擠壓性圍巖大跨隧道預(yù)應(yīng)力錨索作用機(jī)制研究

□文/王仁杰

特大斷面隧道施工，往往采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，需要施作大量的臨時(shí)支撐，拆除時(shí)存在支護(hù)體系受力轉(zhuǎn)換的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索將內(nèi)撐轉(zhuǎn)為外錨，能有效降低拆撐時(shí)的結(jié)構(gòu)體系受力風(fēng)險(xiǎn)并解決作業(yè)空間狹小的問(wèn)題；同時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索可以解決擠壓性圍巖中二次襯砌施作后承受過(guò)大形變壓力的問(wèn)題，從而避免襯砌建成后出現(xiàn)裂損的高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。苗增潤(rùn)[1]將預(yù)應(yīng)力錨索與初期支護(hù)鋼架、噴射混凝土及系統(tǒng)錨桿組成的聯(lián)合支護(hù)體系稱(chēng)為索拱聯(lián)合支護(hù)。唐國(guó)榮等[2]認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力錨索在大斷面山嶺隧道中的使用，外錨代替內(nèi)撐的優(yōu)勢(shì)很明顯，是一種應(yīng)用前景比較好的支護(hù)技術(shù)，建議今后推廣應(yīng)用。

擠壓性圍巖隧道中出現(xiàn)襯砌裂損，尤其是運(yùn)營(yíng)階段裂損的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)比一般圍巖隧道高，但在以往建設(shè)中使用預(yù)應(yīng)力錨索的工程案例比較少見(jiàn)。臺(tái)灣省木柵隧道是我國(guó)首見(jiàn)公路隧道擠壓大變形環(huán)境使用預(yù)應(yīng)力錨索的工程實(shí)踐[3]。調(diào)查顯示本文所依托的蘭渝鐵路新城子隧道是我國(guó)鐵路隧道中首次大規(guī)模采用預(yù)應(yīng)力錨索解決擠壓性問(wèn)題的工程實(shí)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(nèi)，全長(zhǎng)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(yīng)力區(qū)，洞身最大水平主應(yīng)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(yīng)力為6.81～12.14 MPa。掌子面出露的三疊系炭質(zhì)板巖呈薄層碎片狀，傾角陡，走向與洞軸線大致平行，巖體強(qiáng)度極低。

受設(shè)置車(chē)站的影響，隧道出口為喇叭口結(jié)構(gòu)，施工中在DK275+625～DK275+815 段設(shè)置雙線單洞與雙洞單線的過(guò)渡段。其中DK275+720～DK275+770 段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，開(kāi)挖跨度達(dá)21.06 m，開(kāi)挖斷面積291.79m2。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 大跨段平面

圖2 DK275+770開(kāi)挖斷面

2 施工情況

大跨段采用雙層初期支護(hù)，開(kāi)挖預(yù)留變形量40 cm，初噴30 cm厚C25混凝土，拱墻設(shè)置φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；全環(huán)設(shè)H200型鋼架，間距0.6 m/榀，鋼架接頭處設(shè)R38N 自進(jìn)式錨桿進(jìn)行鎖腳，長(zhǎng)8 m，共計(jì)14 根。拱部設(shè)φ42 mm 超前小導(dǎo)管并注水泥漿，長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距30 cm，縱向間距1.2 m[5]。在超前支護(hù)的保護(hù)下，依次開(kāi)挖導(dǎo)洞1～9，開(kāi)挖進(jìn)尺為2.8 m，及時(shí)施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐，使導(dǎo)洞封閉成環(huán)，施作錨索并于初期支護(hù)施作后、二次支護(hù)施作前分別張拉至設(shè)計(jì)錨固力的30%、70%，待隧道成洞8～10 m時(shí)逐榀拆除臨時(shí)支撐，施作襯砌。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法

模擬同等參數(shù)下的不同工況，對(duì)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)差進(jìn)行對(duì)比，分3 種工況。這種對(duì)比法較計(jì)算結(jié)果可減少參數(shù)的影響，相對(duì)差的計(jì)算方式

