超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

（北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044）

近年來我國高速鐵路快速發(fā)展，一些多線（3線及以上）鐵路隧道或車站隧道的單跨開挖跨度越來越大，有的可達30 m 以上。超大跨度隧道在鐵路中的應(yīng)用開始愈發(fā)廣泛，并成為鐵路地下工程的1 個重要研究領(lǐng)域。對于超大跨度隧道，隨著其開挖尺寸的增加，隧道圍巖應(yīng)力的演化過程愈發(fā)復(fù)雜，圍巖變形的控制難度顯著增大，在隧道建設(shè)過程中發(fā)生塌方等事故的風(fēng)險不斷上升，相應(yīng)地，隧道支護設(shè)計也面臨極大挑戰(zhàn)。

大跨度隧道的支護設(shè)計及施工方法引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，已有諸多相關(guān)研究見諸發(fā)表。在國內(nèi)，張頂立等［1］分析了大跨隧道不同開挖方法（臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）及支護方式下圍巖變形特點和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；龔彥峰等［2］和洪軍等［3］分析了新考塘隧道靴型大邊墻、分層開挖及多重支護技術(shù)；蔣樹屏等［4］通過相似模型試驗，模擬了扁平大跨隧道的施工過程；曲海峰［5］研究了大跨隧道的荷載計算方法；章慧健等［6］和朱正國等［7］分析了烏蒙山2 號隧道的圍巖松動區(qū)、支護特性及施工方法。在國外，Van??ek等［8］分析了捷克Kobylisy車站隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計及施工方案；Leblais 等［9］介紹了英法海峽隧道交叉口大跨段的建造方法；Sharifzadeh 等［10］基于位移反分析法，研究了伊朗Niayesh 大跨隧道設(shè)計方法；Sadaghiani 等［11］介紹了伊朗Mansour 車站隧道的建造方法；Robinson 等［12］分析了美國貝克山超大斷面隧道（直徑24.4 m）的地層—支護作用特性；Lunardi［13］和Park等［14］分別分析了意大利Venezia車站隧道和韓國923 車站隧道的大直徑管幕支護設(shè)計及施工過程。然而，現(xiàn)有的大跨度隧道建造方法仍大量采用臨時支護（中隔壁和臨時仰拱等）來實現(xiàn)分布分塊開挖，其施工空間較為狹窄，不利于大型機械設(shè)備的應(yīng)用。此外，臨時支護的拆除是1個復(fù)雜的力學(xué)轉(zhuǎn)換過程，極易發(fā)生支護失效，進而引發(fā)大變形和坍塌等工程災(zāi)害。因此十分有必要研究提出更為合理的支護形式，實現(xiàn)開挖過程中的圍巖穩(wěn)定和支護可靠，為隧道結(jié)構(gòu)的長期安全提供保障。

預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護是超大跨度隧道的1 種新的支護形式，早期主要應(yīng)用于大斷面煤礦巷道、地下水電站、地下體育場等大型地下空間的支護［15-17］，隨著巖土錨固技術(shù)的不斷進步，該方法開始應(yīng)用于大跨度鐵路隧道建設(shè)。本文以京張高鐵八達嶺長城站超大跨度隧道為工程案例，基于錨桿和錨索的軸力監(jiān)測結(jié)果，研究預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為，再結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果，分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理，探索這種新型錨固支護技術(shù)在超大跨度高鐵隧道領(lǐng)域的應(yīng)用可行性，以期為今后類似工程建設(shè)提供借鑒與參考。

1 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索軸力監(jiān)測

1.1 工程概況

京張高鐵八達嶺長城站的車站主體位于八達嶺長城下方山體中，最大埋深102 m，主體部分為3洞小凈距隧道；兩端為單拱超大跨度隧道，此處由正線處的2 線鐵路逐漸過渡為車站處的4 線鐵路，最大開挖跨度32.7 m，開挖面積494 m2；小凈距隧道與單拱超大跨度隧道之間由3 連拱隧道連接。車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面形式如圖1所示。

