高地应力软弱围岩隧道开挖支护施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种高地应力软弱围岩隧道开挖支护 施工方法。
【背景技术】
[0002] 隧道开挖势必引发围岩原始应力的重新分布，整个围岩应力重分布的力学行为可 以概化为如下过程：经"平衡"、"松弛"与"松散、坍塌"三个阶段后，达到新的平衡。"松弛" 和"松散"在描述应力重分布过程是两个完全不同的概念，在这两个过程中围岩荷载的表现 形式也是不同的。"松弛"阶段产生的荷载被称为"形变压力"，此时围岩应力水平的降低与 围岩变形共存，从岩体力学角度分析，该阶段的围岩仍可认为处于连续介质或似连续介质 的性态；"松散、對塌"阶段产生的荷载被称为"松散压力"，它是在围岩变形增长到一定程度 后，岩块与原岩分离而导致的坍塌或岩块的自重应力对支护产生作用。
[0003] 国内外学者曾对软岩隧道（也称为软弱围岩隧道）施工后产生大变形的类型进行 过系统的研究，并从不同的角度对大变形的类型进行分类，下面对大变形隧道按其变形机 理的分类进行说明。软岩大变形隧道按其变形机理可分为松散型、膨胀型和挤压型三个类 型，诱发这三种类型的隧道大变形的前提条件相差较大，大变形发生后表现出来的变形特 征也是各不相同的。
[0004] 其中，松散型大变形出现在硬岩（包括岩块强度Re > 30MPa的破碎岩体、层状岩 体和块状岩体等）隧道和低地应力的浅埋隧道中，围岩松弛过程较短，前期变形量较小，在 没能及时提供足够的支护反力时，围岩变形发展到一定程度后便会松散或坍塌，由此产生 的围岩松散压力直接作用在支护结构上，在变形时态曲线呈现向上反弯或"跳跃"的性态。 [0005] 膨胀型大变形隧道的变形机理简单的说就是软岩内的膨胀性矿物成分在水或者 力的作用下体积增大，不断侵入隧道净空的现象。当在含膨胀性矿物的地层中开挖隧道时， 岩石遇水或吸湿之后产生膨胀，其量值可能远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和，由此 产生的膨胀性变形压力成为诱发软岩隧道支护破坏的一个重要原因。隧道开挖后，围岩遇 水作用会发生物理化学反应，引起体积膨胀和力学性能的变化，在隧道周边围岩形成了遇 水膨胀区和稳定区两个不同的区域。遇水膨胀区围岩的天然裂隙结构、应力调整引起的围 岩裂隙为软岩及膨胀性矿物提供了吸水通道，加剧了围岩的膨胀变形，最终产生大变形，导 致隧道结构体的破坏。
[0006] "挤压型大变形"发生于围岩松弛阶段，其变形机理与"松散型大变形"和"膨胀型 大变形"相差较大，并且变形过程极为复杂，国内外大量的专家与学者对这一课题进行了大 量的研究，但挤压型软岩大变形隧道的修建仍是世界性难题。
[0007] 其中，具有高应力背景的软弱围岩变形称为"挤压型"变形，即高应力条件的软弱 围岩变形为挤压型大变形。
[0008] 国际岩石力学学会（简称ISRM) "隧道挤压性岩石专业委员会"对围岩挤压性作 了如下定义："挤压型"是指围岩具有时效的大变形；其变形具有明显的优势部位和方向， 可发生在施工阶段，也可能会延续较长时间。变形的本质是岩体内的剪应力超限而引起的 剪切蠕动，这些变形主要可以归纳为以下几种特点：第一、变形的速度快；第二、变形量大； 第三、变形持续的时间长；第四、变形有明显的优势部位和方向。目前，挤压型大变形隧道比 较认可的破坏机理有如下三种：完全剪切破坏、弯曲破坏和剪力及滑动张裂破坏。
[0009] 软岩（即软弱围岩）发生塑性变形的概率非常高，常引起隧道的净空变小，影响正 常的隧道施工和使用。由于软弱围岩本身的地质性质结构松散，并且稳定性极差，这就决定 了它在隧道建设中必然会产生一定程度的变形。由于软弱围岩稳定性较差的原因，在隧道 开挖后，使原有的地应力平衡遭到了破坏，从而导致围岩发生变形。在施工的过程中，如果 选用的方法不当，不但会引起工程建设初期支护结构的变形，甚至会引起隧道的塌方等安 全事故。
[0010] 围岩变形是隧道设计的基本准则之一，也是评价隧道围岩稳定性的重要指标。 在较高地应力（> 25MPa)水平下发生显著变形的中、高强工程岩体称为高地应力软岩 (highstressed soft rock，简称H型）。隧道开挖后的高地应力软岩隧道大变形大致经历 三个阶段：a.弹性变形阶段；b.弹性变形和塑行变形共存阶段；c.以蠕变为主，蠕变、塑性 变形共存，同时伴随围岩损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段，大量研究表明软弱围岩以 塑性变形和蠕变变形为主。
[0011] 为充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定的变形，而将设计开挖线 作适当扩大的预留量，称之为隧道预留变形量。预留变形量是指从隧道初期支护施工开始， 到隧道周边位移基本稳定时，周边位移的累计值。
