2.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844)摘要:研究目的：随着铁路、公路交通网络建设的推进，挤压性隧道大变形现象十分突出，常常伴随着大规模的
变形破坏,变形控制难度极大。挤压性围岩隧道变形控制的主要难点是如何划分变形潜势等级、确定支护体 系和施作时机。本文结合以往挤压性大变形隧道建设经验，对挤压性围岩隧道上述基本问题进行深入的分析
探讨，达到控制变形的目的。研究结论:(1)基于应力场分布特点，将挤压性围岩隧道变形分为“应力型”、“构造型”、“复合型”三种类
型;(2)变形潜势是指围岩内部潜在应变能的强弱，可根据变形总量将变形潜势分为“常规、轻微、中等、强 烈”；(3)变形潜势随变形速率的增大而增强，可根据支护初期变形速率评价变形潜势强弱、围岩与支护体系 适应性；(4)揭示了挤压性围岩隧道长、中、短锚杆的作用机理，提出了锚固体系施作时机，确定了合理的钢架
的形式、预留变形量;(5)提出挤压性围岩二次衬砌施作时机可按2 ~4 mm/d控制；(6)本研究能够为挤压性 围岩隧道的设计及变形治理提供参考。关键词:挤压性围岩;隧道;变形潜势;支护体系适应性中图分类号:U456.3 文献标识码：AResearch on the Control Technology of Squeezed Surrounding Rock Tunnel
Based on Deformation PotentialLI Guoliang1, XIONG Chungeng2, LI Ning1(1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd, Xizan, Shaanxi 710043 , China ； 2. China State Railway Group Co. , Ltd. , Beijing 100844, China)Abstract: Research purposes: With the advancement of railway and highway transportation network construction, the
large deformation phenomenon of the squeezed tunnels is very prominent, often accompanied by large - scale deformation
and damage, and the deformation control is extremely di伍cult. The main difficulty in the deformation control of squeezed surrounding rock tunnels is how to divide the deformation potential level, determine the support system and the
timing of the implementation. Based on the previous experience of construction of squeezed large deformation tunnels, this paper analyzes and discusses the above basic problems of squeezed surrounding rock tunnels to achieve the purpose of controlling deformation.Research conclusions ： ( 1 ) Based on the distribution characteristics of the stress field, the deformation of the
surrounding rock tunnel is divided into three types: \" stress type\" , \" structural type\" and \" composite type\".
(2) Deformation potential refers to the strength of potential strain energy inside the surrounding rock. The deformation potential can be divided into \" conventional, slight, medium and strong\" according to the total deformation. ( 3 ) The