張家口方向超大跨度隧道巖體主要為燕山晚期侵入巖，如花崗巖、細粒花崗巖、偉晶花崗巖，斑狀二長花崗巖等；并發(fā)育有F2 斷層，該斷層與洞身相交于DK68+260—DK68+300（見圖1），與線路相交角35°，斷裂產(chǎn)狀為236°∠80°，為一壓扭性斷裂，上盤為花崗巖，下盤為斑狀二長花崗巖，斷層帶內(nèi)為壓碎巖，該區(qū)域巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，受斷層影響，超大跨度隧道5號斷面和連拱隧道局部區(qū)域的圍巖等級為Ⅴ級（張家口方向1號—5號斷面的圍巖分級依次為Ⅲ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅳ，Ⅴ）。

圖1 車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面圖（單位：m）

為實現(xiàn)京張高鐵八達嶺長城站的超大跨度隧道安全建設(shè)，探索應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護方法，調(diào)動圍巖自身承載能力來支護隧道荷載。預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索均采用先張法施工，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由錨頭、自由段、錨固段3部分組成。張家口方向大跨段各斷面處的錨桿、錨索支護參數(shù)見表1。

預(yù)應(yīng)力錨桿為中空鋼管，直徑32 mm、壁厚6 mm，設(shè)計強度205 kN，預(yù)應(yīng)力120 kN。最大開挖跨度處的錨桿長度達11 m。錨桿施工分為3步：①鉆孔并裝入錨桿桿體，使用水泥錨固劑對錨固段進行錨固；②在錨固段達到設(shè)計強度后，使用千斤頂對自由段進行張拉以施加預(yù)應(yīng)力，通過錨墊板和螺栓對預(yù)應(yīng)力進行鎖定；③對自由段進行注漿，注漿壓力為1～1.5 MPa，實現(xiàn)錨桿與圍巖的全長黏結(jié)。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索構(gòu)造

表1 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索長度

錨索索體由7 束或5 束直徑為15.2 mm 的鋼絞線組成，設(shè)計強度分別為1 000，700 kN，錨索預(yù)應(yīng)力是其設(shè)計強度的70%，分別為700，490 kN。最大開挖跨度處的錨索長度達25 m。錨索施工也分為3步進行，但與錨桿略有不同：①鉆孔并裝入錨索索體及注漿管，對自由段進行注漿，注漿壓力為1～2 MPa；②使用硫鋁酸鹽水泥漿對錨固段進行高壓注漿，注漿壓力為4～7 MPa，硫鋁酸鹽水泥早期強度高，3 d 即可達到設(shè)計錨固強度，可實現(xiàn)錨索的及時張拉；③錨固段達到設(shè)計強度后，安裝錨墊板，對自由段進行分級張拉以施加預(yù)應(yīng)力，使用楔形錨頭進行預(yù)應(yīng)力鎖定。施工中，注漿的作用在于充填鉆孔、擠密圍巖并防止錨索發(fā)生應(yīng)力腐蝕，注漿后錨索自由段處于非黏結(jié)狀態(tài)。

具體作業(yè)時，將超大跨度隧道劃分為4 臺階、11 步進行開挖，其開挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。每步開挖后及時施作初期支護，并安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索錨固圍巖。

圖3 超大跨度隧道開挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護結(jié)構(gòu)（單位：m）

1.2 監(jiān)測方案

該超大跨度隧道與F2斷層相交于最大跨度（5號）斷面，兼具破碎巖體（Ⅴ級圍巖）和超大跨度（32.7 m）這2 種特征，因此5 號斷面的開挖成為超大跨度隧道的建設(shè)難點。出于控制圍巖變形、確保圍巖穩(wěn)定等考慮，該區(qū)域設(shè)置的錨桿、錨索長度最長，錨索支護密度相應(yīng)增加。為了研究開挖過程中預(yù)應(yīng)力錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)行為，在施工階段對隧道5號斷面錨桿、錨索的軸力進行監(jiān)測，測點布置如圖4所示，監(jiān)測斷面里程為DK68+297。

