孫 鈞， 欽亞洲， 李 寧

(1. 同濟(jì)大學(xué)， 上海 200092； 2. 上海市隧道股份集團(tuán)院士工作研究室， 上海 200137； 3. 南通大學(xué)， 江蘇 南通 226019； 4. 上海理工大學(xué)， 上海 200093)

0 引言

根據(jù)近些年來(lái)筆者主持和參與研究的幾處高地應(yīng)力大變形隧道圍巖的情況，總結(jié)了軟巖擠壓型(squeezing)大變形的形成及其宏觀表征以及大變形非線性流變的力學(xué)行為及其預(yù)測(cè)方法(包括經(jīng)驗(yàn)判定方法、半理論方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法以及數(shù)值模擬分析方法等[1])。

本文介紹了筆者及所在團(tuán)隊(duì)近年來(lái)進(jìn)行的有關(guān)理論分析和數(shù)值模擬研究以及得到的關(guān)于“隧道圍巖擠壓型大變形非線性流變的理論預(yù)測(cè)及二維、三維黏彈塑性大變形非線性數(shù)值分析專用程序軟件”等一些成果，最后介紹了工程應(yīng)用實(shí)例，并提出了有待進(jìn)一步深入研討的若干問(wèn)題。

另外，本文討論了管控/約束高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形的一種行之有效的錨固措施，介紹了本人團(tuán)隊(duì)與杭州圖強(qiáng)材料公司近年來(lái)合作研制開(kāi)發(fā)的新型大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索的受力特性及其錨固工藝，包括： 1)剛性黏結(jié)型(可以施加預(yù)應(yīng)力與否)粗鋼筋讓壓錨桿； 2)柔性有(無(wú))黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力鋼絞線、變形可控的大尺度讓壓長(zhǎng)錨索； 3)成組讓壓、壓力分散型預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索(對(duì)邊坡工程需施加強(qiáng)力長(zhǎng)錨索支護(hù)力及其讓壓變形量更大時(shí)適用)[2]。本文對(duì)前2種讓壓錨桿/錨索正在試驗(yàn)段的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

本文的研究工作主要有： 1)以軟巖工程流變學(xué)研究為基礎(chǔ)，闡述了筆者對(duì)此處采用巖體流變力學(xué)理論與方法開(kāi)展研究工作的一些思考和認(rèn)識(shí)，認(rèn)為軟、水、圍巖過(guò)度變形是高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道和地下工程設(shè)計(jì)施工時(shí)遇到的3項(xiàng)主要制約因素； 2)闡述了此處引入工程流變力學(xué)并應(yīng)用于大變形軟巖隧道圍巖的必要性和重要性，提出了應(yīng)重視現(xiàn)場(chǎng)工作輔以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的觀點(diǎn)，并使之與理論的推演、數(shù)值分析相結(jié)合，有望取得工程上較為適用的成果； 3)摒棄了傳統(tǒng)習(xí)慣采用剛性支護(hù)“硬扛”的做法，而改為以“邊支邊讓、先柔后剛”為思想方向的讓壓支護(hù)手段，所提出的2種大尺度讓壓錨桿(錨索)經(jīng)過(guò)在幾處現(xiàn)場(chǎng)試用已初顯成效。

1 工程基本情況

正在修建的成蘭高速鐵路川北隧道群、甘南木寨嶺高速公路隧道、云南滇中引水隧洞、多年前已建成的蘭新鐵路蘭武段烏鞘嶺隧道以及耗時(shí)約9年于2017年建成的蘭渝鐵路木寨嶺隧道等，其沿線均遇到了大量軟巖擠壓型大變形隧道群。隧道毛洞最大變形收斂量達(dá)800～1 200 mm以上(極端收斂變形量最高達(dá)2 000 mm)。采用一種新型大尺度讓壓錨桿或預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)讓壓錨索作為試驗(yàn)段的研究和整治，目前在上述2處(蘭州、云南)的研究工作均正在有序進(jìn)行。

目前一些擠壓型大變形軟巖隧道和高陡巖坡已經(jīng)或正在采用這種新型大尺度讓壓錨桿，并采用所提供的相應(yīng)的專用設(shè)計(jì)軟件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)性研究，并進(jìn)行工程的整治工作——摒棄傳統(tǒng)的剛性支護(hù)“硬扛”的方法，按“邊支邊讓、先柔后剛”的思路施作讓壓支護(hù)，即： 在讓壓的同時(shí)同步進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù)，使圍巖在大變形發(fā)展過(guò)程中可始終保持持續(xù)穩(wěn)定； 采用與設(shè)計(jì)“讓壓量”(用程序軟件定量計(jì)算)相等的洞周圍巖“擴(kuò)挖量”，以管控其變形幅度不使侵限，從而大大減小了二次襯砌的變形和受力。這樣，雖因擴(kuò)挖增加了一定的土石方開(kāi)挖量，但還是值得的，“堤外損失堤內(nèi)補(bǔ)”，經(jīng)過(guò)多次測(cè)算，認(rèn)為是完全經(jīng)濟(jì)合理的。

2 隧道圍巖擠壓型大變形的定義及其變形特征

國(guó)際巖協(xié)(ISRM)隧道擠壓型圍巖研究分會(huì)(commission on squeezing rock in tunnels)認(rèn)為大變形隧道圍巖的表觀地質(zhì)、巖石力學(xué)行為主要反映在如下幾個(gè)方面[2]。

1)多數(shù)位于高擠壓型巖體構(gòu)造區(qū)帶，地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，巖體受反復(fù)擠壓、揉搓而形成嚴(yán)重扭曲褶皺； 巖性以泥巖、頁(yè)巖、千枚巖、碳質(zhì)板巖、各種風(fēng)化片巖等多種軟巖為代表，巖體構(gòu)造破碎軟弱，節(jié)理裂隙極度發(fā)育(無(wú)充填、膠結(jié)性差)、浸水軟化、泥化，單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都很低，極大多數(shù)處于高地應(yīng)力狀態(tài)。

2)隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)展的大尺度變形(以進(jìn)入大變形的尺度判定其擠壓性級(jí)別的高低)，對(duì)一般的交通隧道而言，毛洞開(kāi)挖時(shí)的最大收斂變形量為300(500)～800 mm，很多情況下其兩側(cè)收斂量在1 000 mm以上。

3)地應(yīng)力水平高，多數(shù)反映出以圍巖剪切變形為主的主要特征。

4)經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)，地應(yīng)力和變形釋放量大，大變形發(fā)展速率快、收斂時(shí)間慢。

