周躍峰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，隧道修建在交通線路中變得越來(lái)越關(guān)鍵，隧道修建的安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的重視。由于地形的復(fù)雜多變，在隧道施工中常常會(huì)遇到很多難題，其中就包括了由于高地應(yīng)力引起的軟巖大變形，如果不及時(shí)采取相應(yīng)措施，則有可能會(huì)造成隧道變形坍塌等現(xiàn)象。

基于“先放后抗”和“先抗后放”的變形控制理念[1-2]，目前我國(guó)針對(duì)大變形問(wèn)題的解決方案主要有3種，即及時(shí)強(qiáng)支護(hù)(常規(guī)支護(hù))、分層支護(hù)和讓壓支護(hù)[3-12]，國(guó)內(nèi)學(xué)者薛勇、屈衛(wèi)鵬等[13]通過(guò)研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用臺(tái)階法開(kāi)挖并輔助其它工法進(jìn)行超前支護(hù)和加固可以較好地控制隧道的變形，徐國(guó)文、何川等[14]還明確指出在圍巖條件很差的情況下，三臺(tái)階法能最有效控制隧道大變形。在國(guó)外則普遍采用新意法來(lái)進(jìn)行處理，比如瑞士的圣哥達(dá)基線特長(zhǎng)隧道[15]。在蘭州木寨嶺高速公路隧道的施工中，孫鈞等[16]提出了“邊支邊讓、大尺度讓壓錨桿”的施工方法，采用讓壓錨桿來(lái)改善隧道圍巖擠壓型大變形。除此之外，錨桿的應(yīng)用可以主動(dòng)向巖體提供約束和加固[17-21]，進(jìn)而有效控制隧道大變形，并且許多研究表明長(zhǎng)錨桿能更有效控制圍巖的變形[22]，還能更充分地發(fā)揮圍巖的自承能力和達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果；但是其它更多有效合理的技術(shù)還有待研究人員們繼續(xù)深入探究。

本文結(jié)合之前的各種研究，主要針對(duì)復(fù)合群錨在控制隧道大變形中所能發(fā)揮的作用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，采用了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模擬計(jì)算的方法，提出了以長(zhǎng)短錨桿為核心的“主動(dòng)控制”技術(shù)，為隧道設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

成蘭鐵路成都至川主寺(黃勝關(guān))段共有隧道17座，其中7座隧道分修，10 km以上特長(zhǎng)隧道7座, 最長(zhǎng)隧道平安隧道(分修)，長(zhǎng)28 426 m，最長(zhǎng)合修隧道云屯堡隧道，長(zhǎng)22 923 m。

成蘭線呈現(xiàn)出典型 ‘四極、三高、五復(fù)雜’的特征(即地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)；復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、復(fù)雜的巖性、難以預(yù)測(cè)的地應(yīng)力環(huán)境、復(fù)雜的地下水條件、復(fù)雜的構(gòu)造)。受復(fù)雜多變的高地應(yīng)力影響下，隧道總長(zhǎng)70%的板巖、炭質(zhì)板巖、片巖、千枚巖等軟巖發(fā)生大變形，是成蘭線的突出問(wèn)題。

為解決成蘭鐵路隧道存在的軟巖大變形問(wèn)題，課題組選擇了茂縣隧道作為集中攻關(guān)的試驗(yàn)隧道。茂縣隧道全長(zhǎng)9 913 m，進(jìn)口合修，洞身至出口分修，最大埋深約1 646 m，隧道縱坡為單面上坡。受龍門(mén)山后山斷裂影響，洞身發(fā)育2斷層(其中1活動(dòng)斷裂)、1向斜、3背斜。本隧輔助坑道模式采用“2斜井+3平導(dǎo)”方案，隧道位置及地形地貌如圖1所示，隧道地質(zhì)縱剖面圖如圖2所示，其中1號(hào)斜井通過(guò)茂汶活動(dòng)斷裂地段，1號(hào)斜井XJ1K0+628～XJ1K0+042段隧洞斷面如圖3所示。