預(yù)應(yīng)力錨桿自由段通過注漿體與圍巖相黏結(jié)，在錨桿與圍巖的協(xié)調(diào)變形過程中，其自由段各點處軸力出現(xiàn)不同程度的變化，故采用自由段多點軸力監(jiān)測、端部軸力監(jiān)測2種形式觀察錨桿軸力變化。

預(yù)應(yīng)力錨索自由段的鋼絞線外設(shè)有套管保護，錨索自由段不與圍巖黏結(jié)，在錨索與圍巖的協(xié)調(diào)變形過程中，其自由段不同位置處的軸力始終保持一致，故采用端部軸力監(jiān)測的形式觀察錨索軸力變化。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索軸力監(jiān)測點布置

1）預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點軸力監(jiān)測方案

對拱頂和左右拱腰處的錨桿進行自由段多點軸力監(jiān)測，可以詳盡地反映錨桿支護力沿軸向的變化規(guī)律，有利于揭示預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為。7 個測點沿自由段順次分布，間距分別為1.4，1.3，1.3，1.3，1.3，1.4 m，如圖5所示。所用傳感器為振弦式鋼筋計，監(jiān)測錨桿的安裝經(jīng)由錨桿段切割、錨桿段與傳感器連接、組裝監(jiān)測錨桿并放入鉆孔、錨桿張拉及注漿4步完成。

圖5 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段測點布置（單位：m）

2）預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測方案

對拱腳和邊墻處錨桿采用端部軸力監(jiān)測方法，是出于以下2 點考慮：其一，多點軸力監(jiān)測錨桿安裝過程復(fù)雜，傳感器監(jiān)測導(dǎo)線與鉆孔巖壁的摩擦可能導(dǎo)致線路損壞，特別是當鉆孔傾角較小時（拱腳及邊墻處），在安裝過程中會出現(xiàn)導(dǎo)線磨損導(dǎo)致多個傳感器失效的情況；其二，拱部錨桿監(jiān)測結(jié)果表明，錨桿端部的軸力與自由段上其他點處的相近，具有一定代表性。因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測方式，以提高傳感器的安裝效率和儀器存活率。

監(jiān)測使用的振弦式錨桿測力計安裝形式如圖6所示。在施加預(yù)應(yīng)力之前，將其套裝在錨桿端部即可。測力計兩端各有1個墊板，錨桿預(yù)應(yīng)力通過墊板均勻地傳遞到傳感器上。與多點軸力監(jiān)測方法相比，端部監(jiān)測方法安裝操作簡便，可在超大跨度隧道錨桿軸力監(jiān)測中大量應(yīng)用。

圖6 端部錨桿測力計及其示意圖

3）預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測方案

對錨索僅需測其端部軸力，這是因為錨索自由段的鋼絞線表面有套管保護，注漿后，錨索自由段與注漿體、圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài)，其軸力沿自由段不發(fā)生變化。

監(jiān)測使用的振弦式錨索測力計安裝形式如圖7所示。在錨索張拉階段，需對測力計進行安裝，且其安裝要求比較嚴格，錨墊板、上下墊板、錨索測力計、錨具、張拉千斤頂?shù)染鶓?yīng)與錨索孔同軸，以避免出現(xiàn)偏心荷載。

圖7 錨索測力計及其示意圖

2 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索力學(xué)行為

超大跨度隧道的開挖過程較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析困難較大。為了簡化分析，基于各開挖步在時間和空間上的分布，將超大跨度隧道的施工過程劃分為5 個階段，分別是：①導(dǎo)洞開挖；②上臺階開挖；③中臺階開挖；④下臺階開挖；⑤仰拱開挖及二襯施做。各階段劃分如圖8所示。在各施工階段劃分基礎(chǔ)上，對預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為進行分析。

圖8 超大跨度隧道開挖階段劃分

2.1 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點軸力監(jiān)測結(jié)果

隧道拱頂和左、右拱肩處的錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果如圖9和圖10所示，圖中Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力，錨桿軸向坐標原點定義為錨墊板處，錨桿測點位置以軸向坐標計算，具體分析如下。

