（北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

近年來(lái)我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，一些多線（3線及以上）鐵路隧道或車站隧道的單跨開(kāi)挖跨度越來(lái)越大，有的可達(dá)30 m 以上。超大跨度隧道在鐵路中的應(yīng)用開(kāi)始愈發(fā)廣泛，并成為鐵路地下工程的1 個(gè)重要研究領(lǐng)域。對(duì)于超大跨度隧道，隨著其開(kāi)挖尺寸的增加，隧道圍巖應(yīng)力的演化過(guò)程愈發(fā)復(fù)雜，圍巖變形的控制難度顯著增大，在隧道建設(shè)過(guò)程中發(fā)生塌方等事故的風(fēng)險(xiǎn)不斷上升，相應(yīng)地，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)也面臨極大挑戰(zhàn)。

大跨度隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方法引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，已有諸多相關(guān)研究見(jiàn)諸發(fā)表。在國(guó)內(nèi)，張頂立等［1］分析了大跨隧道不同開(kāi)挖方法（臺(tái)階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）及支護(hù)方式下圍巖變形特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；龔彥峰等［2］和洪軍等［3］分析了新考塘隧道靴型大邊墻、分層開(kāi)挖及多重支護(hù)技術(shù)；蔣樹(shù)屏等［4］通過(guò)相似模型試驗(yàn)，模擬了扁平大跨隧道的施工過(guò)程；曲海峰［5］研究了大跨隧道的荷載計(jì)算方法；章慧健等［6］和朱正國(guó)等［7］分析了烏蒙山2 號(hào)隧道的圍巖松動(dòng)區(qū)、支護(hù)特性及施工方法。在國(guó)外，Van??ek等［8］分析了捷克Kobylisy車站隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計(jì)及施工方案；Leblais 等［9］介紹了英法海峽隧道交叉口大跨段的建造方法；Sharifzadeh 等［10］基于位移反分析法，研究了伊朗Niayesh 大跨隧道設(shè)計(jì)方法；Sadaghiani 等［11］介紹了伊朗Mansour 車站隧道的建造方法；Robinson 等［12］分析了美國(guó)貝克山超大斷面隧道（直徑24.4 m）的地層—支護(hù)作用特性；Lunardi［13］和Park等［14］分別分析了意大利Venezia車站隧道和韓國(guó)923 車站隧道的大直徑管幕支護(hù)設(shè)計(jì)及施工過(guò)程。然而，現(xiàn)有的大跨度隧道建造方法仍大量采用臨時(shí)支護(hù)（中隔壁和臨時(shí)仰拱等）來(lái)實(shí)現(xiàn)分布分塊開(kāi)挖，其施工空間較為狹窄，不利于大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用。此外，臨時(shí)支護(hù)的拆除是1個(gè)復(fù)雜的力學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程，極易發(fā)生支護(hù)失效，進(jìn)而引發(fā)大變形和坍塌等工程災(zāi)害。因此十分有必要研究提出更為合理的支護(hù)形式，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定和支護(hù)可靠，為隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全提供保障。

預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)是超大跨度隧道的1 種新的支護(hù)形式，早期主要應(yīng)用于大斷面煤礦巷道、地下水電站、地下體育場(chǎng)等大型地下空間的支護(hù)［15-17］，隨著巖土錨固技術(shù)的不斷進(jìn)步，該方法開(kāi)始應(yīng)用于大跨度鐵路隧道建設(shè)。本文以京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站超大跨度隧道為工程案例，基于錨桿和錨索的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為，再結(jié)合微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理，探索這種新型錨固支護(hù)技術(shù)在超大跨度高鐵隧道領(lǐng)域的應(yīng)用可行性，以期為今后類似工程建設(shè)提供借鑒與參考。

1 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索軸力監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的車站主體位于八達(dá)嶺長(zhǎng)城下方山體中，最大埋深102 m，主體部分為3洞小凈距隧道；兩端為單拱超大跨度隧道，此處由正線處的2 線鐵路逐漸過(guò)渡為車站處的4 線鐵路，最大開(kāi)挖跨度32.7 m，開(kāi)挖面積494 m2；小凈距隧道與單拱超大跨度隧道之間由3 連拱隧道連接。車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面形式如圖1所示。

張家口方向超大跨度隧道巖體主要為燕山晚期侵入巖，如花崗巖、細(xì)?；◢弾r、偉晶花崗巖，斑狀二長(zhǎng)花崗巖等；并發(fā)育有F2 斷層，該斷層與洞身相交于DK68+260—DK68+300（見(jiàn)圖1），與線路相交角35°，斷裂產(chǎn)狀為236°∠80°，為一壓扭性斷裂，上盤(pán)為花崗巖，下盤(pán)為斑狀二長(zhǎng)花崗巖，斷層帶內(nèi)為壓碎巖，該區(qū)域巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，受斷層影響，超大跨度隧道5號(hào)斷面和連拱隧道局部區(qū)域的圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)（張家口方向1號(hào)—5號(hào)斷面的圍巖分級(jí)依次為Ⅲ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅳ，Ⅴ）。

