王萬平，李建斐，白浪峰

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068)

0 引言

極高地應(yīng)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(jié)構(gòu)斷裂、失穩(wěn)進(jìn)而侵限，導(dǎo)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(dá)基線隧道、我國蘭渝鐵路兩水隧道等均發(fā)生過軟巖大變形問題[1-13]，嚴(yán)重影響施工進(jìn)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(zhì)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(shè)置多層支護體系、超前應(yīng)力釋放小導(dǎo)洞擴挖、長錨桿(錨索)加固、仰拱桁架加固、設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)等。

針對大變形控制技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在大變形機理、大變形預(yù)測與分級、大變形控制分析。顧寅[19]認(rèn)為大變形形成主要原因是高地應(yīng)力作用下圍巖的擠出和膨脹，且擠出起主導(dǎo)作用，采用錨索可有效控制隧道位移收斂，關(guān)鍵控制參數(shù)為錨索長度、間距和預(yù)應(yīng)力。李乾[20]采用數(shù)值模擬分析方法對錨索、錨桿聯(lián)合支護效果和傳統(tǒng)方式支護效果進(jìn)行對比。趙偉等[21]通過理論分析和數(shù)值模擬，對讓壓錨索作用機理和變形控制效果進(jìn)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(yù)緊力恒阻錨索支護技術(shù)，并通過相似模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測手段對該支護技術(shù)可靠性進(jìn)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(xiàn)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(wěn)定性和剪脹角控制方面開展預(yù)應(yīng)力錨索支護技術(shù)研究，為隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)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(shè)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(fēng)化炭質(zhì)板巖，薄層狀構(gòu)造，碎裂狀松散結(jié)構(gòu)。受斷層影響，該段巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)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(xiàn)點滴狀或淋雨狀出水情況。圍巖穩(wěn)定性差，初期支護不及時易產(chǎn)生較大面積的坍塌。

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

2 設(shè)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(zhì)板巖，巖層傾角為30°～60°，夾有薄厚不均的砂質(zhì)板巖，層厚3～10cm，如圖1所示。圍巖剛開挖后具有一定強度，經(jīng)24h后風(fēng)化較嚴(yán)重(見圖2)，給施工帶來較大難度。

施工期間發(fā)現(xiàn)初期支護變形收斂速率加大后，施工現(xiàn)場采取應(yīng)急措施進(jìn)行加密環(huán)向注漿補強，注漿補強后監(jiān)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(yīng)力方向影響，左側(cè)初期支護邊墻及拱部混凝土出現(xiàn)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(shè)計支護參數(shù)為：4.5m長φ42導(dǎo)管超前注漿，4m長φ25自進(jìn)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(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗和本工程實際施工效果，可知剛性支護體系對極高地應(yīng)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(jié)構(gòu)因未充分發(fā)揮巖體自承能力，往往無法承擔(dān)過大的地應(yīng)力，從而引起結(jié)構(gòu)破裂、失穩(wěn)和返修。

從大變形隧道實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場施工效果來看，參考常規(guī)軟巖大變形隧道設(shè)計支護參數(shù)時(如加大開挖預(yù)留變形量、超前注漿導(dǎo)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(tǒng)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(jié)構(gòu)不足以支撐斜井圍巖開挖后的釋放應(yīng)力和地應(yīng)力調(diào)整等。同時，炭質(zhì)板巖快速風(fēng)化導(dǎo)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(chǎn)生的爆破擾動和超欠挖對圍巖變形的影響較大，局部砂質(zhì)板巖占比較大的區(qū)間可采用傳統(tǒng)的支護方式，但對于局部薄層狀炭質(zhì)板巖占比較大的區(qū)間，因圍巖條件限制，需通過拆換初期支護進(jìn)行應(yīng)力釋放后重新施作加強的初期支護。

3 預(yù)應(yīng)力錨索支護技術(shù)的應(yīng)用

從國內(nèi)外諸多軟巖大變形隧道建設(shè)案例及煤礦巷道支護案例中可發(fā)現(xiàn)，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(shù)是基于常規(guī)軟巖大變形隧道確定的，對變形控制不力，為此通過優(yōu)化設(shè)計提出以高強預(yù)應(yīng)力錨索為主的快速支護體系，通過內(nèi)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(yīng)力和地應(yīng)力，解決隧道軟巖大變形問題。

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索支護參數(shù)

預(yù)留變形量30cm，取消φ42超前注漿小導(dǎo)管、環(huán)向φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，替換為預(yù)應(yīng)力錨索，長度分別為5，10m，縱向間距均為60cm。5m長預(yù)應(yīng)力錨索環(huán)向間距為100cm，10m長預(yù)應(yīng)力錨索環(huán)向間距為200cm，僅在拱頂至拱腰范圍內(nèi)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(shè)計臨時仰拱，改用三臺階法施工。上、中臺階長度適當(dāng)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(yù)裂爆破和弱爆破，減小爆破振動對圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索支護體系數(shù)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(nèi)摩擦角為25°，剪脹角為10°[23]。預(yù)應(yīng)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(cè)摩阻力為300kPa。