圖9 錨桿多點軸力監(jiān)測

圖10 錨桿自由段軸力分布（單位：kN）

1）隧道拱頂錨桿軸力

對于拱頂處錨桿，在安裝后5～10 d 表現(xiàn)為較為典型的預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，但其自由段各點處的預(yù)應(yīng)力損失比例不同；3 個月后，錨桿軸力已基本趨于穩(wěn)定，然而當上臺階左、右側(cè)圍巖開挖后，由于拱頂處圍巖受到擾動，錨桿軸力發(fā)生較大損失；此后，隨著圍巖變形的發(fā)展，錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形，從而使錨桿軸力出現(xiàn)顯著增長。在第2、3 層臺階開挖過程中，拱頂錨桿各點處的軸力出現(xiàn)較大的離散，仰拱開挖及二襯施做后，錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定。綜合來看，拱頂錨桿軸力因受后續(xù)開挖過程的顯著影響，表現(xiàn)出波動特性；錨桿預(yù)應(yīng)力因巖體爆破振動和開挖擾動的存在，可能受到損失；錨桿軸力因受圍巖與錨桿協(xié)調(diào)變形的影響，又會出現(xiàn)增長。

2）左拱肩錨桿軸力

與先行導(dǎo)洞相比，上臺階左、右側(cè)開挖較晚，左、右拱肩處的錨桿安裝大概滯后拱頂處1年。

左拱肩錨桿在經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力快速損失階段后趨于穩(wěn)定；在第③和第④階段中、下臺階巖體開挖后，其錨桿軸力出現(xiàn)較為顯著的增長，即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起的錨桿被動支護力增長超過了其預(yù)應(yīng)力損失；在仰拱開挖及二襯施做過程中，錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

3）右拱肩錨桿軸力

右拱肩處錨桿也有著相似的力學(xué)行為，第③和第④階段中、下層臺階開挖使錨桿各點處的軸力出現(xiàn)不同幅度的增長，沿錨桿軸向各測點軸力出現(xiàn)較大的離散，錨桿軸力在開挖后期表現(xiàn)為緩慢的軸力下降過程。

4）以上3處錨桿的軸力分布

整理隧道拱頂和左、右拱肩處錨桿自由段軸力分布如圖10所示。由圖可知：錨桿軸力最大值出現(xiàn)在錨桿端部或靠近端部測點。這表明，靠近隧道開挖邊界處的圍巖變形相對較大，且圍巖變形受到預(yù)應(yīng)力錨桿的有效約束。錨桿的初始預(yù)應(yīng)力Fp1如圖中虛線所示，顯然，錨桿軸力總體上表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，除個別點軸力超過初始預(yù)應(yīng)力外，其他測點的錨桿軸力均小于初始預(yù)應(yīng)力。這表明，與預(yù)應(yīng)力損失的影響相比，錨桿被動支護作用帶來的軸力增長相對較小，因此錨桿軸力總體上表現(xiàn)為下降趨勢。

根據(jù)Freeman［18］中性點理論，全長黏結(jié)錨桿（無預(yù)應(yīng)力）的軸力及剪應(yīng)力分布如圖11所示，其剪應(yīng)力與軸力間關(guān)系可以表示為

式中：F為全長黏結(jié)錨桿的軸力；D為錨桿直徑；τb為錨桿與注漿體間剪應(yīng)力；L為錨桿軸向坐標；Fh為錨墊板支護力。

顯然，全長黏結(jié)錨桿（無預(yù)應(yīng)力）上存在1 個中性點，該點處錨桿與注漿體間剪應(yīng)力τb為0，且中性點兩側(cè)剪應(yīng)力反向。對于只有1個中性點的非預(yù)應(yīng)力錨桿而言，中性點也是其軸力最大值點。

然而預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力分布更為復(fù)雜。由圖10可知，在錨桿的自由段，其軸力存在多個極大值點和極小值點，這表明預(yù)應(yīng)力錨桿可能存在多個中性點，現(xiàn)以左拱肩處錨桿為例做進一步分析。

