挤压性围岩大跨隧道预应力锚索作用机制研究

□文/王仁杰

特大断面隧道施工，往往采用双侧壁导坑法开挖，需要施作大量的临时支撑，拆除时存在支护体系受力转换的风险。应用预应力锚索将内撑转为外锚，能有效降低拆撑时的结构体系受力风险并解决作业空间狭小的问题；同时，预应力锚索可以解决挤压性围岩中二次衬砌施作后承受过大形变压力的问题，从而避免衬砌建成后出现裂损的高风险问题。苗增润[1]将预应力锚索与初期支护钢架、喷射混凝土及系统锚杆组成的联合支护体系称为索拱联合支护。唐国荣等[2]认为，预应力锚索在大断面山岭隧道中的使用，外锚代替内撑的优势很明显，是一种应用前景比较好的支护技术，建议今后推广应用。

挤压性围岩隧道中出现衬砌裂损，尤其是运营阶段裂损的风险远比一般围岩隧道高，但在以往建设中使用预应力锚索的工程案例比较少见。台湾省木栅隧道是我国首见公路隧道挤压大变形环境使用预应力锚索的工程实践[3]。调查显示本文所依托的兰渝铁路新城子隧道是我国铁路隧道中首次大规模采用预应力锚索解决挤压性问题的工程实践。

1 工程概况

兰渝铁路新城子隧道位于甘肃省宕昌县境内，全长9 166 m，最大埋深749 m[4]。隧道起止里程为DK268+010～DK277+176，其中DK274+570～DK276+010段位于高地应力区，洞身最大水平主应力为11.45～21.28 MPa，方向与隧道洞轴线方向近似平行；最小水平主应力为6.81～12.14 MPa。掌子面出露的三叠系炭质板岩呈薄层碎片状，倾角陡，走向与洞轴线大致平行，岩体强度极低。

受设置车站的影响，隧道出口为喇叭口结构，施工中在DK275+625～DK275+815 段设置双线单洞与双洞单线的过渡段。其中DK275+720～DK275+770 段采用双侧壁导坑法开挖，开挖跨度达21.06 m，开挖断面积291.79m2。见图1和图2。

图1 大跨段平面

图2 DK275+770开挖断面

2 施工情况

大跨段采用双层初期支护，开挖预留变形量40 cm，初喷30 cm厚C25混凝土，拱墙设置φ8 mm钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm；全环设H200型钢架，间距0.6 m/榀，钢架接头处设R38N 自进式锚杆进行锁脚，长8 m，共计14 根。拱部设φ42 mm 超前小导管并注水泥浆，长4.0 m，环向间距30 cm，纵向间距1.2 m[5]。在超前支护的保护下，依次开挖导洞1～9，开挖进尺为2.8 m，及时施作初期支护和临时支撑，使导洞封闭成环，施作锚索并于初期支护施作后、二次支护施作前分别张拉至设计锚固力的30%、70%，待隧道成洞8～10 m时逐榀拆除临时支撑，施作衬砌。

3 数值计算分析

3.1 计算方法

模拟同等参数下的不同工况，对计算结果的相对差进行对比，分3 种工况。这种对比法较计算结果可减少参数的影响，相对差的计算方式

相对差=对比工况/工况1×100%

采用摩尔-库伦三维弹塑性模型，尺寸边界为200 m×200 m×10 m，隧道开挖尺寸取22.66 m×18.34 m，埋深取530 m，围岩侧压力系数取0.875[6]，初期支护厚度取60 cm，衬砌厚度取80 cm。围岩与初期支护采用实体单元，衬砌采用壳单元。计算前模型左右施加水平方向约束，下边界施加垂直方向约束，上部施加围岩自重应力。锚索长度取12 m，施作后在端头一次性施加预应力400 kN。支护参数见表1。由于采用对比分析，本文不考虑应力释放率影响。

表1 计算参数

工况1 采用双侧壁导坑法依次开挖导洞1～9，纵深方向开挖进尺为3 m，具体方法：1 号导洞开挖0～3 m，及时施作初期支护和临时支撑，随后进行1 号导洞3～6 m 的开挖、2 号导洞0～3 m 的开挖，如此往复循环。待隧道全部贯通后，一次性拆除所有临时支护，而后施作二次衬砌，此工况不施作锚索。

工况2在掌子面开挖后及时施作预应力锚索。见图3。

图3 工况2及时施作锚索计算模型

工况3在工况2的基础上，调整预应力锚索施作时机，锚索滞后掌子面2倍导洞洞径，即5 m施作。

3.2 结果分析

3种工况下的初期支护变形情况见表2。

表2 变形结果对比

由表2可以看出：有锚索的工况2较无锚索工况1拱顶下沉减小23.7%；而锚索滞后掌子面5 m施作的工况3 拱顶下沉比工况1 减小16.8%，比工况2 增大9.0%；工况2的边墙收敛较工况1减小28.9%；工况3的边墙收敛比工况1 减小18.1%，比工况2 增大15.3%。说明预应力锚索对初期支护变形的约束作用非常明显，取消施作或推迟施作均会造成初期支护变形增大。3种工况的衬砌平均轴力对比见表3。

表3 衬砌平均轴力对比

由表3可以看出：施作锚索的工况2较工况1轴力减小24.0%，而锚索滞后掌子面5 m施作的工况3比工况2 进一步减小。从衬砌结构受力的角度，不宜过早施作锚索。对锚索施作时机取取多种工况进一步计算，得出变化规律，见图4和图5。

图4 初期支护变形随锚索施作时机变化

图5 衬砌受力随锚索施作时机变化

由图4 和图5 可以看出：随着锚索施作时间的推迟，地应力得到释放，初期支护位移虽然增加，但始终小于无锚索的工况1，如20d步距初期支护位移仍小于工况1 约2%，同时，锚索推迟施作衬砌受力不仅较无锚索的工况1显著减小，而且较及时施作锚索的工况2也明显减小，如10d步距的衬砌平均轴力比工况1无锚索施工减小了45.2%，比工况2减小了27.9%，20d步距的衬砌平均轴力比工况1无锚索施工减小了49.2%，比工况2减小了33.2%。

数值模拟分析表明，大跨断面施作预应力锚索后，衬砌结构的受力得到了很大改善，衬砌全环平均轴力较无锚索衬砌减小了24%，而且初期支护位移也有明显减小。验证了预应力锚索不仅可以有效控制初期支护位移来减小挤压性围岩大跨双侧壁施工拆撑的高风险问题，而且可以使衬砌结构所承受的形变压力减小，从而使衬砌受力得到显著改善。

4 结论

对于预应力锚索在挤压性围岩中的施作时机，数值模拟分析表明，拉开锚索施作的步距即锚索滞后掌子面的距离，对衬砌结构受力和初期支护位移的影响均显著。衬砌结构的受力改善是通过初期支护位移增加换来充分的应力释放来取得的，而初期支护位移由于锚索的有效控制始终小于无锚索的工况1；因此可以认为，在挤压性围岩大跨隧道双侧壁导坑施工中，采用预应力锚索并延迟施作或张拉，是实现预应力锚索在挤压性围岩中既有效控制变形又不影响应力释放的有效途径；对确保挤压性围岩大跨隧道衬砌结构的稳定性，避免因围岩的挤压性使衬砌施作后出现裂损，尤其是在运营阶段裂损的高风险问题，具有重要意义。同时要注意的是，本模拟中未施作锚索的工况1 在计算过程中未出现失稳破坏；在此基础上工况3 充分释放地应力并施作锚索，衬砌受力减小，但并不建议任何情况下均推迟施作或张拉预应力锚索。