圖1 茂縣隧道地形地貌示意圖

圖2 茂縣隧道地質(zhì)剖面示意圖

圖3 1號(hào)斜井工區(qū)XJ1K0+628～XJ1K0+042段隧洞斷面示意圖

茂汶活動(dòng)斷裂(龍門(mén)山后山斷裂)：是一條北東向的壓扭性大斷裂。斷層走向N40°E，傾向NW，傾角70°～80°，與線路交于里程D8K127+450～D8K128+100段附近，呈75°相交。破碎帶寬度50～150 m，局部達(dá)200 m。據(jù)《新建成都至蘭州鐵路重要橋梁工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》(2011年8月)對(duì)活動(dòng)斷裂的分析，該斷層為Q3～Q4活動(dòng)。斷層上盤(pán)(NW盤(pán))為奧陶系(O)灰?guī)r、大理巖，地層產(chǎn)狀N52°E/76°NW，下盤(pán)(SE盤(pán))為志留系茂縣群第5組(Smx5)絹云千枚巖夾灰?guī)r、砂巖，地層產(chǎn)狀為N56°E/71°NW。該斷裂為后龍門(mén)山斷裂的一條主干斷裂，全長(zhǎng)約120 km，具有全新世活動(dòng)的地質(zhì)地貌證據(jù)，晚第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為逆沖右旋運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，平均水平滑動(dòng)速率為1.0±0.1 mm/a，平均垂直滑動(dòng)速率為1.0±0.1 mm/a，合成平均滑動(dòng)速率為1.4±0.1 mm/a。有史料記載以來(lái)，該斷裂1657年發(fā)生過(guò)汶川的61/2級(jí)地震及多次5級(jí)左右中強(qiáng)地震，小震也沿?cái)嗔衙芗蓭Х植肌Ｃh隧道的埋深大，最大埋深約為1 650 m。

該地區(qū)構(gòu)造地應(yīng)力較高，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)較高。最大主應(yīng)力方向?yàn)镹68～82°W，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹75°W，最大水平主應(yīng)力方向與茂縣隧道線路走向夾角大約為18°，根據(jù)測(cè)孔附近最大、最小水平主應(yīng)力值進(jìn)行回歸計(jì)算，公式為SH=0.028H-0.75；Sh=0.022H-1.24；SV=0.026H(SH、Sh、SV分別為最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，單位MPa，H為深度，單位為m)。在埋深500～1 650 m的范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力的值約為：14～34.81 MPa;最小主應(yīng)力的值為：10～26.7 MPa;垂直應(yīng)力的值為13～33.02 MPa。

2 復(fù)合群錨的作用機(jī)理

注漿錨桿加固隧道后，圍巖強(qiáng)度會(huì)顯著提高，圍巖塑性區(qū)將向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值也隨之向深部轉(zhuǎn)移；當(dāng)隧道進(jìn)一步施作初支噴層支護(hù)后，可使圍巖應(yīng)力峰值進(jìn)一步向深部轉(zhuǎn)移，且峰值也隨之提高，降低傳遞到隧道噴層結(jié)構(gòu)上的外部應(yīng)力。因此，注漿錨桿施作后可主動(dòng)有效減少噴層的洞壁支護(hù)阻力，增加承載區(qū)的厚度和強(qiáng)度，是減少隧道大變形的有效措施。然而由于軟巖大變形的塑性區(qū)范圍較大，施工中需要通過(guò)快速施作長(zhǎng)錨桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。但施工現(xiàn)場(chǎng)受到工序、工藝、作業(yè)空間的限制，長(zhǎng)錨桿施作難度大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，往往不能及時(shí)施作，造成支護(hù)成環(huán)前初期變形非常大，起不到控制變形的良好效果。

為解決這個(gè)矛盾，成蘭線推出復(fù)合群錨的概念，把不同長(zhǎng)短、不同材質(zhì)、不同功能的錨桿根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要分批施作。開(kāi)挖初期施作能夠快凝的短錨桿，以便控制開(kāi)挖初期變形，減少松動(dòng)圈的發(fā)展；初支噴層成環(huán)后施作長(zhǎng)錨桿，用以加固圍巖，初支和圍巖共同作用，加大承載區(qū)厚度。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)段選擇

試驗(yàn)段選擇在茂縣隧道1號(hào)斜井通過(guò)茂汶活動(dòng)斷裂帶的XJ1K0+208～+260段，共52 m，該段與正線平行，水平距離30 m，較正洞高20～25 m，該段采用輔洞正做，由于地質(zhì)條件和正洞基本一致，因此對(duì)正線工程的指導(dǎo)意義非常顯著。

3.2 數(shù)值模擬分析

采用地層-結(jié)構(gòu)模型對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)錨桿支護(hù)體系進(jìn)行分析。數(shù)值計(jì)算模型的建模原則按圣維南原則進(jìn)行考慮，計(jì)算模型在隧道橫斷面左右邊界考慮10倍的隧道開(kāi)挖洞徑。其數(shù)值計(jì)算模型分別如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)段計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)拱頂、拱腳、邊墻、仰拱等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值對(duì)比分析得出最優(yōu)錨桿長(zhǎng)度。3種對(duì)比模型如表1。

