基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的超大雙曲面穹頂洞庫(kù)支護(hù)體系研究

馬凱蒙，張俊儒，*，劉雨萌，戴 軼，王圣濤

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

隨著世界地下工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，根據(jù)不同的圍巖條件、工藝水平，結(jié)合大量的施工經(jīng)驗(yàn)，形成了各具特色的地下工程支護(hù)體系。目前，應(yīng)用較廣泛的有新奧法(NAMT)與挪威法(NMT)。在硬巖中，挪威法的單層襯砌相較于新奧法的復(fù)合式襯砌,具有施工效率高、施工成本低、施工更加環(huán)保等特點(diǎn)[1-2]。

應(yīng)用挪威法的單層襯砌支護(hù)技術(shù)主要由正確的圍巖評(píng)價(jià)、合理的支護(hù)參數(shù)和高性能的支護(hù)材料3部分組成[3]。其中，正確的圍巖評(píng)價(jià)主要是采用Q系統(tǒng)對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，合理的支護(hù)參數(shù)是通過(guò)對(duì)已建地下工程的觀測(cè)和量測(cè)記錄所求出的Q值而得到的經(jīng)驗(yàn)表格，高性能支護(hù)材料包括高質(zhì)量的濕噴纖維混凝土和耐腐蝕錨桿等[4]。在國(guó)外，對(duì)于單層襯砌，挪威、瑞典、日本、美國(guó)、加拿大、芬蘭、比利時(shí)以及西班牙等國(guó)家都有應(yīng)用，比較出名的有挪威Gjolasvik地下奧林匹克運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、瑞典的斯德哥爾默地鐵、瑞士的費(fèi)爾艾那隧道、德國(guó)的慕尼黑地鐵、美國(guó)肯塔基州的一座直徑10.4 m的泄洪隧洞等[5]。在國(guó)內(nèi)，單層襯砌的應(yīng)用案例相對(duì)較少，主要工程包括青島地鐵西鎮(zhèn)站[6]，汕頭液化石油氣儲(chǔ)庫(kù)工程[7]，以及一些電力、水工隧洞及鐵路隧道的部分區(qū)域[8-10]。隨著我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，近些年隧道及地下工程多在中西部等圍巖條件較差的地區(qū)修建，且斷面形式越來(lái)越大。為安全起見(jiàn)，復(fù)合式襯砌應(yīng)用較為廣泛，而單層襯砌支護(hù)的大型工程較少[11-13]。但已有研究表明，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)比單層襯砌結(jié)構(gòu)在材料用量方面多4倍，施工時(shí)間多2倍，勞動(dòng)力多10倍[14]。針對(duì)圍巖條件較好的情況，采用參數(shù)合理的單層襯砌對(duì)地下工程進(jìn)行支護(hù)，可有效地控制混凝土與機(jī)械所產(chǎn)生的碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保施工。

當(dāng)圍巖條件稍差或洞室形狀較大時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)用可以更加充分地發(fā)揮圍巖的自承能力，已有較多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如：吳大偉等[15]提出在大斷面巷道中應(yīng)用中空預(yù)應(yīng)力注漿錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂漿錨桿，能夠達(dá)到更好的支護(hù)效果；王洪濤等[16]揭示了全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨注支護(hù)機(jī)制并提出新型高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)，且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了其優(yōu)越性與有效性；汪波等[17]以滇中引水工程為依托，針對(duì)不同的圍巖條件，給出了不同的錨固形式，提出了及時(shí)主動(dòng)支護(hù)理念。目前，針對(duì)低預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)已有較多研究，且形成一定體系，但多應(yīng)用于復(fù)合式襯砌，低預(yù)應(yīng)力錨桿尚未出現(xiàn)在以挪威法理念為基礎(chǔ)的單層襯砌地下工程中。

