擠壓性圍巖大跨隧道預應力錨索作用機制研究

□文/王仁杰

特大斷面隧道施工，往往采用雙側壁導坑法開挖，需要施作大量的臨時支撐，拆除時存在支護體系受力轉換的風險。應用預應力錨索將內撐轉為外錨，能有效降低拆撐時的結構體系受力風險并解決作業空間狹小的問題；同時，預應力錨索可以解決擠壓性圍巖中二次襯砌施作后承受過大形變壓力的問題，從而避免襯砌建成后出現裂損的高風險問題。苗增潤[1]將預應力錨索與初期支護鋼架、噴射混凝土及系統錨桿組成的聯合支護體系稱為索拱聯合支護。唐國榮等[2]認為，預應力錨索在大斷面山嶺隧道中的使用，外錨代替內撐的優勢很明顯，是一種應用前景比較好的支護技術，建議今后推廣應用。

擠壓性圍巖隧道中出現襯砌裂損，尤其是運營階段裂損的風險遠比一般圍巖隧道高，但在以往建設中使用預應力錨索的工程案例比較少見。臺灣省木柵隧道是我國首見公路隧道擠壓大變形環境使用預應力錨索的工程實踐[3]。調查顯示本文所依托的蘭渝鐵路新城子隧道是我國鐵路隧道中首次大規模采用預應力錨索解決擠壓性問題的工程實踐。

1 工程概況

蘭渝鐵路新城子隧道位于甘肅省宕昌縣境內，全長9 166 m，最大埋深749 m[4]。隧道起止里程為DK268+010～DK277+176，其中DK274+570～DK276+010段位于高地應力區，洞身最大水平主應力為11.45～21.28 MPa，方向與隧道洞軸線方向近似平行；最小水平主應力為6.81～12.14 MPa。掌子面出露的三疊系炭質板巖呈薄層碎片狀，傾角陡，走向與洞軸線大致平行，巖體強度極低。

受設置車站的影響，隧道出口為喇叭口結構，施工中在DK275+625～DK275+815 段設置雙線單洞與雙洞單線的過渡段。其中DK275+720～DK275+770 段采用雙側壁導坑法開挖，開挖跨度達21.06 m，開挖斷面積291.79m2。見圖1和圖2。

圖1 大跨段平面

圖2 DK275+770開挖斷面

2 施工情況

大跨段采用雙層初期支護，開挖預留變形量40 cm，初噴30 cm厚C25混凝土，拱墻設置φ8 mm鋼筋網片，網格間距20 cm×20 cm；全環設H200型鋼架，間距0.6 m/榀，鋼架接頭處設R38N 自進式錨桿進行鎖腳，長8 m，共計14 根。拱部設φ42 mm 超前小導管并注水泥漿，長4.0 m，環向間距30 cm，縱向間距1.2 m[5]。在超前支護的保護下，依次開挖導洞1～9，開挖進尺為2.8 m，及時施作初期支護和臨時支撐，使導洞封閉成環，施作錨索并于初期支護施作后、二次支護施作前分別張拉至設計錨固力的30%、70%，待隧道成洞8～10 m時逐榀拆除臨時支撐，施作襯砌。

3 數值計算分析

3.1 計算方法

模擬同等參數下的不同工況，對計算結果的相對差進行對比，分3 種工況。這種對比法較計算結果可減少參數的影響，相對差的計算方式

相對差=對比工況/工況1×100%

采用摩爾-庫倫三維彈塑性模型，尺寸邊界為200 m×200 m×10 m，隧道開挖尺寸取22.66 m×18.34 m，埋深取530 m，圍巖側壓力系數取0.875[6]，初期支護厚度取60 cm，襯砌厚度取80 cm。圍巖與初期支護采用實體單元，襯砌采用殼單元。計算前模型左右施加水平方向約束，下邊界施加垂直方向約束，上部施加圍巖自重應力。錨索長度取12 m，施作后在端頭一次性施加預應力400 kN。支護參數見表1。由于采用對比分析，本文不考慮應力釋放率影響。