5)變形達(dá)到收斂穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)，在變形發(fā)展過(guò)程中，如支護(hù)不及時(shí)或不恰當(dāng)，均極易導(dǎo)致圍巖局部或不同范圍的失穩(wěn)坍塌，且其不僅是出現(xiàn)在個(gè)別場(chǎng)合，隧洞兩側(cè)收斂量大時(shí)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖斷面再次封閉，施工機(jī)械要經(jīng)過(guò)2次復(fù)挖后才能退出作業(yè)面。這樣，因洞周變形過(guò)大，常使初期支護(hù)錨桿拉斷或大幅度移位沉落而裂損、噴網(wǎng)混凝土破壞露筋、鋼架曲折扭曲、二次襯砌開(kāi)裂、保護(hù)層剝落，這些將造成變形嚴(yán)重侵限而需不斷返工重做，為此耗材、耗工，且過(guò)度耗資并嚴(yán)重耽誤工期。筆者認(rèn)為，這種“硬扛”(施作剛性襯護(hù))的方法實(shí)不足取，而亟待改用新的整治方案。

3 隧道圍巖擠壓型大變形程度的判定

經(jīng)研究認(rèn)為，國(guó)外諸多經(jīng)驗(yàn)方法在巖土邊坡、隧道和地下工程中的許多條件下都具有不可替代的重要作用。但較之理論分析的普遍適用性而言，又存在其固有的地域局限性，所在地域的測(cè)試值往往不能普及延伸到其他地域，適用性很差。

進(jìn)一步的研究認(rèn)為： 隧道圍巖發(fā)生擠壓型大變形時(shí)的“擠壓勢(shì)”(squeezing potential)是指洞周圍巖的最大變形位移收斂值δ與毛洞跨度l的比值，是權(quán)衡圍巖變形位移擠壓性強(qiáng)弱的基本依據(jù)。

關(guān)于隧道圍巖擠壓型大變形的預(yù)測(cè)研究主要由Aydan等[3](1993,1996)和Hoek等[4](1999)等完成，2位專家在該子學(xué)科領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。隧道圍巖擠壓型大變形的判定條件見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖擠壓型大變形的判定條件

注： 表中各符號(hào)的含義見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。ε指正應(yīng)變； η指流變系數(shù)。

4 隧道圍巖擠壓型大變形非線性流變理論、相應(yīng)的專用設(shè)計(jì)軟件研制及其工程應(yīng)用

限于篇幅，本文只介紹有關(guān)的研究?jī)?nèi)容及其創(chuàng)新性方面的內(nèi)容，而未能涉及具體的公式以及復(fù)雜的推導(dǎo)過(guò)程，具體可參考文獻(xiàn)[5-6]。

1)用小變形理論計(jì)算這種大變形問(wèn)題的不足。首先，以鋼板結(jié)構(gòu)的計(jì)算為例，對(duì)薄板大變形彎曲(屬于大變形、小應(yīng)變問(wèn)題)進(jìn)行說(shuō)明。筆者曾先以不計(jì)大變形的方法對(duì)薄板彎曲受力影響進(jìn)行計(jì)算，后改用計(jì)入大變形的方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出了迴然不同的結(jié)果，說(shuō)明不計(jì)入大變形的方法在理論上是錯(cuò)誤的，工程上常將其進(jìn)行近似簡(jiǎn)化是十分牽強(qiáng)和不足的。筆者及所在團(tuán)隊(duì)在以往的研究中還發(fā)現(xiàn)： 用固定坐標(biāo)系分割成有限單元進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，其分割、離散成的微元體在大變形前、后所分割的并不是同一個(gè)微元體。因?yàn)榇笞冃螘r(shí)每一微元體都有很大的位移變形，微元體的形狀和體積隨大變形的增長(zhǎng)而不斷變化，這在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)不能忽略。而小變形理論則認(rèn)為各個(gè)微元體在變形前、后都仍是一個(gè)不變化的定值。對(duì)于大變形條件，這違背了質(zhì)量守恒定律中數(shù)學(xué)表達(dá)的一致性，且難以用能量原理進(jìn)行表述，就理論上的嚴(yán)密性而言，是不成立的。

2)研究?jī)?nèi)容和方法(限于篇幅，此處只能用少量文字簡(jiǎn)介)。本項(xiàng)研究以廣義Komamura-Huang流變模型為基礎(chǔ)，經(jīng)串結(jié)上大變形非線性黏塑性(Bingham)體元件，建立了一種能較完整地反映圍巖二維、三維大變形非線性流變?nèi)^(guò)程的Komamura-Huang“彈-線黏彈-非線性大變形黏塑性”流變模型，使之可應(yīng)用于反映圍巖擠壓大變形的實(shí)際流變特性研究。進(jìn)而，在ABAQUS軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了專用軟件的二次開(kāi)發(fā)，編制了能適應(yīng)所設(shè)定的巖土材料以FORTRAN語(yǔ)言表述的子程序，并進(jìn)行了程序驗(yàn)證。此后，將其應(yīng)用于蘭新鐵路蘭武段烏鞘嶺鐵路隧道嶺脊段圍巖5#斷層帶中，進(jìn)行二維平面應(yīng)變問(wèn)題“非線性黏彈塑性”大變形流變分析，得到了隧道拱頂下沉和二次襯砌壓力隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律[1, 5-6]。而后，又在云南滇中引水工程輸水隧洞試驗(yàn)段中得到了進(jìn)一步試用。

3)進(jìn)一步較系統(tǒng)地研究了巖土材料大變形的基本理論，得到了常用的應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間三者之間的相互關(guān)系，并指出應(yīng)變率的積分為對(duì)數(shù)應(yīng)變。此處Kirchhoff剪切應(yīng)力與其對(duì)數(shù)應(yīng)變率(log)間構(gòu)成了一雙共軛對(duì)，進(jìn)而推導(dǎo)出大變形有限元離散方程的切線剛度矩陣和幾何剛度矩陣。

4)提出了一種新的大、小變形“彈-線黏彈-非線性黏塑性”巖土材料本構(gòu)模型。以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，考慮了圍巖介質(zhì)的幾何非線性，分別推導(dǎo)了小變形和大變形情況下的有限元法離散方程以及相應(yīng)的應(yīng)力更新算法和一致切線模量，分別研究出了可用于ABAQUS軟件的大(小)變形“彈-黏彈-黏塑性”材料子程序，并進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。

5)利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件，建立了烏鞘嶺鐵路隧道嶺脊段5#斷層帶軟弱圍巖的三維有限元模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的非線性彈黏塑性(其實(shí)黏彈部分只是短暫過(guò)渡，很快即進(jìn)入黏塑性階段，故而非線性黏彈部分可忽略不計(jì))大變形分析，得到了圍巖向洞內(nèi)收斂變形及其與襯砌支護(hù)間接觸壓力隨時(shí)間發(fā)展增長(zhǎng)變化的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。該大變形彈黏塑性本構(gòu)模型能夠較好地反映隧道圍巖擠壓大變形流變的時(shí)效特征。詳細(xì)算例可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

