引 言 高地应力软岩隧道通常表现为围岩变形大，长时间的持续变形或变形不收敛，出现掌子面失稳、底鼓、初期支护严重变形等现象，导致施工进度缓慢、变更设计多、投资控制困难等问题。其主要原因是对高地应力软岩隧道的变形机理、工程特性等认识不足，控制变形的工程措施和施工方法缺乏针对性。
高地应力软岩隧道通常表现为围岩变形大，长时间的持续变形或变形不收敛，出现掌子面失稳、底鼓、初期支护严重变形等现象，导致施工进度缓慢、变更设计多、投资控制困难等问题。其主要原因是对高地应力软岩隧道的变形机理、工程特性等认识不足，控制变形的工程措施和施工方法缺乏针对性。
进入21世纪以来，我国铁路隧道建造技术取得了长足的发展，但高地应力软岩地层隧道施工中所出现的大变形问题仍未得到根本性的解决。从变形控制的原理出发，隧道开挖是释放应力的过程，不同的开挖方法，应力释放的过程及程度也是不同的;而围岩加固和支护则是应对大变形的主要手段，不同的围岩加固技术和支护方法产生的控制变形效果是不一样的。其中，主动控制变形技术可实现软弱围岩大断面机械化快速施工，解决超大断面设计施工技术难题，有效控制高地应力软岩隧道变形，分享如下。
主动控制变形主要是指以充分发挥、调动围岩的自身承载力为出发点，并采取必要的技术措施增强围岩的稳定性及自承载能力，达到控制隧道变形的目的。采用主动控制围岩变形技术，可实现软弱围岩大断面机械化快速施工，有效控制高地应力软弱围岩隧道变形，避免大变形的发生。
根据《铁路隧道设计规范》 (TB10003—2016)对隧道主动控制变形的施工技术进行了定义，即:钢拱架和喷射混凝土组成的初期支护、二次衬砌通常被称为被动支护，锚杆、锚索以及注浆加固地层因充分发挥围岩自身承载能力，被称为主动支护，采用主动支护措施控制围岩变形的施工技术通常称为主动控制变形施工技术。
锚杆、锚索以及注浆加固地层(围岩径向注浆、超前围岩注浆等)的主动控制支护与钢拱架、二次衬砌等被动支护不同。主动控制支护一方面通过对围岩进行加固，改善围岩物理力学性质， 充分发挥、调动围岩自承载能力，限制围岩塑性变形;另一方面，浆液充填于各种裂隙之中，提高了围岩的整体性和强度，同时有效地阻止了地下水的渗入，预防围岩的软化、强度的降低。
高地应力软弱围岩大变形是大埋深隧道施工的突出问题之一，处理不好会引起支护侵限甚至发生坍塌，给施工带来很多困难。要预防这些事故的发生，必须充分发挥和利用围岩的自承能力，减少衬砌背后围岩压力，加强施工变形监控量测和管理，建立高地应力软弱围岩隧道施工变形控制标准，使监测结果的反馈处理有科学依据;同时，在施工过程中需采取有效的预加固措施，选择适合的工法、合理的支护方式及衬砌时机，控制施工过程的变形量和最终总变形量，保证施工的顺利进行，隧道结构的安全、可靠。
（1）主动加固围岩，限制塑性区发展，发挥围岩自身承载能力。
采用长短锚杆、锚索及注浆等工程措施主动加固围岩，并配套合适的机具设备，提高施工质量和效率。
（2）根据围岩应力特征和变形规律，合理划分开挖断面、确定开挖进尺。
围岩的失稳破坏是围岩应力和变形调整导致的结果，坚硬围岩由于强度高、变形小，围岩失稳破坏对施工的影响不显著;而在软弱围岩中，则必须充分考虑围岩应力和变形调整的结果。因此，在高地应力软岩隧道施工中，根据围岩应力调整的特征及其变形规律，合理选择开挖分部和开挖进尺，是实现高地应力软岩隧道安全快速施工的基础。
