ⅳ surrounding rock with deep-burial depth in high-speed railway tunnels, a characteristic curve between surrounding rock pressure and load-bearing zones was established through numerical simulation. Field tests were conducted in the Huipaishan Tunnel on the China-Laos Railway to verify the relationship between surrounding rock pressure, deformation, and relaxation range. Based on burial depth sensitivity of relaxation zones, support principles for Grade Ⅳ surrounding rock tunnels under different burial depths were proposed. Results indicate that as deformation increases, surrounding rock pressure gradually decreases while relaxation zones expand, with rock mass discrete threshold occurring within the relaxation zone. The characteristic curve between surrounding rock pressure and bearing zone largely reflects actual field conditions. For kilometer-depth Grade Ⅳ surrounding rock: initial concrete spraying and anchor support can be applied post-excavation. The recommended range of the anchor length is between 6 m to 8 m. Prestressed anchors can be applied in case of rapid or large deformation; rigid-flexible composite support systems with appropriately increased stiffness should be adopted.

Graphical abstract

关键词

隧道工程 / 围岩压力-承载区特征曲线 / 现场验证 / 挤压大变形 / 支护原则

Key words

Tunnel engineering / Characteristic curve between surrounding rock pressure and bearing zone / Field verification / Large extrusion deformation / Support principle

随着隧道建设的不断推进，遇到的隧道埋深也越来越大，使得隧道穿越的地质环境变得更加复杂多变。由此，隧道大变形灾变的情况也日益增多，不仅会危及施工安全，还会影响隧道的长期稳定，这对隧道支护结构和施工方法提出了更高的要求。

隧道工程中所述的大变形与力学范畴的不同，重在描述变形的严重程度及其对工程的影响^［1］。近年来出现的典型大变形隧道包括兰武二线乌鞘岭隧道^［2］、渭武高速木寨岭隧道^［3］，成兰铁路杨家坪隧道、茂县隧道^［4-5］、成贵铁路高坡隧道^［6］、中老铁路穿越琅勃拉邦缝合隧道群^［7-8］等，均表现出了变形量大、变形时间长的特点，同时出现了支护剥落、钢架扭曲、局部塌方等灾害^［9-10］。隧道大变形原因，可以总结为高地应力岩体剪切破坏、卸荷作用结构面失稳、岩体膨胀蠕变等3类^［11］，实际工程中可能是多因素复合出现^［12-13］。传统大变形隧道的支护理论包括收敛-约束法^［13］、轴变论、松动圈理论^［14］、围岩-支护耦合理论^［15］及喷锚-弧板支护理论^［16］等。现如今针对大变形隧道的支护理念包括应力补偿^［17］、“三度空间”^［18］等，都强调了主动支护、让压释能的原则^［19］。Q/CR 9512—2019《铁路挤压性围岩隧道技术规范》采用强度应力比对隧道变形进行分级，指出挤压大变形隧道的支护手段包括改善洞室形状、支护重型钢架、支护长锚杆等^［20］。

目前针对软岩大变形从变形机理、变形等级以及控制措施等方面均有大量的研究，无论在理论还是现场应用均取得成果。收敛约束曲线可以较好地为隧道支护施作时机及支护刚度给出合理建议，在高地应力的情况下需要延长支护时机以保证支护特征曲线与围岩特征曲线相交。挤压性变形与时间相关，隧道周围的岩体由弹性变形到塑性变形再进一步地松弛离散^［21］，当围岩变形超过某一阈值后，部分岩体开始离散和应力解除，进而出现塌落，这对于没有进行支护的隧道来说是致命的，但对于变形离散阈值，目前还没有一个公认的计算方法^［22］。在无法明确变形离散阈值的情况下，只能通过尽早地施作支护以保证隧道的稳定，这将增加支护强度和刚度。如何最大限度地发挥围岩自承载能力，匹配支护刚度和支护时机等问题，是挤压性大变形隧道亟须解决的问题。