[0012] 由于软岩具有显著流变性、围岩强度低的特点，同时高地应力作用下，上述特点更 加明显，从而使隧道变形量极大、变形发展快。一旦施工控制不当或预留变形量不够，极易 发生支护开裂、侵限问题。因此确定高地应力软岩隧道的预留变形量就尤其重要，同时也是 极其困难的。
[0013] 对铁路而言，隧道开挖施工主要考虑预留变形量、施工误差和允许超挖，施工误差 和允许超挖一般基于施工单位经验确定取值范围；隧道预留变形量的确定则相对复杂。目 前对于高地应力与极高地应力条件下的软岩大变形隧道，没有成熟的理论成果来确定隧道 预留变形量，而采用工程类比法时，该类隧道地质条件极其复杂，围岩性质千差万别，地应 力条件不同，导致难以取得理想效果。
[0014] 在高地应力作用下，软岩大变形导致大梁隧道底板隆起；初支变形失效、侵限；二 次衬砌开裂等现象，严重危及施工安全及工程质量。现场围绕控变防塌，针对高地应力下软 岩变形特征，需对支护方案进行优化调整。
[0015] 目前国内外隧道工程中，所遇到的大变形不良地质问题较多，为了解决大变形给 隧道施工带来的问题和确保围岩稳定及作业安全，各国针对大变形工程现象进行了许多实 验性的和工程性的研究，并在工程施工过程中采取了许多措施。根据国内外隧道施工的实 践，在挤压性围岩、膨胀性围岩、断层破碎带、高地应力条件下的软弱围岩中进行隧道施工 会发生大变形现象。大变形隧道的共同的特点是：断面缩小、拱腰开裂、基脚下沉、基底鼓起 等。变形初期不仅变形的绝对值比较大，而且位移速度也很大，如不加控制或控制不当时， 就会造成不可预计的后果。
[0016] 经分析发现，高地应力引起的软岩大变形隧道施工的特点及难点主要体现在以下 四个方面：
[0017] 第一、开挖后围岩应力巨大，对支护体系的强度、刚度要求极高；支护体系弱了，被 围堰应力短时间内挤压破坏，变形侵限，带来拆换重做的结果，安全风险极高；
[0018] 第二、初期支护形成空间联合受力体系，包括周边围岩预加固、支撑体系和锚固体 系；
[0019] 第三、变形量大、发展迅速且持续不收敛，施作完的支护体系，因变形量控制不好 造成侵限的情况非常普遍；
[0020] 第四、开挖预留变形量无法科学准确预测，留大了加大隧道开挖断面，不仅不利于 围岩稳定，而且因变形达不到造成严重浪费；留小了，若变形超量侵限，造成拆换安全风险 和浪费。
【发明内容】
[0021] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高地应力 软弱围岩隧道开挖支护施工方法，其方法步骤简单、设计合理且施工方便、使用效果好，能 简便、快速完成高地应力软弱围岩隧道的隧道开挖及支护施工过程且施工过程安全、可靠。
[0022] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高地应力软弱围岩隧道开 挖支护施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向，由后向前分多个节段对所施工软弱围 岩隧道进行开挖及支护施工；多个所述节段的开挖及支护施工方法均相同；对所施工软弱 围岩隧道中任一节段进行开挖及支护施工时，包括以下步骤：
[0023] 步骤一、岩体强度与围岩内部最大地应力测试：对当前所施工节段进行开挖施工 之前，对当前所施工节段围岩的岩体强度Rb和围岩内部的最大地应力〇_分别进行测试；
[0024] 步骤二、围岩的挤压型大变形等级确定：根据步骤一中测试得出的岩体强度Rb和 最大地应力，计算得出当前所施工节段围岩的强度应力比
；再根据计算得出的强 度应力比
对当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级进行确定；所述挤压型大变形 等级包括四个等级，且四个等级由低至高分别为无大变形、轻微大变形、中等大变形和严重 大变形；
[0025] 对当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级进行确定时，当
时，说明 当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级为无大变形；当
时，说明当前 所施工节段围岩的挤压型大变形等级为轻微大变形；当
时，说明当前所 施工节段围岩的挤压型大变形等级为中等大变形；当
时，说明当前所施工节段 围岩的挤压型大变形等级为严重大变形；
[0026] 步骤三、初期支护方案确定：根据步骤二中所确定的当前所施工节段围岩的挤压 型大变形等级，对当前所施工节段的初期支护方案进行确定；其中，当当前所施工节段围岩 的挤压型大变形等级为无大变形或轻微大变形时，所采用的初期支护方案为型钢钢架支护 方案；当当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级为中等大变形或严重大变形时，所采用 的初期支护方案为格栅钢架与套拱联合支护方案；