（3）优化工法，尽量少分部，实现大断面开挖，尽早封闭仰拱成环。
在保障围岩稳定的前提下，减少开挖台阶及简化施工步骤。采用大断面开挖，可以减少对围岩的扰动频率，减少工序衔接，加快施工速度，做到初期支护(含仰拱)尽早封闭成环。成环后的初期支护刚度大，能充分发挥支护抵抗围岩变形的能力。从开挖到全断面初期支护的闭合时间，越短越好，闭合距离也尽可能缩短，因为初期支护全断面闭合的过程，就意味着隧道变形逐渐趋于稳定(收敛)的过程。
①重视超前支护。从围岩变形发生、发展的演变规律来看，掌子面前方围岩尚未开挖时， 就已经发生了变形，大变形段尤其如此。因此，研判掌子面围岩稳定性，重视超前加固的范围，提前支护和加固掌子面前方围岩对控制大变形是非常必要的。
②加强钢架纵向连接。钢架是控制大变形的重要手段。大变形段变形发展迅速，前后施工的钢架之间就可能存在较大的变形差异，通过加强纵向连接增加其空间整体性，提高初期支护纵向抵抗变形的能力。
高地应力软弱围岩隧道要实现安全、快速施工，就必须采用大型机械化配套，这也是我国隧道施工的发展趋势。大型机械的施工速度和作业效率是人工无法相比的。大型机械化能够大幅度地减少单个工序占用的时间，例如，当采用三臂凿岩台车、湿喷台车、拱架安装机等大型机械作业时，与传统的人工配套小型机械施工相比，在钻孔、喷混凝土、安装拱架的时间方面可以减少 50% 以上，而且极大地减少了现场作业人员数量，有利于施工安全管理。
变形等级为一、二级时，超前预加固以拱部超前导管为主，开挖后加固以拱墙短、中长锚杆为主，并辅以隧道围岩周边径向注浆。变形等级为三、四级时，超前预加固采用拱部超前导管或者采用管径更大的中长管棚;掌子面加固采取喷射混凝土封闭，必要时可采取玻璃纤维类易于切割的超前长锚杆、超前注浆等措施确保掌子面的稳定。开挖后加固以拱墙短、长锚杆(索)锚固体系为主，并辅以隧道围岩周边径向注浆，必要时可增设仰拱锚杆。
锚杆是隧道初期支护的主要构件之一，设置锚杆的目的主要是控制围岩变形，防止围岩坍塌。通常来说，它的作用体现在以下在四个方面。
①悬吊作用:锚杆穿过软弱、松动、不稳定的岩土体，锚固在深部稳定的岩土体上，提供足够的拉力，克服滑落岩土体的自重和下滑力，防止洞壁滑移、塌落。
②挤压加固作用:锚杆受力后，在周围一定范围内形成压缩区。将锚杆以适当的方式排列，使相邻锚杆各自形成的压缩区相互重叠形成压缩带。压缩带内的松动地层通过锚杆加固， 整体性增强，承载能力提高。
③组合梁(拱)作用:锚杆插入地层内一定深度后，在锚固力作用下的地层间相互挤压，层间摩阻力增大，内应力和挠度大为减小，相当于将简单叠合的数层梁(拱)变成组合梁(拱)。组合梁(拱)的抗弯刚度和强度大为提高，从而增强了地层的承载能力。锚杆提供的锚固力越大，作用越明显。
④支承作用:即支护承载作用，锚杆能限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，使处于二轴应力状态的隧道内表面附近的围岩保持三轴应力状态，从而能制止围岩强度的恶化。