表1 計(jì)算工況

通過(guò)計(jì)算可以得到不同錨桿的軸力分布，具體情況如圖5所示。

由圖5可以看出邊墻處的錨桿軸力明顯大于拱頂和拱肩處的錨桿軸力，錨桿軸力隨著深度的增加而減小，通過(guò)對(duì)3種工況錨桿軸力的分析，3+6 m長(zhǎng)短結(jié)合錨桿的軸力最大；3+10長(zhǎng)短結(jié)合錨桿的軸力次之；3+8長(zhǎng)短結(jié)合錨桿的軸力最小。

3.3 試驗(yàn)方案

輔洞正做段落為XJ1K0+208～+260共52 m，現(xiàn)場(chǎng)確定分4段對(duì)工程措施進(jìn)行對(duì)比，具體分段情況見(jiàn)表2。

圖5 錨桿軸力對(duì)比曲線

表2 試驗(yàn)段工程措施情況

現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)測(cè)試斷面，對(duì)凈空收斂、拱頂下沉、圍巖接觸壓力、鋼架應(yīng)力、噴砼應(yīng)力和錨桿軸力進(jìn)行測(cè)試，斷面埋設(shè)方案如圖6。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1 洞周位移監(jiān)控量測(cè)

不同支護(hù)措施工況的拱頂沉降和周邊收斂的時(shí)程曲線見(jiàn)圖7—圖10。

對(duì)圖7—圖10中最大變形值進(jìn)行整理可以進(jìn)一步得到如表3所示。

表3 不同支護(hù)措施工況下的拱頂位移和周邊收斂最大值

圖6 測(cè)試元件埋設(shè)方案

圖7 格柵+型鋼鋼架+長(zhǎng)錨桿支護(hù)段洞周位移時(shí)程曲線(XJ1K0+255)

圖8 雙層工20b型鋼鋼架+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿支護(hù)段洞周位移時(shí)程曲線(XJ1K0+245)

圖9 H型鋼鋼架+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿支護(hù)段洞周位移時(shí)程曲線(XJ1K0+225)

圖10 H型鋼鋼架+長(zhǎng)短錨桿組合(樹(shù)脂短錨桿+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿)支護(hù)段洞周位移時(shí)程曲線(XJ1K0+215)

從以上不同支護(hù)參數(shù)的變形數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：

1)錨桿施作有效地抑制了圍巖變形，特別是初支初期變形后錨桿開(kāi)始受力，累積變形量曲線的增加趨勢(shì)從陡變得明顯平緩，說(shuō)明錨桿很有效地減緩了變形速率。

2)工況1、工況2和工況3采用了不同形式的鋼架支護(hù)體系，對(duì)比發(fā)現(xiàn)工況2采用的雙層工20b型鋼鋼架效果最不理想，拱頂、S1和S2處的初期變形速率和最大變形量均明顯大于另外2種工況條件；工況3采用的H型鋼鋼架+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿的支護(hù)體系則最優(yōu)，相比于工況2，工況3最大變形量在拱頂處下降最明顯，下降了48%左右。

3)相比于工況3只使用長(zhǎng)錨桿，工況4在工況3的基礎(chǔ)上結(jié)合使用了短錨桿，從圖9和圖10中可以看出在長(zhǎng)短錨桿組合使用的情況下，A(拱頂)的初期變形速率明顯變緩，只使用長(zhǎng)錨桿時(shí)，拱頂變形量在最初幾十天內(nèi)增加了大約200 mm。然而，在結(jié)合使用了短錨桿以后，拱頂變形量在最初的幾十天內(nèi)僅僅增加了10～20 mm，說(shuō)明短錨桿施作最大程度地控制了拱頂初期變形。

4)對(duì)比工況3和工況4的全斷面最大變形量，工況4的4個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的最大變形量相比于工況3均有下降，在拱頂處由395 mm降至150 mm;S1處由398 mm降至320 mm;S2處由535 mm降至490 mm;S3處由320 mm降至150 mm。其中拱頂最大變形量下降最為明顯，降低了62%左右，充分說(shuō)明了長(zhǎng)短錨桿結(jié)合能有效控制全斷面的變形，優(yōu)于前3個(gè)工況。

4.2 圍巖接觸壓力情況對(duì)比分析

各支護(hù)參數(shù)段的初支與圍巖的接觸壓力隨時(shí)間變化的曲線和圍巖壓力分布圖如圖11—圖14所示。

圖11 XJ1K0+253(格柵+工20b雙層支護(hù))圍巖接觸壓力

圖12 XJ1K0+238(雙層工20b型鋼鋼架+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿支護(hù))圍巖接觸壓力