某大型地下儲(chǔ)油庫(kù)，由雙曲面穹頂+圓柱罐體組成，高22 m，直徑為24 m，處于微風(fēng)化花崗巖中，原設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌，模筑襯砌的穹頂與罐體中間由圈梁銜接，罐體結(jié)構(gòu)巨大，模筑混凝土施工困難，且模板工程具有較高風(fēng)險(xiǎn)。本文應(yīng)用基于Q系統(tǒng)的單層襯砌支護(hù)理念與主動(dòng)支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)地下儲(chǔ)油庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出聚丙烯纖維噴射混凝土+低預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)體系。首先，通過(guò)地質(zhì)勘察得到Q值，通過(guò)巖石支護(hù)參數(shù)參考表得到挪威法推薦的支護(hù)參數(shù)，考慮現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況及洞室跨度，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)并應(yīng)用大型有限差分計(jì)算軟件進(jìn)行對(duì)比分析，將最優(yōu)支護(hù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)，通過(guò)受力、變形監(jiān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證支護(hù)體系的適用性，形成適用于硬巖的大型地下洞室支護(hù)技術(shù)。減少混凝土用量的同時(shí)保證工程質(zhì)量，并減少碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色健康可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況與Q系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 工程概況

某地下儲(chǔ)油庫(kù)由上下通道和4個(gè)罐體組成，上通道長(zhǎng)283 m，下通道長(zhǎng)298 m，通道由洞口延伸至山體內(nèi)部依次穿過(guò)Ⅴ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅲ級(jí)圍巖，4個(gè)罐體全部位于Ⅲ級(jí)圍巖中。洞群布置示意如圖1所示。

罐體處圍巖主要為燕山晚期侵入的微風(fēng)化花崗巖，堅(jiān)硬巖，巖體較完整，裂隙較發(fā)育，呈塊狀結(jié)構(gòu)，埋深約60 m。其中：罐體為穹頂直墻結(jié)構(gòu)，開挖直徑為24.7 m，高22.45 m，設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚25 cm，二次襯砌采用C30模筑混凝土，厚50 cm；錨桿采用φ25 mm砂漿錨桿，間距為1 m×1 m(環(huán)向×縱向)，穹頂處長(zhǎng)5 m，罐體處長(zhǎng)4 m，直徑為25 mm、材質(zhì)為HBR400螺紋鋼，屈服極限為400 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa。罐體原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如圖2所示，采用鉆爆法開挖的方式。

1.2 地質(zhì)復(fù)勘與參數(shù)的確定

現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣如圖3所示。弱風(fēng)化花崗巖(K2M)：青灰色，以短柱狀為主，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為47%～68%，巖芯采取率TCR為91%～96%，巖體屬于較破碎—較完整，巖石堅(jiān)硬程度為堅(jiān)硬巖，細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部碎塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要礦物為長(zhǎng)石、石英等，原巖結(jié)構(gòu)局部破壞，節(jié)理裂隙面見(jiàn)有鐵錳質(zhì)渲染。微風(fēng)化花崗巖(K2M)：青灰色，以長(zhǎng)柱狀為主，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為78%～94%，巖芯采取率TCR為95%～99%，巖體屬于較完整—完整，巖石堅(jiān)硬程度為堅(jiān)硬巖，細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，主要礦物為長(zhǎng)石、石英等，原巖結(jié)構(gòu)局部破壞，節(jié)理裂隙面見(jiàn)有鐵錳質(zhì)渲染。Q系統(tǒng)參數(shù)建議值如表1所示。鉆孔R(shí)QD計(jì)算值如表2所示。

表1 Q系統(tǒng)參數(shù)建議值

表2 鉆孔R(shí)QD計(jì)算值

1.3 基于Q系統(tǒng)的支護(hù)體系表

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，Q法計(jì)算如式(1)所示。

(1)

將罐室的參數(shù)(見(jiàn)表1及表2)代入式(1)，得到Q=6.8。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，等效尺寸計(jì)算如式(2)所示。

(2)

罐室高度約22 m，跨度約24 m，取最不利情況24 m進(jìn)行計(jì)算，得等效尺寸為24 m。應(yīng)用Q值6.8與等效尺寸24 m，根據(jù)Q系統(tǒng)支護(hù)表可確定永久單層襯砌支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

根據(jù)圖4中●的位置可以判斷該洞庫(kù)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)級(jí)別為一般，適用于④類支護(hù)參數(shù)，即采用厚度為6～9 cm纖維增強(qiáng)噴射混凝土并施作錨桿支護(hù)，選取錨桿間距為2.5 m，錨桿長(zhǎng)度為5 m。