以上阐述了锚杆的四个基本作用。当将长锚杆与短锚杆组合使用，采用“长短锚杆”结合的形式时，还可以形成长短锚杆的“群锚效应”，进一步发挥锚杆的四个基本作用。短锚杆一般设置在隧道拱部，采用树脂或药包锚杆，长度一般不超过 3m，施作便捷、快速。短锚杆主要用于隧道开挖后的初期变形控制，限制浅部围岩松弛的发展，为长锚杆创造施作时机。因此，短锚杆施工的时机应该靠前，并且越早施工越有利于其作用的发挥。长锚杆锚入弹性区，将组合拱支护结构悬吊于深部稳定岩体，使浅部围岩和深部围岩共同作用，协调变形，长锚杆长度一般 6 ~ 10m，可以在拱墙初期支护的钢架和喷射混凝土完成后施工。长短锚杆合理组合，形成“群锚效应”，可以有效限制隧道围岩的塑性区发展，约束围岩变形，降低变形速率，保证隧道施工安全。长短锚杆群锚结合如图 1 所示。
锚杆组合参数一般需要根据实际地层条件确定。以下是成兰铁路茂县隧道三、四级严重大变形(划分标准见本章表 2-2)部分段落采用的长短锚杆组合参数。
①拱部短锚杆采用 ?22mm 树脂锚杆(采用快速树脂药卷)，每根长 3m，间距1. 2m × 1. 2m (环 × 纵)交错布置。为防止锚杆施工与初期支护钢架、钢筋网等发生冲突，现场可在一次初期支护钢架安装时采用“预留锚杆钻孔”的方法。
②拱部长锚杆采用?25mm 组合中空锚杆，每根长 6m，间距为 1. 2m × 1. 2m(环 × 纵)交错布置。
③边墙长锚杆采用 ?32mm 自进式锚杆，每根长 8m，注 M20 水泥净浆，布置间距为 1. 2m × 1. 2m(环 × 纵)交错布置。
④全隧进行径向“孔口管”注浆，加固至开挖轮廓线外 3m 范围，进一步提高破碎围岩的整体性。
长短锚杆结合技术是实现大变形主动控制的重要手段之一，其关键技术要点如下。
b. 长锚杆根据现场地质条件可以采用普通中空锚杆、自进式锚杆、预应力锚杆(索)、树脂锚杆等。
c. 对于锚杆钻孔后一定时间内不会发生塌孔、缩孔的围岩，选用普通中空锚杆即可。
d. 对于锚杆钻孔后孔壁易发生塌孔、无法在钻杆拔出后送入杆体的，选用自进式中空锚杆。
早期的短锚杆可采用药包水泥、树脂锚固剂等快速锚固尽快形成承载力;中后期长锚杆可采用快凝水泥砂浆，尽快发挥其抑制围岩塑性区发展的作用。
长短锚杆“群锚效应”支护可按设置位置的不同分为拱部锚杆、边墙长锚杆、隧底长锚杆，加固圈范围如图 2 所示。
a. 利用凿岩台车或者锚杆专用钻机钻臂角度灵活、钻进速度快的优势，可实现拱部锚杆孔的快速施作。
b. 钻孔完毕后，先将树脂药卷送入孔底，然后利用锚杆杆体旋转推进孔内，以便充分搅碎树脂药卷，待一段时间(2 ~ 5min)后，药卷已具有锚杆端头锚固能力，方可安装止浆塞、垫板，并拧紧螺母。树脂锚杆的显著特点是树脂卷锚固剂黏结凝结时间短、强度较高，故树脂锚杆适用于隧道围岩快速支护;拱部锚杆必须逐排由外向掌子面顺序施作，每排内锚杆必须由中间向两侧顺序施作，钻孔一个安装一个。
c. 当隧道拱部采用组合中空锚杆时，水泥浆经中空锚杆体的中空内孔从连接套上的出浆口进入锚孔，锚孔内的水泥浆由底部向顶部充盈，锚孔内的空气从顶部排气管排出。注浆完成后，应立即关闭止浆阀确保注浆饱满。采用初凝时间较短的注浆材料进行注浆，基本初凝时间为 30 ~ 40min，且能有效保证锚杆注浆效果。
隧道拱部组合中空锚杆安装存在安装和注浆期间锚杆下坠的潜在安全风险，垫板及螺母安装等待时间较长的问题，现场可采用“先锚后注式”组合中空锚杆的方法来解决这个问题， 见图 3。
a. 与拱部锚杆一样，采用凿岩台车或者锚杆专用钻机成孔。