圖11 全長黏結(jié)錨桿（非預(yù)應(yīng)力）軸力及剪應(yīng)力分布

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段軸力及剪應(yīng)力分布的研究已經(jīng)較為成熟，根據(jù)現(xiàn)有研究［19-21］對其錨固段軸力分布曲線進行補全，基于式（1），可得到錨桿與注漿體之間的剪應(yīng)力分布曲線，如圖12所示。顯然，該錨桿自由段處存在3個中性點，分別出現(xiàn)在錨桿軸力的2 個極大值處和1 個極小值處。實際上，由于該預(yù)應(yīng)力錨桿長度達到11 m，且錨固巖體較為破碎，監(jiān)測所得的軸力極值點個數(shù)可能少于其實際個數(shù)。由此可知，預(yù)應(yīng)力錨桿上通常存在多個中性點，這是與現(xiàn)有普通錨桿（非預(yù)應(yīng)力錨桿）錨固理論存在較大差異的力學(xué)特性。

圖12 左拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿剪應(yīng)力分布

2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測結(jié)果

如前所述，多測點的錨桿測力計對鉆孔精度、安裝方法、導(dǎo)線保護等要求較高，且錨桿端部軸力基本可以反映錨桿自由段的受力情況，因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測方式，監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

圖13 錨桿端部軸力監(jiān)測

由圖可知：在左拱腰處，錨桿軸力增長較為顯著，下臺階開挖后，在錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過程中，錨桿軸力迅速增長并超過錨桿的初始預(yù)應(yīng)力，然后趨于穩(wěn)定，這表明仰拱開挖對拱腰處錨桿受力影響較小。在右拱腰處，錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后，軸力表現(xiàn)為波動下降的趨勢，直至初期支護閉合后軸力趨于穩(wěn)定。在左拱墻處，錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后，軸力基本趨于穩(wěn)定，這表明該處圍巖穩(wěn)定，受后續(xù)開挖影響較小。在右拱墻處，錨桿初始階段預(yù)應(yīng)力損失較小，但錨桿經(jīng)歷了一個較長的預(yù)應(yīng)力緩慢損失階段。

由前文分析可知，預(yù)應(yīng)力錨桿的支護力由3 個部分組成：①初始預(yù)應(yīng)力，也可稱為主動支護力；②預(yù)應(yīng)力損失，與錨具形式、安裝張拉工藝、桿體的材料特性、注漿體的壓縮等多種因素有關(guān)；③被動支護力，即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過程中的錨桿軸力增長。則預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力可表示為

式中：F1為錨桿軸力；Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力；Fs1為錨桿被動支護力；ΔFL1為錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

錨桿的初始預(yù)應(yīng)力在其張拉階段就已確定。在隧道開挖階段，預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力演化過程實際上是被動支護力和預(yù)應(yīng)力損失相互作用的過程：當被動支護力大于預(yù)應(yīng)力損失，錨桿表現(xiàn)為軸力的上升；當被動支護力小于預(yù)應(yīng)力損失，錨桿表現(xiàn)為軸力的下降。由此，錨桿的軸力演化過程可以劃分為3個階段。

1）預(yù)應(yīng)力快速損失階段

在錨桿安裝后10～20 d，預(yù)應(yīng)力損失遠大于被動支護力，錨桿表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài)，其預(yù)應(yīng)力損失率一般處于4%～12%之間，且自由段不同位置處出現(xiàn)軸力離散，各測點最大軸力差值為3～5 kN。

2）錨桿軸力波動階段

隨著開挖范圍的擴大，錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起被動支護力增長，根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力大小關(guān)系的不同，錨桿軸力表現(xiàn)為波動式的上升或下降，同時其自由段不同位置處的軸力出現(xiàn)較大的離散，各測點處最大軸力差值為20～30 kN。

3）錨桿軸力穩(wěn)定階段

隨著時間的推移、開挖擾動的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉，預(yù)應(yīng)力損失逐漸減弱，被動支護力也不再顯著增長，錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測結(jié)果