deformation potential increases with the increase of the deformation rate, and the deformation potential and the*收稿日期:2019 -09 -04**作者简介:李国良，1966年岀生，男，教授级高级工程师，现任中铁第一勘察设计院集团有限公司副总工程师。78铁道工程学报2019年10月adaptability of the surrounding rock and the support system can be evaluated according to the initial deformation rate of
the support. (4) The mechanism of the long, medium and short anchors of the squeezed surrounding rock tunnel is revealed , the timing of the anchor system is proposed , and the reasonable form and reserved deformation of the steel frame are determined. ( 5 ) It is proposed that the timing of the secondary lining of the squeezed surrounding rock can be
controlled by 2 ~ 4 mm/d. (6 ) The research result can provide reference for the design and deformation control of
squeezed surrounding rock tunnels.Key words: squeezed rock ； tunnel ； deformation potential ； adaptability of supporting system1研究背景在我国铁路及公路隧道建设中，经常遇到挤压性
围岩隧道大变形问题。从襄渝铁路蜀河隧道，兰新铁 路乌鞘岭隧道，兰新高铁大梁隧道，兰渝铁路木寨岭隧
道到建设中的成兰铁路均发生了严重的挤压大变形。 挤压大变形导致的基本问题经常引发争议，因此有必
要对大变形分类、挤压变形潜势分级、支护体系作用和 时机等若干基本问题进行深入的分析探讨，达到合理
确定变形控制的目的。2按地应力场类型对挤压变形分类挤压性围岩发生大变形的主要地质因素包括岩
性、强度应力比、岩体完整程度、岩体层厚及走向与隧 道关系、岩层倾角和地下水等。分类上，按围岩的软硬
程度分为硬质（碎裂）岩和软质岩的挤压变形⑷，按地 形、岩层产状则可分为偏压隧道和非偏压隧道等。岩体应力场可分为自重应力场和构造应力场。自 重应力场由岩体的重力引起，具有垂直应力特征，构造
应力场由地壳运动（板块相互挤压）形成，区域内断 裂、褶皱构造发育，水平应力特征明显，如图1所示。 相应地，挤压大变形按照地应力场类型可分为由自重
应力为主引起的挤压大变形（简称自重型）和由构造
应力为主引起的挤压大变形（简称构造型），有些隧道 同时具有这两种变形的特征，故而称其为混合型，如 表1所示。图1水平构造应力挤压作用示意图表1按应力场类型划分挤压性变形类型重力型构造型混合型引起因素自重应力水平构造应力自重及水平应力自重型挤压大变形以拱顶沉降变形或顺层滑动变 形为主，如宜万铁路堡镇隧道洞身长段落分布有炭质
页岩顺层构造，倾角35° ~40。，在自重及层间水作用 下,产生顺层滑移变形;乌鞘岭隧道、兰渝铁路等位于
板块构造高地应力集中区，域内断裂、褶皱发育，水平 挤压严重,流变效应明显，变形速率大，持续时间长,属
构造型挤压大变形;混合型挤压性大变形典型的有兰
渝木寨岭隧道岭脊核心段，该段埋深约600 m,埋深大
且构造极为发育。按此分类，可对大变形的变形潜势及特征进行初
步分析:重力型大变形一般拱顶沉降特征明显,变形相 对易控制,变形与地下水相关;构造型大变形水平挤压
特征明显，控制难度大，围岩密实，一般地下水较少或 无地下水;混合型主要发生在长大深埋地段，拱顶沉降 和水平挤压特征均明显,但水平挤压较拱顶沉降略大，
变形控制难度极大。3按挤压变形程度对围岩变形潜势分级变形潜势⑵是指围岩内部潜在应变能的强弱，用
以预测挤压性围岩变形大小的程度。变形潜势分级有 利于制定变形控制，防止侵限破坏。3.1按变形速率对围岩变形潜势分级对一条完整的变形曲线，可将其划分为变形加速、
发展、减速和收敛四个阶段（图2）。以三台阶工法为 例,这些阶段分别对应上、中、下台阶开挖和仰拱封闭 等工序，如图2所示。施工中可根据变形加速阶段的变形速率评价本段 围岩的变形潜势，采用开挖后连续3 ~5 d变形速率平