b. 锚杆注浆采用注浆泵通过尾部向孔内注浆。注浆过程中应采用带压注浆，注浆初始压力控制在 1. 5 ~ 2. 0MPa。整个注浆过程应连续灌注，不停顿，必须一次完成。观察浆液从止浆塞边缘留出或压力表达到设计值时即视为注浆饱满，随即采用锚固剂进行孔口封堵并关闭止浆阀。
c. 当采用钻注一体的自进式锚杆时，则利用凿岩台车通过钎尾连接杆将自进式锚杆进行钻进施工。锚杆在软岩中钻进时，钻头的出水孔易堵塞，应放慢钻进速度，多回转、少冲击。钻进至设计深度后，应用水或者高压风洗孔，检查锚杆孔内是否畅通。
a. 仰拱每循环开挖支护完毕后，利用凿岩台车或锚杆专用钻机立即施作隧底长锚杆。
b. 隧底竖向成孔相对拱墙成孔困难，主要是孔内废渣不易排出。施工时要注意调整钻进参数，并采取必要的辅助措施。
锚索技术是实现大变形主动控制的又一种有效的控制手段。当变形等级为四级时，围岩松动圈大，长锚杆无法满足要求，此时需采用更长的锚索与锚杆结合形成锚固体系，如兰渝铁路新城子隧道、木寨岭隧道均采用长锚索和锚杆支护结合的措施，以达到加固围岩控制变形的目的。
在隧道施工中，由于作业空间狭小，锚索施工难度大，作业周期长，为保证在锚索达到工作效果前初期支护变形速率可控，多采用长锚杆提前对初期支护进行锁固，并与随后施工的长锚索组成联合锁固体系，实现对围岩变形的有效控制。
①承载拱作用:锚索安设锁紧后，锚索集中应力以一定角度的压力分布线传递至支护结构物上。在预应力作用下，围岩产生压缩，可使松散围岩在锚索的弹性压缩下形成 “承载拱”，有效控制了围岩有害变形的发展，增大了围岩的稳定程度。
②组合梁作用:锚索穿过层状岩层，使岩层层面和层理之间的摩擦力增大，增强围岩的整体性，阻止岩层间的分离、 位移，提高岩层的抗弯强度。
③悬吊作用:锚索把不稳定岩块吊挂在稳定岩体上，限制不稳定岩块的位移，防止其冒落。
长锚索施作时间长，不利于及时控制围岩变形，因此短、长锚杆等支护应及时施作，待变形趋缓时再进行长锚索的施作。预应力锚索分两层进行施工，首层锚索张拉锚索强度的 50% ，第二层长锚索张拉强度增加。长锚索施工流程为:锚索及垫板加工→预埋 I16 工字钢→锚杆钻机定位→钻孔→清孔→锚索安装→封孔→注浆(两次)→垫板锚具安装→锚索张拉，其主要工艺流程如图 4 所示。
①预应力锚索的基本要求:锚索拉索材料采用高强度低松弛预应力钢绞线。锚索编制前应对每根钢绞线进行严格的检查，采用与其配套的系列锚具，锚孔内灌注水泥砂浆。锚索的材料、防锈、防腐蚀处理应满足相关技术要求。
②锚索加工:锚索编束作业场地应尽量靠近安装现场。钢绞线用砂轮机切割，下料长度按锚固段长度 + 张拉长度 + 外锚头长度 + 外留长度(1m)计算。锚索锚固段按照设计要求设置对中支架，然后将钢绞线绑扎在对中支架上，2个对中支架中间须将锚索加以捆绑(待锚索入锚孔时再同安放的注浆管一起捆绑)。锚索张拉段外套塑料套管，锚索编束完成后，应妥善保管。长锚索结构如图 5 所示。
第一层初期支护施作时，按锚索设计要求预埋 I16 工字钢，并在喷浆结束后，及时将工字钢表层混凝土铲除，为后期锚索施工定位及配合钢垫板承压。
④钻孔及清孔:锚孔与岩面尽可能垂直。钻进 20cm时要安装孔口管，孔口管长度为 50cm，管壁与孔口接触处用麻丝填塞牢固，孔口管起着导向作用。钻孔时要定段检 查锚孔前进方向的偏移情况，钻至设计深度后用高压风将 孔内的岩屑全部清理干净。
