淺埋大斷面隧道過破碎帶開挖支護(hù)方案對(duì)比研究
——以青島地鐵6號(hào)線創(chuàng)智谷站為例

馬行之， 鐘 科， 徐東明， 翟兆璽， 詹家旺， 方 毅

(1. 山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院， 山東 青島 266590； 2. 中鐵二局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610031；3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

目前，我國城鎮(zhèn)化的進(jìn)程迅速推進(jìn)，大量人口涌進(jìn)城市，交通擁擠、建筑空間變小、城市綠化率降低等問題日益突出，高效地開發(fā)與利用城市地下空間是解決這些問題的有效途徑[1]。新奧法作為開發(fā)地下資源、開挖支護(hù)隧道的重要手段，在地下工程中廣泛應(yīng)用[2]。但近年來，隨著隧道跨度的增大，圍巖地質(zhì)條件逐漸復(fù)雜，隧道建設(shè)向著支護(hù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的方向發(fā)展，特別是當(dāng)巖層中存在破碎帶時(shí)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖塊之間黏結(jié)力差，支護(hù)不當(dāng)存在圍巖坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[3]，設(shè)計(jì)合理的隧道支護(hù)體系對(duì)控制圍巖的變形尤為重要。

針對(duì)破碎帶區(qū)域的圍巖變形控制問題，諸多學(xué)者開展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)分析。例如： 來弘鵬等[4]通過地表注漿法對(duì)淺埋暗挖、穿越巖石破碎帶的隧道地層進(jìn)行注漿加固，使支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力特征得到極大的改善； 朱衛(wèi)東[5]討論了穿破碎帶時(shí)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在超前注漿后圍巖變形的控制效果； 王道遠(yuǎn)等[6]對(duì)比了單層、雙層、剛性、超前導(dǎo)洞與擴(kuò)挖結(jié)合4種支護(hù)方案對(duì)隧道破碎帶變形的控制效果，證明剛性支護(hù)實(shí)現(xiàn)了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形的目的； 宋瑞剛等[7]通過構(gòu)建破碎帶失穩(wěn)力學(xué)模型，證明失穩(wěn)破壞與隧道的幾何參數(shù)、巖體條件與支護(hù)剛度相關(guān)； 崔嵐等[8]研究了軟弱破碎帶工程中，臺(tái)階法與單側(cè)導(dǎo)坑法的圍巖變形特征，發(fā)現(xiàn)單側(cè)壁導(dǎo)坑法部序多，對(duì)圍巖擾動(dòng)頻繁，圍巖壓力高于臺(tái)階法95%； 唐曉杰等[9]為解決隧道穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定性問題，通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CD法相互轉(zhuǎn)換的方式，將變形影響范圍控制為12.4 m； 雷軍等[10]采用凍結(jié)法加固破碎帶地層，將拱頂格柵鋼架的最大壓應(yīng)力控制為101.6 MPa，圍巖自承能力增強(qiáng)； 劉聰?shù)萚11]開展大斷面穿破碎帶地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，還原了現(xiàn)場(chǎng)CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法在分部開挖過程中的圍巖位移及應(yīng)力釋放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍巖變形經(jīng)歷緩慢增加—急劇增大—穩(wěn)定狀態(tài)，且破碎帶未進(jìn)行開挖時(shí)，圍巖便發(fā)生超前變形。綜上所述，各實(shí)際工程特點(diǎn)不一，但在隧道過破碎帶施工過程中，大多采用CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，增加臨時(shí)橫撐降低開挖跨度、輔助注漿錨桿加固破碎帶裂隙的方式控制圍巖變形。以上開挖支護(hù)方法大大降低了施工工效。

近年來，以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的支護(hù)體系逐漸成熟，及時(shí)主動(dòng)作用可顯著改善圍巖條件[12]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的過破碎帶開挖支護(hù)體系，開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，與CD法支護(hù)體系進(jìn)行對(duì)比，并在大跨度隧道中進(jìn)行應(yīng)用，監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力演化特征，驗(yàn)證支護(hù)方案的有效性。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)概況

青島地鐵6號(hào)線創(chuàng)智谷站位于山東青島，為地下2層島式暗挖車站，車站全長(zhǎng)203.6 m，站臺(tái)寬為11 m，車站起訖里程為YDK26+544.261～+747.861，開挖跨度為21.5 m，高度為18.5 m，拱頂埋深為22.5～27.9 m，隧道斷面為310 m2，屬于超大斷面。

