極高地應力軟巖隧道預應力錨索支護技術研究*

王萬平，李建斐，白浪峰

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710068)

0 引言

極高地應力軟巖隧道施工遇到的首要難題是大變形控制，軟巖大變形不僅會造成初期支護結構斷裂、失穩進而侵限，導致頻繁拆換拱架，奧地利Tauern隧道、日本Enasan I號隧道、瑞士圣哥達基線隧道、我國蘭渝鐵路兩水隧道等均發生過軟巖大變形問題[1-13]，嚴重影響施工進度、工程造價和施工人員安全。由于渭武高速公路木寨嶺隧道距蘭渝鐵路木寨嶺隧道較近，工程地質條件等相似，對蘭渝鐵路木寨嶺隧道的研究已取得眾多成果[14-18]，可為本研究提供參考。蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形控制措施主要有改變隧道形狀、設置多層支護體系、超前應力釋放小導洞擴挖、長錨桿(錨索)加固、仰拱桁架加固、設置緩沖結構等。

針對大變形控制技術的研究主要體現在大變形機理、大變形預測與分級、大變形控制分析。顧寅[19]認為大變形形成主要原因是高地應力作用下圍巖的擠出和膨脹，且擠出起主導作用，采用錨索可有效控制隧道位移收斂，關鍵控制參數為錨索長度、間距和預應力。李乾[20]采用數值模擬分析方法對錨索、錨桿聯合支護效果和傳統方式支護效果進行對比。趙偉等[21]通過理論分析和數值模擬，對讓壓錨索作用機理和變形控制效果進行了研究。李干[22]以木寨嶺隧道2號斜井為例，針對隧道圍巖非對稱變形特征提出了非對稱高預緊力恒阻錨索支護技術，并通過相似模擬、數值模擬及現場實測手段對該支護技術可靠性進行了驗證。

本文針對渭武高速公路木寨嶺隧道2號斜井施工出現的大變形問題，從橫斷面錨索組合形式、錨索縱向布置形式、圍巖穩定性和剪脹角控制方面開展預應力錨索支護技術研究，為隧道支護結構參數進一步優化提供參考。

1 工程概況

渭武高速公路木寨嶺隧道采用分離式設計，全長約15 192m，洞身最大埋深約629m。2號斜井全長1 813m，洞身最大埋深約591m。斜井穿越地層為中風化炭質板巖，薄層狀構造，碎裂狀松散結構。受斷層影響，該段巖體節理裂隙非常發育，巖體破碎。地下水主要為基巖裂隙水，水量較大，施工時會出現點滴狀或淋雨狀出水情況。圍巖穩定性差，初期支護不及時易產生較大面積的坍塌。

隧道地應力以水平應力為主，最大主應力為25.1MPa，最小主應力為7.3～11.6MPa，圍巖應力強度比為0.4～1.4，屬于極高地應力狀態[13]。最大水平主應力方向與斜井軸線小角度相交，有利于斜井支護結構穩定。

2 設計與施工存在的問題

斜井施工時掌子面揭示的圍巖主要為薄層狀炭質板巖，巖層傾角為30°～60°，夾有薄厚不均的砂質板巖，層厚3～10cm，如圖1所示。圍巖剛開挖后具有一定強度，經24h后風化較嚴重(見圖2)，給施工帶來較大難度。

施工期間發現初期支護變形收斂速率加大后，施工現場采取應急措施進行加密環向注漿補強，注漿補強后監測變形收斂速率雖有降低，但仍>30mm/d。由于圍巖層理傾斜和地應力方向影響，左側初期支護邊墻及拱部混凝土出現不同程度的開裂、剝落及鋼拱架壓扭性破壞等情況，如圖3，4所示。已開挖并施作初期支護的斜井段最大變形為153cm。

斜井原設計支護參數為：4.5m長φ42導管超前注漿，4m長φ25自進式錨桿，HW200×200@50cm鋼拱架，32cm厚C25噴射混凝土，60cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌。

結合國內外工程經驗和本工程實際施工效果，可知剛性支護體系對極高地應力軟巖隧道大變形控制的適用性仍存在一定問題，剛性支護體系的支護結構因未充分發揮巖體自承能力，往往無法承擔過大的地應力，從而引起結構破裂、失穩和返修。

從大變形隧道實踐經驗和現場施工效果來看，參考常規軟巖大變形隧道設計支護參數時(如加大開挖預留變形量、超前注漿導管加固圍巖、加強初期支護噴射混凝土厚度和型鋼剛度)，存在系統錨桿提供支護力速度偏慢，提供的錨固力、變形量與圍巖壓力及變形不匹配，結構不足以支撐斜井圍巖開挖后的釋放應力和地應力調整等。同時，炭質板巖快速風化導致施工組織困難，以人工開挖為主的施工方式對工藝控制不力，多臺階開挖方式產生的爆破擾動和超欠挖對圍巖變形的影響較大，局部砂質板巖占比較大的區間可采用傳統的支護方式，但對于局部薄層狀炭質板巖占比較大的區間，因圍巖條件限制，需通過拆換初期支護進行應力釋放后重新施作加強的初期支護。