6)采用所研制的大變形三維“彈-黏彈-非線性黏塑性”本構(gòu)模型以及大變形二維非線性黏彈塑性本構(gòu)模型2種程序模塊，分別對(duì)烏鞘嶺鐵路隧道嶺脊段圍巖5#斷層破碎帶巖體進(jìn)行了相應(yīng)的大變形非線性流變時(shí)效分析。計(jì)算結(jié)果表明，分別按大、小變形2種模型計(jì)算得到的隧道圍巖拱頂下沉值和作用于二次襯砌的支護(hù)壓力值，經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互對(duì)比后認(rèn)為，在采用本文提出的大變形流變計(jì)算模型的情況下，其圍巖大變形的歷時(shí)發(fā)展變化趨勢(shì)及其量值大小基本上與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)吻合。因此，可認(rèn)為本文所建議的方法在一定條件下可以基本上如實(shí)反映隧道圍巖擠壓大變形的流變時(shí)效特征，并可以按此處所得的大變形理論預(yù)測(cè)值作為設(shè)定洞周擴(kuò)挖量值的依據(jù)[1,6]。

7)利用研制的專用程序軟件，對(duì)甘南木寨嶺高速公路隧道和云南滇中紅層引水隧洞2處軟巖圍巖擠壓大變形隧道采用大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)讓壓錨索進(jìn)行了整治研究，并分別進(jìn)行了二維和三維非線性大變形黏彈塑性數(shù)值模擬分析。

①甘南木寨嶺高速公路隧道試驗(yàn)段，δmax=30(50)～110cm，因?qū)儆凇爸械葦D壓以上”條件，可暫用二維模型作簡(jiǎn)化近似。然后，擬再取另一變形更大的斷面，δmax≥120(150)cm，因?qū)佟皹O端嚴(yán)重?cái)D壓”條件，需按三維情形作更嚴(yán)格的詳細(xì)分析，其中，忽略了短暫時(shí)程過(guò)渡的非線性黏彈部分，筆者認(rèn)為這是合理可行的，因?yàn)檫@是國(guó)內(nèi)外業(yè)界通用的處理方法。目前，該項(xiàng)三維研究工作正在進(jìn)行中。

②云南滇中紅層引水隧洞，δmax=50～80cm。

筆者建議： 當(dāng)試驗(yàn)段洞室圍巖最大變形位移收斂值在100cm以內(nèi)時(shí)，暫可按二維問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化分析； 當(dāng)最大變形位移收斂值超過(guò)120～150cm后，則一般需先對(duì)原巖進(jìn)行預(yù)注漿加固處理，待提高施錨區(qū)內(nèi)(承壓圈內(nèi))的彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ后再進(jìn)行三維分析計(jì)算。

甘南木寨嶺高速公路隧道和云南滇中紅層引水隧洞雖已有階段性計(jì)算成果，但尚未有足夠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)感不足。

5 有待進(jìn)一步深化研討的若干問(wèn)題

通過(guò)本項(xiàng)研究，以高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖擠壓型大變形的流變?chǔ)?ε-t本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，分別提出了“大、小變形非線性黏彈塑性平面應(yīng)變”和“大、小變形彈、線黏彈、非線性黏塑性三維空間”2種數(shù)值計(jì)算模型，使對(duì)軟巖擠壓型大變形流變力學(xué)特性的研究能較為接近這類圍巖的實(shí)際受力性態(tài)?；诒疚囊淹瓿傻碾A段研究工作，就軟巖大變形非線性流變機(jī)制而言，下一步擬再深化開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究工作。

1)高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓變形的預(yù)測(cè)方法是多種多樣的，各種方法應(yīng)有其不同的適用場(chǎng)合和使用條件，也都存在有一定的局限性與適用范圍。為此，日后通過(guò)進(jìn)一步的研究，要分別提出適用于不同類別軟巖大變形隧道圍巖擠壓型大變形的預(yù)測(cè)方法，建立起各自特定條件下圍巖施工開(kāi)挖穩(wěn)定性保障更為嚴(yán)密與可靠的理論依據(jù)及其適用范圍與制約條件。對(duì)此，仍需廣泛搜集大量各類隧道圍巖擠壓大變形的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行有針對(duì)性的深入探討。

2)目前大變形非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型的編程工作還沒(méi)有拓展至全三維空間狀態(tài)，這限制了圍巖變形大于1 200～1 500mm甚至更大時(shí)的使用范圍。從目前接觸的2處工點(diǎn)來(lái)看，進(jìn)一步探討計(jì)入“極端嚴(yán)重?cái)D壓型”幾何大變形而建立的非線性三維黏彈塑性流變本構(gòu)模型非常迫切和必要。

3)對(duì)于擠壓大變形流變本構(gòu)模型的某些復(fù)雜力學(xué)行為，本項(xiàng)研究尚未涉及，需要做更多的試驗(yàn)研討和理論探究。下一步擬進(jìn)一步改進(jìn)和完善目前工作中存在的若干不足，利用高校優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件，做出一批更為詳盡細(xì)致的試驗(yàn)成果，將試驗(yàn)手段、數(shù)值模擬和理論分析多種手段相互結(jié)合，更加深入細(xì)致地對(duì)擠壓型大變形流變力學(xué)行為進(jìn)行探討，特別需要引入國(guó)外各種經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法中提出的多個(gè)主要有關(guān)因素和參數(shù)，作為下一步理論分析中要求引入的重要基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)。這是十分重要的一項(xiàng)關(guān)鍵所在。

4)本文未考慮地下水的滲流效應(yīng)，即所謂的流固非線性、非穩(wěn)態(tài)耦合問(wèn)題。如何將流固耦合與大變形黏彈塑性問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，發(fā)展并開(kāi)發(fā)考慮非線性、非穩(wěn)態(tài)流固耦合的大變形流變分析計(jì)算模塊，仍需作進(jìn)一步的深入研究。

5)本項(xiàng)研究的對(duì)象目前尚限于以軟巖為主。對(duì)于土工材料(含全風(fēng)化松散破碎巖體)而言，由于多數(shù)軟黏性土體的黏聚力或內(nèi)摩擦角均相對(duì)較小，當(dāng)這類土體發(fā)生過(guò)大變形時(shí)，軟土隧道洞周土體可能多數(shù)已出現(xiàn)坍塌、突泥、滲水等現(xiàn)象。此時(shí)已不屬于連續(xù)介質(zhì)理論研究的范疇，本項(xiàng)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)所建立的大變形非線性流變理論則已不再適用。以土體材料或全風(fēng)化散粒巖體為研究對(duì)象的大變形非線性流變屬性問(wèn)題，也是今后需重點(diǎn)研究的領(lǐng)域之一。