隧道所處地質(zhì)剖面如圖1所示。由地表至隧道依次為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，隧道洞身位于微風(fēng)化花崗巖中，圍巖以Ⅳ級(jí)為主，在里程YDK26+578.061與YDK26+688.361區(qū)域內(nèi)分布2條走向?yàn)镹W的破碎帶，向西北延伸，寬度為7～20 m，拱頂破碎帶厚度較小(0.5～1.8 m)，傾角為60°～80°。

破碎帶內(nèi)以砂土狀和塊狀碎裂巖為主，掌子面圍巖如圖2所示。巖體剪節(jié)理裂隙發(fā)育，在塊狀碎裂巖構(gòu)造巖發(fā)育地段，巖體破碎強(qiáng)烈，巖塊之間黏結(jié)力較差，洞身通過該段時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)掉塊甚至坍塌的現(xiàn)象。

1.2 破碎地段施工方案

在破碎帶區(qū)域內(nèi)，原設(shè)計(jì)方案為拱部CD法與注漿錨桿結(jié)合的施工方案，通過設(shè)置1道臨時(shí)豎向支撐以降低隧道開挖跨度，實(shí)現(xiàn)控制圍巖變形的目的，開挖方式如圖3(a)所示。采用以注漿錨桿為核心的被動(dòng)支護(hù)體系，通過拱部4部—中臺(tái)階—下臺(tái)階的開挖步序，順序?yàn)棰佟凇邸堋饟巍荨蕖摺唷帷?/p>

圖1 地質(zhì)剖面圖

圖2 掌子面圍巖情況

在以往研究中發(fā)現(xiàn)： 以注漿錨桿為核心的被動(dòng)支護(hù)方式難以調(diào)動(dòng)圍巖自承能力，對(duì)圍巖條件改善能力有限，甚至?xí)茐膰鷰r穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生負(fù)面影響[13-14]； 主動(dòng)支護(hù)能夠?qū)㈠^固力傳遞至圍巖深部，將二維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維應(yīng)力狀態(tài)，提高巖石強(qiáng)度，圍巖抵抗變形能力強(qiáng)，在煤礦與深埋隧道中廣泛應(yīng)用[15]。根據(jù)工程實(shí)際情況，在破碎帶區(qū)域設(shè)計(jì)以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的支護(hù)方式，同時(shí)為了避免過破碎帶過程中臺(tái)階法—CD法—臺(tái)階法頻繁的施工轉(zhuǎn)換，降低CD法拆撐時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)械作業(yè)效率，將CD法改進(jìn)為分部臺(tái)階法，形成“分部臺(tái)階法開挖，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)”為核心的體系，如圖3(b)所示。通過拱部4部—中臺(tái)階—下臺(tái)階的開挖步序，順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖摺唷帷?/p>

2種開挖方案支護(hù)參數(shù)如表1所示?？梢钥闯觯?預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，錨固段長(zhǎng)度為1.2 m，預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為100 kN，施工步序?yàn)榛炷脸鯂姟A(yù)應(yīng)力錨桿施工—架設(shè)格柵拱架—混凝土復(fù)噴，形成“預(yù)應(yīng)力錨桿、格柵鋼架、混凝土噴層”的支護(hù)體系。

(a) CD法開挖方案 (b) 分部臺(tái)階法開挖方案

2 變形控制效果數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型建立

為對(duì)比拱部CD法與注漿錨桿、分部臺(tái)階法與預(yù)應(yīng)力錨桿施工方法的優(yōu)劣性，在里程YDK26+578.061的破碎帶50 m范圍內(nèi)，建立Ⅳ2級(jí)圍巖的地質(zhì)仿真模型。地質(zhì)模型如圖4所示。由地表至隧道依次為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，模型尺寸為100 m(長(zhǎng))×50 m(寬)×80 m(高)，破碎帶寬度為7 m，由地表延伸至巖體深部，在模擬中對(duì)開挖區(qū)域網(wǎng)格加密。圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，格柵鋼架采用beam單元，模型破壞服從摩爾-庫侖準(zhǔn)則。

表1 2種開挖方案支護(hù)參數(shù)

圖4 地質(zhì)模型(單位： m)