支護(hù)分類：①—無(wú)支護(hù)或局部錨桿支護(hù)；②—局部錨桿支護(hù)；③—系統(tǒng)錨桿支護(hù)，纖維增強(qiáng)噴射混凝土，5～6 cm；④—纖維增強(qiáng)噴射混凝土和錨桿支護(hù)，6～9 cm；⑤—纖維增強(qiáng)噴射混凝土和錨桿支護(hù)，9～12 cm；⑥—纖維增強(qiáng)噴射混凝土和錨桿支護(hù)，12～15 cm+噴射混凝土加筋肋和錨桿支護(hù)+RRSI；⑦—纖維增強(qiáng)噴射混凝土>15 cm+噴射混凝土加筋肋和錨桿支護(hù)+RRSⅡ；⑧—模筑混凝土襯砌 RRSⅢ；⑨—專項(xiàng)評(píng)估。

2 支護(hù)體系的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

基于Q系統(tǒng)的巖石支護(hù)圖中支護(hù)參數(shù)來(lái)自被檢驗(yàn)過(guò)的案例，所統(tǒng)計(jì)的案例多來(lái)自隧道等縱向延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。洞庫(kù)作為幾何對(duì)稱結(jié)構(gòu)，斷面較大，穹頂?shù)母呖绫容^小，整個(gè)穹頂結(jié)構(gòu)呈扁平狀，結(jié)構(gòu)受力較為不利，采用6～9 cm厚的襯砌可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏心距，影響結(jié)構(gòu)安全。本節(jié)決定對(duì)由巖石支護(hù)所得的支護(hù)參數(shù)建議值進(jìn)行加強(qiáng)，并考慮在穹頂施加一定的低預(yù)應(yīng)力錨桿，以提升結(jié)構(gòu)整體的安全性。

擬將優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)調(diào)整為添加纖維的C30噴射混凝土，厚度為25 cm(原洞庫(kù)初期支護(hù)厚度)；擬采用單層襯砌，錨桿的設(shè)計(jì)需重點(diǎn)加強(qiáng)，參考Q系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)表及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取二者支護(hù)參數(shù)高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，Q系統(tǒng)得到的是5 m系統(tǒng)錨桿、間距為2.5 m×2.5 m，而《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖錨桿的要求是長(zhǎng)度為2～2.5 m、間距為1.2～1.5 m，決定選取Q系統(tǒng)的錨桿長(zhǎng)度與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的錨桿間距，同時(shí)考慮24 m的穹頂跨度，對(duì)穹頂錨桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)。具體如下：罐體采用φ25 mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)度為4 m，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置；穹頂采用φ25 mm漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，長(zhǎng)度為5 m，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置，預(yù)應(yīng)力為50 kN，直徑為25 mm、HBR400螺紋鋼，屈服極限為400 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa，表面進(jìn)行防銹處理，預(yù)應(yīng)力由漲殼與墊片固定后張拉達(dá)到。針對(duì)中等質(zhì)量的巖體(0.1

下文將采用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)3種支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，分析其支護(hù)效果。計(jì)算工況如表3所示。

表3 計(jì)算工況表

2.2 計(jì)算模型

本計(jì)算采用有限差分軟件，模型尺寸為150 m×150 m×150 m，洞庫(kù)埋深為60 m。圍巖采用基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，彈性本構(gòu)模型，單層噴射混凝土襯砌與圍巖之間不設(shè)置防水板，混凝土與圍巖密貼，此處不設(shè)置接觸面，認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形。預(yù)應(yīng)力與砂漿錨桿均采用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬，其區(qū)別通過(guò)有、無(wú)施加50 kN預(yù)應(yīng)力體現(xiàn)。由于圍巖條件較好，洞庫(kù)均選址在微風(fēng)化、弱風(fēng)化花崗巖處，節(jié)理、裂隙較少，對(duì)錨桿的注漿僅考慮黏結(jié)作用，作為錨桿與圍巖共同變形的介質(zhì)，不考慮注漿對(duì)圍巖的補(bǔ)強(qiáng)作用，亦作為計(jì)算的安全儲(chǔ)備。計(jì)算模型如圖5所示。圍巖與支護(hù)參數(shù)如表4所示，其中圍巖參數(shù)由復(fù)勘得出。聚丙烯纖維的增加主要是為了增強(qiáng)混凝土的早期抗裂能力，計(jì)算仍采用C30計(jì)算參數(shù)，以最大不平衡力與初始不平衡力之比R<1×10-5作為收斂準(zhǔn)則，采取先穹頂后罐體的開挖方式。