如前所述，預(yù)應(yīng)力錨索自由段與圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài)，其自由段各點處軸力相等，只需監(jiān)測錨索端部軸力即可，監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。拱頂處錨索經(jīng)過預(yù)應(yīng)力快速損失后，其軸力進入波動階段。受兩側(cè)圍巖開挖影響，錨索軸力出現(xiàn)較為顯著的增長；在中、下臺階開挖階段，受預(yù)應(yīng)力損失和開挖應(yīng)力釋放的雙重影響，錨索軸力較為穩(wěn)定。在下臺階開挖完成后，拱頂處圍巖基本穩(wěn)定，因此錨索軸力主要表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力緩慢損失狀態(tài)，并逐步趨于穩(wěn)定。

由圖可知：在左拱肩處，錨索張拉后的前10 d預(yù)應(yīng)力損失較大，損失值達到62 kN 后錨索軸力趨于穩(wěn)定，受上臺階右側(cè)及中、下臺階開挖影響，其支護力出現(xiàn)階段性的臺階式上升，直至開挖完成后趨于穩(wěn)定。在右拱肩處，錨索軸力增長較為顯著，中臺階開挖使錨索軸力快速增長，并超過其初始預(yù)應(yīng)力值。在左拱腰處，錨索軸力在下臺階開挖階段表現(xiàn)為波動上升，在仰拱開挖階段表現(xiàn)為緩慢下降并趨于穩(wěn)定。在右拱腰處，錨索經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力快速損失后，軸力略有上升，然后經(jīng)過一個較長的軸力下降區(qū)間，在仰拱開挖后趨于穩(wěn)定。在左拱墻處，錨索軸力演化也有類似的表現(xiàn)，但相比之下，右拱墻處錨索在鄰近斷面仰拱開挖時出現(xiàn)軸力臺階式上升的情況，表明該時段右拱墻處圍巖受到較大擾動，錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形使錨索軸力快速增長。

圖14 錨索軸力監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力錨索與預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為有相似之處，預(yù)應(yīng)力錨索支護力也是由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失、被動支護力這3部分組成，可表示為

式中：F2為錨索軸力；Fp2為錨索初始預(yù)應(yīng)力；Fs2為錨索被動支護力；ΔFL2為錨索預(yù)應(yīng)力損失。

同樣地，錨索的軸力演化過程也可以劃分為3個階段。

1）預(yù)應(yīng)力快速損失階段

在錨索安裝后10～30 d，預(yù)應(yīng)力損失遠大于被動支護力，錨索表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài)，其預(yù)應(yīng)力損失率為2%～8%。

2）錨索軸力波動階段

在經(jīng)過預(yù)應(yīng)力快速損失階段后，預(yù)應(yīng)力損失減小；受下部開挖帶來的圍巖擾動影響，錨索與圍巖發(fā)生協(xié)調(diào)變形，錨索被動支護力開始增大；在開挖的不同階段，預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力的大小關(guān)系不斷變化，導(dǎo)致軸力不斷波動；當被動支護力較大時，錨索軸力出現(xiàn)波動上升趨勢，被動支護力很大時甚至出現(xiàn)軸力臺階式上升的情況；當被動支護力較小而預(yù)應(yīng)力損失值較大時，錨索軸力表現(xiàn)為波動下降趨勢。

3）錨索軸力穩(wěn)定階段

隨著時間的推移、開挖擾動的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉，預(yù)應(yīng)力損失效應(yīng)和被動支護效應(yīng)逐漸減弱甚至消失，錨索軸力趨于穩(wěn)定。

2.4 錨桿—錨索支護作用評價

為了評價超大跨度隧道錨桿—錨索協(xié)同支護效果，分析后續(xù)開挖對錨桿—錨索支護體系的影響，在先行導(dǎo)洞拱頂最后1次噴鋼纖維混凝土?xí)r（導(dǎo)洞開挖完成后6 個月），于DK68+297 斷面拱頂埋設(shè)沉降測點，其監(jiān)測結(jié)果如圖15所示。

