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随着我国高速铁路、公路建设的不断发展,所属隧道工程已经向长大、深埋方向发展,由于它们所处的地质条件复杂等原因易于出现高地应力情况。而高地应力的出现对隧道工程的影响是显著的,尤其是对于大埋深的软弱围岩隧道工程,常常导致软岩大变形等相关地质灾害的发生。目前针对高地应力围岩大变形的控制措施,一般来说存在“刚性支护,强顶硬支”和“柔性支护,先放后抗”两种处理理念。大多时候业界首先想到的是采用“强顶硬支”的措施,但刚性支护对于较小的变形能发挥有效地支护效果,但对于大变形尤其挤压性大变形围岩效果并不是很理想。超前应力释放洞作为“柔性支护”理念的一种,虽然能比较有效的解决挤压性围岩大变形问题,但存在较多的不足之处,比如对围岩造成多次扰动,由于空间和时间受限导致释放的效果不明显以及由于导洞支护较弱而存在安全隐患等等。因此能否通过一次施工支护即可解决围岩大变形问题已成为隧道领域亟待解决的重要研究方向。本文根据当前隧道工程界对于大变形尤其是挤压型大变形问题的研究现状,简要阐述围岩大变形的判定、发生机理及演化机制,并进一步对挤压变形量预测及分级,为类似高地应力挤压性隧道的设计施工提供理论依据。针对当前围岩挤压大变形常常导致支架扭曲、混凝土剥落以及侵限等问题,工程界常采用的“强支硬顶”措施很多时候并不能很好的解决,往往需要通过换拆拱架、扩挖断面等措施来处理。本文提出采用可缩性U型钢支架来应对,通过理论分析、数值模拟与室内试验相结合的形式,对拱架的承载能力、缩动性能、受力及变形特征等力学性能进行了研究,主要包括以下内容:(1)对围岩的弹塑性变形进行机理研究,分析挤压性围岩出现塑性的判据,弹塑性分布范围,弹塑性应力状态,开挖及支护后的弹塑性区的应力场等等,探究影响洞周位移及应力的影响因素。进而根据围岩的特性曲线来分析支护结构对围岩支护力的大小及相对应的效果。(2)通过对U型钢支护结构的研究,分析支架的缩动条件,探讨影响支架缩动能力的因素以及在缩动过程中支架承载能力与缩动滑移量之间的关系,对缩动后结构的内力进行计算,研究支架承载能力的变化。(3)建立数值模型,对铁路客运专线隧道两种断面(250km/h单线、250km/h双线)下采用U型钢可缩性支护进行模拟计算,根据不同缩动量下的受力及变形数据进行分析,研究支架承载能力与缩动变形量的关系,对支护效果进行判定。并对围岩预留变形量以及支架缩动量提出设计建议值。(4)通过室内U型钢接头抗滑移试验,对卡缆螺母预紧扭矩逐级加载、人工紧固等五种工况下的支架进行压力试验,分析U型钢接头缩动量与接头滑动阻力的关系,以及初始缩动时刻的最大滑动阻力值,与理论分析和数值模拟的结果进行对比验证。通过分析研究主要得出以下结论:(1)对于挤压性围岩,隧道开挖后塑性区半径和隧道半径r0成正比,与初始应力状态大小p0正相关,而围岩物理参数c、φ值越小,塑性半径越大;施加支护结构后,塑性区的范围还受支护阻力的影响,支护阻力越大,塑性区的半径越小。(2)U型钢支架接头滑动阻力的大小与型钢接触面的腰、耳定位类型有关,而与卡缆的接触定位类型无关,但当支架缩动后,由于接触面积及滑动稳定性的不同,耳定位式卡缆比腰定位式受力性能要好。接头滑动阻力值还与卡缆预紧力、卡缆数目等成正比关系,发生缩动后支架抗缩动能力还与接头缩动量成线性关系,缩动量越大,滑动临界荷载值越大。(3)根据数值模拟的结果,不同的支架缩动量下,围岩的位移分布规律基本类似,都表现为最大位移发生在拱腰到边墙最大跨的这一区域,而拱顶和仰拱部位的位移相对较小。从围岩塑性区的分布同样可以看出:塑性区在洞周的分布大致成“蝴蝶状”,在拱腰部位塑性区向围岩内部发展尤其深远,约为拱顶部位的2～2.5倍。(4)不同的支架缩动量下支护结构主应力的受力规律为:墙脚部位出现应力集中现象,其他部位支架内力分布较为均匀,拱顶部位数值相对较大;随着缩动量的增加,作用在支架上的内力逐渐减小,表明随着围岩应力变形的释放,作用在支架上的形变压力也逐渐减小,能够实现对围岩应力的有效控制释放。(5)按照文中设置参数的V级挤压性围岩隧道,埋深300米时,对于单线隧道可设计围岩预留变形量35cm,U型钢可缩性支架设计总缩动量100cm;对于双线隧道,可设计围岩预留变形量50cm,U型钢可缩性支架设计总缩动量140cm,能够满足结构的稳定性和强度要求,当同等级别围岩物理参数改变时,应重新计算后调整。(6)给U型钢接头部位施加不同的预紧扭矩,初始缩动时刻的最大滑动阻力不同,扭矩值为75N·m、100N·m、125N·m、150N·m,对应的初始缩动时刻接头位移分别为15～20mm、70～78mm、60～80mm、60～108mm,最大滑动阻力分别为100kN、202～275kN、198～200KN、180～205KN,接头缩动性能受U型钢及卡缆的形状,表面粗糙状态及刚度影响较大。(7)按照卡缆预紧扭矩150N·m作用下接头最大滑移阻力205kN,支架所能承受的松散岩体高度,通过反向分析,对于单线隧道,Ⅳ级围岩特定参数条件下,松散岩体高度是1.5m,Ⅴ级围岩下是1.75m;对于双线隧道,Ⅳ级围岩特定参数条件下,松散岩体高度为1m,V级围岩下是1.15m。当同等级别围岩物理参数改变时,应重新计算后调整。根据分析内容和研究结论,论文在最后还提出了几点建议:(1)根据数值分析的结果,软岩挤压性大变形位移规律为周边收敛大于拱顶沉降,因此施工时可加强对边墙的监测频率及支护措施,如增设锚杆或者注浆等控制围岩变形的措施。(2)为了减小围岩塑性区的发展深度,隧道开挖后要及时进行支护,避免围岩暴露过长,还可以通过锚固注浆改善围岩的物理参数,提高围岩的强度和整体性,提高破碎围岩体的稳定性,控制围岩的变形。(3)为了提高支架的工作阻力,建议:1)在对U型钢可缩性支架接头部位施加预紧扭矩时,应避免使用人工普通扳手紧固,应该按照力矩设计值要求采用专用的电动或者风动扳手:2)为了避免支架缩动时卡缆变形过大影响工作阻力的提升,应提高卡缆的刚度;3)在支架缩动后要重新拧紧螺母避免螺母松动后挤压力降低。(4)考虑到拱顶部位围岩压力及弯矩值较大,且曲率较大不利于支架的缩动,可在支架左右两侧拱腰及边墙处各设置两个接头,按照文中特定参数的V级围岩单线隧道支架总设计缩动量100cm,每个接头的设计缩动量为25cm,双线隧道总设计缩动量140cm,每个接头的设计缩动量为35cm,当V级围岩物理参数改变时,应重新计算后调整。通过以上理论研究,模拟分析,室内试验相结合的手段,总结相应的规律和结果,希望能为以后U型钢支架在挤压性围岩中的实际应用提供借鉴和帮助。