0 引言

隧道穿越软岩地层时受到地形、地应力、地下水、施工扰动等多种因素影响，容易出现大变形问题。大变形的特征往往表现出变形速度快、变形时间长、挤压变形大、影响范围远等特点，具有明显的累进性和时间效应^[1-3]。

目前在软弱围岩隧道的变形控制中，常采用提高支护结构刚度和承载能力的方式来抑制围岩的变形和松弛，以调动围岩的自承能力^[4]。罗江^[5]、任永强^[6]、于天赐^[7]采用注浆加固、加强支护参数和加设锚杆等措施成功控制了围岩变形问题。张德华^[8]通过计算和现场试验得出双层初支方案二支紧跟一支分台阶施作对软岩变形控制效果较好。孙洋^[9]通过波速测试和理论计算确定锚杆长度，并与设计方案对比得出加长锚杆更能充分发挥围岩的自承能力。但在大变形情况下，大刚度支护结构变形往往不能与围岩变形相匹配，出现围岩形变压力超过其承载能力而发生破坏，导致隧道施工在支护-拆换中反复循环，工程进度缓慢。

近年来，面对提高支护刚度等措施无法有效控制软岩大变形的问题，基于围岩能量吸收、能量耗散理念的“让压支护”或“耗能支护”开始出现在软岩大变形隧道施工中^[10]。Kovári^[11]指出挤压性围岩大变形隧道唯一可行的支护方式是让支护结构能够随围岩变形，直至围岩压力释放到支护可承受范围内。汪波^[12-13]提出软岩大变形控制应采用“及时支护、强支护与让压支护”三者结合的原则，并设计了基于让压锚杆的让压支护体系。何满潮^[14-15]在总结国内外吸能锚杆的基础上，研发的恒阻锚杆能有效适用于软岩大变形。仇文革^[16-19]研发了利用材料峰后性能实现能量释放的“限制支护阻力阻尼器”(简称限阻器)，由此组成的限阻耗能支护结构成功解决了深埋老黄土隧道和高地应力水平岩层隧道大变形初支开裂问题。在软岩大变形治理中，让压锚杆和吸能锚杆支护体系施工复杂、造价较高，限阻器采用钢板加工安装不便。现有的耗能型支护结构在使用中均存在一定的问题，故本研究旨在研发一种加工方便、施工简单、具有一定通用性的耗能型支护结构。

仇文革^[20]依托多座大变形隧道对初支受力模式进行研究，结果表明大变形隧道初支受力以形变压力为主，初支受力模式为小偏心受压。基于此，本研究在限阻器研究的基础上，结合郭家大营盘隧道实际工程条件，提出采用工字钢作为限阻器构件对原支护结构进行优化，研究工字钢型限阻器组成的限阻耗能支护在地形急变带软岩隧道中的应用效果。

1 工程概况

新建镇雄至赫章高速公路郭家大营盘隧道为两条分离式单行曲线隧道，两线设计间距25.4~28.4 m，起讫里程ZK21+853~ZK23+911(K21+845~K23+897)，设计车速80 km/h。

1.1 工程地质地形特征 1.1.1 地质特征

隧址区属侵蚀构造地貌，地面高程1 424~1 788 m，相对高差364 m，地形起伏比较大，地势陡峭，山体自然坡度30°~70°。左线隧道出口段纵断面如图 1所示，出口段主要地层从上到下依次为粉质黏土、碎石土、中风化泥岩、中风化泥质砂岩，隧道主要穿越地层为中风化泥岩和泥质砂岩。

地勘资料显示，泥岩和泥质砂岩为薄-中厚层构造，裂隙发育，岩体破碎，遇水易软化，具有干裂现象。围岩力学参数试验结果表明围岩的饱和抗压强度在4~14 MPa之间，属于典型的软岩。ZK23+330处有一条欧不卡断层与隧道以112°相交，为逆向断层，断层通过处岩体极破碎。断层上盘为背斜构造，隧道走向与背斜基本垂直。

1.1.2 地形特征

隧道出口工区由大里程向小里程施工，隧道出口至ZK23+200段，640 m内隧道埋深由47 m逐渐增加至124 m，ZK23+420断面开挖后隧道开始出现大变形问题。受构造运动和岩层风化影响，出口段山体在ZK22+860~ZK23+200段，隧道埋深由124 m增加至357 m，形成一道地形急剧变化的陡坎。

1.1.3 隧道变形原因分析

为分析隧道在地形急变带浅埋段出现大变形的原因，将隧道纵断面图中的地形变化趋势简化，使用FLAC 3D5.0建立长500 m，高360 m的地形急变带和长1 000 m平坦地形组合模型，采用摩尔-库伦本构，计算自重作用下，围岩的受力分布。为消除边界条件对计算结果的影响，将模型向前和向下延伸100 m；为消除地形急变带结果对平坦地形的影响，平坦地形结果取值点与地形急变带取值点距离设置为1 000 m。山体模型如图 2所示。围岩计算参数按照地勘资料中中风化泥质砂岩取值，如表 1所示。