本文针对时速350 km高速铁路隧道断面，引入隧道周边围岩松弛区的概念，建立围岩压力（支护反力）、隧道变形、承载区范围之间的相互关系，得到围岩压力-承载区特征曲线；进一步地通过现场实测验证围岩压力-承载区特征曲线关联性，得到Ⅳ级围岩在高地应力下的支护原则。

1 围岩压力-承载区关系的建立

1.1　承载区的定义

隧道开挖完成后由开挖边界至围岩内部依次是松弛区（松动区）、承载区和原岩应力区，其中松弛区与承载区的交界处认为是承载区的内边界，承载区与原岩应力区的交界处认为是承载区的外边界^［23］。承载区边界判定方式示意图如图1所示。图中：σ₀为原岩应力；σ_θ为切向应力；σ_r为径向应力；切向应力大于原岩应力处为承载区内边界，切向应力恢复至原岩应力110%时认为承载区外边界。从图1可以看出：围岩中部分塑性阶段和部分弹性阶段共同起到承载作用，在一定条件下，承载区内边界与隧道边界重合，即隧道轮廓外不会出现松弛区；变形离散阈值在松弛区内出现，由于无法确定该阈值，因此可以借用松弛区的范围帮助判断，并具有一定的安全性。

1.2　计算模型及工况设置

特征曲线及承载区演变规律计算采用了高速铁路双线隧道的断面尺寸（时速350 km），隧道形状为马蹄形隧道，宽15.45 m，高12.65 m，隧道断面面积约150 m²。采用二维平面应变模型，模型尺寸200 m（横向）×200 m（竖向），设置位移固定边界和应力边界，考虑重力的情况，将围岩假设为理想弹塑性体，计算模型如图2所示。

隧道开挖后围岩压力释放与变形的关系由地应力和隧道断面决定，开挖方法不影响围岩特征曲线，因此采用全断面进行分析。计算步骤分为3步：①进行初始平衡，激活所有单元和边界条件，以最大不平衡力比值R<10^-5作为收敛准则，在计算收敛后清除网格位移和加速度；②清除隧道范围内单元，不改变边界条件的情况下计算平衡；③通过在隧道轮廓线上施加不同等级的反力确定围岩的特征曲线和承载区内外边界的尺寸。

国际岩石力学学会对挤压变形定义为“隧道的挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般由于极限剪切应力失稳导致”。Ⅳ级围岩作为较完整的软岩，在大埋深处容易发生挤压大变形。基于此，计算参数选取《铁路隧道设计规范》中关于Ⅳ级围岩的计算参数，选取参数范围的中值，详见表1。

考虑极端情况，Ⅳ级围岩的埋深分别设置为100，300，500，700，1 000和1 500 m共6种情况，分析不同埋深下围岩特征曲线及承载区范围的演变规律。

1.3　围岩压力-承载区特征曲线

1）埋深100 m

Ⅳ级围岩埋深100 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图3所示。从图3可以看出：不支护时，隧道拱顶出现19 mm的沉降，松弛区高度0.2 m，边墙出现17 mm的单侧收敛，未出现松弛区；变形过程中隧道拱顶的影响范围大于边墙处，最大影响范围为隧道轮廓线以外18.0 m；在变形完全释放后基本未出现松弛区，围岩具有较强的自稳能力。

2）埋深300 m

Ⅳ级围岩埋深300 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图4所示。从图4可以看出：不支护时，隧道拱顶出现10.2 cm的沉降，松弛区高度4.1 m，边墙出现9.1 cm的单侧收敛，松弛区厚度3.1 m；变形过程中隧道拱顶的影响范围大于边墙处，最大影响范围为隧道轮廓线以外25.0 m；总变形量达到37%左右时边墙处出现松弛区，达到41%左右时拱顶出现松弛区。

3）埋深500 m

Ⅳ级围岩埋深500 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图5所示。从图5可以看出：不支护时，隧道拱顶出现23.7 cm的沉降，松弛区高度6.3 m，边墙出现22.6 cm的单侧收敛，松弛区厚度5.3 m；变形过程中隧道拱顶的影响范围与边墙处接近，最大影响范围为隧道轮廓线以外31.0 m；总变形量达到27%左右时边墙处出现松弛区，达到34%左右时拱顶出现松弛区。