中空注漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿均采用cable單元模擬，通過切斷錨桿最外端的錨桿單元與圍巖的連接，重新建立圍巖剛性接觸以模擬托盤。2種錨桿的錨固段參數(shù)分別與現(xiàn)場(chǎng)錨固劑、水泥砂漿的參數(shù)保持一致，以保證錨固效果，將預(yù)應(yīng)力施加在錨桿的自由段，當(dāng)模型收斂后則施加預(yù)應(yīng)力完成。其中，中空注漿錨桿參數(shù)確定需采用等效彈性模量，等效彈性模量按式(1)計(jì)算。

E1A1+E2A2=E12(A1+A2) 。

(1)

式中：E1和A1分別為注漿錨桿桿體的彈性模量和橫截面積；E2和A2分別為砂漿體的彈性模量和橫截面積；E12為注漿錨桿等效體的彈性模量。

隧道地質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.2 開挖及支護(hù)參數(shù)

分部臺(tái)階法與CD法的開挖方案，依次按圖3中導(dǎo)洞①—②—③—④—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨的步序進(jìn)行開挖，導(dǎo)洞間隔10 m后進(jìn)行下一導(dǎo)洞的開挖。CD法分別在導(dǎo)洞①、②開挖后架設(shè)鋼支撐，當(dāng)拱部貫通后進(jìn)行拆除。

在數(shù)值計(jì)算中，2種支護(hù)體系的錨桿、格柵鋼架與混凝土噴層支護(hù)參數(shù)如表1所示，預(yù)應(yīng)力錨桿、中空注漿錨桿、格柵鋼架力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 力學(xué)參數(shù)

2.3 拱頂沉降

破碎帶中心y=25 m斷面處，2種開挖支護(hù)方案在隧道拱部開挖過程的拱頂沉降曲線如圖5所示。其中，曲線起始點(diǎn)為數(shù)值模型表面y=0處①導(dǎo)洞的開挖點(diǎn)，在18 000步前后擴(kuò)挖至破碎帶監(jiān)測(cè)斷面。

2種開挖方法的拱頂沉降演化過程具有顯著差異，在拱部開挖完成后，沉降值分別穩(wěn)定為11.5 mm和6.8 mm，證明采用臺(tái)階法與預(yù)應(yīng)力錨桿的施工方案對(duì)圍巖變形的控制具有顯著優(yōu)勢(shì)。

(a) CD法開挖

(b) 分部臺(tái)階法開挖

在開挖過程中，未擴(kuò)挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，CD法提前出現(xiàn)沉降，如圖5(a)所示?？梢钥闯觯?1)超前變形量為0.8 mm； 2)擴(kuò)挖至破碎帶時(shí)，拱頂下降速率迅速增大，即使在安裝中隔壁后，導(dǎo)洞①開挖期間的沉降量仍達(dá)3.4 mm； 3)導(dǎo)洞②期間的沉降速率仍處于較高水平，沉降量為3.3 mm，此時(shí)CD法中隔壁已經(jīng)成型，但由于隧道中多導(dǎo)洞同時(shí)開挖的緣故，兼受掌子面前方的②導(dǎo)洞、掌子面后方的④導(dǎo)洞的影響，沉降值達(dá)3.2 mm； 4)當(dāng)導(dǎo)洞④開挖結(jié)束，拱部的支護(hù)結(jié)構(gòu)完全成型后，圍巖變形得到了有效控制，拆除鋼撐后的變形僅為0.2 mm，對(duì)拱頂?shù)臄_動(dòng)作用小。

與CD法相比，以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的臺(tái)階法開挖超前變形量小，如圖5(b)所示?？梢钥闯觯?1)開挖至破碎帶監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂超前變形量?jī)H為0.2 mm； 2)由于導(dǎo)洞①支護(hù)區(qū)域占拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)的70%，導(dǎo)洞①開挖造成的沉降量最大，為3.9 mm，占總變形量的57%； 3)在①導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)成型后，導(dǎo)洞②、③開挖對(duì)圍巖的影響作用減小，分別為1.2 mm和1 mm； 4)導(dǎo)洞①、②、③支護(hù)結(jié)束后，拱部支護(hù)完成成型，隧道抵抗圍巖變形能力強(qiáng)，導(dǎo)洞④的開挖對(duì)圍巖變形影響作用顯著減小，變化量?jī)H為總變形量的3%。