3 預應力錨索支護技術的應用

從國內外諸多軟巖大變形隧道建設案例及煤礦巷道支護案例中可發現，采用長錨桿/錨索的柔性支護體系可加固圍巖，有效控制圍巖松弛圈，減小圍巖壓力，控制隧道變形。由于本工程原支護參數是基于常規軟巖大變形隧道確定的，對變形控制不力，為此通過優化設計提出以高強預應力錨索為主的快速支護體系，通過內錨外拉及錨索主動支護提高圍巖自身的承載能力，抵御隧道開挖后的巖性松弛應力和地應力，解決隧道軟巖大變形問題。

3.1 預應力錨索支護參數

預留變形量30cm，取消φ42超前注漿小導管、環向φ25自進式中空注漿錨桿，替換為預應力錨索，長度分別為5，10m，縱向間距均為60cm。5m長預應力錨索環向間距為100cm，10m長預應力錨索環向間距為200cm，僅在拱頂至拱腰范圍內布置。

采用HW200×200@60cm鋼拱架、32cm厚C25噴射混凝土、60cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌，取消原設計臨時仰拱，改用三臺階法施工。上、中臺階長度適當增加，上臺階長度控制為5～8m，中臺階長度控制為15～20m。上、中、下臺階分次爆破，盡量采用預裂爆破和弱爆破，減小爆破振動對圍巖和初期支護結構的影響。

3.2 預應力錨索支護體系數值分析

圍巖重度為21.0kN/m3，彈性模量為0.45GPa，泊松比為0.40，黏聚力為150kPa，內摩擦角為25°，剪脹角為10°[23]。預應力錨索鋼絞線等效直徑為21.8mm，強度為1 860MPa，錨固段長1.5m，錨固體直徑為50mm，注漿體與巖土間側摩阻力為300kPa。

預應力錨索支護體系如圖5所示，有限元模型如圖6所示。襯砌采用2D板單元模擬，鋼絞線采用錨桿單元模擬，錨固段注漿體采用內嵌梁單元模擬。巖土材料采用15節點三角形單元模擬，服從莫爾-庫侖塑性屈服準則。由于隧道處于極高應力區，采用均勻的三向主應力模擬隧道初始應力場，模型平面內豎向主應力為7.3MPa，模型平面內水平主應力為11.6MPa，模型平面外主應力為25.1MPa。模型外邊界距隧道輪廓線的距離大于3倍隧道跨度，底部約束豎向位移，兩側約束水平位移。模擬步驟為：建立模型、增加地應力→上臺階開挖及支護→中臺階開挖及支護→下臺階開挖及支護。

本工程地質條件極差，工期緊張，安裝長錨索耗時相對較長，且對施工設備和操作人員的要求較高，因此開展僅安裝短錨索的適用性研究。設置短錨索的圍巖塑性區分布如圖7所示，當隧道開挖完成后，圍巖塑性區已超過短錨索長度范圍，最大塑性區深度約10.5m，因此短錨索無法充分發揮錨固作用，支護體系存在失效風險。經充分對比研究，決定采用長錨索和短錨索共存的支護體系。

錨索預應力是錨索支護的關鍵參數，按預應力為50，220，250，280，310kN的工況研究錨索支護對隧道變形控制的影響。計算得到預應力為50，220，250，280，310kN的拱頂沉降分別為13.5，12.2，11.5，10.5，9.8cm，拱腰收斂分別為36.2，32.5，31.0，29.8，29.1cm。

以錨索預應力50kN為基準，錨索預應力為220，250，280，310kN時的拱頂沉降分別減少了9.6%，14.8%，22.2%，27.4%，拱腰收斂分別減少了10.2%，14.4%，17.7%，19.6%。隨著錨索預應力的增加，拱頂沉降和拱腰收斂呈減小趨勢，但減小幅度有所放緩。綜合考慮預應力加固效果和施工成本，最終選擇錨索預應力為280kN，對應的隧道塑性區如圖8所示。由圖8可知，錨索錨固段位于塑性區外，塑性區范圍較好地說明了預應力錨索的支護效果。計算結果表明，采用長、短錨索結合的支護體系是合理、必要的。錨索在恢復圍巖三向應力狀態、提升或恢復圍巖自承能力、分散周圍不均布圍巖荷載、控制高地應力擠壓情況下圍巖層間不均勻錯動等方面具有較好的效果。短錨索可有效加固圍巖，提高圍巖抗剪能力，在隧道周邊形成圍巖承載環，保證隧道安全施工。拱部和拱腰的長錨索能夠充分發揮錨固和懸吊作用，有效控制圍巖變形。