⑤锚索安装及封孔:锚孔成孔后要尽快安装锚索。锚索穿入锚孔前先注浆安装套管，并逐根将注浆管连同锚索一起插入孔内。锚索安装后及时用C20 砂浆封堵孔口。
⑥锚索注浆:第一次注浆采用常压注浆，注浆压力为 0. 5 ~ 0. 8MPa，采用孔底返浆法，当孔口出现溢浆且持续时间不低于 5min 后(或排气管停止排气)，方可停止注浆，砂浆必须饱满密实，注浆 0. 5h 后再补浆;第二次注浆为高压劈裂注浆，待第一次注浆 4 ~ 5h，形成的水泥结石体强度达到 5MPa 后进行，对锚固段进行劈裂注浆，注浆压力不小于 2. 5MPa。
⑦张拉锁定:首层锚索张拉锚索强度的 50% ，给围岩足够的应力释放空间，让锚索随着围岩变形，钢绞线被拉伸，锚索强度逐渐达到设计值;第二层锚索张拉强度增加，对围岩变形进行控制。具体操作如下。
a. 施工准备:对千斤顶及油压泵进行标定，得出千斤顶拉力和油压表压强的张拉方程。根据相关参数计算锚索张拉荷载及伸长量，并计算出 50% 荷载对应的张拉油表读数。
b. 搭建操作平台:搭设张拉操作平台，采用成型的高架安放稳定，并由专人进行支扶放置千斤顶，人员站立稳定后方可进行施工。
c. 锚具安装:安装工作锚具、夹片，并将夹片轻轻敲实，然后安装千斤顶，安装时使千斤顶与锚具垫片垂直。
d. 张拉:开动油泵，给千斤顶张拉液压缸缓慢供油，直至油压设计值，并稳定 10min。
e. 锚固:轻轻松开油泵截止阀，使油压缓慢降至零，油泵向回程液压缸供油，活塞慢慢回程到底，卸下工具锚，千斤顶等机具。
f. 封锚:用砂轮切割机切割多余钢绞线，待支护变形稳定后支模，用混凝土及时封闭锚头。
目前国内软岩隧道常用的锚杆以全长黏结砂浆锚杆、组合中空锚杆为主，部分隧道还采用了药包锚杆、自进式锚杆或低预应力锚杆。这些锚杆种类丰富，在加固围岩方面发挥了一定的作用。近年来，随着人们对高地应力软岩大变形认识的不断加深，伴随着新材料的出现，一些新型锚杆技术开始进入地下工程施工领域。
如图 7 所示，NPR锚杆(索)[Negative PoissonsRatio，中文全称为:具有负泊松比效应的新型高恒阻大变形锚杆(索)]，对于解决矿山深部岩体工程面临的大变形灾害控制问题具有一定的效果，已在全国 20 个矿区 50 余个矿井推广应用。
a. 具有“抗中有让，让中有抗，恒阻防断”的大变形特性。
b. 在软岩隧道产生较大变形时，NPR材料可保持恒定工作阻力大于 120kN。
c. 在恒定工作阻力下，恒阻大变形锚杆变形量可达 300 ~ 1000mm。
d. 在煤矿巷道达到服务年限后，锚杆杆体和锚索恒阻器可回收，并重复利用。
e. NPR 材料主要应用于深部工程软岩大变形、岩爆大变形、冲击大变形、突出大变形灾害控制。
地下工程开挖后，破坏了原岩的力学平衡，一方面由于围岩应力重新调整，使岩体自身的力学属性承受不了应力集中，从而产生塑性区或拉力区;另一方面是由于施工将引起围岩松弛，加上地质构造的影响，降低了围岩的稳定程度。因此，在隧道围岩尚未发生大变形破坏前采取一定的支护措施，改变围岩本身的力学状态，提高围岩强度，从而在隧道周围岩体内形成一个完整稳定的承载圈，与围岩共同作用，达到控制围岩变形、维护隧道围岩稳定的目的。