2.4 圍巖位移

拱部開挖完成后的水平位移云圖如圖6所示。可以看出： 1)CD法的水平位移量均大于臺(tái)階法，拱部各部位位移量分布不均，2種開挖方案的位移量最大部位均在拱腳處，分別為2.4 mm和1.5 mm，平均位移量減小38%； 2)CD法的圍巖變形由隧道拱頂延伸至地表，對(duì)地面的影響范圍大。

(a) CD法 (b) 分部臺(tái)階法

隧道開挖完成水平位移云圖如圖7所示。可以看出： 1)CD法的水平位移量、影響范圍仍大于分部臺(tái)階法，位移集中區(qū)域由圖6中的拱腳部位向下臺(tái)階邊墻位置轉(zhuǎn)移，左右邊墻部位呈對(duì)稱分布，最大位移量分別為4.3 mm和2.9 mm，平均位移量減小32%； 2)在主動(dòng)支護(hù)作用下，圍巖的水平位移可以得到有效控制，支護(hù)效果優(yōu)于被動(dòng)支護(hù)體系的CD法。

(a) CD法 (b) 分部臺(tái)階法

2.5 開挖擾動(dòng)影響分析

在隧道開挖-支護(hù)過程中，圍巖受擾動(dòng)后應(yīng)力重新分布，在調(diào)整過程中巖體在一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生位移。CD法與分部臺(tái)階法拱部、整體開挖結(jié)束后的x-z平面、z-y平面與x-y平面在受擾動(dòng)后的位移場(chǎng)分布如圖8和圖9所示。

由圖8可知： 1)在隧道橫向x-z平面內(nèi)，跨度為21.5 m的隧道，CD法中位移大于3 mm的跨度達(dá)到27 m，受擾動(dòng)的范圍為開挖跨度的1.3倍，同樣在支護(hù)作用下，如圖8(d)主動(dòng)支護(hù)圍巖的擾動(dòng)為16 m，影響范圍減小40%； 2)在z-y平面內(nèi)，破碎帶區(qū)域內(nèi)變形量最大，以破碎帶為中心向地面與圍巖深處延伸，其中，CD法在y方向上的開挖范圍50 m內(nèi)均受到影響，分部臺(tái)階法則將影響范圍控制為24 m，距離破碎帶越遠(yuǎn)，圍巖位移量逐漸減小； 3)x-y平面反應(yīng)拱部開挖對(duì)左右拱腳的影響，如圖8(c)和8(f)中，影響范圍左右拱腳呈對(duì)稱分布，由破碎帶分別向x、y方向上擴(kuò)展，在支護(hù)體系的作用下，CD法與臺(tái)階法的變形范圍分別為4.5 m和2.5 m，影響范圍減小45%。

當(dāng)隧道下臺(tái)階開挖結(jié)束，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)完成以后，受擾動(dòng)的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。由圖9可知： 1)CD法在x-z平面內(nèi)的受影響的范圍為35 m，為開挖跨度的1.6倍，與分部臺(tái)階法相比，CD法受擾動(dòng)的位移量集中為16～20 mm，擾動(dòng)范圍大且位移量大； 2)在z-y平面內(nèi)，破碎帶區(qū)域內(nèi)位移量集中，通過預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)作用，將擾動(dòng)范圍限制為21 m，控制效果優(yōu)于注漿錨桿； 3)x-y平面為隧道開挖對(duì)下臺(tái)階左右邊墻的影響，如圖9(c)和9(f)，位移量大于4 mm的擾動(dòng)范圍為7.5 m和4.6 m，影響范圍減小38%。

(a) CD法x-z平面(b) CD法z-y平面(c) CD法x-y平面

(d) 分部臺(tái)階法x-z平面(e) 分部臺(tái)階法z-y平面(f) 分部臺(tái)階法x-y平面

(a) CD法x-z平面(b) CD法z-y平面(c) CD法x-y平面

(d) 分部臺(tái)階法x-z平面(e) 分部臺(tái)階法z-y平面(f) 分部臺(tái)階法x-y平面

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，采用分部臺(tái)階法與預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)體系對(duì)圍巖的控制效果更好，在里程YDK26+578.061的破碎帶區(qū)域內(nèi)設(shè)置試驗(yàn)段，形成“預(yù)應(yīng)力錨桿、格柵拱架、噴射混凝土”的支護(hù)體系，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。限于施工進(jìn)度，當(dāng)前隧道進(jìn)行下臺(tái)階開挖，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未成型，僅對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度高的拱部開挖過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 施工方案

