一种挤压大变形隧道的支护体系、施工方法及应用与流程
本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种挤压大变形隧道的支护体系、施工方法及应用。
背景技术：
近年来，随着交通基础设施建设规模的不断扩大，公路隧道的总延长不断增加，受到地形地势的制约，特长、深埋的隧道工程也日益增多，尤其是在西部地区，高应力场、深埋长大隧道已大量涌现。高应力场软弱破碎围岩隧道的设计原则、施工方法及围岩、支护结构力学性能与一般交通隧道相比有较大的差别，因受高地应力及软弱破碎围岩共同作用，隧道开挖极易引起强烈的挤压变形、坍塌等地质灾害。截至2018年底，中国公路隧道为17738座，总长17236.1km。截至2019年底，投入运营铁路隧道16084座，总长18041km；在建铁路隧道2950座，总长6419km。隧道建设重心逐渐向艰险山区转移，尤其西部地区“河西走廊—祁连山—西秦岭—陇南—汶川”地带以及青藏高原，修建深、长、险、大的隧道工程将越来越多。隧道典型地质灾害：高地应力挤压大变形；高地应力硬岩岩爆；富水及岩溶隧道突水突泥；高地震烈度与震害；隧道冻害；隧道高地温热害；高原、高寒、低氧环境；高地应力挤压大变形隧道变形特点变形大；变形快；变形持续时间长；变形部位随机发生；几近所有严重“大变形”隧道均在多次初期支护拆换和断面扩挖后才取得“成功”贯通大变形，尤指高地应力下软弱围岩挤压大变形，谈“变”色变的根本原因：系统认知。即缺乏对大变形定义、分类与机制的系统性认知。
关于挤压型大变形的形成机制，一般研究认为：开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性化变形。挤压变形主要取决于岩体强度和覆盖层厚度(地应力)，原则上可以在任何类型的岩体中发生。围岩挤压大变形的机制和力学模式总体上归结为已下七个方面：①围岩的塑流；②围岩的膨胀变形；③板梁的弯曲变形；④塑性锲体的剪切滑移；⑤结构性流变；⑥累进性松脱扩展；⑦围岩移动变形。
大变形的简化定义-合理施工工法、工序和常规支护系统下，隧道的变形量超过了相关规定的最大预留变形量，即可视为出现大变形，并应采取特殊设计与计量方式。
表1大变形的成因
塑性流变破坏指隧道开挖引起应力重分布达到屈服面后，围岩处于塑性状态，发生塑性变形并引起围岩应力的继续调整，导致围岩剪切滑移，产生大变形。剪切破坏-结构流变发生在节理化岩体的既有结构面(层面、节理、裂隙等)，在高应力作用下，围岩发生结构性流变滑移，滑移面受既有结构面和应力迹线共同控制。弯曲破坏，层状(特别是薄层状)岩体中的地下洞室，其变形破坏机制可以用弯曲来加以解释。尤其在高地应力区的卸荷条件下，岩体更易发生弯曲变形破坏。地下洞壁的径向应力降低而切向应力增高，层状岩体以板的方式在横弯或纵弯作用下发生挠曲变形。剪切和滑动破坏在相对厚层沉积岩中观察到，它包括沿着层理面滑动和完整岩石的剪切。
表2大变形的控制理论
变形的控制措施单一加固型措施注浆(水泥基浆、化学基浆和水泥化学基浆)；单一支护型措施超前支护(常用管棚和小导管)，拱架(常用型钢、格栅和可缩式钢架等)，喷射砼(包含钢筋网)纵观软岩挤压型大变形隧道的建设历史，锚杆/索均被用作为核心的支护措施之一。锚杆/索在挤压性变形(交通)隧道支护中作用争议的主要根源为颇具争议的现行定额、设计、施工、验收，行业中专业技术人员、施工人员短缺，施工质量、可靠性差等均有极大关系未意识到预应力(锚杆/索)支护的核心理念，过分强调支护，忽略加固作用。