圖5 計(jì)算模型圖(單位：m)

表4 計(jì)算參數(shù)表

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果豎向變形云圖見(jiàn)圖6。最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。洞庫(kù)變形規(guī)律如圖8所示。洞庫(kù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力變化規(guī)律如圖9所示。計(jì)算結(jié)果分析如下。

(a)工況1

(a)工況1支護(hù)

圖8 洞庫(kù)變形規(guī)律圖

(a)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

1)變形情況。由于圍巖條件較好，3種工況下的圍巖變形量均不大，穹頂沉降為8.19 mm，水平收斂為2.16 mm，底板隆起約9 mm，罐體不設(shè)置底板結(jié)構(gòu)，此處不對(duì)底板隆起進(jìn)行對(duì)比分析。原設(shè)計(jì)即工況1襯砌厚度最大，抵御變形的能力較強(qiáng)，當(dāng)采用基于Q系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)時(shí)，穹頂沉降增加4.4%，水平收斂增加3.7%；當(dāng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)，穹頂沉降較原設(shè)計(jì)減少2%，水平收斂較原設(shè)計(jì)增加1%。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。由圖7可知，在穹頂與罐體連接處會(huì)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，此處為整個(gè)罐體結(jié)構(gòu)受力最不利處。工況1最大拉應(yīng)力僅為0.6 MPa，遠(yuǎn)小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。在取消模筑襯砌之后，使得襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)具有較高的拉應(yīng)力，基于Q系統(tǒng)的襯砌最大拉應(yīng)力達(dá)到了1.96 MPa，接近C30混凝土抗拉極限2.2 MPa；優(yōu)化后的襯砌最大拉應(yīng)力降至1.42 MPa，且最大拉應(yīng)力區(qū)域較小。3種工況下最大壓應(yīng)力為4～6 MPa，均遠(yuǎn)小于極限抗壓強(qiáng)度。

3)圍巖拉應(yīng)力情況。圍巖應(yīng)力是評(píng)判洞周圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，工況2較工況1圍巖最大拉應(yīng)力增加27.5%，而采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)時(shí)，最大拉應(yīng)力較原設(shè)計(jì)減小了77.6%。

4)低預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果。優(yōu)化后的工況3中預(yù)應(yīng)力錨桿內(nèi)力與塑性區(qū)關(guān)系如圖10所示。

圖10 錨桿內(nèi)力與塑性區(qū)關(guān)系圖

5 m的預(yù)應(yīng)力錨桿除拱腰處均穿越了圍巖塑性區(qū)，另外由于錨桿施加了預(yù)應(yīng)力，在錨桿錨固端會(huì)增加圍巖拉應(yīng)力，導(dǎo)致塑性區(qū)的擴(kuò)展，如頂部3根錨桿所示?？傮w可以看出，預(yù)應(yīng)力錨桿錨固端處在穩(wěn)定圍巖處，可起到錨固作用，錨桿整體呈受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力位于錨桿中段，最大值為95.2 MPa，起到主動(dòng)加固圍巖的效果。根據(jù)上述計(jì)算分析、工程量大小及施工經(jīng)濟(jì)性綜合分析如下：

1)復(fù)合式襯砌具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防水性能好、具有安全儲(chǔ)備等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在混凝土消耗量大、高大模板施工困難等缺點(diǎn)。

2)基于Q系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)表的單層襯砌支護(hù)具有施作簡(jiǎn)單、混凝土用量小等優(yōu)點(diǎn)；由于洞庫(kù)跨度較大，在局部接近混凝土抗拉極限，且對(duì)圍巖受拉控制較為不利，同時(shí)對(duì)混凝土自防水要求較高。