均值”卩,对本段围岩的变形潜势及支护参数与围岩的 适应性进行评判,见公式（1）：丄肮
（1）} n第10期李国良熊春庚李宁:基于变形潜势的挤压性围岩隧道控制技术研究79图2变形曲线阶段划分示意图式中n----变形速率的天数；V,—第i天的变形速率，是指当日的总收敛量
与前一日总收敛量的差值。通过统计各线隧道的变形情况，将围岩的变形速 率划分为一般~高速，对应围岩变形潜势为轻度~极
强烈，如表2所示。在施工过程中，现场工程师可根据
开挖后初期围岩的变形速度，对本段围岩的变形潜势 作岀预判。表2按变形速率对围岩变形潜势分级变形速率分级般低速中速高速变形速率f/(mm/d)Q W 1010 V%W3O30 环（阶段）的变形潜势进行预判。表3按相对变形对围岩变形潜势分级大变形等级正常变形IIIin相对变形e/%W22-3.53.5 ~5>5单线隧道/mmW200200 -400400 〜600>600双线隧道/mmW300300 〜500500 〜700>700围岩变形潜势常规轻微中等强烈3.3变形潜势与支护体系适应性评价依据围岩变形速率、围岩总变形量对变形潜势分 级,对高地应力软岩隧道的支护参数与围岩的适应性 进行评价并动态调整支护体系，如表4所示。表4按变形潜势评价支护体系适应性围岩变形潜势强烈~轻微轻度中等极强 烈 变形等级正常Inin支护变形程度常规轻度中等严重体系支护体系评价强合理基本合理弱或不适应建议优化正常施工局部加强加强、套衬 或释放隧道开挖后，支护体系受力，围岩产生水平和竖向 变形。当变形速率达到高速（大于50 mm/d）且无收 敛趋势时，说明围岩应变潜能巨大，需加强支护体系， 必要时采用超前导洞进行释放；当变形速率在中低速 （10-50 mm/d）且渐趋收敛时，说明支护体系抗力与 围岩应变能释放产生的挤压应力相适应，支护基本合 理；当变形速率为一般变形（W10 mm/d），变形呈收敛 状且无明显加速阶段，说明支护结构太强，需优化。对挤压性围岩隧道而言，考虑围岩的不确定性和 结构的耐久性，支护体系应以适当加强为宜，这样既保 证了结构的运营安全，又经济合理。总结起来,变形控 制的目的就是控制围岩的变形速度，将高速变形控制 到中速及以下，将中速变形控制到收敛,减少初期支护 和二衬的形变压力，确保结构安全。例如：乌鞘岭隧道YDK 175 +460里程附近存在 着一个较强烈的千枚岩柔皱区段,有渗水，连续3 d变 形收敛速度高达50 ~ 100 mm/d,变形潜势为强烈, 累计收敛达600 mm；而YDK 175 +465里程离千枚 岩强烈柔皱区较远，围岩较为完整，刚开挖时收敛速 度达50 ~60 mm/d,后逐渐变小，综合连续3 ~5 d平 均速率，变形潜势判定为轻度~中等，累计收敛不到 300 mm,如图3所示。OCOOOOOOQCOCC»OOOOOOOOOCOOOOOOOC日期图3乌鞘岭隧道收敛变形曲线图某隧道地层为泥岩夹煤层、炭质页岩、铝土岩夹煤 层等,隧道最大埋深445 m,最大测量水平主应力7.0〜 80铁道工程学报2019年10月15 MPa,依据围岩强度应力比，对部分段落按严重~中 等大变形设计。但施工中围岩变形速率小于3 mm/d, 变形总量小于30 mm,变形潜势预判为常规变形，因此 优化参数按一般隧道进行设计。4挤压性围岩中支护体系作用机理及 施作时机在挤压性围岩中，由于岩体中储存着巨大的应变 能，软岩的流变效应明显,支护体系的受力机理和作用 与一般围岩地区存在差异。4.1长、短锚杆作用机理及施作时机挤压性隧道锚固机理主要是利用锚杆头尾速度差 (一般头部位移速度大，尾部的位移速度小)，使锚杆 尾部阻止头部的位移，达到抑制围岩变形的目的。在中、低速大变形中，围岩变形速度小，破坏范围 小，锚杆穿过塑性区锚入原岩，头尾速度差大,锚杆的 锚固效果好，作用明显;对变形潜势为强烈的大变形隧 道，围岩呈现高速位移，破坏范围大，锚杆全部位于蠕 变区内，锚杆和蠕变区一起移动，头尾的速度差小，锚 杆的锚固效果较差，需降低围岩的变形速度后，再采取 锚固手段。如木寨岭隧道岭脊段、新城子隧道出口段、 乌鞘岭隧道F7工程活动性断层段,采取导洞释放、及 时封闭、设临时横撑、多重支护等技术，降低围岩的早 期变形速度后，再对围岩进行进一步锚固加强。对变形潜势轻微~中等的围岩一般设置短锚杆即 可，变形潜势强烈围岩可长短锚杆结合。在控制围岩 早期变形方面，长度为4 ~5 m短锚杆施作更快捷，可 随开挖及时施作;而8 m长的锚杆施作时间长，工艺要 求高，可待变形速率降低后再施作。采用多层支护时， 第一次支护的锚杆应以短锚(4.5-5 m)为宜,在各台 阶开挖后可快速施作，重点应在锁脚部位，抑制围岩 的快速位移和早期变形。长锚杆和锚索应在二次支护 封闭围岩变形相对稳定后施作。