□文/王仁杰

特大斷面隧道施工，往往采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，需要施作大量的臨時支撐，拆除時存在支護(hù)體系受力轉(zhuǎn)換的風(fēng)險。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索將內(nèi)撐轉(zhuǎn)為外錨，能有效降低拆撐時的結(jié)構(gòu)體系受力風(fēng)險并解決作業(yè)空間狹小的問題；同時，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大形變壓力的問題，從而避免襯砌建成后出現(xiàn)裂損的高風(fēng)險問題。苗增潤[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)體系稱為索拱聯(lián)合支護(hù)。唐國榮等[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)營階段裂損的風(fēng)險遠(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。臺灣省木柵隧道是我國首見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題的工程實踐。

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渡段。其中DK275+720～DK275+770 段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，開挖跨度達(dá)21.06 m，開挖斷面積291.79m2。見圖1和圖2。

圖1 大跨段平面

圖2 DK275+770開挖斷面

2 施工情況

大跨段采用雙層初期支護(hù)，開挖預(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8 m，共計14 根。拱部設(shè)φ42 mm 超前小導(dǎo)管并注水泥漿，長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，依次開挖導(dǎo)洞1～9，開挖進(jìn)尺為2.8 m，及時施作初期支護(hù)和臨時支撐，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)計錨固力的30%、70%，待隧道成洞8～10 m時逐榀拆除臨時支撐，施作襯砌。

3 數(shù)值計算分析

3.1 計算方法

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

相對差=對比工況/工況1×100%

采用摩爾-庫倫三維彈塑性模型，尺寸邊界為200 m×200 m×10 m，隧道開挖尺寸取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)采用實體單元，襯砌采用殼單元。計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)見表1。由于采用對比分析，本文不考慮應(yīng)力釋放率影響。

表1 計算參數(shù)

工況1 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法依次開挖導(dǎo)洞1～9，縱深方向開挖進(jìn)尺為3 m，具體方法：1 號導(dǎo)洞開挖0～3 m，及時施作初期支護(hù)和臨時支撐，隨后進(jìn)行1 號導(dǎo)洞3～6 m 的開挖、2 號導(dǎo)洞0～3 m 的開挖，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在掌子面開挖后及時施作預(yù)應(yīng)力錨索。見圖3。

圖3 工況2及時施作錨索計算模型

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)變形情況見表2。

表2 變形結(jié)果對比

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

表3 襯砌平均軸力對比

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，不宜過早施作錨索。對錨索施作時機(jī)取取多種工況進(jìn)一步計算，得出變化規(guī)律，見圖4和圖5。

圖4 初期支護(hù)變形隨錨索施作時機(jī)變化

圖5 襯砌受力隨錨索施作時機(jī)變化

由圖4 和圖5 可以看出：隨著錨索施作時間的推遲，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，錨索推遲施作襯砌受力不僅較無錨索的工況1顯著減小，而且較及時施作錨索的工況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)平均軸力較無錨索襯砌減小了24%，而且初期支護(hù)位移也有明顯減小。驗證了預(yù)應(yīng)力錨索不僅可以有效控制初期支護(hù)位移來減小擠壓性圍巖大跨雙側(cè)壁施工拆撐的高風(fēng)險問題，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

對于預(yù)應(yīng)力錨索在擠壓性圍巖中的施作時機(jī)，數(shù)值模擬分析表明，拉開錨索施作的步距即錨索滯后掌子面的距離，對襯砌結(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)的受力改善是通過初期支護(hù)位移增加換來充分的應(yīng)力釋放來取得的，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)營階段裂損的高風(fēng)險問題，具有重要意義。同時要注意的是，本模擬中未施作錨索的工況1 在計算過程中未出現(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。