现阶段，高地应力区，最难控制与解决的当为挤压型大变形问题。国内著名的兰渝铁路木寨岭隧道(与高速公路木寨岭隧道线路基本平行，平面距离900～1000米，较公路隧道高程低60余米)在建设过程中重点研究了炭质板岩变形机理、隧道松动圈变化、超前小导洞或超前钻孔应力释放、长(无/低预应力)锚杆\索和多层支护体系等措施对挤压大变形的控制效果；乌鞘岭铁路隧道在大变形岭脊段断层(f1～f6)内研究采用45cm厚的初期网筋双层喷砼支护，80～105cm厚的二衬等高刚度强力被动支护措施与体系；丽香铁路忠义隧道探索了断面形式优化、加大钢架型号及在边墙部位采用长锚杆等措施；国外大变形隧道，如欧洲的辛普伦隧道、阿尔贝格隧道及陶恩等软岩隧道，也同样采用了刚性极强的诸多支护参数。上述国内外大变形隧道案例，尤其是我国隧道工程界对于软岩挤压大变形的应对措施一直沿用了实时强力支护的传统设计施工理念，“实时强力支护”包含两层含义：一是隧道开挖后尽早的施做初期支护结构，二是设法加大支护结构的抗变形刚度，如采用加厚的二次复喷的喷射网筋砼、布设纵距更密的高强度钢拱支架、施作更加厚实配筋率更高的刚性二次衬砌结构等。在此等理念下，锚、喷、网、钢架和二衬等参数的设计标准都大大突破了各行业设计规范中的推荐值，但支护方式及其材料和工艺方面大多沿用传统常规模式，实际施工过程均不可避免的采取了对初期支护进行了多次拆换的治理措施，难以真正谓之成功。
基于对隧道“新奥法”理念的深层解析，软岩挤压型大变形隧道初期支护的设计与施工，本质上亦应是及时、有效、主动的维持围岩的稳定，充分保护、发挥及提升围岩的自承能力，同时允许围岩产生有限制的位移。结合现有支护措施，仅施加预应力的锚杆/索具备主动支护能力，即加固并提升围岩力学性能的能力，故大变形支护过程中，预应力锚杆/索体系的重要性将是不言而喻的。现今，预应力锚索体系已广泛应用于煤矿巷道的大变形支护。从1996年研制成功小孔径树脂锚固预应力锚索起，锚索在煤矿巷道中得到大面积推广应用。目前，小孔径树脂锚固预应力锚索已广泛应用于破碎、复合顶板巷道，高地应力和受采动影响的巷道，放顶煤开采的煤顶巷道，以及大断面巷道和交叉点，并取得了良好的支护加固效果，显著拓宽了锚杆(索)支护的使用范围，保证了巷道的安全状况。
预应力锚索体系在煤矿巷道中的广泛且成功应用，为控制与解决交通隧道挤压型大变形带来了新思路。但交通隧道较之于煤矿巷道工程具有明显的特殊性，一是交通隧道断面开挖面积呈倍数增加，传统双车道公路隧道的开挖面积可达一般煤矿巷道的5～10倍；二是交通隧道作为永久性隧道，一般不允许出现返修、侵限等情形，对支护体系的耐久性、稳定性和可靠性的要求更高。基于上述，如照搬巷道工程中的及时主动强支护措施应用于交通隧道工程中，必然将出现“水土不服”。
传统的交通隧道支护体系主要以复合式衬砌为主，包含初期支护体系与二次衬砌体系，但两者均未有改善及提升围岩的作用，结合对煤矿巷道中的预应力锚索支护体系分析，对于高应力挤压型大变形隧道的支护体系，如能融合预应力支护体系与常规支护体系，则能实现及时主动式支护，并满足交通隧道对对支护体系的耐久性、稳定性和可靠性的要求。
传统的交通隧道支护体系缺乏预测手段，即缺乏有效的挤压大变形预测的手段，现有判定指标多集中于设计阶段；支护理念；即缺乏合理支护理念、变形控制思路，重支护、轻加固；缺乏支护手段。即缺乏有效的支护手段，多采用“重复初支+厚二衬”的支护体系，围岩受力变形是和外在支护系统(预支护、初支和二衬等)的受力变形是协同且密切相关的应当结合“支护-围岩”系统和施工过程(预留变形量)进行联合描述。现有技术采用常规强支护体系存在问题拆换率高；作业危险性大；经济代价高；施工工期长。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种挤压大变形隧道的支护体系、施工方法及应用，解决了传统的交通隧道支护体系主要以复合式衬砌为主，包含初期支护体系与二次衬砌体系，但两者均未有改善及提升围岩的作用和现有技术采用常规强支护体系存在问题拆换率高；作业危险性大；经济代价高；施工工期长的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种挤压大变形隧道的支护体系，所述挤压大变形隧道的支护体系为加固、提升围岩变形控制力的预应力锚索体系、限制围岩变形，并协同预应力支护体系全断面支护围岩的轻型钢架和喷射砼、混凝土模筑衬砌。
优选的：所述预应力锚索体系为锚索支护系统。