上述多項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，都已結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)正在或即將承擔(dān)的相關(guān)工程項(xiàng)目，由團(tuán)隊(duì)博士研究生們結(jié)合論文寫作而進(jìn)行中。

6 管控/約束隧道圍巖大變形持續(xù)發(fā)展的讓壓支護(hù)錨固技術(shù)措施——一種新型大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)讓壓錨索的研制與應(yīng)用

6.1 基本情況和典型工程示例

眾所周知，假設(shè)在軟巖大變形洞室的開(kāi)挖過(guò)程中，錨桿/預(yù)應(yīng)力錨索一方面能隨圍巖變形的增加而同時(shí)做相等的位移滑動(dòng)δ1(可藉本文介紹的大尺度讓壓錨桿施行)； 另一方面，又能同步對(duì)圍巖實(shí)時(shí)施加或提供恒定的強(qiáng)大錨桿讓壓支護(hù)力p1； 而在變形最終趨于穩(wěn)定收斂時(shí)才能最后將錨桿體的錨端墊板完全鎖定，并對(duì)桿體灌漿封死，這樣才能實(shí)施所謂的“讓壓支護(hù)”，即文中所說(shuō)的“邊支邊讓、先柔后剛”，以保證圍巖變形持續(xù)歷時(shí)發(fā)展過(guò)程中洞周圍巖仍可維持其變形穩(wěn)定狀態(tài)、不致在變形發(fā)展過(guò)程中坍塌失穩(wěn)[7]。因此，就可達(dá)到對(duì)圍巖有效讓壓而又穩(wěn)妥錨固的目的。

由于圍巖向洞內(nèi)大幅度收斂，在其大變形值將達(dá)到約300mm或以上時(shí)，將不可避免地要侵限。為此，可采用先擴(kuò)挖的方法來(lái)解決。問(wèn)題的關(guān)鍵在于： 一是要求設(shè)計(jì)上能有根據(jù)地確定洞室圍巖所要求的擴(kuò)挖量(指沿洞周徑向向上、向外的超挖尺寸δ)； 二是在設(shè)計(jì)上讓壓錨桿能滿足并達(dá)到足夠的讓壓量δ1。如果理論上使δ=δ1，則圍巖變形趨于收斂后，作用于隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上的支護(hù)壓力將基本上為零或很小。當(dāng)然，由于受襯砌最小厚度(約45cm)和最低配筋率0.4%的制約，它能夠承受一定量值的地層壓力。照此觀點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)可使讓壓支護(hù)力值p1適當(dāng)降低，讓壓量δ1也可隨之適當(dāng)減小，進(jìn)而使擴(kuò)挖量δ有效減小，達(dá)到讓壓設(shè)計(jì)更趨于經(jīng)濟(jì)合理的目的。這樣，超挖增加的土石方工程量可由大幅減小內(nèi)襯厚度及其配筋量來(lái)得到補(bǔ)償。

筆者團(tuán)隊(duì)曾采用上述構(gòu)思在某國(guó)防工地大變形隧道圍巖施行該項(xiàng)作業(yè)，所得的基本成果如下。

1)在未考慮采用讓壓錨桿時(shí)，隧道內(nèi)襯的原設(shè)計(jì)厚度d高達(dá)105cm，而其配筋率μ為2.2%，以承受大的地層壓力。此前，曾采用過(guò)超前大管棚/雙層小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)、預(yù)注漿加固地層； 除錨噴加強(qiáng)外，又增設(shè)密排的格柵鋼拱架作為強(qiáng)力支撐(初期支護(hù))[8-10]，即采用了傳統(tǒng)上所謂的“硬扛”法，但效果卻極不理想。

2)采用上述“讓壓支護(hù)”理念后，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)洞室擴(kuò)挖量δ為80cm(此值是按上述專用軟件分析計(jì)算所得的讓壓量δ1估計(jì)的，使δ=δ1，并輔之以在該時(shí)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的日后洞周大變形收斂量進(jìn)行預(yù)測(cè)，理論上讓壓量δ1可由第4節(jié)所述的已研制的專用程序軟件進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)后確定)。

3)采用了本文所建議的新型大尺度讓壓錨桿進(jìn)行實(shí)時(shí)讓壓支護(hù)后，其讓壓量設(shè)定為δ1=80cm。此時(shí)讓壓錨桿的錨固屬性呈既施加恒定支護(hù)力p1(所謂“支”)、又可隨圍巖一起同步產(chǎn)生滑移的柔性讓壓性態(tài)(所謂“讓”、“柔”)。洞室圍巖經(jīng)實(shí)測(cè)所得的內(nèi)凈空最大變形收斂量δ′=74.4cm(在δ′達(dá)到此值后，洞室圍巖的變形位移即突然停止于此穩(wěn)定值，此后，圍巖變形位移趨于穩(wěn)定收斂、停止不動(dòng)的狀態(tài))。之后，當(dāng)將讓壓錨桿最終鎖定、并在套管內(nèi)灌漿成剛性錨固(所謂“剛”)后，“邊支邊讓、先柔后剛”的理念就此形成。

4)改用本文建議的錨固工藝方案后，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的厚度由原設(shè)計(jì)的d=105cm銳減為d1=45cm； 而相應(yīng)的配筋量基本上只為承受季節(jié)性少量裂隙水水壓和襯砌混凝土內(nèi)溫度變化與收縮應(yīng)力進(jìn)行配置，配筋率μ1取0.4%即可。二次襯砌厚度及其配筋率均大幅度降低，對(duì)因超挖80cm所增加的土石方工程量在經(jīng)濟(jì)上將有所補(bǔ)償，圍巖大變形收斂量也得到了有效的管控和約束。本項(xiàng)設(shè)計(jì)取得了應(yīng)有的巨大經(jīng)濟(jì)效益，其工程技術(shù)收益則更受業(yè)界關(guān)注。

6.2 沿用現(xiàn)行剛性支護(hù)方案的不合理性和失效教訓(xùn)

1)采用強(qiáng)化“初期支護(hù)”和“二次襯砌”來(lái)作“硬扛”。由近年來(lái)多處興建的大變形隧道沿用現(xiàn)行剛性支護(hù)方案的工程實(shí)踐表明： 采用現(xiàn)行剛性支護(hù)方案并不能勝任高地應(yīng)力條件下所形成的超大地層壓力和圍巖過(guò)度變形，這種方法絕大多數(shù)情況下都被認(rèn)定是失效的，且在許多情況下在大變形增長(zhǎng)發(fā)展過(guò)程中圍巖因變形過(guò)大而失穩(wěn)，造成相當(dāng)范圍的坍塌破壞。