4）埋深700 m

Ⅳ级围岩埋深700 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图6所示。从图6可以看出：不支护时，隧道拱顶出现42.4 cm的沉降，松弛区高度8.2 m，边墙出现41.3 cm的单侧收敛，松弛区厚度7.0 m；变形过程中隧道拱顶的影响范围小于边墙处，最大影响范围为隧道轮廓线以外37.0 m；总变形量达到22%左右时边墙处出现松弛区，达到29%左右时拱顶出现松弛区，此后拱顶的松弛范围增长速度大于边墙。

5）埋深1 000 m

Ⅳ级围岩埋深1 000 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图7所示。从图7可以看出：不支护时，隧道拱顶出现79.9 cm的沉降，松弛区高度10.3 m，边墙出现77.8 cm的单侧收敛，松弛区厚度9.5 m；变形过程中隧道拱顶的影响范围小于边墙处，最大影响范围为隧道轮廓线以外46.0 m；总变形量达到18%左右时边墙处出现松弛区，达到23%左右时拱顶出现松弛区，此后拱顶的松弛范围增长速度大于边墙。

6）埋深1 500 m

Ⅳ级围岩埋深1 500 m时的围岩压力-承载区特征曲线如图8所示。从图8可以看出：不支护时，隧道拱顶出现163.0 cm的沉降，松弛区高度12.6 m，边墙出现159.0 cm的单侧收敛，松弛区厚度12.5 m；此时的隧道处于绝对的高地应力中，变形过程中隧道拱顶的影响范围小于边墙处，最大影响范围为隧道轮廓线以外57.0 m；总变形量达到9%时边墙处出现松弛区，达到14%时拱顶出现松弛区，此后拱顶的松弛范围增长速度大于边墙。

2 特征曲线现场验证

2.1　工程背景

以中老（玉磨）铁路会排山隧道为背景对围岩压力-承载区特征曲线进行现场工程验证。该隧道位于普洱-普文区间，隧道全长7 475 m，设计时速160 km，隧区围岩以含砾泥岩为主，风化程度较强，岩体物理力学指标接近Ⅳ级围岩。现场施工情况及围岩取芯照片如图9所示。

2.2　围岩参数的确定

采用掌子面取芯的方式对会排山隧道岩石物理力学参数进行测定，取芯断面为里程DK296+020处，埋深约390 m，岩样照片见图9（b）。采用MTS815型程控伺服刚性试验机对岩石试样进行常规三轴压缩试验，试验结果见表2。基于三轴压缩试验结果，计算莫尔圆割线得到岩样黏聚力为12.26 MPa，内摩擦角为30.73°。

试验得到的是岩石物理力学参数，不能直接用于实际工程计算，目前Hoek-Brown强度准则是较为成熟的将岩石力学参数转化为岩体力学参数的方法^［6］。

岩体修正参数岩性指标m_{\mathrm{i}}取0.264，扰动因子D=\mathrm{0.8}，岩体地质强度指标GSI为35，由此确定出会排山隧道岩体物理力学参数见表3。

2.3　现场测试

针对会排山隧道DK296+020断面的拱顶沉降、边墙收敛、围岩压力和承载区内边界进行测试，监测段埋深约390 m。

1）变形测试

采用高精度全站仪对拱顶沉降和边墙收敛进行监测，测试结果如图10所示。从图10可以看出：受隧道开挖的影响，拱顶沉降值在0~27 d内持续增长，并伴随着小幅波动，最终沉降值达到13.3 cm；同样地，最终水平收敛值为20.4 cm。

2）围岩压力

初期支护与围岩之间压力采用压力盒测量，断面测点布置、现场测试及DK296+020断面围岩压力测试结果如图11所示。从图11可以看出：初期支护与围岩间的压力盒均为受压状态，受隧道开挖影响，各测点处围岩压力在0~27 d内增长较快，随着初期支护发挥作用，变化趋于稳定；稳定后拱顶处围岩压力最大，为425 kPa，边墙处围岩压力较小，左边墙为385 kPa，右边墙为357 kPa。