預(yù)應(yīng)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(nèi)嵌梁單元模擬。巖土材料采用15節(jié)點三角形單元模擬，服從莫爾-庫侖塑性屈服準(zhǔn)則。由于隧道處于極高應(yīng)力區(qū)，采用均勻的三向主應(yīng)力模擬隧道初始應(yīng)力場，模型平面內(nèi)豎向主應(yīng)力為7.3MPa，模型平面內(nèi)水平主應(yīng)力為11.6MPa，模型平面外主應(yīng)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(cè)約束水平位移。模擬步驟為：建立模型、增加地應(yīng)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(zhì)條件極差，工期緊張，安裝長錨索耗時相對較長，且對施工設(shè)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(shè)置短錨索的圍巖塑性區(qū)分布如圖7所示，當(dāng)隧道開挖完成后，圍巖塑性區(qū)已超過短錨索長度范圍，最大塑性區(qū)深度約10.5m，因此短錨索無法充分發(fā)揮錨固作用，支護體系存在失效風(fēng)險。經(jīng)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(yù)應(yīng)力是錨索支護的關(guān)鍵參數(shù)，按預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力50kN為基準(zhǔn)，錨索預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力加固效果和施工成本，最終選擇錨索預(yù)應(yīng)力為280kN，對應(yīng)的隧道塑性區(qū)如圖8所示。由圖8可知，錨索錨固段位于塑性區(qū)外，塑性區(qū)范圍較好地說明了預(yù)應(yīng)力錨索的支護效果。計算結(jié)果表明，采用長、短錨索結(jié)合的支護體系是合理、必要的。錨索在恢復(fù)圍巖三向應(yīng)力狀態(tài)、提升或恢復(fù)圍巖自承能力、分散周圍不均布圍巖荷載、控制高地應(yīng)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(huán)，保證隧道安全施工。拱部和拱腰的長錨索能夠充分發(fā)揮錨固和懸吊作用，有效控制圍巖變形。

4 隧道穩(wěn)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(jìn)入塑性狀態(tài)，由于節(jié)理裂隙擴張，圍巖發(fā)生剪脹，并隨時間加劇。另一方面，預(yù)應(yīng)力錨索長度對隧道結(jié)構(gòu)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(wěn)定性的影響。

Hoek等基于大量工程經(jīng)驗，建議質(zhì)量較好、質(zhì)量中等及質(zhì)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(zhǔn)則下剪脹角對塑性區(qū)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(dāng)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(nèi)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(guān)系如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)剪脹角<10°時，拱頂沉降小幅度增加，但當(dāng)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(yīng)力狀態(tài)。

5 預(yù)應(yīng)力錨索布置方式優(yōu)化及實施效果

5.1 預(yù)應(yīng)力錨索布置方式優(yōu)化

原設(shè)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(fā)揮長錨索有效控制圍巖變形的能力。但實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，每個循環(huán)進(jìn)尺長、短錨索施工時工序轉(zhuǎn)換繁瑣，大大降低工效，增加施工安全風(fēng)險。針對該問題，對錨索布置方式進(jìn)行優(yōu)化，如圖11所示。錨索縱向間距、環(huán)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(shè)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(shù)與前文一致，縱向長度取4m，錨索施加預(yù)應(yīng)力為280kN，隧道開挖進(jìn)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(yōu)化的預(yù)應(yīng)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(yōu)化前的結(jié)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(yōu)化方案，長錨索長度為10m，短錨索長度為5m，長、短錨索環(huán)向間距均為1m，縱向間距均為0.6m，錨索墊板下方設(shè)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(zhì)條件的復(fù)雜性，受支護時機等因素影響，實測變形與理論計算結(jié)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(jié)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(yīng)力薄層軟巖隧道支護設(shè)計方案，并通過數(shù)值模擬研究其加固效果，得出以下結(jié)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(yīng)變形能力，是較合理的支護方式，值得在類似工程中推廣應(yīng)用，對提高軟巖大變形隧道施工質(zhì)量和安全水平具有一定意義。

2)層狀軟弱圍巖在極高地應(yīng)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(huán)向和縱向交錯布置時的變形控制效果相當(dāng)，當(dāng)長、短錨索按環(huán)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(jìn)行錨索成孔設(shè)備轉(zhuǎn)換，工效高。

4)計算結(jié)果表明，設(shè)置錨索可有效控制圍巖變形。