短锚杆以砂浆锚杆 为宜，长锚杆可采用自进式锚杆，快凝水泥。补强时可 采用注浆小导管,采用快凝水泥，水灰比小于0.6,便 于快凝提高早期强度。注浆也应在围岩变形基本稳 定后施作，过早的施作会使加固体尚未硬结，受围岩的 高速移动而失效,其对围岩的加固也注重长期的加固 作用。4.2钢架类型的选择乌鞘岭隧道9号斜井工区正洞进行了格栅钢架试 验⑹，监测显示，开挖后前5 d平均累积变形就达到 450.78 -875.46 mm,下半断面开挖时，拱架扭成麻花 状不得不全部拆换。在变形潜势严重的围岩中，初期 支护宜采用大刚度拱架。因此，对大变形隧道而言，为 抑制围岩应变能产生的巨大挤压和冲击作用，应使用 大刚度钢架以承担围岩的形变压力，H钢比工字钢抗 扭能力更好，因而对变形严重的隧道应以H钢为好。4.3喷射混凝土喷混凝土应采用湿喷的早高强混凝土，避免混凝 土在达到设计强度前被压溃，或因其与钢架不能同时 受力而分别被压溃。4.4关于预留变形量的设置隧道开挖过程中的全位移曲线⑴如图4所示，从 理论上，预留变形量如公式(2)所示。u4 = u2 + u3 (2)式中u4——掌子面后方的位移，即预留变形量；U2——初始位移,指从开挖到埋设桩点时间段 内未量测到的位移；5——量测位移。首次量测开始，开挖前进方向-3 -2 -1123456789$距掌子面距离与洞径比厶/0必：全位移U\\：全超前移§弘2：初始位移⑷：量测位移\"4：掌子面后方位移(预留变形量)变形U图4隧道开挖后的位移曲线图设计应合理设置预留变形量初始值，结合各线统 计,考虑前后期丢失位移及适量补强空间,建议设置初 始预留变形量如表5所示。表5初始预留变形量建议值(单位：mm)变形等级InID单线隧道100 < UW200 <300 < Uw200300400预留变形量双线隧道150250 < UW350 < UW250350 450对大变形隧道应留足预留变形空间，施工中结合变 形情况，通过几个循环逐步调整确定，可根据围岩变形 的不均匀性，分台阶、分部差异化设置预留变形量，如 倾斜岩层一般高倾角层预留量大于低倾角侧预留量。综上所述，兰新铁路大梁隧道,斜井工区为炭质页 岩,施工中发生了大变形，最大变形87.8-101 cm,介 于U ~ ID级大变形间。采取加强支护刚度、合理预留 变形量、锚管超前预加固、中长锚杆加固围岩等措施, 如表6所示。第10期李国良 熊春庚李宁：基于变形潜势的挤压性围岩隧道控制技术研究81表6兰新高铁大梁隧道大变形段支护参数表湿喷混凝土厚度30 cm初期支护锚杆(管)长度025 mm自进式 间距1.2 m x钢筋网位置拱墙钢架预留变形量二次衬砌I22a 3 棉/2 m 或 H175 1 棍/0. 6 m40 cm拱墙55 cm锚杆长6 m1.2m5关于二次衬砌施作时机及施工方法5.1二次衬砌施作时机二次衬砌施作时机应根据现场监测分析确定，原 则上应在围岩和初期支护变形趋于稳定后进行，结合 乌鞘岭隧道、兰渝铁路⑷的科研成果，当满足下列条 件时可施作二次衬砌：一是，隧道周边变形速率明显下降并趋于缓和，变 形达到总变形量的80% 0二是，二次衬砌施作前变形速率控制标准,乌鞘岭 隧道为3 ~5 mm/d,兰渝铁路前期为2 ~4 mm/d,后期 为1 ~2 mm/d。建议单、双线隧道按2 ~4 mm/(I标准 进行控制。5.2关于施工工法对挤压性围岩隧道，建议一般采用短台阶法施工。 该工法工序简单,各台阶开挖有利于地应力的逐步释 放，可实现仰拱的快速封闭。长台阶开挖时上台阶地 应力释放过度，且不利于仰拱的快速封闭。全断面法 需对掌子面进行预加固，有利于初期支护的快速封闭， 但对变形潜势强烈地层地应力释放有限.可试验采用。 此外，爆破振动对围岩扰动和损伤大，因此提倡采用非 爆破的机械开挖方式。6结论本文基于挤压性围岩变形影响因素分析和变形控 制措施、时机总结,对挤压性围岩隧道设计与施工若干 基本问题进行了研究探索,主要结论如下：(1) 按引起挤压大变形的地应力场类型将挤压大 变形分为自重型、构造型和混合型。(2) 基于挤压性围岩变形特征，提出了按变形速 率和总变形量为主的新的变形潜势分级预测方法和支 护体系适应性评价标准，有利于制定变形管理等级和 变形控制对策。(3) 通过对挤压性围岩变形机理及变形特征的研 究，提出了长、中、短锚杆施作时机及喷混凝土、钢架、 预留变形量等挤压性围岩隧道支护体系设置原则。(4) 通过理论分析和施工实践总结，提出了预留 仰拱65 cm变形量的设置、二衬的施作时机及施工工法等变形控 制的关键技术。参考文献：[1] 李国良，李宁.挤压性围岩隧道若干基本问题认识[J]. 现代隧道技术，2018(1)：1 -6.Li Guoliang, Li Ning・ Some Basic Understanding Question on Tunnels with Press Surrounding Rock J ]. Modern Tunnelling Technology, 2018( 1) ：1 -6.