优选的：所述锚索支护系统包括：树脂锚固剂、w钢带、柔性网、锚垫板、锚具、锚索；
锚具内部固定有锚索，w钢带、柔性网固定在锚垫板上，锚索的外部由树脂药卷锚固。
优选的：一种挤压大变形隧道的支护体系的施工方法，所述施工方法包括：
第一步，上台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
第二步，中台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
第三步，下台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
第四步，围岩变形稳定后，铺设土工布、防水板与施作二次衬砌。
优选的：所述高强预应力锚索系统的施工工艺包括：场地整理，建立临时支护；进行放样、打孔；清孔，填装锚固剂；锚索安装，搅拌锚固；加装柔性网；安装w钢带，铺设锚垫板，安装锚具，设置张拉力达到要求。
优选的：一种交通隧道的支护方法，所述交通隧道的支护方法使用所述的挤压大变形隧道的支护体系。
优选的：一种软岩挤压大变形的控制方法，所述软岩挤压大变形的控制方法使用所述的挤压大变形隧道的支护体系。
优选的：一种高地应力下软弱围岩挤压大变形的控制方法，所述高地应力下软弱围岩挤压大变形的控制方法使用所述的挤压大变形隧道的支护体系。
(三)有益效果
本发明提供了一种挤压大变形隧道的支护体系、施工方法及应用。具备以下有益效果：本发明的高强预应力一次(型)支护体系采用‘一次’采用预应力锚索体系，实现加固提升围岩；采用‘二次’采用轻型钢架+喷射砼保护围岩，协同预应力支护体系；采用‘三次’采用混凝土模筑衬砌，实现构建永久支护。本发明对挤压型大变形隧道支护体系的革新，同时，将极大的改善并解决木寨岭公路隧道挤压型大变形难题，也将为交通隧道行业增加一种强效有力的控制隧道围岩变形的具体措施及技术路线，具备较强的推广价值。
本发明控制了围岩变形，尽可能减少支护结构拆换，减少材料浪费，提高进度；在围岩变形可控的前提条件下优化支护参数，降低造价；确定预应力锚索支护体系的施工方法，及合理的一次支护体系施工工序。
附图说明
图1为本发明提出一种挤压大变形隧道的支护体系的施工方法流程图。
图2为本发明提出一种锚索支护系统的结构示意图；
图2中：1、树脂锚固剂；2、w钢带；3、柔性网；4、锚垫板；5、锚具；6、锚索。
图3和图4为本发明提出一种试验段(前)yk218+075～055变形数据示意图。
图5和图6为本发明提出一种试验段yk218+055～035变形数据示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的挤压大变形隧道的支护体系的施工方法包括：
s101：上台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
s102：中台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
s103：下台阶开挖，安装高强预应力锚索系统，架设钢架喷砼，实现原设计支护措施；
s104：围岩变形稳定后，铺设土工布、防水板与施作二次衬砌。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明构建‘一次’采用预应力锚索体系加固、提升围岩变形控制力；‘二次’采用轻型钢架+喷射砼限制围岩变形，并协同预应力支护体系全断面支护围岩；‘三次’采用混凝土模筑衬砌的新型支护体系，以期实现隧道施工过程中断面位移成功控制及满足后期营运阶段的安全性要求。本发明以兰州至海口国家高速公路(g75)渭源至武都建设项目ww6标段工程为依托，在对围岩挤压型大变形进行分级细化的基础上，围绕本工程所面临隧道挤压型大变形难题开展科研攻关工作，计划研究总结形成一套包含“预应力锚索网带锚固围岩一次支护体系+轻型钢架喷射混凝土二次支护体系+模筑钢筋混凝土三次支护衬砌体系”的挤压型大变形隧道围岩预应力锚索一次支护体系，实现“一次支护”即可满足设计要求，避免常规(被动)支护体系频繁中出现的拆换现象，切实解决工程实际问题，并形成相应的应用工法。