圖13 XJ1K0+226(H型鋼鋼架+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿支護(hù))圍巖接觸壓力

圖14 XJ1K0+214(H型鋼鋼架+長(zhǎng)短錨桿組合(樹(shù)脂短錨桿+長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿)支護(hù))圍巖接觸壓力

對(duì)圖11—圖14中最大接觸壓力值進(jìn)行整理可以進(jìn)一步得到表4結(jié)果。

表4 圍巖一支接觸壓力最大值表

如圖14所示，工況4的接觸壓力在觀測(cè)期后期出現(xiàn)了先升高后降低直至趨向穩(wěn)定的情況。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

1)首先從各個(gè)工況的圍巖一支接觸壓力隨時(shí)間的變化曲線可以看出，工況1和工況2的條件下，需要施做二支或者二支成環(huán)過(guò)后，曲線的增長(zhǎng)速率才開(kāi)始明顯降低，而工況3和工況4的條件下，只需要初支成環(huán)以后曲線就開(kāi)始變得平緩，說(shuō)明工況1和工況2支護(hù)體系的前期支護(hù)效果欠佳，不能及時(shí)抑制圍巖壓力的增加。

2)各工況條件下圍巖一支接觸壓力的最大值都出現(xiàn)在拱頂或者拱腰、拱墻處，拱腳和仰拱處的接觸壓力明顯偏小。其中工況1在拱頂1TY1處接觸壓力最大，達(dá)到了3.17 MPa，在拱腰1TY3和拱墻兩側(cè)值相對(duì)工況4較大；工況2的拱腰兩側(cè)接觸壓力均較大，最大達(dá)到了6.92 MPa，在拱頂處接觸壓力值相對(duì)工況4較大；工況3在拱頂1TY1處接觸壓力最大，達(dá)到了7.45 MPa，在拱腰兩側(cè)和拱墻兩側(cè)相對(duì)工況4都較大；工況4在拱腰1TY2處出現(xiàn)接觸壓力最大值，最大達(dá)到了3.25 MPa，工況4在整體的接觸壓力上明顯小于其余各工況，而且工況4在后期觀測(cè)中，拱腰1TY2處接觸壓力由峰值3.25 MPa降至1.92 MPa，拱腳1TY7處接觸壓力由峰值2.38 MPa降至1.50 MPa，最終各處的圍巖一支接觸壓力分布均勻并且都較小。通過(guò)上述對(duì)比分析，說(shuō)明工況4中長(zhǎng)短錨桿結(jié)合使用的效果能最大限度加固圍巖，充分發(fā)揮了群錨加固后圍巖的自承能力并減小了圍巖壓力。

5 結(jié) 論

長(zhǎng)短復(fù)合群錨支護(hù)體系明顯優(yōu)于常規(guī)錨固體系及完全增加初支剛度的支護(hù)體系，并在成蘭線躍龍門(mén)、楊家坪、云屯堡等隧道中得到了推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，有如下結(jié)論：

1)在高地應(yīng)力引起的軟巖大變形隧道中使用錨桿，明顯降低了洞周位移變形速率和最終變形值，表明錨桿可以有效提高圍巖自承能力，抑制圍巖變形，并使作用在一支上的圍巖壓力減小。

2)根據(jù)針3 m+6 m、3 m+8 m和3 m+10 m長(zhǎng)短結(jié)合錨桿數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，使用3 m+8 m的長(zhǎng)短復(fù)合群錨時(shí)，錨桿軸力最小。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與加強(qiáng)鋼架支護(hù)體系相比，長(zhǎng)短復(fù)合群錨的支護(hù)效果更佳。長(zhǎng)短復(fù)合群錨能更有效地控制洞周的變形，使洞周各測(cè)點(diǎn)的變形值更小，圍巖一支的接觸壓力更小且壓力分布也更均勻。長(zhǎng)短錨桿的結(jié)合充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，既不會(huì)因?yàn)殄^桿過(guò)長(zhǎng)造成不經(jīng)濟(jì)也不會(huì)因?yàn)殄^桿過(guò)短而達(dá)不到應(yīng)有的工程治理效果。

當(dāng)然，隧道施工設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的圍巖特性、不同的功能要求以及施工條件等因素設(shè)置不同種類(lèi)的錨固系統(tǒng)，以滿足工程需求。錨桿設(shè)計(jì)與發(fā)展的方向是有針對(duì)性的解決隧道施工中各類(lèi)問(wèn)題，特別是大變形隧道的設(shè)計(jì)中需要把握好時(shí)機(jī)并且滿足功能需求，合理地確定錨桿類(lèi)型，才可以充分發(fā)揮錨桿的作用。