表1 計算參數

工況1 采用雙側壁導坑法依次開挖導洞1～9，縱深方向開挖進尺為3 m，具體方法：1 號導洞開挖0～3 m，及時施作初期支護和臨時支撐，隨后進行1 號導洞3～6 m 的開挖、2 號導洞0～3 m 的開挖，如此往復循環。待隧道全部貫通后，一次性拆除所有臨時支護，而后施作二次襯砌，此工況不施作錨索。

工況2在掌子面開挖后及時施作預應力錨索。見圖3。

圖3 工況2及時施作錨索計算模型

工況3在工況2的基礎上，調整預應力錨索施作時機，錨索滯后掌子面2倍導洞洞徑，即5 m施作。

3.2 結果分析

3種工況下的初期支護變形情況見表2。

表2 變形結果對比

由表2可以看出：有錨索的工況2較無錨索工況1拱頂下沉減小23.7%；而錨索滯后掌子面5 m施作的工況3 拱頂下沉比工況1 減小16.8%，比工況2 增大9.0%；工況2的邊墻收斂較工況1減小28.9%；工況3的邊墻收斂比工況1 減小18.1%，比工況2 增大15.3%。說明預應力錨索對初期支護變形的約束作用非常明顯，取消施作或推遲施作均會造成初期支護變形增大。3種工況的襯砌平均軸力對比見表3。

表3 襯砌平均軸力對比

由表3可以看出：施作錨索的工況2較工況1軸力減小24.0%，而錨索滯后掌子面5 m施作的工況3比工況2 進一步減小。從襯砌結構受力的角度，不宜過早施作錨索。對錨索施作時機取取多種工況進一步計算，得出變化規律，見圖4和圖5。

圖4 初期支護變形隨錨索施作時機變化

圖5 襯砌受力隨錨索施作時機變化

由圖4 和圖5 可以看出：隨著錨索施作時間的推遲，地應力得到釋放，初期支護位移雖然增加，但始終小于無錨索的工況1，如20d步距初期支護位移仍小于工況1 約2%，同時，錨索推遲施作襯砌受力不僅較無錨索的工況1顯著減小，而且較及時施作錨索的工況2也明顯減小，如10d步距的襯砌平均軸力比工況1無錨索施工減小了45.2%，比工況2減小了27.9%，20d步距的襯砌平均軸力比工況1無錨索施工減小了49.2%，比工況2減小了33.2%。

數值模擬分析表明，大跨斷面施作預應力錨索后，襯砌結構的受力得到了很大改善，襯砌全環平均軸力較無錨索襯砌減小了24%，而且初期支護位移也有明顯減小。驗證了預應力錨索不僅可以有效控制初期支護位移來減小擠壓性圍巖大跨雙側壁施工拆撐的高風險問題，而且可以使襯砌結構所承受的形變壓力減小，從而使襯砌受力得到顯著改善。

4 結論

對于預應力錨索在擠壓性圍巖中的施作時機，數值模擬分析表明，拉開錨索施作的步距即錨索滯后掌子面的距離，對襯砌結構受力和初期支護位移的影響均顯著。襯砌結構的受力改善是通過初期支護位移增加換來充分的應力釋放來取得的，而初期支護位移由于錨索的有效控制始終小于無錨索的工況1；因此可以認為，在擠壓性圍巖大跨隧道雙側壁導坑施工中，采用預應力錨索并延遲施作或張拉，是實現預應力錨索在擠壓性圍巖中既有效控制變形又不影響應力釋放的有效途徑；對確保擠壓性圍巖大跨隧道襯砌結構的穩定性，避免因圍巖的擠壓性使襯砌施作后出現裂損，尤其是在運營階段裂損的高風險問題，具有重要意義。同時要注意的是，本模擬中未施作錨索的工況1 在計算過程中未出現失穩破壞；在此基礎上工況3 充分釋放地應力并施作錨索，襯砌受力減小，但并不建議任何情況下均推遲施作或張拉預應力錨索。