3）承载区内边界范围测试

承载区内边界采用声波的方法进行测试，松弛区出现了微裂隙释放能量，并出现塑性变形。因此松弛区的测试原理为声波在不同密实程度的围岩中传播速度不同，在承载区内较完整的围岩中声波传播速度快，在松弛区内较破碎的围岩中声波传播速度慢，现场测试采用GTJ-U960非金属声波检测仪在隧道开展围岩声波探测。测试孔布置及现场测试过程照片如图12所示。图中：①，②，③均为测试孔编号。

声波测试在DK296+020断面附近，根据现场采集的数据进行分析归纳整理。测试结果如图13所示。从图13可以看出：拱脚处测试结果从孔口至围岩深度为1.4 m时，声波波速较低，平均波速为4.06 km · s^－1；声波波速随深度的增加而增大，表明深部围岩扰动程度较小；当围岩深度为2.8 m时，声波波速达到最大值5.05 km · s^－1，可认为达到深部围岩波速。

根据既有研究当表层岩体波速低于深部围岩波速的10%时，岩体出现一定松弛，认为该处作为承载区内边界。综上分析，断面隧道拱脚处承载区内边界范围为1.4 m，测试里程断面边墙处承载区内边界范围为1.4~1.5 m。

2.4　特征曲线与现场实测对比

由于玉磨铁路会排山隧道断面与前文计算略有区别，因此在此处重新计算，通过埋深390 m以及表3的计算参数，采用数值计算的方法，计算模型及计算方法与前文相同。参考中老铁路西双版纳南侧的曼木树隧道地应力测试结果，水平应力按式（1）获得，根据埋深计算取侧压力系数为1.1。实测边墙收敛为两侧收敛值之和，在此假设隧道两侧对称收敛，因此确定测试断面拱顶沉降13.3 cm，边墙单侧收敛10.2 cm，对比围岩压力与承载区内边界曲线如图14所示。

σ_h=0.014 7H+3.14（1）

式中：σ_h为水平主应力，MPa；H为埋深，m。

从图14可以看出：拱顶处通过特征曲线确定的围岩压力468 kPa，实测围岩压力425 kPa，相差10.1%；边墙处通过特征曲线确定的围岩压力418 kPa，实测围岩压力375 kPa，相差11.5%；边墙处特征曲线确定的承载区内边界1.69 m，实测承载区内边界1.44 m，相差14.2%。造成这些差距的原因包括：①支护施做前发生的不可测量位移；②计算软件中对围岩连续体的假设；③现场测试仪器的误差。

通过会排山隧道的验证发现，应用围岩压力-承载区特征曲线得到的结果基本可以反映现场的实际情况，以此作为隧道设计、施工的依据，具有一定指导价值。

3 支护原理及原则

3.1　支护原理

以埋深千米为例，支护原则示意图如图15所示。从图15可以看出：塌落变形阈值出现在松弛区之后，同时，松弛阶段的加固围岩也将降低松弛区范围曲线斜率，进一步保证围岩稳定；挤压大变形隧道在开挖之后应该包括围岩释放阶段、锚杆（主动）加固围岩阶段以及支护阶段，通过围岩压力-承载区特征曲线结合围岩压力的释放与松弛区范围，综合考虑支护时机和支护手段。

3.2　松弛区敏感性划分

由于无支护情况下隧道没有围岩压力，不同埋深的隧道变形、承载区范围的变化曲线如图16所示。从图16可以看出：不支护的情况下埋深0~500 m隧道变形增长较缓，500~1 000 m隧道变形增长速度加快，1 000 m以上的变形速度进一步增长；这3个阶段松弛区范围增长进一步降缓，此时隧道周边的松弛程度进一步增加，甚至局部出现松动，隧道稳定的风险进一步增加。