[2] 李国良，熊春庚，李宁.挤压性围岩隧道变形潜势的判定 [J].铁道工程学报,2018(8):55 -59.Li Guoliang, Xiong Chungeng, Li Ning. Determination of Deformation Potential of Press Surrounding Rock Tunnel [ J ]・ Journal of Railway Engineering Society, 2018(8) ：55 -59.[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司，石家庄铁道大学，中 铁西南科学研究院有限公司，等.乌鞘岭隧道岭脊地段复 杂应力条件下的变形控制技术研究[R].西安：中铁第 一勘察设计院集团有限公司，2006.China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd, Shijiazhuang Tiedao University, China Railway Southwest Research Institute Co. Ltd, etc. Study on Deformation Control Technology under Complex Stress Condition in Ridge Section of Wushao Ling Tunnel [ R]. Xi'an： China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd, 2006.[4] 中铁第一勘察设计院集团有限公司，中铁西南科学研究 院有限公司，石家庄铁道大学，等.兰渝线特殊地质隧 道变形控制技术研究报告[R].西安：中铁第一勘察设 计院集团有限公司，2011.China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd, China Railway Southwest Research Institute Co. Ltd, Shijiazhuang Tiedao University, etc. Study Report on Deformation Control Technique for Tunneling in Special Geological Condition in Lanzhou 一 Chongqing Railway [ R ]. Xi'an： China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd, 2011.[5] Hoek E, Marinos P. Predicting Tunnel Squeezing Problems in Weak Heterogeneous Rock Masses | J ]. Tunnels and Tunnelling International, 2000,32 ( 11 )： 45-51, 32(12)：34 -36.(下转第106页 To P. 106)106铁道工程学报Edition,2015(8) ：109 -110.2019年10月6结束语铁路旅客站房综合管线设计是一个涉及多专业的 综合性设计工程，需要各专业及系统的密切配合。设 [4] GB 50180—93(2016年版)，城市居住区规划设计规范[S].GB 50180—93( 2016) , Code of Urban Residential Areas Planning & Design [ S ].[5] 计人员应对各专业的设计情况有初步的预判，对于管 线较复杂、空间较局促的位置，应及早与各专业进行协 崔学斌.地铁车站管线综合设计需要注意的若干问题 [J].工程技术：全文版,2016(5):245 -247.Cui Xuebin. Some Problems to be Focused on the Comprehensive Design of Subway Station Pipelines [ J ]・ Engineering Technology: Full Text Edition, 2016 ( 5 )： 调,充分合理地利用车站空间。建筑设计人员在进行 建筑平面布置时,应充分考虑平面布置对综合管线的 影响，将综控室、通信、信号等房间尽量沿一侧布置，尽 量减少不必要的管线敷设。只有各专业的通力配合， 才能保证综合管线设计达到最优，满足各专业的工艺 要求，保证车站的空间效果⑻。[6] 245 _247・吴云.浅谈民用建筑机电综合管线设计[J].