2)由于變形侵限(先期憑經(jīng)驗(yàn)已人為設(shè)定一定的擴(kuò)挖量)，只好被動(dòng)拆除已處在侵限范圍的初期支護(hù)，這既不合理又會(huì)造成大量的浪費(fèi)(工期、人工、材料)。

3)后續(xù)緊接著需盡快施作配筋率高、剛度和厚度很大的二次襯砌，但在強(qiáng)大地層形變壓力(含松散地壓)下，襯砌裂損仍不可避免。

4)理論上還可改用可縮性鋼拱架——重型型鋼，在鋼拱架拱頂處設(shè)置有可縮式部分(可作環(huán)向移動(dòng)的活動(dòng)鉸)，以讓受地壓產(chǎn)生的大變形； 但由于要將拱架環(huán)向壓縮位移換算成徑向讓壓，要增加π(3.141 6)倍的圓周系數(shù)，致使要求的鋼架環(huán)向壓縮量將嚴(yán)重超限(大于60cm后，換算得徑向讓壓量小于20cm)，實(shí)際上并不可行。因此，當(dāng)變形量大時(shí)，其只是理論上可行，而實(shí)踐時(shí)多數(shù)不實(shí)用。

因此，只有采用此處建議的“邊支邊讓、先柔后剛”的理念(事實(shí)上該思路和方式方法在煤炭行業(yè)界早已沿用了多年，并非是完全的新概念)，才是實(shí)用、可靠和解決實(shí)際問(wèn)題的最佳選擇。

6.3 讓壓錨具的受力機(jī)制與相應(yīng)構(gòu)造

依上述理念，我團(tuán)隊(duì)近年來(lái)與杭州圖強(qiáng)工程材料公司合作研制了一種新型大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索[6]。新型大尺度讓壓錨具基本構(gòu)造包括擠壓頭、讓壓腔(錨腔、套筒)和錨筋。其中，擠壓頭為下部帶有短錐面的圓柱體，其與錨筋固結(jié)后連成一體，將擠壓頭置于讓壓套筒內(nèi)，套筒埋設(shè)于圍巖體上部基本穩(wěn)固不動(dòng)的原巖部位。圍巖開(kāi)挖后向洞的內(nèi)徑作變形位移時(shí)，擠壓頭在套筒內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生讓壓量δ1，并同步提供強(qiáng)大的讓壓支護(hù)力p1。δ1和p1均可從我團(tuán)隊(duì)研制的專用程序軟件經(jīng)分析計(jì)算得出。

讓壓套筒內(nèi)壁設(shè)有與擠壓頭下部錐面相契合、并沿環(huán)向呈凸、凹形的弧型曲面，其突棱的端部與擠壓頭下部錐面相互契合構(gòu)成環(huán)曲形凸、凹面，以增大擠壓頭受力后在腔壁內(nèi)滑移時(shí)的擠壓力和動(dòng)摩擦阻力(由供應(yīng)商在廠內(nèi)標(biāo)定后給出)。上述建議的讓壓錨具，可以達(dá)到錨固時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)定讓壓量δ1，并提供恒定的強(qiáng)大讓壓支護(hù)抗力p1，以達(dá)到控制圍巖大變形的目的，其適用于多種材料和不同型式、尺寸的錨筋和預(yù)應(yīng)力讓壓錨索。這種讓壓錨具制作方便，效果可靠，可適應(yīng)不同的需求進(jìn)行讓壓，可廣泛適用于各類巖土大變形工程中。

這種新型大尺度讓壓錨桿設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵在于：

1)錨腔/套管的最前端部位還需有一段加用的漲殼式錨頭，它與圍巖之間得以楔緊的錨端裝置可為錨桿向下滑動(dòng)時(shí)提供可靠的錨固支護(hù)力，沿漲殼式錨頭的環(huán)向用一圈沿縱向多個(gè)鋼質(zhì)楔塊使之隨桿體下移而撐開(kāi)，漲殼后的錨端與周邊圍巖孔壁間越拉越緊，形成穩(wěn)固的漲殼力而最終錨定不動(dòng)。

計(jì)算： p2=F·μf，其值應(yīng)≥1.25 p1(前者采用漲殼式錨頭段經(jīng)漲壓后加大的F和μf值，可由錨桿生產(chǎn)廠商現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后提供)。

2)從上面計(jì)算可以求得圍巖變形位移場(chǎng)與不受變形擾動(dòng)影響的穩(wěn)固原巖間的界面位置(即圍巖位移場(chǎng)為零的深部，其距毛洞壁的徑向距離即為錨桿全長(zhǎng))，這樣錨端就不會(huì)與圍巖一起滑動(dòng)而導(dǎo)致讓壓機(jī)制失效。

讓壓錨桿隨圍巖作下行走動(dòng)時(shí)同步提供的讓壓支護(hù)力示意圖見(jiàn)圖1。隧道截面因水平構(gòu)造地應(yīng)力(較豎向自重應(yīng)力)大，設(shè)計(jì)采用了橢圓形隧道。

①—毛洞邊沿； ②—圍巖擾動(dòng)區(qū)向毛洞內(nèi)凈空變形位移的等值線，單位,mm； ③—錨腔套管布設(shè)位置； ④—從原巖(不受圍巖變形擾動(dòng)影響的遠(yuǎn)區(qū))距毛洞邊沿的深部位置(距離)界面線——位移等值線為0，可得圍巖變形擾動(dòng)區(qū)的大小。

(a)

①—讓壓錨桿，設(shè)定錨桿拉力(最大支護(hù)力)p1; ②—錨腔，腔內(nèi)桿端滑行長(zhǎng)度——可設(shè)計(jì)得到讓壓量Δ，Δ=δ，δ由第4節(jié)計(jì)算求得； ③—漲殼式錨頭，與錨腔合成套管，套管長(zhǎng)度=②+③的長(zhǎng)度； ④—毛洞邊沿； ⑤—錨桿下端墊板； ⑥—螺母； ⑦—圍巖向毛洞內(nèi)凈空作變形、位移——擾動(dòng)區(qū)圍巖作下行走動(dòng)； ⑧—原巖與擾動(dòng)區(qū)界面的位置，位移為0的等值線； ⑨—圍巖變形后的擾動(dòng)區(qū)； ⑩—原巖。

(b)

①—錨桿滑行，構(gòu)成讓壓量δ1； ②—錨桿拉力，對(duì)圍巖產(chǎn)生的支護(hù)力p1； ③—圍巖施加于墊板的壓力p3，p3=p1(錨桿下移時(shí)，其與圍巖的摩擦力可不計(jì))。

(c)