圖15 拱頂沉降監(jiān)測

由圖可知：在上臺階左、右側(cè)開挖面向測點位置推進時，拱頂沉降增長較快；在左、右拱肩處預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護完成后，拱頂沉降不再繼續(xù)增長。在中臺階開挖時，拱頂沉降變形繼續(xù)增大，拱腰處支護完成后，沉降值趨于穩(wěn)定。下臺階開挖對拱頂圍巖變形影響較小，但是在仰拱開挖階段，拱頂沉降顯著增大，這一方面是由于仰拱開挖造成的，另一方面則是由于距測點12 m 處的3 連拱隧道中洞開挖，使拱頂處圍巖受到擾動所致。

結(jié)合實際來看，當3 連拱中洞開挖完成后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，最大拱頂沉降值為30.9 mm，圍巖變形量滿足安全性要求。對于開挖跨度達到32.7 m、開挖時間長達2年的超大跨隧道來說，這足以表明預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護體系可以有效控制圍巖變形，新型錨固支護體系的應(yīng)用成為八達嶺長城站超大跨度隧道建設(shè)成功的關(guān)鍵。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護效應(yīng)

在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護體系中，錨桿、錨索支護區(qū)域不同，且錨桿、錨索支護區(qū)域內(nèi)的圍巖受到不同程度的開挖擾動。研究錨桿及錨索支護區(qū)域的圍巖損傷特性和穩(wěn)定性特征，對分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護效應(yīng)具有重要意義。

3.1 超大跨度隧道微震監(jiān)測

隧道開挖過程中，會對圍巖造成擾動，使巖體薄弱處發(fā)生開裂。這一巖體開裂過程伴隨著裂隙能量釋放，對其發(fā)出的微震信號加以采集和處理，可以獲取巖體損傷中微裂紋的位置、大小和破壞進程等信息，從而對隧道圍巖的損傷特性和發(fā)展趨勢進行分析［22-24］。

在京張高鐵八達嶺長城站大跨度隧道建設(shè)中，采用微震監(jiān)測技術(shù)分析圍巖損傷特性，以進一步分析、印證預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的支護效應(yīng)。微震監(jiān)測系統(tǒng)由檢波器、GPS 時鐘同步裝置、數(shù)據(jù)采集儀、供電設(shè)備、光纖交換機、數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)組成，如圖16所示。

圖16 微震系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖17 微震事件平面分布圖（全部微震事件的10%）

對超大跨度隧道開挖全過程進行微震監(jiān)測，獲得隧道周圍的微震事件分布如圖17所示，微震事件根據(jù)矩震級的不同，以顏色、大小不同的點來表示。由圖可知，沿隧道切向來看，越接近隧道開挖輪廓，其矩震級越大；沿隧道軸向來看，隨著開挖跨度的增大以及圍巖質(zhì)量的降低，微震事件的密度和矩震級逐漸增大。

根據(jù)微震事件分布密度和矩震級的不同［25-27］，可將圍巖劃分為開挖高損傷區(qū)、開挖低損傷區(qū)和開挖擾動區(qū)。其中，高損傷區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差，易發(fā)生塌方等事故，是隧道支護的重點，整理其沿隧道周邊的分布見表2。為了避免圍巖損傷程度的加劇和高損傷區(qū)范圍的擴大，需要對高損傷區(qū)圍巖進行及時、可靠的支護，以保證超大跨度隧道的施工安全。