工程技术： 全文版,2016(5):24 -26.Wuyun. Discussion on the Design of Electromechanical Integrated Pipeline for Civil Buildings [J]. Engineering 参考文献：[1] 范永光.关于城市轨道交通车辆基地室外综合管线的再 思考[J].铁道建筑技术,2016( 10):120 -123.Fan Yongguang. Reflection on Outdoor Comprehensive [7] Technology:Full Text Edition,2016(5) ：24 -26.高辉，李国富，大型铁路站房高架设备层综合管线设计[J].铁道标准设计,2010(S2) ：134 -136.Pipelines Design of Urban Rail Transit Depot [ J ]. Railway Construction Technology ,2016( 10) : 120 -123.Gao Hui, Li Guofu, Design of Comprehensive Pipeline for Elevated Equipment Layer of Large - Scaled Railway Station Building [ J ]・ Railway Standard [2] 向春阳，向阳.浅谈室内综合管线的布置[J].城市建 筑,2014(24):199-199,204.Xiang Chunyang, Xiang Yang. Discussion on the Interior Layout of Comprehensive Pipeline [ J ]・ Design,2010(S2) ： 134-136.[8] 华舟萍，张帆.地铁地下车站管线综合设计[J].建筑技 术,2017(11)：1211 -1213.Hua Zhouping, Zhang Fan. Design of Comprehensive in Metro Underground Station [ J ]・ Architecture Technology,2017( 11) ：1211 -1213.Urbanism and Architecture ,2014 (24) ： 199 一 199,204.[3] 顾硕.综合管线设计感悟之我见[J]・华东科技：学术 版,2015(8) ：109 -110.Gushuo. Views on the Design of Integrated Pipeline [J ]・ East China Science and Technology: Academic(编辑梅志山)(上接第81页 From P.81)[6] 李国良，朱永全•乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形 控制技术[J].铁道工程学报,2008(3):54 -59.Li Guoliang, Zhu Yongquan. Control Technology for Communications Press, 2011.[8]李国良，刘志春，朱永全.兰渝铁路高地应力软岩隧道 挤压大变形规律及分级标准研究[J].现代隧道技术， 2015(1) ：62 -68.Li Guoliang, Liu Zhichun, Zhu Yongquan. On the Large Deformation of Highland Stressed Weak Rock in Wushaoling Tunnel [ J ]・ Journal of Railway Engineering Society,2008(3) ：54 -59.Large Squeezing Deformation Law and Classification [7] 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民 交通出版社，2011.Guan Baoshu, Zhao Yong . Construction Technology ofSoft Surrounding Rock Tunnel [ M ]. Beijing: ChinaCriteria for the Lanzhou 一 Chongqing Railway Tunnels in Soft and High Geostress Rocks [ J ]・ Modern Tunnelling Technology, 2015(1) ：62 -68.(编辑吕洁) 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容