由图 3计算结果可知，在相同的埋深条件下，地形急变带浅埋段围岩承受的最大主应力明显大于平坦地形条件，随着埋深的增加，两种条件下围岩承受的最大主应力逐渐接近，在埋深280 m时两者最大主应力相同，后随着埋深的继续增加，平坦地形条件下围岩承受的最大主应力超过地形急变条件。由对比结果分析可知，在地形急变条件下，存在山体自重应力向坡脚转移的情况。

结合隧道地质、地形情况可以推断：在山体自重应力、背斜地层和断层等因素的共同作用下，隧道在地形急变带浅埋段开挖时，因围岩所受荷载增加以及自稳能力下降，可能会导致初期支护变形无法有效控制。

1.2 现场施工情况 1.2.1 初支原始支护及破坏情况

截止2021年4月30日，隧道掌子面开挖至K23+213和ZK23+285，右线超前左线约58 m。隧道大变形段围岩设计级别为V级，采用三台阶环形开挖预留核心土法施工，V_t复合衬砌，设计预留变形量15 cm。V_t衬砌断面如图 4所示。

ZK23+280~420段为常规支护大变形段，隧道初期支护沉降收敛严重，初支出现纵环向开裂、侵限等情况。针对初支破坏问题，设计对初支参数进行调整：(1)将钢架型号由I20加强至I22，在变形特别严重段采用套拱进行临时支护。(2)预留变形量调整为30 cm。采用加强支护后，仍在拱部出现了初支破坏、边墙处出现了侵限等问题；受断层上盘挤压和地形急变影响，隧道开挖过程中掌子面出现竖向裂缝，如图 5所示。

1.2.2 大变形段初支变形特征

左线常规支护典型断面ZK23+285埋深约109 m，累计变形时程曲线和施工进度如图 6所示。水平收敛测线位于上中台阶交界处上方1 m处，负值表示围岩向内侧变形。从图 6中可以看出：(1)上台阶初支完成后变形速率迅速增大，支护结构最大变形速率为沉降11.8 mm/d、收敛15.8 mm/d，隧道施工暂停后变形速率明显降低，说明施工扰动对围岩产生较大的扰动。(2)拱顶沉降累计值196.9 mm、水平收敛累计值264.8 mm，呈现出明显的收敛大于沉降的变形特征。(3)初支变形持续时间长，施作42 d后变形仍未停止。(4)开挖对围岩的扰动范围大，监测断面距开挖面43.5 m仍能受到影响。

综合初支破坏情况可以表明V_t复合式衬砌结构在地形急变的软岩地层适应性不佳，无法有效控制围岩变形。

2 工字钢型限阻器设计

研究^[17]显示在初期支护受力关键部位设置限阻耗能构件可将原刚性支护转变为耗能支护，通过限阻器受压后的屈服变形带动支护总体收缩变形，实现控制围岩变形、释放围岩压力的目的。钢板型限阻器为常用的限阻耗能构件，但加工复杂、现场施工安装难度较大。故对钢板型限阻进行简化，采用工字钢作为限阻耗能构件。

原设计支护采用I20工字钢作为初支型钢架，为保证限阻器能够顺利工作且不造成初支喷混破坏，工字钢限阻器的参数需低于初支型钢架。考虑工程实际和经济性，选择I14工字钢作为限阻器，并对其工作性能进行研究。

2.1 限阻器数值模拟

钢板型限阻器研究^[21]表明，数值模拟对均质材料结构的受力和变形分析有极高的准确性。故利用Abaqus2020对I14工字钢进行模拟计算，探究其能否满足作为限阻耗能构件的要求。

常规支护段典型断面沉降19.7 cm, 收敛26.5 cm，故以沉降值作为数值计算模型高度取值依据。考虑变形过程中翼缘折叠对工字钢变形的影响，模型按照50%压缩率进行设计。计算模型几何尺寸：总高440 mm(上下传力钢板尺寸为160 mm×160 mm×20 mm，I14工字钢高40 mm)；单元采用六面体C3D8R单元。边界约束为：下传力钢板底面固定约束，上传力钢板前后、左右侧面滑动约束；传力钢板和工字钢采用绑定约束模拟焊接；采用弹塑性本构和位移加载方式。考虑模型屈曲后状态，工字钢设置自接触、与传力钢板间设置接触，接触不考虑切向摩擦，法向为硬接触。计算模型如图 7所示。