表2 大跨度隧道圍巖開挖高損傷區(qū)范圍匯總

3.2 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索共同應(yīng)用于超大跨度隧道支護時，錨桿和錨索因其支護區(qū)域、支護密度、預(yù)應(yīng)力及承載能力的特點而發(fā)揮相應(yīng)的作用，取超大跨度隧道局部區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護進行分析，如圖18（a）所示。圖中：預(yù)應(yīng)力錨桿的支護密度較大，錨桿安裝并張拉完成后，錨頭和錨固段處的預(yù)應(yīng)力Fp1擠壓圍巖，以∠α向圍巖中擴散形成1個錐形壓縮區(qū)，各個錐形壓縮區(qū)相互重疊連接形成均勻的連續(xù)壓縮帶［28-29］。在該區(qū)域內(nèi)，錨桿的預(yù)應(yīng)力主動支護作用提高了圍巖的最小主應(yīng)力σ3，從而顯著提高了圍巖強度；反過來，圍巖的進一步變形也會受到錨桿被動支護力Fs1的約束，圍巖與錨桿共同組成了1個有較強承載力的拱結(jié)構(gòu)，稱之為組合拱，根據(jù)圖18（a）中所示幾何關(guān)系，組合拱的厚度可以表示為

式中：db為組合拱厚度；Lb1為預(yù)應(yīng)力錨桿自由段長度；r為隧道曲率半徑；Sb1為錨桿間距；b為錨桿墊板寬度；α為壓力擴散角（常取α=45°進行計算）。

在超大跨度隧道支護中，由于錨索的支護間距較大，往往不考慮其拱效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)點在于超長的支護長度和極強的承載能力，因此錨索一般錨固于深部的穩(wěn)定巖體中，其錨固段處圍巖變形較小，可以認為是1個固定點。通過超長的錨固深度，錨索調(diào)動深部巖體的承載能力支護圍巖，一方面發(fā)揮預(yù)應(yīng)力Fp2的主動支護作用加固組合拱，分擔(dān)一部分圍巖荷載；另一方面，由于組合拱內(nèi)圍巖的不均勻性和荷載分布的不均勻性，組合拱內(nèi)可能存在穩(wěn)定性較差的潛在失穩(wěn)區(qū)，在錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形的過程中，錨索被動支護力Fs2將有效加固變形較大的組合拱潛在失穩(wěn)區(qū)，確保圍巖穩(wěn)定。

根據(jù)圍巖漸進破壞及穩(wěn)定性的特征，可將穩(wěn)定性差且距離隧道邊界近的高損傷區(qū)巖體劃分為淺層圍巖；將穩(wěn)定性較好且距離隧道邊界較遠的低損傷區(qū)巖體及擾動區(qū)巖體劃分為深層圍巖［30-31］。根據(jù)表2列出的高損傷區(qū)（淺層圍巖）邊界，最大跨度斷面錨桿—錨索支護范圍及深、淺層圍巖分布如圖18（b）所示。由上述分析可知，在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護體系中，預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索因其支護范圍、支護密度的不同，在體系中發(fā)揮的作用也不同，其支護機理可總結(jié)為：錨桿主要分布在淺層圍巖內(nèi)部，錨桿預(yù)應(yīng)力擠壓巖體，在相鄰錨桿壓縮區(qū)相互疊加作用下，形成1個由錨桿和圍巖共同組成的組合拱結(jié)構(gòu)來承擔(dān)圍巖荷載；由于隧道跨度很大，組合拱難以承擔(dān)全部圍巖荷載，錨固于深層圍體中的預(yù)應(yīng)力錨索，可調(diào)動深層圍巖的承載能力，分擔(dān)錨桿組合拱承擔(dān)的圍巖荷載，加固組合拱潛在失穩(wěn)區(qū)，從而提高錨桿組合拱穩(wěn)定性。

圖18 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

4 結(jié) 論

預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力3部分組成；預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力演化過程均可劃分為預(yù)應(yīng)力快速損失、軸力波動和軸力穩(wěn)定等3個階段；預(yù)應(yīng)力錨桿軸力沿自由段非均勻分布，在自由段上存在多個中性點。

預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理可總結(jié)為：淺層圍巖內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力錨桿與被錨固巖體共同組成了組合拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖荷載，預(yù)應(yīng)力錨索則調(diào)動深層圍巖承載力承擔(dān)圍巖荷載，提高組合拱穩(wěn)定性；在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的協(xié)同作用下，超大跨度隧道圍巖得到有效支護。