3)噴射混凝土襯砌+預(yù)應(yīng)力錨桿具有施工便利、混凝土用量小、支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)施工工藝要求較高，對(duì)材料的耐久性與混凝土的自防水要求較高。

綜合圍巖穩(wěn)定性、變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況等多方面因素，同時(shí)考慮洞庫(kù)體積巨大、模筑混凝土施工困難的實(shí)際問(wèn)題，本項(xiàng)目決定采用工況3即聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預(yù)應(yīng)力錨桿來(lái)對(duì)洞庫(kù)進(jìn)行支護(hù)施工，在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的前提下，減少混凝土用量，簡(jiǎn)化施工步驟。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)地下洞庫(kù)支護(hù)體系優(yōu)化研究，決定對(duì)2號(hào)罐室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用優(yōu)化后的聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)洞庫(kù)進(jìn)行支護(hù)，并監(jiān)測(cè)位移及內(nèi)力對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)施作情況

采用先穹頂再罐體的施工方式對(duì)洞庫(kù)進(jìn)行開挖支護(hù)，具體步驟為穹頂先形成橫通道，而后向兩側(cè)擴(kuò)挖，再罐體分層開挖，與數(shù)值模擬一致。施工步驟示意如圖11所示。首先，由上通道進(jìn)入后進(jìn)行一步開挖，繼而兩側(cè)對(duì)稱開挖至整個(gè)穹頂，對(duì)稱開挖時(shí)先下后上，分步開挖時(shí)對(duì)開挖完成的穹頂部分打設(shè)錨桿并噴射5 cm厚混凝土，待整個(gè)穹頂施作完成后再對(duì)穹頂進(jìn)行2層(每層10 cm)鋼筋網(wǎng)+C30聚丙烯纖維噴射混凝土施作。罐體采用分層開挖的方式，每層開挖后對(duì)罐體部分進(jìn)行永久支護(hù)施作。中空錨桿注漿采用螺桿泵注漿機(jī)低壓注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。漿液采用水灰質(zhì)量比為0.38∶1的單液水泥漿，漿液拌合方式為先加水再加水泥，保證漿液拌合均勻。注漿時(shí)勻速注入，直至排氣管漿液均勻流出時(shí)，則注漿飽滿，并且在錨桿端頭采用速凝型防水堵漏材料封堵，防止接頭處漏水。洞庫(kù)防排水采用排水板與抗?jié)B混凝土相結(jié)合的方式?，F(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖12所示。添加聚丙烯纖維的噴射混凝土無(wú)開裂情況，平整度較高。

彩色透明部分為施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)；藍(lán)色實(shí)體為巖體結(jié)構(gòu)。

(a)穹頂施工 (b)罐體施工 (c)整體效果1 (d)整體效果2

3.2 變形及受力分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)洞庫(kù)結(jié)構(gòu)穹頂部分為受力不利位置，穹頂?shù)陌踩€(wěn)定對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)起決定性作用?，F(xiàn)場(chǎng)在施作單層襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)后，對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)，其中，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括穹頂豎向變形、圍巖壓力與混凝土應(yīng)力。穹頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示。其中，壓力盒型號(hào)為XJ-TX，量程為1 MPa；混凝土應(yīng)變計(jì)型號(hào)為XJ-YX，量程為-1 200(壓)～800(拉)με，以檢測(cè)單層襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的控制與其自身的安全性。整個(gè)穹頂開挖完成后再統(tǒng)一進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土，因此圍巖壓力與襯砌應(yīng)力滯后開挖，而變形數(shù)據(jù)時(shí)挖時(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)豎向沉降如圖14所示。實(shí)測(cè)圍巖壓力如圖15所示。由實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變值換算而來(lái)的混凝土應(yīng)力結(jié)果如圖16所示。其中，混凝土應(yīng)變計(jì)布置點(diǎn)位與壓力盒相同。