①—毛洞邊沿； ②—圍巖環(huán)向承壓區(qū)帶(圍巖變形位移擾動(dòng)區(qū)帶)； ③—原巖； ④—圍巖擾動(dòng)區(qū)與原巖間的界面； p1—錨桿在錨腔內(nèi)滑行時(shí)施加于圍巖的反作用摩擦力； p3—墊板在毛洞邊沿施加于圍巖的反作用力，p3=p1。

(d)

圖1讓壓錨桿隨圍巖作下行走動(dòng)時(shí)同步提供的讓壓支護(hù)力示意圖

Fig. 1 Yielding support force provided by yielding bolt

6.4 10個(gè)關(guān)鍵性設(shè)計(jì)施工參數(shù)

在本項(xiàng)數(shù)值模擬計(jì)算中，重點(diǎn)給出如下有理論依據(jù)的定量數(shù)據(jù)。

1)施工開(kāi)挖后的圍巖位移場(chǎng)等值線(位移云圖)為 0 處與原巖界面位置。

2)大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)讓壓錨索的桿身長(zhǎng)度、直徑(桿外有、無(wú)套管)、環(huán)距和排距，由圍巖(分別按施錨后和預(yù)注漿加固前、后)位移場(chǎng)確定。

3)錨腔(套筒)設(shè)置位置，與圍巖位移場(chǎng)的關(guān)系。

4)漲殼式錨頭長(zhǎng)度，經(jīng)出廠標(biāo)定后，還需再由現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)最終確定。

5)洞室施工開(kāi)挖后，圍巖塑性區(qū)范圍及其分布(注漿與否及注漿處理前、后)。

6)預(yù)注漿范圍和漿液配比優(yōu)選，由圍巖塑性區(qū)范圍及其分布確定。漿液配比方面的優(yōu)選資料另見(jiàn)相關(guān)文章。

7)讓壓支護(hù)力p1，由現(xiàn)場(chǎng)錨桿擠壓力(含錨桿動(dòng)摩擦力)拉拔測(cè)試確定，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

8)讓壓量δ1，由設(shè)定的讓壓支護(hù)力p1通過(guò)數(shù)值計(jì)算確定。

9)擴(kuò)挖量δ，與要求的讓壓量大小相等(或稍小)。

10)圍巖松動(dòng)圈大小和分布以及系統(tǒng)錨桿設(shè)置(按一般設(shè)計(jì)方法確定)。

除根據(jù)設(shè)計(jì)要求提供合理的恒定支護(hù)力外，設(shè)定的讓壓量的精確程度關(guān)系到洞室預(yù)留超挖/擴(kuò)挖量的大小以及后續(xù)施作二次襯砌(內(nèi)襯砌)的剛度(襯砌厚度)、配筋量及其最佳施作時(shí)間。洞室預(yù)留超挖/擴(kuò)挖量的大小由第4節(jié)所述的專用設(shè)計(jì)軟件計(jì)算后定量給出； 隧道二次襯砌(內(nèi)襯砌)的剛度(襯砌厚度)、配筋量及其最佳施作時(shí)間則由圍巖“收斂-約束”曲線并根據(jù)我團(tuán)隊(duì)2015年已研制的其他專用設(shè)計(jì)程序軟件經(jīng)計(jì)算確定[11]。

常用的大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖2。

(a) 剛性黏結(jié)型(施加預(yù)應(yīng)力與否均可)的粗鋼筋讓壓錨桿

(b) 柔性無(wú)黏結(jié)型鋼絞線、變形可控式讓壓錨索

Fig. 2 Structure of large-scale yielding bolt/prestressed yielding bolt

采用讓壓錨桿進(jìn)行初期支護(hù)時(shí)，為保證快速成錨，建議選用一種自進(jìn)式(曾被稱之為邁式錨桿)鉆、錨、注三位一體的、能夠快速成錨的更新一代的讓壓錨桿，以管控/約束此類圍巖的大變形，更早、更快地形成錨固支護(hù)力的約束作用，并保證圍巖始終處于受恒定的錨固/支護(hù)力作用下，而不致于在讓壓錨固體形成之前圍巖先發(fā)生早期坍塌； 在此后施作的二次襯砌與圍巖間的接觸壓力將大大降低，起到進(jìn)一步減小二次襯砌厚度及其配筋量的作用。這項(xiàng)試驗(yàn)工作正在蘭州與中鐵隧道局二處合作進(jìn)行中，有望實(shí)施成功。

“邊支邊讓、大尺度讓壓錨桿”方法的成功實(shí)施，關(guān)鍵在于讓壓變形量δ1預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，這取決于由量測(cè)所得的地應(yīng)力參數(shù)和各類巖性參數(shù)的可靠性及其準(zhǔn)確程度，并由讓壓量δ1的精確度保證。“邊支邊讓、大尺度讓壓錨桿”方法已先后在上述幾處工程中成功實(shí)施。

7 蘭州木寨嶺高速公路隧道圍巖擠壓型大變形非線性流變分析與采用讓壓錨桿進(jìn)行工程整治的計(jì)算示例(斜井試驗(yàn)段情況)

對(duì)該隧道圍巖擠壓大變形進(jìn)行了上述的二維數(shù)值模擬，并對(duì)施作讓壓錨桿進(jìn)行工程整治的主要有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，列出了其主要計(jì)算結(jié)果。

7.1 基本情況

蘭州木寨嶺高速公路隧道斜井(K218+450 斷面)圍巖擠壓型大變形采用讓壓錨桿進(jìn)行工程整治，在試驗(yàn)段1的斜井中以此為例進(jìn)行了模擬計(jì)算。K218+450斷面距2#斜井下部洞口約50 m。該區(qū)段圍巖主要為中強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖和中風(fēng)化砂巖交疊的不等厚互層，呈薄層狀構(gòu)造。K218+450斷面的平面位置和地質(zhì)剖面巖盤走向圖分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 K218+450斷面平面位置

圖4 K218+450斷面巖盤地質(zhì)剖面圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，并參照該公路隧道近旁(約1 km)處于同一山體、與該隧道走向基本平行、已建的木寨嶺鐵路隧道(2017年7月建成)相應(yīng)斷面的巖性和洞周圍巖最大變形收斂值等參數(shù)，暫設(shè)定該試驗(yàn)段圍巖的輸入設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 K218+450斷面的模擬計(jì)算參數(shù)

Table 2 Numerical and calculation parameters of cross-section K218+450

參數(shù)名稱數(shù)值彈性模量E0/GPa3.05泊松比μ0.35彈性模量E1/GPa8.32黏彈性滯后系數(shù)η1/(GPa·h)11 200彈性模量E2/GPa9.16黏彈性滯后系數(shù)η2/(GPa·h)10 400參數(shù)名稱數(shù)值非線性黏塑性系數(shù)η3/(GPa·h)8.32黏聚力c/MPa1.2內(nèi)摩擦角φ/(°)33σs/MPa11.52A3.8T/h1 600