4 隧道穩定性影響因素分析

一方面，軟巖大變形隧道開挖后，隧道周邊圍巖迅速進入塑性狀態，由于節理裂隙擴張，圍巖發生剪脹，并隨時間加劇。另一方面，預應力錨索長度對隧道結構安全和施工效率有著重要影響。為此，分析剪脹角和錨索長度對隧道穩定性的影響。

Hoek等基于大量工程經驗，建議質量較好、質量中等及質量較差的巖體剪脹角可分別取巖體峰值摩擦角的1/4，1/8，0倍，而MC強度準則下剪脹角對塑性區的影響最大，為考察不同剪脹角對圍巖變形范圍的影響，計算時分別取剪脹角為0°，10°，20°。

當錨索長度為10m時，不同剪脹角下隧道拱頂上方圍巖位移如圖9所示。由圖9可知，拱頂上方3m范圍內圍巖位移變化顯著，隨著距隧道拱頂距離的增加，圍巖變形衰減加快，當距隧道拱頂10m時，不同剪脹角下的圍巖位移已基本一致，說明超過此范圍時圍巖位移基本不受剪脹角影響。

隧道開挖臨空面受剪脹角的影響最大，以錨索長度為10m的工況為例，當剪脹角為10°時，隧道拱頂沉降較不考慮剪脹時增加了43.3%；當剪脹角為20°時，隧道拱頂沉降較不考慮剪脹時增加了203.7%，說明剪脹對圍巖變形的影響較大，軟巖隧道考慮一定的剪脹性是符合工程實際的。

不同錨索長度下，剪脹角與拱頂沉降的關系如圖10所示。由圖10可知，當剪脹角<10°時，拱頂沉降小幅度增加，但當剪脹角>10°時，拱頂沉降大幅度增加。增加錨索長度能夠顯著降低隧道拱頂沉降，改善隧道圍巖應力狀態。

5 預應力錨索布置方式優化及實施效果

5.1 預應力錨索布置方式優化

原設計為長、短錨索交錯布置，既能利用短錨索對圍巖的加固作用，又能發揮長錨索有效控制圍巖變形的能力。但實際施工過程中發現，每個循環進尺長、短錨索施工時工序轉換繁瑣，大大降低工效，增加施工安全風險。針對該問題，對錨索布置方式進行優化，如圖11所示。錨索縱向間距、環向間距保持不變，沿隧道縱向交錯布置長、短錨索，考慮僅布置長錨索時支護剛度較原設計方案小，因此將長錨索布置范圍擴大至拱腰。

建立長、短錨索交錯布置的三維模型，如圖12所示，模型參數與前文一致，縱向長度取4m，錨索施加預應力為280kN，隧道開挖進尺為0.6m，開挖后襯砌位移云圖如圖13所示。

由圖13可知，采用優化的預應力錨索布置方式時，隧道拱頂沉降約為9cm，拱腰收斂約為32cm，與優化前的結果相差較小，但顯著提升了工效。

5.2 實施效果分析

采用長、短錨索縱向交錯布置的優化方案，長錨索長度為10m，短錨索長度為5m，長、短錨索環向間距均為1m，縱向間距均為0.6m，錨索墊板下方設置槽鋼，以增加錨索墊板壓力作用范圍。HW175×175鋼架縱向間距1m，噴射25cm厚C25早強混凝土，施作50cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌。采用臺階法開挖，上臺階高度6.4m。

錨索施工后，變形控制效果明顯，與類似圍巖隧道段相比，變形量明顯下降，隧道輪廓基本圓順，變形相對均勻，如圖14所示。

考慮層狀圍巖的不均一性和地質條件的復雜性，受支護時機等因素影響，實測變形與理論計算結果存在較大差異，但從總體趨勢和作用來看，錨索對大變形起到較好的控制作用。

6 結語

本文提出適用于渭武高速公路木寨嶺隧道基于主動支護的極高地應力薄層軟巖隧道支護設計方案，并通過數值模擬研究其加固效果，得出以下結論。

1)采用以錨索為主的柔性支護，既能加固巖體，提高圍巖抗剪強度，又能較強地適應變形能力，是較合理的支護方式，值得在類似工程中推廣應用，對提高軟巖大變形隧道施工質量和安全水平具有一定意義。

2)層狀軟弱圍巖在極高地應力作用下，剪脹對巖體變形的影響較大，軟巖隧道考慮一定的剪脹性是符合工程實際的。

3)長、短錨索按環向和縱向交錯布置時的變形控制效果相當，當長、短錨索按環向間距1m、縱向間距0.6m交錯布置時，施工工序較單一，單次開挖時無須進行錨索成孔設備轉換，工效高。

4)計算結果表明，設置錨索可有效控制圍巖變形。