預(yù)應(yīng)力錨桿采用樹脂藥卷快速錨固，充分?jǐn)嚢?0～15 min后，通過油壓千斤頂超張拉至鎖定值的1.1倍，并穩(wěn)定不小于1 min，最后采用夾片式錨具進(jìn)行鎖定。現(xiàn)場(chǎng)施工如圖10所示。主要施工工序?yàn)殂@孔—錨固劑及錨桿安裝—錨固劑攪拌—預(yù)應(yīng)力張拉。

(a) 張拉作業(yè)

(b) 機(jī)械化鉆孔

預(yù)應(yīng)力錨桿-臺(tái)階法較中空注漿錨桿-CD法相比，具有施工作業(yè)空間大、機(jī)械化作業(yè)程度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工反饋，采用分部開挖、主動(dòng)支護(hù)方案后，人員組織作業(yè)順暢，機(jī)械化作業(yè)程度高?？偨Y(jié)如下： 1)1輛潛孔鉆機(jī)施工一循環(huán)時(shí)間僅占3臺(tái)人工氣動(dòng)鉆機(jī)(2人/臺(tái))同時(shí)作業(yè)的1/2，時(shí)間成本低，人工成本節(jié)省了5人； 2)由于作業(yè)空間大，挖掘機(jī)和鏟車協(xié)同出渣作業(yè)速度快，支護(hù)作業(yè)為多導(dǎo)洞、多工作面同時(shí)施工，實(shí)現(xiàn)了1 d一循環(huán)，施工效率大幅提高； 3)與CD法相比，取消了支護(hù)材料中橫撐的大量型鋼，直接經(jīng)濟(jì)成本低，人工、設(shè)備租賃、水、電等間接效益高。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

為獲得過破碎帶區(qū)域內(nèi)的變形演化規(guī)律，在隧道拱部開挖過程中，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包含拱頂沉降、錨桿軸力與鋼筋應(yīng)力。監(jiān)測(cè)斷面布置如圖11所示。通過全站儀對(duì)隧道拱頂、左右拱腰3個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用振弦式錨桿計(jì)監(jiān)測(cè)拱頂、左右拱腳3個(gè)位置的錨桿軸力，在格柵鋼架焊接鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)拱頂、左右拱腰、左右拱腳5個(gè)測(cè)點(diǎn)格柵圍巖側(cè)及臨空側(cè)的鋼筋應(yīng)力。

圖11 監(jiān)測(cè)斷面布置圖

3.3 拱頂沉降演化規(guī)律

當(dāng)破碎帶區(qū)域①導(dǎo)洞開挖時(shí)，在隧道頂部、左右拱腰布設(shè)測(cè)點(diǎn)。拱部4部的拱頂沉降演化曲線如圖12所示。

圖12 拱頂沉降時(shí)程曲線

由圖12可知： 拱頂、左右拱腰在拱部開挖完成后的累計(jì)沉降量穩(wěn)定在-4.8、-5.6、-4.9 mm，僅占設(shè)計(jì)變形預(yù)警值(20 mm)的24%、28%、24.5%，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近。在主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的控制作用下，圍巖的變形可劃分為加速、發(fā)展與穩(wěn)定3個(gè)階段。

3.3.1 變形加速階段

1)此階段主要發(fā)生在導(dǎo)洞①開挖期間，開挖面緊鄰監(jiān)測(cè)斷面，受爆破擾動(dòng)作用強(qiáng)烈，以“預(yù)應(yīng)力錨桿、格柵鋼架、混凝土應(yīng)變”形成的承載拱尚未成型，下沉量增長(zhǎng)迅速； 2)拱頂與左右拱腰的下降速率均達(dá)到峰值，15%的時(shí)間內(nèi)沉降量占總變形的50%～70%，具有短時(shí)、沉降量大的特征，與模擬結(jié)果保持一致； 3)隧道中線拱頂位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，具有變形趨穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大的特征，而左右拱腰在應(yīng)力的釋放過程中變形協(xié)調(diào)，沉降量差距不大。