相對(duì)差=對(duì)比工況/工況1×100%

采用摩爾-庫(kù)倫三維彈塑性模型，尺寸邊界為200 m×200 m×10 m，隧道開(kāi)挖尺寸取22.66 m×18.34 m，埋深取530 m，圍巖側(cè)壓力系數(shù)取0.875[6]，初期支護(hù)厚度取60 cm，襯砌厚度取80 cm。圍巖與初期支護(hù)采用實(shí)體單元，襯砌采用殼單元。計(jì)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(yīng)力。錨索長(zhǎng)度取12 m，施作后在端頭一次性施加預(yù)應(yīng)力400 kN。支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。由于采用對(duì)比分析，本文不考慮應(yīng)力釋放率影響。

表1 計(jì)算參數(shù)

工況1 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法依次開(kāi)挖導(dǎo)洞1～9，縱深方向開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m，具體方法：1 號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖0～3 m，及時(shí)施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐，隨后進(jìn)行1 號(hào)導(dǎo)洞3～6 m 的開(kāi)挖、2 號(hào)導(dǎo)洞0～3 m 的開(kāi)挖，如此往復(fù)循環(huán)。待隧道全部貫通后，一次性拆除所有臨時(shí)支護(hù)，而后施作二次襯砌，此工況不施作錨索。

工況2在掌子面開(kāi)挖后及時(shí)施作預(yù)應(yīng)力錨索。見(jiàn)圖3。

圖3 工況2及時(shí)施作錨索計(jì)算模型

工況3在工況2的基礎(chǔ)上，調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨索施作時(shí)機(jī)，錨索滯后掌子面2倍導(dǎo)洞洞徑，即5 m施作。

3.2 結(jié)果分析

3種工況下的初期支護(hù)變形情況見(jiàn)表2。

表2 變形結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出：有錨索的工況2較無(wú)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(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)初期支護(hù)變形的約束作用非常明顯，取消施作或推遲施作均會(huì)造成初期支護(hù)變形增大。3種工況的襯砌平均軸力對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 襯砌平均軸力對(duì)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(jìn)一步減小。從襯砌結(jié)構(gòu)受力的角度，不宜過(guò)早施作錨索。對(duì)錨索施作時(shí)機(jī)取取多種工況進(jìn)一步計(jì)算，得出變化規(guī)律，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 初期支護(hù)變形隨錨索施作時(shí)機(jī)變化

圖5 襯砌受力隨錨索施作時(shí)機(jī)變化

由圖4 和圖5 可以看出：隨著錨索施作時(shí)間的推遲，地應(yīng)力得到釋放，初期支護(hù)位移雖然增加，但始終小于無(wú)錨索的工況1，如20d步距初期支護(hù)位移仍小于工況1 約2%，同時(shí)，錨索推遲施作襯砌受力不僅較無(wú)錨索的工況1顯著減小，而且較及時(shí)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(wú)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(wú)錨索施工減小了49.2%，比工況2減小了33.2%。

數(shù)值模擬分析表明，大跨斷面施作預(yù)應(yīng)力錨索后，襯砌結(jié)構(gòu)的受力得到了很大改善，襯砌全環(huán)平均軸力較無(wú)錨索襯砌減小了24%，而且初期支護(hù)位移也有明顯減小。驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力錨索不僅可以有效控制初期支護(hù)位移來(lái)減小擠壓性圍巖大跨雙側(cè)壁施工拆撐的高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，而且可以使襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)論

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索在擠壓性圍巖中的施作時(shí)機(jī)，數(shù)值模擬分析表明，拉開(kāi)錨索施作的步距即錨索滯后掌子面的距離，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力和初期支護(hù)位移的影響均顯著。襯砌結(jié)構(gòu)的受力改善是通過(guò)初期支護(hù)位移增加換來(lái)充分的應(yīng)力釋放來(lái)取得的，而初期支護(hù)位移由于錨索的有效控制始終小于無(wú)錨索的工況1；因此可以認(rèn)為，在擠壓性圍巖大跨隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工中，采用預(yù)應(yīng)力錨索并延遲施作或張拉，是實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索在擠壓性圍巖中既有效控制變形又不影響應(yīng)力釋放的有效途徑；對(duì)確保擠壓性圍巖大跨隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免因圍巖的擠壓性使襯砌施作后出現(xiàn)裂損，尤其是在運(yùn)營(yíng)階段裂損的高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，具有重要意義。同時(shí)要注意的是，本模擬中未施作錨索的工況1 在計(jì)算過(guò)程中未出現(xiàn)失穩(wěn)破壞；在此基礎(chǔ)上工況3 充分釋放地應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨索。