实施例1
本发明实施例提供了一种高强预应力一次(型)支护体系，具体包括：
(1)控制挤压大变性围岩控制方法适宜性，基于对围岩挤压分级研究的基础，综合不同技术的实际应用调研、施工功效分析、施工组织难度评价、支护技术作用机理分析等手段，对挤压大变形常用的围岩控制方法，包含分(多)层支护、(一次性)强支硬顶、预加固(大断面)开挖法、超前(导坑)应力释放法、让压支护技术、预应力支护技术(预应力锚杆/索技术)等，进行适用性分析与分类评价，重点细化研究预应力锚杆/索的使用条件和适宜性。
(2)预应力锚索支护体系：
1)锚索主动支护体系对围岩性能改善的机制和性能研究；基于不同围压的岩体物理力学特性试验，初步构建含“预应力”影响的围岩本构模型；后以锚索段落与常规段落的监控量测数据(差异)为基础，采用数值反分析法，对所提出的本构模型进行修正，并分析预应力对围岩各参数的影响度，即区分主要影响参数与次要影响参数，最终形成预应力加固机制理论。
2)锚索形成岩体加固圈的不同长度梯次性研究；以锚索支护体系形成的加固圈为研究核心，采用数值模拟方法，研究不同预应力、不同锚索长度形成的有效加固圈范围与承载能力差异，明确不同范围加固圈的梯次性，构建不同厚度范围的加固圈适用性理论，以此指导锚索的长度设计。
3)锚索体系构成及适宜性，采用理论分析、数值仿真与室内试验相结合，围绕实现预应力的高效加载与有效扩散目的，研究锚固体系的合理组成，和常规“板(垫板)、带(钢带)、网”的适宜性、合理形式和组合方式。
4)锚索设计参数；采用数值仿真与现场试验相结合，围绕支护核心参数“预应力”，重点研究锚索长度、支护密度(纵向、环向)，预紧力，(长、短)锚索组合形式等关键技术参数，探明各参数与围岩结构稳定性、围岩力学性能间的相互作用关系及关联性，据此提出依托工程的不同变形等级下的预应力锚索网带锚固一次支护体系设计参数。
5)长锚索高效快速施工技术；采用理论分析与现场试验相结合的手段，实现锚索(高效)施工机械化的适宜钻机，针对性的开展台车式钻机的研究与分析；并基于钻具使用寿命、钻孔功效、锚固效果分析，探究适宜的锚索钻头；从提升预紧力入手，研究适宜的预应力加载形式与过程，尽可能的减少从“张拉力”到“预紧力”的损失。
本发明采用数值仿真与现场试验相结合，针对一次支护体系中的“预应力锚索网带锚固一次支护体系”重点探究合理的预留变形量；针对之中的“二次支护体系”钢架、钢筋网、喷射砼开展与预应力锚索体系的适配性参数研究，重点研究钢架型号与喷射混凝土厚度；针对之中的“三次支护衬砌体系”，重点明确合理的支护时机选择。
以现场试验为基础，基于“人、机、料”等分析，重点探究一次支护体系中各组成体系的合理施工工序及相互衔接等，归纳总结出一套挤压型大变形隧道预应力锚索网带锚固一次支护体系施工方法。
一次支护体系监测技术；探究一次支护体系中各组成体系间的相互力学传递关系，评价所用支护体系的适宜性与可靠性。采用锚索测力计、土压力盒、钢筋计、混凝土应变计等，重点测试锚索的预应力变化、围岩压力、初支与二衬间压力、钢架应力与二衬应力等，并基于监测数据不断完善与优化相关设计参数。
1)挤压型大变形的预测与等级划分，其能够依据隧道埋深、围岩强度、围岩产状和已施工区段的变形情况等参数预判围岩变形量级，给出设计、施工依据；
2)形成挤压大变形隧道的预应力支护理论；
3)一次支护体系中预应力锚索支护体系的关键设计参数与施工技术，包括锚索长度、间距、预应力、组合形式，及设备选型、成孔、安装、锚固和预应力加载等；
4)一次支护体系中各组成支护体系间的相互协同设计及合理施工工艺与工序。