3.3.2 變形發(fā)展階段

1)當(dāng)導(dǎo)洞②、③向前擴(kuò)挖后，分部開挖造成圍巖擾動(dòng)，打破初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力經(jīng)歷平衡—擾動(dòng)—再次平衡的過程，拱頂、左右拱腰的沉降速率也同樣出現(xiàn)穩(wěn)定—增大—再次穩(wěn)定的演化特征； 2)當(dāng)左導(dǎo)洞②為擴(kuò)挖至監(jiān)測(cè)斷面所在里程時(shí)，左拱腰的沉降量提前發(fā)生變化，這主要是受分部開挖掌子面超前變形效應(yīng)的影響，在未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)變形速率便開始增大，同樣在右導(dǎo)洞③向前擴(kuò)挖時(shí)，右拱腰的沉降量也提前出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.3.3 變形穩(wěn)定階段

1)在導(dǎo)洞①、②、③開挖后，拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)完全成型，導(dǎo)洞④的開挖對(duì)拱頂下沉影響小，此時(shí)圍巖進(jìn)入穩(wěn)定階段； 2)此階段內(nèi)拱頂、左右拱腰在10 d內(nèi)的沉降增量均未超過1 mm，圍巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，變形量的增加主要受圍巖長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)影響。

3.4 格柵拱架受力

在格柵鋼拱架受力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，拱架應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，存在局部受拉的情況，但伴隨導(dǎo)洞開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換，受拉狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為受壓，當(dāng)拱部開挖完成后，拱部均呈受壓狀態(tài)。格柵應(yīng)力分布如圖13所示。格柵應(yīng)力介于HRB400鋼材屈服強(qiáng)度的2%～22%，拱架所持安全系數(shù)高。

(a) 圍巖側(cè)鋼筋應(yīng)力 (b) 臨空側(cè)鋼筋應(yīng)力

由圖13可知： 1)當(dāng)拱部開挖完成，支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定后，直接承受應(yīng)力的圍巖側(cè)鋼筋應(yīng)力普遍大于臨空側(cè)，平均應(yīng)力相差25%； 2)各部位支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，拱頂應(yīng)力值大于拱腰、拱腳，最大達(dá)90 MPa。

根據(jù)拱架受力來看，在主動(dòng)支護(hù)體系中，格柵拱架作用不明顯，預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)作用發(fā)揮重要作用，可在設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加格柵拱架間距。

3.5 錨桿軸力演化特征

提供主動(dòng)支護(hù)承載力的預(yù)應(yīng)力錨桿是“預(yù)應(yīng)力錨桿、格柵拱架、噴射混凝土”主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)的核心，為進(jìn)一步探究主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，在破碎帶區(qū)域?qū)︻A(yù)應(yīng)力錨桿軸力進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分別將錨桿計(jì)布設(shè)在隧道拱頂與左右拱腳。錨桿軸力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)曲線如圖14所示。

圖14 錨桿軸力時(shí)程曲線

由圖14可知： 設(shè)計(jì)值為100 kN的預(yù)應(yīng)力錨桿，受圍巖、張拉工藝、錨具等因素的影響，錨桿初始值一般鎖定為90～120 kN。

當(dāng)錨桿鎖定后，錨桿軸力隨隧道的開挖經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力損失、波動(dòng)及保持穩(wěn)定3個(gè)演化階段。

3.5.1 初始預(yù)應(yīng)力損失階段

1)在導(dǎo)洞①施工后，拱頂錨桿軸力迅速減小，由鎖定值115 kN下降至112 kN，左右拱腳的錨桿軸力在初期同樣存在2～5 kN的損失； 2)產(chǎn)生損失的原因與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)未閉合、混凝土早期強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)相關(guān)，由于現(xiàn)場(chǎng)拱架焊接與噴射混凝土等施工因素，易造成錨固狀態(tài)改變； 3)初期的主動(dòng)支護(hù)體系抵抗開挖面的空間效應(yīng)能力差，在混凝土強(qiáng)度較小的狀態(tài)下，爆破作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)作用所引起巖體的徐變、夾具的松動(dòng)、托盤的位移都會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失。

3.5.2 預(yù)應(yīng)力波動(dòng)階段

1)隨著掌子面的向前推進(jìn)，錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定，伴隨圍巖的變形，錨桿的被動(dòng)支護(hù)力開始增大，圍巖變形而釋放的能量被錨桿吸收，軸力出現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)； 2)當(dāng)導(dǎo)洞擴(kuò)挖至監(jiān)測(cè)斷面附近時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)平衡受到擾動(dòng)再次出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象，拱頂錨桿軸力在左導(dǎo)洞②開挖時(shí)預(yù)應(yīng)力突降，主要原因在于爆破的擾動(dòng)作用與應(yīng)力平衡過程中錨固狀態(tài)的變化，由于爆破擾動(dòng)作用，錨桿軸力產(chǎn)生一部分損失，錨固狀態(tài)的改變?cè)斐深A(yù)應(yīng)力減??； 3)隨著右導(dǎo)洞③的開挖，拱頂錨桿軸力小幅上升1.8 kN，此時(shí)主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大，圍巖變形后錨桿與圍巖發(fā)揮協(xié)調(diào)變形作用使支護(hù)作用力增大，錨桿軸力增大。