1)w1—w9為位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位編號(hào)；2)y為圍巖壓力與混凝土應(yīng)力布置點(diǎn)，每個(gè)y點(diǎn)包括圍巖壓力、徑向混凝土應(yīng)變、環(huán)向混凝土應(yīng)變，環(huán)向方向如圖中紅線所示，徑向方向如藍(lán)線所示；3)y點(diǎn)布置在穹頂位置共3環(huán)，其中y1-1是中心位置，y2-1—y2-4是第2環(huán)的4個(gè)點(diǎn)位，y3-1—y3-4是第3環(huán)的4個(gè)點(diǎn)位。下同。

圖14 實(shí)測(cè)豎向沉降

圖15 實(shí)測(cè)圍巖壓力

(a)穹頂徑向混凝土應(yīng)力

穹頂結(jié)構(gòu)位移較小，最大位移為9 mm，出現(xiàn)在③位置，總體上由穹頂延伸至墻腳處呈現(xiàn)出位移越來(lái)越小的趨勢(shì)，與圖6數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為一致。壓力盒是在穹頂全部開挖完成之后與襯砌共同施作，此時(shí)穹頂已產(chǎn)生一定的位移，已釋放一定的應(yīng)力，所測(cè)圍巖壓力值均較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力為-5～-22 kPa，整體上內(nèi)圈圍巖壓力大于外圈?；炷翍?yīng)力以受壓應(yīng)力為主，局部點(diǎn)位呈現(xiàn)拉應(yīng)力，穩(wěn)定后最大拉應(yīng)力為1.7 MPa，最大壓應(yīng)力為-6.57 MPa。徑向應(yīng)力受壓程度大于環(huán)向應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力受拉程度大于徑向應(yīng)力，雙曲面穹頂結(jié)構(gòu)主要由徑向受力承載，環(huán)向主要分擔(dān)局部變形產(chǎn)生的彎矩。

綜上可知，結(jié)構(gòu)變形、圍巖壓力與結(jié)構(gòu)內(nèi)力3方面與計(jì)算結(jié)果基本一致，優(yōu)化后的單層襯砌可應(yīng)用于依托工程，滿足結(jié)構(gòu)安全需要。

3.3 低預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果分析

穹頂預(yù)應(yīng)力錨桿采用漲殼錨桿，配合單臂液壓鉆孔臺(tái)車進(jìn)行錨桿施工，張拉預(yù)應(yīng)力為50 kN。預(yù)應(yīng)力錨桿施工如圖17所示。錨桿軸力測(cè)試如圖18所示。

(a)錨桿軸力變化曲線

由圖18可以看出：錨桿主要呈受拉狀態(tài)，中段拉應(yīng)力較大，錨桿受力與2.3節(jié)中數(shù)值模擬結(jié)果有相似的變化規(guī)律，可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)施作低預(yù)應(yīng)力錨桿可起到主動(dòng)加固圍巖的效果。

4 結(jié)論與討論

1)在圍巖條件較好的巖體中開挖大型地下洞室，單層噴混凝土襯砌具有厚度小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在支護(hù)參數(shù)選擇合理、施工質(zhì)量得以保證的前提下，使用單層噴射混凝土襯砌可提高施工效率，減少混凝土用量，在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)減少碳排放，實(shí)現(xiàn)地下工程的綠色健康與可持續(xù)發(fā)展。

2)采用聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預(yù)應(yīng)力錨桿的優(yōu)化支護(hù)體系相較于基于Q系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)可更好地控制圍巖變形，減少襯砌拉應(yīng)力區(qū)，達(dá)到與采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)相近的支護(hù)效果。

3)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，采用優(yōu)化后的支護(hù)體系在變形應(yīng)力方面均可達(dá)到預(yù)期效果，襯砌變形約8 mm，最大拉壓應(yīng)力均小于C30混凝土的拉壓極限并有一定的安全余量，預(yù)應(yīng)力錨桿主要受拉應(yīng)力表明其能起到主動(dòng)加固圍巖的效果。

4)單層襯砌除結(jié)構(gòu)安全外，噴射混凝土的早期強(qiáng)度、抗裂性能、平整度、防水等仍需要進(jìn)一步研究。后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注噴射混凝土的密實(shí)度與自防水性能，進(jìn)而推廣單層襯砌在大型地下工程中的應(yīng)用。