上下传力钢板采用弹性材料，工字钢型限阻器采用弹塑性材料，材料参数如表 2所示。

Abaqus软件在计算轴向压缩的均质材料时，模型计算结果不会出现明显的变形。但限阻器应用中，受材料本身、运输和加工等影响，会存在初始缺陷，受压后会发生屈曲变形。故首先对模型施加初始缺陷，计算其在不同模态下的变形，选择符合实际的初始缺陷参数作为模型的计算依据。由表 3可知，第4模态结果符合工程实践，故以第4模态的初始缺陷进行模型计算。

I14工字钢计算的应力时程曲线如图 8所示，计算统计结果如表 4所示，由计算结果可知。

(1) 工字钢变形工作存在3个阶段：①弹性变形阶段，荷载随变形增加，直至出现峰值。②屈服下降变形阶段，荷载随变形增加而快速下降。③屈服残余变形阶段，荷载随变形的发展缓慢下降，并持续较长的变形过程。

(2) 钢板式限阻器研究结果表明，限阻器初始峰值应低于结构极限强度，保证限阻器可正常工作；屈服残余强度应能保证围岩稳定、控制支护变形速率在工程可接受范围内。I14工字钢峰值强度为9.07 MPa，屈服残余强度为2.07 MPa，峰值强度小于I20型钢初支结构极限强度，屈服残余强度大于I20型钢初支破坏后的残余强度^[22]，故I14工字钢满足限阻耗能构件受力的需要。

(3) 工字钢可压缩率为43.75%，表明工字钢作为限阻器具有足够的变形能力，能够起到耗散围岩能量、释放围岩压力的作用。同时，也证明了可压缩率选取的合理性。

(4) 工字钢能够在保持一定支护阻力的条件下发生持续性的大行程变形，可以作为限阻耗能构件使用。

2.2 工字钢试验研究

为验证I14工字钢实际工作性能和增大缺陷控制变形方向后的工作性能，制作了工字钢限阻器试件。限阻器在隧道中是多工字钢共同作用，故将试件加工为双工字钢型，试件高40 cm，间距60 cm，分为无缺口和有缺口两种类型，有缺口试件缺口设置在工字钢中部，缺口为宽6 cm，高3 cm的三角，工字钢与上下传力钢板焊接后加载。加载设备采用30 MPa的伺服压力机，采用位移加载方式，加载速率设置为5 mm/min。

工字钢型限阻器试件在试验过程中，试件会从初始缺陷较大且惯性矩较小的一侧屈曲。屈曲变形过程中，随着弯曲幅度的加大，受拉区和受压区变形逐渐不协调，与传力板连接部位焊缝因应力集中出现开裂，工字钢截面受力逐渐由面荷载转化为线荷载。试件在屈曲变形过程中未出现断裂，表现出良好的塑性变形能力。

由图 9可知，试件变形可分为4个阶段，与模拟计算相比多出压实上升阶段。究其原因为计算模型设置自接触，未计算至工字钢上下反弯点接触的压实阶段。由计算统计表 5可知，无缺口试件峰值强度9.2 MPa、屈服残余强度1.26 MPa，其峰值与恒阻的变化和计算结果相同，证明了计算的准确性；有缺口试件峰值强度6.01 MPa、屈服残余强度0.91 MPa，与无缺口试件相比，峰值和恒阻有所降低，但有缺口的试件屈服下降阶段变形行程较无缺口的长，支护阻力变化更为平缓。两试件试验的最终变形为28.4 cm和30.1 cm，大于计算的17.5 cm，因试验中试件与连接钢板焊缝出现开裂导致变形偏大，限阻器压缩行程可按照计算结果(即最小压缩率)进行设计，并根据现场的应用效果进行调整。

由试验结果可知，两种试件均能作为限阻耗能构件使用，有缺口试件峰值较低，屈服下降阶段持续长，支护阻力变化更为平缓。模态计算结果显示，工字钢无明显缺陷下变形有扭转风险，且无法控制变形方向，故选择带有缺口的I14工字钢作为限阻器构件。

3 限阻耗能支护应用 3.1 支护结构设计

图 10为工字钢限阻器支护体系。根据常规支护段初支破坏情况可知，隧道拱部是支护结构受力的关键部位，故将限阻耗能支护设计为：支护级别保持原V_t支护不变，在左右拱腰处各设置一道带缺口的I14工字钢型限阻器，如图 10(a)所示。为避免初期支护喷射混凝土施工时，无法有效控制限阻器可变形空间的大小，在限阻器变形空间两端焊接钢弧板进行控制，如图 10(b)所示。