3.5.3 預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定階段

1)隨著掌子面的推進(jìn)，圍巖在未受到開挖效應(yīng)擾動(dòng)后變形逐漸趨于穩(wěn)定。由于巖體的長(zhǎng)期作用，隨著變形量緩慢增加，錨桿在吸收圍巖變形所釋放的應(yīng)變能后，軸力呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì)； 2)拱頂與左右拱腰的錨桿軸力在導(dǎo)洞④開挖后均呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，變化量不超過0.1 kN/d。

4 結(jié)論與討論

以青島地鐵6號(hào)線創(chuàng)智谷站穿破碎帶區(qū)段為工程依托，開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)比CD法被動(dòng)支護(hù)體系、臺(tái)階法主動(dòng)支護(hù)體系開挖過程中的圍巖位移與變形規(guī)律，深入分析了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)體系的演化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1)臺(tái)階法主動(dòng)支護(hù)的開挖支護(hù)體系對(duì)破碎帶圍巖的變形控制效果優(yōu)于CD法注漿錨桿支護(hù)體系。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，CD法拱部4導(dǎo)洞開挖拱頂沉降量分別為3.4、3.3、3.2、0.8 mm，只有在導(dǎo)洞④開挖后拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)成型，圍巖變形才能得到控制，而臺(tái)階法拱部4導(dǎo)洞開挖引起的沉降量分別為3.9、1.2、1.0、0.4 mm，變形量主要集中在①導(dǎo)洞，后續(xù)開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)作用小。

2)在主動(dòng)支護(hù)作用下，圍巖的水平位移、開挖擾動(dòng)影響范圍均得到有效控制，支護(hù)效果優(yōu)于被動(dòng)支護(hù)體系中的CD法。當(dāng)拱部開挖完成后，臺(tái)階法與CD法的最大水平位移量分別為4.3 mm和2.9 mm，平均位移量降低了32%；與臺(tái)階法相比，CD法在x-z、z-y、x-y3個(gè)平面內(nèi)，受擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)具有范圍大、位移量大的特點(diǎn)。

3)現(xiàn)場(chǎng)拱頂圍巖沉降量與數(shù)值模擬結(jié)果保持一致，拱頂、左右拱腰在拱部開挖完成后的累計(jì)沉降量穩(wěn)定為-4.8、-5.6、-4.9 mm，根據(jù)主動(dòng)支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，破碎帶的圍巖演化可劃分為變形加速、變形發(fā)展與變形穩(wěn)定3個(gè)階段，且拱頂?shù)睦塾?jì)沉降量普遍大于左右拱腰。受隧道掌子面超前變形的影響，②、③導(dǎo)洞在未擴(kuò)挖時(shí)，左右拱腰的沉降量提前出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4)破碎帶區(qū)域拱部格柵鋼架以受壓為主，且圍巖側(cè)受力大于臨空側(cè)，格柵拱架作用小，可在設(shè)計(jì)中增大格柵間距。錨桿軸力演化經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力損失、波動(dòng)及保持穩(wěn)定3個(gè)演化階段，其中，在施工初期，支護(hù)結(jié)構(gòu)未完全閉合時(shí)，存在預(yù)應(yīng)力大幅減小的現(xiàn)象，而預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)的節(jié)點(diǎn)往往是在導(dǎo)洞擴(kuò)挖時(shí)，軸力上升與下降主要與主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，預(yù)應(yīng)力錨桿-臺(tái)階法的主動(dòng)支護(hù)體系在破碎帶厚度為0.5～1.8 m取得了優(yōu)異效果。在破碎帶較厚的工程條件下，應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力錨桿的長(zhǎng)度，將錨桿錨固在穩(wěn)定巖層中；在破碎帶區(qū)域內(nèi)地下水發(fā)育、巖性條件較差時(shí)，可在打設(shè)錨桿前進(jìn)行超前小導(dǎo)管、管棚等方式加固圍巖，以更好地控制變形。