該隧道主洞設(shè)計(jì)斷面的內(nèi)輪廓由3段圓弧組成，其曲墻水平最寬處為11.3 m，洞體最高處距底板為8.81 m，其主體輪廓尺寸見(jiàn)圖5。

7.2 計(jì)算程序軟件基本功能

數(shù)值模擬主程序采用了ABAQUS軟件，并自主研發(fā)了二維非線性黏彈塑性大變形流變本構(gòu)模型作為補(bǔ)充的專用模塊，用接口串結(jié)上主程序。該模型以廣義Komamura-Huan本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，引入非線性黏塑性(Bingham)體，能較完整地反映該類巖盤非線性大變形流變歷時(shí)發(fā)展的全過(guò)程。當(dāng)處于高應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，圍巖的黏塑性流變參數(shù)隨時(shí)間和應(yīng)力呈非線性變化，即模型由虎克體、2個(gè)線黏彈性體和大變形非線性Bingham黏塑性體串聯(lián)組成。它可以描述減速、等速和加速流變的歷時(shí)增長(zhǎng)發(fā)展趨勢(shì)，與我團(tuán)隊(duì)早年采用過(guò)的相似巖石材料的蠕變?cè)囼?yàn)曲線(已論證過(guò)相似巖體的模型辨識(shí)工作，故本文不再重復(fù)敘述該模型的辨識(shí)內(nèi)容)較為吻合。非線性黏彈塑性流變模型(一維)見(jiàn)圖 6。

圖5 木寨嶺高速公路隧道斜井段內(nèi)主體輪廓尺寸(單位： cm)

Fig. 5 Inner contour of inclined shaft section of Muzhailing High-speed Railway Tunnel (unit: cm)

圖6 非線性黏彈塑性流變模型(一維)

在變形發(fā)展過(guò)程中黏彈性部分將很快進(jìn)入塑性階段，因此其黏彈性滯后系數(shù)η1、η2可視為常數(shù)不變值。而非線性黏塑性系數(shù)η3不僅是時(shí)間的函數(shù)，還與應(yīng)力水平有關(guān)，即

η1,η2=const；η3=η(t,σ)。

軟鋼錨桿材料的屈服強(qiáng)度σt約為420 MPa。此處模擬得出的φ32 mm讓壓錨桿的讓壓支護(hù)力p1達(dá)160 kN(見(jiàn)后文所述)，未超出σt的1/2，所以是安全的。

7.3 計(jì)算要求

1)圍巖塑性區(qū)大小及其分布，以此確定預(yù)注漿加固圍巖的處理范圍和漿液分布。

2)繪制圍巖位移等值線(位移云圖)，以此確定讓壓錨桿“錨腔”(套筒)埋置的深度，進(jìn)而可確定錨桿的長(zhǎng)度。

3)讓壓支護(hù)力p1的大小及其確定的理論依據(jù)，以此制作合適的讓壓錨桿，先在廠內(nèi)標(biāo)定后再下料生產(chǎn)。在試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)，該值需進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)后再慎重最終確定。達(dá)到變形位移收斂值時(shí)，應(yīng)<錨桿屈服強(qiáng)度值的2/3，即225 kN。

4)讓壓量δ1的理論計(jì)算預(yù)測(cè)，進(jìn)而可設(shè)定圍巖擴(kuò)挖量δ的大小，使δ=δ1，可以稍小，使二次襯砌受力在允許范圍內(nèi)。

5)確定讓壓錨桿直徑、環(huán)向排距與縱向間距(按梅花型等邊三角形布置)等。

7.4 計(jì)算結(jié)果

7.4.1 圍巖塑性區(qū)大小及其分布

根據(jù)自主研發(fā)的程序軟件繪制得到圍巖塑性區(qū)的分布情況，其最大值約在隧道上、下方16 m處，進(jìn)而確定預(yù)注漿的圍巖范圍。圍巖塑性區(qū)范圍和分布見(jiàn)圖7。

圖7 未設(shè)置支護(hù)前，開(kāi)挖后的圍巖塑性區(qū)分布圖

Fig. 7 Distribution of plastic zone of surrounding rock before supporting and after excavation

7.4.2 圍巖位移場(chǎng)計(jì)算云圖

根據(jù)圍巖位移計(jì)算云圖(見(jiàn)圖8)可確定讓壓錨桿“錨腔”的埋置深度，進(jìn)而確定錨桿長(zhǎng)度。根據(jù)圖8可得到讓壓錨桿自開(kāi)挖面向圍巖深部的長(zhǎng)度約為12 m。因錨桿桿體過(guò)長(zhǎng)，需分作3段，并用套管接長(zhǎng)。

7.4.3 讓壓支護(hù)力值的確定

首先分別繪出不同讓壓支護(hù)力作用下洞周圍巖在拱頂、拱底和側(cè)墻處的變形位移曲線，見(jiàn)圖 9 ?？梢钥闯觯?1)讓壓支護(hù)力>400 kN后，洞周位移先迅速下降后逐漸趨于穩(wěn)定。 2)在讓壓支護(hù)力>400 kN前，這種規(guī)律性發(fā)展不明顯； 但因受鋼材強(qiáng)度限制，此處暫取p1=160 kN。

7.4.4 錨桿讓壓量的理論預(yù)測(cè)

單根讓壓錨桿設(shè)定的讓壓支護(hù)力不同，其讓壓量也相應(yīng)發(fā)生變化。讓壓量主要由洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形隨時(shí)間趨于穩(wěn)定收斂時(shí)的位移量確定。洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖10 。可以看出： 此處讓壓量/擴(kuò)挖量可設(shè)定為δ=δ1=50 cm，屬“中等偏大的擠壓型”大變形。

圖8 圍巖位移場(chǎng)計(jì)算云圖(單位： m)

Fig. 8 Calculation nephogram of surrounding rock displacement field (unit: m)

圖9 錨桿讓壓支護(hù)力-位移關(guān)系圖

Fig. 9 Relationship between yielding supporting force of bolt and displcement

7.4.5 讓壓錨桿直徑、環(huán)向排距與縱向間距的模擬計(jì)算

讓壓錨桿按間距100 cm×100 cm布設(shè)，直徑為φ32 mm。根據(jù)目前計(jì)算的讓壓力來(lái)看，這種布置施工方認(rèn)為較為合適。目前，根據(jù)單根錨桿設(shè)定讓壓力為150～200 kN，在讓壓量達(dá)到55 cm時(shí)，二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11?？梢钥闯觯?此時(shí)二次襯砌內(nèi)力很小，可以滿足襯砌厚45 cm、配筋率0.4%的設(shè)計(jì)要求。因而，大大減小了二次襯砌的厚度，其配筋率只需按地下裂隙水壓力和溫度應(yīng)力、混凝土收縮應(yīng)力等條件設(shè)計(jì)，就可承受一定的地層壓力。