NPR 锚杆(索)作为一种新型的主动支护技术，已在渭武高速公路木寨岭公路隧道开展工程试验。隧道支护断面如图 9 所示。其设计参数为:NPR 恒阻锚索 ?21. 8mm，梅花形布 置，间距为 1000mm × 1200mm，规格 L-5. 3m 和 L-10. 3m 两种类型锚索，间隔布置即一个循环 5. 3m，下一个循环 10. 3m。施工时采用液压锚杆钻机钻孔，端部采用树脂锚固剂进行锚固，孔口部位安装恒阻器，钢垫板下设置 W 形钢带，张拉控制力为 350kN。
图 9 木寨岭公路隧道支护断面示意图(尺寸单位:mm)
从木寨岭公路隧道试验效果来看:NPR 锚索体系能够有效地控制围岩、支护的大变形，变形量值和速率较传统方法都有明显的降低，已施工段落只有个别部位出现了初期支护混凝土剥落现象，未出现拱架扭曲情况，未再发生支护侵限和拆换的情况。
让压锚杆(索)是另一种新型主动控制变形技术。其工作原理是:在锚杆中安装一种特定的让压装置，当支护结构发生大变形，锚杆承受的拉力超过其设计的让压力时，设计的让压装置将使锚杆体产生与岩土体相适应的变形。此时，拉力值则维持固定不变，直到为锚杆设定的让压量耗尽。此举是避免锚杆体拉断失效，保持支护作用。让压锚杆原理示意如图 10 所示。
传统的让压锚杆根据工作原理可分为杆体可延伸式锚杆和结构元件滑动可延伸式锚杆两种。杆体可延伸式锚杆以波浪形、蛇形锚杆为代表。波浪形锚杆锚固在围岩中，围岩变形时，波浪段杆体受拉变直，提供一定的工作抗力和伸长量。结构元件滑动式锚杆以预应力让压锚杆为代表，如图 11 所示。通过在锚杆托盘与螺母之间安装让压管，利用让压管适应围岩变形，增强锚杆适应围岩变形能力。
基于恒阻让压原理，研发适用于隧道大变形的新型锚杆有恒阻大变形锚杆、恒阻挤压滑移让压锚杆等，这些锚杆的让压量更大。恒阻大变形锚杆:当杆体轴力超过恒阻装置与杆体静止摩擦力时，恒阻装置沿杆体发生摩擦滑移，适应围岩变形，并保持恒定阻力，如图12 所示；当杆体轴力小于两者之间摩擦阻力时，恒阻装置停止滑移，保持静止状态。恒阻挤压滑移让压锚杆:通过设置挤压套径向挤压、拉伸锚杆杆体，实现恒阻让压，如图 13 所示。
快硬水泥锚杆是一种新型黏结式锚杆，有利于主动控制围岩变形。近年来国外快硬水泥锚杆研究发展很快，如瑞典、法国、美国等已批量生产。我国煤矿也在研究各种快硬水泥锚杆，取得了一定的成果，如煤炭科学研究总院、中国矿业学院(现指“中国矿业大学”)、西安矿业学院(现指“西安科技大学”)等均已研制成功，并已少量试生产。锚杆安装示意如图 14 所示。
快硬水泥锚杆是由快硬水泥药包、杆体和托板组成的黏结式锚杆，除锚固剂不同之外，它和水泥锚杆、树脂锚杆的结构相同。与普通的黏结型锚杆相比，它具有以下特点。
①凝结时间较短(3h)，比树脂锚杆凝结时间长(15min )，但成本较低。
②强度高，适应性强，安装方便，且不会产生粉层危害。
成兰铁路部分高地应力隧道软岩大变形地段采用了快硬水泥锚杆，在提高锚杆施工效率， 锚固力发挥的及时性上，具有比较明显的效果。
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连云山隧道高地应力软岩施工专项方案
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知识点：高地应力软岩隧道之主动控制变形施工技术