[0027] 步骤四、隧道开挖及支护施工：沿隧道纵向延伸方向，由后向前对当前所施工节段 进行开挖施工；开挖施工过程中，根据步骤三中所确定的当前所施工节段的初期支护方案， 由后向前对开挖形成的隧道洞进行初期支护，并获得隧道初期支护体系；
[0028] 其中，当步骤三中所确定的初期支护方案为型钢钢架支护方案时，所获得的隧道 初期支护体系为型钢钢架支护体系；所述型钢钢架支护体系包括多榀对隧道洞进行支护的 型钢钢架，多榀所述型钢钢架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布设； 多榀所述型钢钢架呈均匀布设；
[0029] 当步骤三中所确定的初期支护方案为格栅钢架与套拱联合支护方案时，所获得的 隧道初期支护体系为格栅钢架与套拱联合支护体系；所述格栅钢架与套拱联合支护体系包 括多榀对隧道洞进行支护的格栅钢架和多榀对隧道洞的拱墙进行支护的型钢套拱，多榀所 述格栅钢架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布设，多榀所述型钢套拱 的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布设；多榀所述格栅钢架呈均匀布 设，且多榀所述型钢套拱呈均匀布设，前后相邻两榀所述型钢套拱之间的间距为前后相邻 两榀所述格栅钢架之间间距的M倍，其中M为正整数且M = 1、2或3 ;
[0030] 步骤五、下一节段开挖及支护施工：按照步骤一至步骤四中所述的方法，对所施工 软弱围岩隧道的下一节段进行开挖及支护施工；
[0031] 步骤六、多次重复步骤五，直至完成所施工软弱围岩隧道的全部开挖及支护施工 过程。
[0032] 上述高地应力软弱围岩隧道开挖支护施工方法，其特征是：每个所述节段的长度 为 50m ~1000m。
[0033] 上述高地应力软弱围岩隧道开挖支护施工方法，其特征是：步骤一中对当前所施 工节段围岩的岩体强度Rb进行测试时，通过对现场所取岩样进行室内试验，测试得出当前 所施工节段的围岩基本力学参数，并根据测试得出的围岩基本力学参数对岩体强度Rb进 行计算；当前所施工节段围岩的岩体强度Rb为岩体单轴抗压强度；
[0034] 步骤一中对围岩内部的最大地应力σ _进行测试时，采用水压致裂法进行测试。
[0035] 上述高地应力软弱围岩隧道开挖支护施工方法，其特征是：步骤四中进行隧道开 挖及支护施工之前，还需对当前所施工节段的隧道预留变形量进行确定；对当前所施工节 段的隧道预留变形量进行确定时，采用基于挤压型大变形等级预留变形量确定方法或基于 保证率的预留变形量确定方法进行确定；步骤四中由后向前对当前所施工节段进行开挖施 工时，根据所确定的隧道预留变形量进行开挖施工；
[0036] 其中，采用基于挤压型大变形等级预留变形量确定方法进行确定时，根据步骤二 中所确定的当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级，对当前所施工节段的预留变形量进 行确定；所确定的预留变形量包括隧道拱部预留变形量CJP隧洞边墙预留变形量C2;其中， 隧道拱部预留变形量C1= 50_~530_，隧洞边墙预留变形量
30mm ;并且，当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级越高，隧道拱部预留变形量C1、隧洞 边墙预留变形量CjP △ C的取值均越大；
[0037] 采用基于保证率的预留变形量确定方法进行确定时，将当前所施工节段分为试验 段和位于所述试验段前侧的后续施工段，且隧道预留变形量确定过程如下：
[0038] 步骤I、试验段开挖：沿隧道纵向延伸方向，由后向前对当前所施工节段的试验段 进行开挖；开挖过程中，根据步骤三中所确定的当前所施工节段的初期支护方案，由后向前 对开挖形成的隧道洞进行初期支护，并获得隧道初期支护体系；
[0039] 步骤II、变形监测：对所述试验段内N个隧道监测断面上的拱顶沉降值和水平净 空收敛值分别进行监测，并获得分别与N个所述隧道监测断面对应的N组变形监测数据；每 组所述变形监测数据均包括监测得到的一个所述隧道监测断面上隧道初期支护体系的拱 顶沉降值和水平净空收敛值；
[0040] 其中，N为正整数且N多10 ;N个所述隧道监测断面沿所施工软弱围岩隧道的纵向 延伸方向由后向前进行布设，每个所述隧道监测断面均为所施工软弱围岩隧道的一个隧道 横断面；
[0041] 步骤III、基于保证率的预留变形量范围确定：所确定的预留变形量范围包括隧 道拱部预留变形量范围和隧道边墙预留变形量范围；其中，隧道拱部预留变形量范围记作 Clni~C 1M，隧道边墙预留变形量范围记作C2ni~C 2M;C 1ηι为拱部预留变形量最小值，C 1M为拱部 预留变形量最大值，C2ni为隧道边墙预留变形量最小值，C