基于变形与松弛区变化特征，将Ⅳ级围岩按埋深分为0~500 m，500~1 000 m，1 000 m以上3类，以此进行支护原则的确定。

3.3　支护原则

1）埋深500 m以内

Ⅳ级围岩在埋深500 m以内时，最大地应力等级达到10 MPa，隧道开挖的影响范围在20~35 m之间，不支护的情况下最大松弛区厚度不超过6 m，该范围内围岩的弹塑性变形是隧道变形的主要来源，整体的隧道最大变形量达到25 cm。

正常开挖后，隧道收敛可能达到10~15 cm，隧道轮廓周围可能出现不超过3 m的松弛区，建议锚杆施作长度大于3 m，对隧道周围的松弛区进行加固，此时的初期支护承受最大围岩压力约500 kPa，常规支护结构均可承受该接触压力，支护示意图如图17所示。当隧道埋深较大时，虽然隧道在开挖后仍会出现一定的变形，但该变形主要是可恢复的弹性变形，因此可以适当地进行位移释放，减小初期支护的支护压力，保证围岩-隧道结构的稳定。

2）埋深在500~1 000 m之间

Ⅳ级围岩埋深500~1 000 m之间时，地应力量级已经达到20 MPa，已经达到绝对量值上的高地应力，隧道开挖的影响范围在35~50 m之间，不支护的情况下最大松弛区厚度接近10 m，该范围内围岩的塑性变形是隧道变形的主要来源，整体的隧道最大变形量达到45~80 cm。

该情况地应力量级较高，因此控制变形可能需要较大的支护反力，而围岩的完整性相对较好，松弛区的发育较缓，在支护之前可以进行一定的位移释放。围岩开挖后可以先进行喷射混凝土及锚杆支护，锚杆长度建议5 m，千米级埋深的情况下可在围岩收敛（单侧）30 cm左右再进行初期支护的施作，确保初期支护围岩压力不超过600 kPa，无须采用大刚度支护结构，支护示意图如图18所示。

3）埋深大于1 000 m

Ⅳ级围岩在埋深1 000 m以上时，地应力量级已经超过了20 MPa，达到绝对量值上的高地应力，隧道开挖的影响范围超过60 m，不支护的情况下最大松弛区厚度超过10 m，但发展范围仍在可控范围内，该范围内围岩的塑性变形是隧道变形的主要来源，整体的隧道最大变形量超过100 cm。

该情况地应力量级高，如果采用控制变形的方式需要较大的支护反力，根据现场实测情况认为支护结构在保证安全的情况下提供的最大支护反力1 MPa。该情况既要进行位移释放，又要对松弛区进行有效的控制。围岩开挖后可以先进行喷射混凝土及锚杆支护，锚杆长度建议6~8 m，如遇变形速度快或变形量大时可采用预应力锚杆，围岩收敛（单侧）40~50 cm再进行初期支护的施作，适当增加支护刚度，可采用刚柔结合的初期支护，支护示意图如图19所示。

4 结论

（1）围岩压力-承载区特征曲线显示出随围岩变形的增加，围岩压力逐渐降低，而松弛区则在不断扩展，岩体离散阈值出现在松弛区域内。

（2）经与现场实测数据对比验证，围岩压力-承载区特征曲线误差为10.1%~14.2%，基本可以反映现场的实际情况。

（3）基于变形与松弛区变化特征，将Ⅳ级围岩按埋深分为0~500 m，500~1 000 m，1 000 m以上3类，并针对性提出了不同埋深范围的支护原则。

（4）Ⅳ级围岩隧道埋深达到千米级时，松弛区会超过10 m，极易导致初期支护失效等严重问题。围岩开挖后可以先进行混凝土初喷及锚杆支护，锚杆长度建议6~8 m，如遇变形速度快或变形量大时可采用预应力锚杆，适当增加支护刚度，可采用刚柔结合的支护形式。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52478416)

国家自然科学基金资助项目(52478419)

国家自然科学基金资助项目(52478406)

河北省教育厅自然科学基金资助项目(QN2025301)

河北省重点研发计划项目(22375416D)

河北省高等学校科学技术研究项目(BJK2023079)