本发明依托渭武土建第六合同段工程，围绕挤压型大变形隧道预应力锚索支护体系，充分做好风险评估及施工控制措施、现场精心施工，同步开展科研试验，提出一套挤压型大变形隧道围岩变形分级方法，摸索确定此类工况条件及地质条件下预应力锚索支护体系的参数，形成挤压型大变形围岩预应力锚索“一次”(组合型)支护体系，即“‘一次’预应力锚索支护体系(围岩加固与支护)+‘二次’钢架支护体系(围岩支护)+‘三次’模筑衬砌体系(围岩防护与支护)”，针对现有的施工方法进行优化和改进，施工过程中不断验证效果，不断总结修正，切实解决支护参数和施工方法的契合，实现结构稳定与进度提升的双重目标。形成一套《挤压型大变形隧道围岩预应力锚索一次支护体系研究与应用》成果。
实施例2
本发明实施例提供了一种高强预应力一次(型)支护体系，具体包括：
(1)初期支护施工工序为：上台阶开挖—高强预应力锚索系统(架设钢架喷砼)—原设计支护措施(可弱化)—中台阶开挖—高强预应力锚索系统(架设钢架喷砼)—原设计支护措施(可弱化)—下台阶开挖—高强预应力锚索系统—原支护措施(可弱化)(架设钢架喷砼)；
(2)高强预应力锚索施工工艺包括：场地整理，建立临时支护；进行放样、打孔；清孔，填装锚固剂；锚索安装，搅拌锚固；加装柔性网；安装w钢带，铺设锚垫板，安装锚具，设置张拉力达到要求。
(3)围岩变形稳定后，铺设土工布、防水板与施作二次衬砌。
本发明的预应力足够的初期支护强度与刚度，控制围岩不连续变形维持围岩的整体性；实现预应力的扩散效应，预应力扩散效果是支护效果决定性因素之一；临界支护刚度，锚固区不产生明显扩容性位移所需的支护刚度；具有足够的延伸率和冲击韧性，释放峰值强度前的塑性变形及整体变形；长短联合支护理念，构建以短锚索为核心的骨架网状结构；
本发明的锚索支护系统包括：树脂锚固剂1、w钢带2、柔性网3、锚垫板4、锚具5、锚索6。
锚具5内部固定有锚索6，w钢带2、柔性网3固定在锚垫板4上，锚索6的外部由树脂药卷锚固1。
锚索6的索体材料应具备较高的强度、较好的变形及抵抗冲击能力；锚垫板4采用大尺寸垫板，厚度不宜小于1.6cm；树脂锚固剂1采用3径匹配&合理锚固长度。
下面结合实验对实施例1的技术效果作详细的描述。
1、试验段(前)yk218+075～055地质条件：
木寨岭隧道桩号yk218+075～055，围岩主要以炭质板岩为主，夹杂砂质板岩，黑色，薄层状结构，层厚0～5cm，含石英夹层；岩体破碎，呈裂隙块状结构，节理裂隙发育；围岩整体性差，自稳能力弱，易掉块；岩层走向与隧道轴线方向基本垂直，局部滴水
2、试验段(前)yk218+075～055支护设计：
初期支护参数：
3、试验段(前)yk218+075～055变形数据，如图3和图4所示。
yk218+065断面(中间典型断面)，拱顶沉降35cm，上台阶收敛70cm，超出预留变形量；
yk218+065变形稳定时间超54d，历时长，显示了支护结构未能对围岩进行有效控制；
yk218+075～055下沉量250～343mm，收敛值460～708mm。
4、试验段yk218+055～035支护设计，增加高强预应力锚索系统；减少超前注浆小导管中空注浆锚杆。
5、试验段yk218+055～035变形数据，如图5和图6所示。
yk218+045(中间断面)，拱顶沉降13.7cm，上台阶收敛值32.7cm，对比yk218+065断面沉降减小21.3cm，降低61％；收敛值减小37.3cm，降低53％；
yk218+045变形稳定时间34d；对比yk218+065断面，变形稳定时间减小20d，降低37％；
yk218+075～055下沉量123～175mm，收敛值256～385mm。
6、结果：
高强预应力一次(型)支护体系仅增加了高强预应力锚索体系的施工工序，工序衔接上较为便捷(一般取消中空锚杆)。一般一个掌子面增加1个锚索施工班组(10～15人)即可保障循环施工。5m锚索全环(三台阶、以19根计)耗时(从施工班组入场到出场计)为3～5h。10m锚索全环(三台阶、以19根计)施工耗时(从施工班组入场到出场计)为6～10h。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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