8 關(guān)于軟巖大變形非線性流變屬性與對(duì)研究成果的幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)針對(duì)軟巖擠壓型大變形隧道圍巖，本文采用計(jì)入“大變形”(幾何非線性)與“黏彈塑性”(物理/材料非線性)兩者耦合相互作用，并考慮軟巖時(shí)效滯后的黏彈塑性變形(即考慮巖體廣義流變，因流變?cè)鲩L(zhǎng)發(fā)展時(shí)，圍巖應(yīng)力也同步在松弛變化，它不同于通常所說(shuō)的“蠕變”，此處稱之為“廣義流變”條件下的變形時(shí)效作用)，按最一般非線性的“二維黏彈塑性”理論進(jìn)行分析計(jì)算。目前，我項(xiàng)目組已實(shí)現(xiàn)了“二維大變形非線性黏彈塑性”情況以及“三維大變形彈-線黏彈-非線性黏塑性”情況的分析計(jì)算。對(duì)該程序軟件包已在某5處具體成功實(shí)施，其可行性得到了相應(yīng)論證。我團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已研編了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的以上2種專用程序軟件包的數(shù)值模擬方法，并應(yīng)用于幾處擠壓型大變形軟巖隧道。使用的要點(diǎn)是： 要求有關(guān)特征性地質(zhì)力學(xué)各相關(guān)參數(shù)的輸入值基本正確可靠。這樣，在計(jì)算所得的預(yù)留“讓壓變形量”Δ和設(shè)定的“擴(kuò)挖量”δ(使δ=Δ)，有望做到“八九不離十”。

(a) 拱頂沉降

(b) 水平收斂

(c) 拱底位移

圖11預(yù)留讓壓變形量為55 cm時(shí)，二次襯砌的應(yīng)力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 11 Stress distribution nephogram of secondary lining when reserved yielding deformation of 55 m (unit: Pa)

2)大尺度讓壓錨桿的工作性態(tài)，視錨桿受力后其桿體變形和讓壓中錨桿作整體位移(讓壓變形量)的增長(zhǎng)發(fā)展，依次分別為： ①桿體彈性變形，設(shè)計(jì)要求這部分變形應(yīng)限制在桿體軟鋼材料彈性峰值強(qiáng)度的1/2左右，不能再高； ②桿體在錨腔內(nèi)作滑動(dòng)位移，從而形成讓壓變形量的最終收斂值Δ。這時(shí)錨桿桿體在讓壓支護(hù)力作用下持續(xù)變形增長(zhǎng)，其桿體拉力的最終值不能超過(guò)錨桿材料彈性峰值強(qiáng)度的2/3，如該值過(guò)高，將導(dǎo)致錨桿屈服而全盤失效(如采用我國(guó)煤炭業(yè)界近年來(lái)試用的NPR——“負(fù)泊松比”材料，將有望在一定程度上解決這一問(wèn)題)； ③桿體滑移到錨腔底面時(shí)讓壓結(jié)束，而當(dāng)圍巖下行力仍然未有中止的情況下，尚有向隧洞內(nèi)凈空繼續(xù)變形的作用時(shí)，桿體變形將由彈性體向屈服階段發(fā)展，雖可進(jìn)一步有限提供其更高的支護(hù)力，并使讓壓變形量可有更大發(fā)揮，但這必然帶來(lái)重大工程風(fēng)險(xiǎn)而不可取。為設(shè)計(jì)安全考慮，設(shè)定的可用讓壓變形量，不能讓桿體變形出現(xiàn)屈服致因斷面“頸縮”而拉斷。最終的讓壓變形收斂量Δ1應(yīng)約束在軟鋼鋼材彈性峰值強(qiáng)度值的2/3以內(nèi)。

3)現(xiàn)建議采用的大尺度讓壓錨桿的“讓壓變形量”，其錨腔長(zhǎng)度理論上并無(wú)限制。但我項(xiàng)目組在幾處已作過(guò)的使用實(shí)踐表明： 讓壓力p1卻存在一定的上限值，進(jìn)而也約束了讓壓變形量進(jìn)一步的增長(zhǎng)。當(dāng)讓壓錨桿支護(hù)力p1≥最大地應(yīng)力值約40%時(shí)，此時(shí)隧洞“收斂比”(δ/l)將約≤5%，其控制圍巖大變形的效果為最佳。此處再以3車道大跨高速公路隧道(毛跨約17.0 m)為例進(jìn)行說(shuō)明： 當(dāng)隧洞拱頂變形的徑向“收斂比”≥1%時(shí)，即Δ=170 mm后，開(kāi)始進(jìn)入“輕度擠壓型大變形”； 當(dāng)“收斂比”=5%時(shí)，拱頂徑向內(nèi)凈空大變形達(dá)到收斂時(shí)的最終穩(wěn)定值為17 000 mm×5%=850 mm。根據(jù)上述可認(rèn)為： 當(dāng)大變形的最大收斂值約為850 mm時(shí)，其讓壓支護(hù)力的作用得到最佳，讓壓支護(hù)效果也最好。

4)讓壓錨桿支護(hù)力p1的下限值，還與巖體的抗壓強(qiáng)度值有關(guān)。當(dāng)巖體抗壓強(qiáng)度愈低、其軟弱屬性愈明顯時(shí)，錨桿支護(hù)力p1的下限值也就越低，其在讓壓中支護(hù)力的發(fā)揮效果也愈更好。工程實(shí)際采用時(shí)，應(yīng)確保錨桿讓壓支護(hù)力要大于其下限值。

5)讓壓變形量值增長(zhǎng)并達(dá)到某一定值后，要求再進(jìn)一步增加讓壓量，在一般情況下將不能換得二次襯砌原先所受山體壓力值更多的降低。只有適當(dāng)?shù)卦O(shè)置合理的讓壓變形量，才能充分實(shí)現(xiàn)上述“邊支邊讓”的讓壓理念。

6)在采用本項(xiàng)研究成果以“大尺度讓壓錨桿”讓壓工作中，應(yīng)進(jìn)一步使之與其他預(yù)支護(hù)、預(yù)注漿手段及相關(guān)對(duì)策措施相結(jié)合，它們間良好的協(xié)同工作十分必要，例如： 對(duì)圍巖塑性區(qū)進(jìn)行預(yù)注漿加固、采用自進(jìn)式錨桿(鉆、注、錨三為一體)、洞周松動(dòng)圈布設(shè)系統(tǒng)錨桿等。