膨胀性和挤压性围岩隧道设计要点及相关成果简介

1．设计理念

膨胀土围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。膨胀性和挤压性围岩的隧道结构设计方法主要可归纳为两类：一是减轻作用在支护结构上的荷载而容许发生一定位移的方法，二是为了控制松弛而尽可能早地控制位移的方法，即所谓的柔性结构设计和刚性结构设计，两者的设计理念是完全相反的。

（1）柔性结构设计理念。

① 先行导坑法，即先掘进比较长的导坑，通过位移释放一部分初始地压力，以减小扩挖时的支护变形和构件中的应力。其在概念上是通过导坑发生先行位移，结果是推迟了支护结构的设置时间，从而减轻了作用在支护结构上的地压力。

② 多重支护方法。为了确保设置多层支护后的变形有较大富余，先在掌子面设置第一层支护，而后在距掌子面后方3.0D以上的位置设置第二层支护。本方法的设计思想是虽然一次支护发生屈服，但因设置了二次支护，使地压力和支护反力得到平衡。

③ 可缩式支护方法。隧道开挖后及时施作刚性支护，可以防止围岩松弛。在隧道围岩压力增大时，采用可缩式锚杆、可缩式钢架等支护体系可使围岩产生较大的变形（在允许范围内），以释放部分围岩压力，从而降低支护压力，保持支护结构完整，使围岩压力与支护抗力平衡。

④ 分阶段综合控制法。本法思路是采用系统锚杆和补强锚杆对围岩进行加固，用锚杆分阶段控制围岩部分位移，同时用钢架、分层喷射混凝土支护，分层施作二次衬砌。仅仅设置一层支护，因刚性不足，难于控制位移，因此，分阶段地提高支护刚性来控制位移，使隧道趋于稳定。

（2）刚性结构设计理念。

① 大刚度支护和衬砌结构。刚性结构设计采用掌子面超前长大锚杆和周边系统长大锚杆、大型钢架和大厚度喷射混凝土支护。该方法采用刚性更大的衬砌结构来控制位移。也有在掌子面附近3m左右，浇筑仰拱，甚至模筑混凝土结构达到早期闭合的工例。

② 大范围围岩加固法。采用超前注浆或水平旋喷等预支护，深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，力求在减轻支护土压的同时，使掌子面附近早期位移得到控制。

上述挤压性围岩设计理念都有一些成功工程实例，从技术、经济、工期等综合指标出发，各设计理念都有一定的适用性。刚性设计法仅在小埋深、低地应力的软岩技术上可行且经济上合理。而柔性设计的先行导坑法、多重支护法、可缩式支护法和分阶段综合控制法其基本理念是相同的，都是容许围岩变形，释放地应力，减低支护压力，同时又能约束围岩松弛和过分变形，保持隧道稳定。但在技术手段上又有各自差异，在经济、工期上也有较大差距，例如：先行导坑应力释放法虽然扩挖隧道施工经济，但导坑本身施工仍然困难，增加支护工程量大；可缩式支护结构工艺复杂，技术要求高，施工工期较长。

现行公路隧道设计规范提出，对高地应力软岩大变形隧道应遵循“加固围岩、预留变形、先柔后刚、先放后抗、分次支护、及早封闭、底部加强”的综合整治原则，对膨胀性围岩支护结构应按“先柔后刚、先让后顶、分层支护”的设计思想进行设计。其理念是这类围岩中的隧道支护，一是要早支护、柔支护，及时成环，使围岩在控制条件下产生围岩变形；二是分层分次支护，刚度逐渐加大，在围岩发生一定变形后增加对围岩变形控制能力；三是二次衬砌施作时机适当，二次衬砌施作过早，则承受的膨胀压力大，可能被围岩膨胀压力破坏，施作过晚，变形超过预留变形量，侵占二次衬砌空间。

2．膨胀性围岩设计内容

（1）荷载的确定。

膨胀性和挤压性围岩除松动压力外，还承受膨胀压力或形变压力，工程实践表明，该种形变压力或膨胀压力较松动压力来得快且强度大。由于岩性复杂，产生压力的机理复杂，很难用适当的经验公式确定其引起的荷载变化。设计时，应先核准其工程特性，然后采用以工程类比法为主的方法，确定支护与衬砌的设计参数，施工中通过监控量测加以修改。(www.xing528.com)

（2）隧道断面形式。

膨胀性围岩中的隧道衬砌可能承受较大的膨胀压力。膨胀压力来自各个方向，隧道断面形式一般应采用圆形、椭圆形和马蹄形，仰拱应与支护衬砌等厚，这样才能更好地适应这种受力条件。从结构受力来看，在弱膨胀或小变形围岩中马蹄形、椭圆形和圆形断面均可采用，中膨胀或中变形围岩宜采用椭圆形断面，强膨胀或大变形围岩中应采用圆形断面。

（3）隧道支护形式与参数。

隧道支护应适应该类围岩特性：① 在不使围岩失稳条件下，允许围岩有一定变形；② 支护形式特征适应围岩变形；③ 支护变形时间应适应围岩变形收敛持续时间。为此，应采用复合式衬砌，二次衬砌宜采用钢筋混凝土结构，初期支护、二次衬砌均应设仰拱，并及早封闭成环。

常采用的支护形式为网、锚、喷联合支护，也可采用喷射钢纤维混凝土（取消钢筋网）。当膨胀压力很大时，应采取辅助施工措施，如超前锚杆、超前小导管注浆、管棚、钢支撑（格栅钢架或型钢支撑）等。在膨胀变形相对较大的地段，可采用双层初期支护，也可在初期支护内采用可缩式钢架，锚杆宜加长、加密，长短结合，以抵抗和控制大变形。必要时隧道支护可采用可缩性支护、可拆换支护与增补支护。

可缩性支护是指在围岩变形时允许支护有相当大的可缩变形，且仍能保持一定的支护强度。通常有可缩性支架或钢拱架、可压缩预制构件衬砌、留槽喷混凝土和设置缓冲层等方法。可缩式钢架是由U型钢制作，每榀钢架可设5～7个可缩接头，每个接头可缩50～100 mm。

可拆换支护是在隧道中隔一定距离设置钢架，钢架外侧设置可拆换背板。钢架应有足够强度和刚度，在压力下不致破坏或变形；而背板有足够的柔性，允许有较大的变形，尽可能释放变形能量。当背板将丧失承载力时，拆除背板并将侵入的围岩铲除，重新设置背板，直至围岩稳定，设置永久衬砌。

可增补支护是指视围岩变形和隧道稳定性情况，对支护进行二次或三次补强。与一般的隧道支护补强不同，它是设计预留的补强支护层，允许围岩产生更大的应力释放和变形，通过分层多次施作，实现与可缩性支护相同的控制围岩变形的目的。

在设计中可根据围岩的特点，选择上述一种或两种支护形式，然后根据结构计算结果和施工量测结果进行调整。

（4）预留变形量。

隧道开挖预留变形量应根据围岩膨胀变形量确定，应较普通围岩地段大。考虑隧道变形影响，隧道净空应根据其特性预留5～20 cm的变形量。

（5）防排水。

根据膨胀岩土遇水易膨胀、崩解的特点，隧道的施工防排水原则强调以防为主。因此在设计时应按照“以防为主，防、截、堵、排相结合”的防排水原则，采取截、排水措施，减少地表水渗入隧道，及时排出洞内积水，以防止或减少围岩遇水膨胀变形。