由限阻器计算和试验结果可知，限阻器可压缩率相差较大，为保证试验验证段的安全，在施作时将限阻器压缩率设置为40%，也便于依据验证段使用效果对限阻器可压缩空间进行调整。常规支护典型断面变形监测结果显示，在沉降19.7 cm后未见明显收敛，故将限阻器有效压缩空间设置为30 cm(变形空间75 cm)，预留变形量设置为30 cm。试验显示，工字钢变形期间与传力板连接部位出现焊缝开裂，为避免因焊缝开裂出现安全问题，将限阻器工字钢长度设计为1.65 m，使工字钢限阻器在实际施工时单侧有45 cm埋入喷混。

3.2 支护变形及内力量测

将设计的工字钢限阻耗能支护结构在郭家大营盘隧道出口段ZK23+245~265进行了试验验证，同时对试验段进行了变形监测和在ZK23+250断面进行了钢架、喷混应力监测。变形监测断面以5 m为间隔，监测拱顶沉降和限阻器变形空间下缘60 cm处收敛；应力传感器设置在拱顶、拱腰、拱脚，每种类型的传感器每测点布设2个。测点布设如图 10(a)所示。

试验段变形监测结果如图 11所示，图中负值表示向洞内的变形；内力监测结果如图 12所示，图中实线代表净空侧应力、虚线代表围岩侧应力，数值以受压为正、受拉为负。

由监测结果可知，(1)沿隧道开挖方向，即由大里程至小里程方向，隧道开挖深入背斜核部后，通过合理手段协调围岩变形、释放围岩压力，隧道支护结构累计变形逐渐减小。(2)监测段内水平收敛大于拱顶沉降，且最大变形断面的沉降值为25.0 cm，小于设计的限阻器有效压缩行程。(3)与常规支护段变形监测结果相比，限阻耗能支护通过释放围岩压力后，变形能够趋于稳定。(4)内力监测断面的钢架最大应力23.1 MPa，喷射混凝土最大应力20.3 MPa，喷射混凝土和钢架所受荷载均小于其材料的极限强度。(5)监测断面内力无受拉区域，且净空侧内力大于围岩侧内力。结合变形和内力监测结果可知，限阻耗能支护处于偏心距位于净空侧的小偏心受压状态，通过工字钢限阻器协调围岩变形，可充分释放围岩压力，使支护结构以较低的支护抗力承载围岩的变形压力。

同时，在监测结果中还可以看出，工字钢限阻器在释放围岩压力期间，支护结构出现了较高的变形速率，为保证支护结构的安全和免去无意义的预警，可采取新的预警方式，如在累计变形和速率控制的基础上引入加速度，以变形加速度的正负判断支护结构的安全状态^[23]；支护结构受力最大部位出现在左拱脚且表现出明显的拱脚受力大于拱顶，说明限阻器能够改善初支结构的受力分布，保护初支受力关键部位的安全；支护结构左侧受力明显大于右侧，存在左侧偏压的问题，为减小左侧支护结构的受力，后续可在左侧边墙部位增设一组限阻器进行优化；限阻器变形空间封闭前，可变形空间剩余较多，表明试验段设计时参数设计保守，后续可依据试验段监测结果对限阻器变形空间参数设计进行优化。

3.3 限阻耗能支护应用效果

图 13为耗能型支护应用效果图。工字钢限阻器设置于左右拱腰部位，其整体施作效果如图 13(a)所示。限阻器在工作过程中出现了明显变形，如图 13(b)所示。变形空间封闭前，初期支护未出现明显的喷混破坏、钢架未出现屈曲，初期支护整体情况良好。通过试验段的现场应用验证了工字钢作为耗能构件的合理性。

4 结论

本研究依托郭家大营盘隧道，提出采用以工字钢为限阻器的限阻耗能结构对地形急变带软岩隧道大变形问题进行治理。结合限阻器数值计算、模型试验和现场验证等获取的数据结果，得到如下结论：

(1) 地形急变带存在自重应力向下转移的情况，会导致浅埋段围岩承受的荷载增加。在地质、断层和施工扰动等多重因素影响下，浅埋段容易出现大变形问题，且常规支护手段无法有效应对。

(2) 为简化钢板式限阻器的加工步骤和便于现场施工，提出采用工字钢作为限阻器。结合设计支护参数，采用I14作为限阻器构件，并通过数值计算和模型试验对I14工字钢性能进行验证。结果表明，I14工字钢在受压后能够提供0.91 MPa以上的支护抗力，并发生大行程变形，且表现出良好的塑性变形能力。

(3) 试验段监测结果显示，使用限阻耗能支护结构后，通过合理手段释放围岩压力后支护结构变形能够趋于稳定，支护结构始终处于小偏心受压状态，且支护结构承受的内力小于其材料极限强度，能够有效保护支护结构的安全。

综合结果表明，采用工字钢作为限阻器的耗能支护结构能够有效控制隧道大变形，避免初期支护破坏、钢架屈曲，通过合理设计预留变形量可避免初支侵限，在软岩大变形隧道中有较好的推广价值。