圖1 車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面圖（單位：m）

為實(shí)現(xiàn)京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的超大跨度隧道安全建設(shè)，探索應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)方法，調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力來(lái)支護(hù)隧道荷載。預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索均采用先張法施工，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由錨頭、自由段、錨固段3部分組成。張家口方向大跨段各斷面處的錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

預(yù)應(yīng)力錨桿為中空鋼管，直徑32 mm、壁厚6 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度205 kN，預(yù)應(yīng)力120 kN。最大開(kāi)挖跨度處的錨桿長(zhǎng)度達(dá)11 m。錨桿施工分為3步：①鉆孔并裝入錨桿桿體，使用水泥錨固劑對(duì)錨固段進(jìn)行錨固；②在錨固段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，使用千斤頂對(duì)自由段進(jìn)行張拉以施加預(yù)應(yīng)力，通過(guò)錨墊板和螺栓對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行鎖定；③對(duì)自由段進(jìn)行注漿，注漿壓力為1～1.5 MPa，實(shí)現(xiàn)錨桿與圍巖的全長(zhǎng)黏結(jié)。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索構(gòu)造

表1 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索長(zhǎng)度

錨索索體由7 束或5 束直徑為15.2 mm 的鋼絞線組成，設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為1 000，700 kN，錨索預(yù)應(yīng)力是其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，分別為700，490 kN。最大開(kāi)挖跨度處的錨索長(zhǎng)度達(dá)25 m。錨索施工也分為3步進(jìn)行，但與錨桿略有不同：①鉆孔并裝入錨索索體及注漿管，對(duì)自由段進(jìn)行注漿，注漿壓力為1～2 MPa；②使用硫鋁酸鹽水泥漿對(duì)錨固段進(jìn)行高壓注漿，注漿壓力為4～7 MPa，硫鋁酸鹽水泥早期強(qiáng)度高，3 d 即可達(dá)到設(shè)計(jì)錨固強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)錨索的及時(shí)張拉；③錨固段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，安裝錨墊板，對(duì)自由段進(jìn)行分級(jí)張拉以施加預(yù)應(yīng)力，使用楔形錨頭進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鎖定。施工中，注漿的作用在于充填鉆孔、擠密圍巖并防止錨索發(fā)生應(yīng)力腐蝕，注漿后錨索自由段處于非黏結(jié)狀態(tài)。

具體作業(yè)時(shí)，將超大跨度隧道劃分為4 臺(tái)階、11 步進(jìn)行開(kāi)挖，其開(kāi)挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。每步開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)，并安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索錨固圍巖。

圖3 超大跨度隧道開(kāi)挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)（單位：m）

1.2 監(jiān)測(cè)方案

該超大跨度隧道與F2斷層相交于最大跨度（5號(hào)）斷面，兼具破碎巖體（Ⅴ級(jí)圍巖）和超大跨度（32.7 m）這2 種特征，因此5 號(hào)斷面的開(kāi)挖成為超大跨度隧道的建設(shè)難點(diǎn)。出于控制圍巖變形、確保圍巖穩(wěn)定等考慮，該區(qū)域設(shè)置的錨桿、錨索長(zhǎng)度最長(zhǎng)，錨索支護(hù)密度相應(yīng)增加。為了研究開(kāi)挖過(guò)程中預(yù)應(yīng)力錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)行為，在施工階段對(duì)隧道5號(hào)斷面錨桿、錨索的軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，監(jiān)測(cè)斷面里程為DK68+297。

預(yù)應(yīng)力錨桿自由段通過(guò)注漿體與圍巖相黏結(jié)，在錨桿與圍巖的協(xié)調(diào)變形過(guò)程中，其自由段各點(diǎn)處軸力出現(xiàn)不同程度的變化，故采用自由段多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)、端部軸力監(jiān)測(cè)2種形式觀察錨桿軸力變化。

預(yù)應(yīng)力錨索自由段的鋼絞線外設(shè)有套管保護(hù)，錨索自由段不與圍巖黏結(jié)，在錨索與圍巖的協(xié)調(diào)變形過(guò)程中，其自由段不同位置處的軸力始終保持一致，故采用端部軸力監(jiān)測(cè)的形式觀察錨索軸力變化。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1）預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)方案

對(duì)拱頂和左右拱腰處的錨桿進(jìn)行自由段多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)，可以詳盡地反映錨桿支護(hù)力沿軸向的變化規(guī)律，有利于揭示預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為。7 個(gè)測(cè)點(diǎn)沿自由段順次分布，間距分別為1.4，1.3，1.3，1.3，1.3，1.4 m，如圖5所示。所用傳感器為振弦式鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)錨桿的安裝經(jīng)由錨桿段切割、錨桿段與傳感器連接、組裝監(jiān)測(cè)錨桿并放入鉆孔、錨桿張拉及注漿4步完成。

圖5 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

2）預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測(cè)方案

對(duì)拱腳和邊墻處錨桿采用端部軸力監(jiān)測(cè)方法，是出于以下2 點(diǎn)考慮：其一，多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)錨桿安裝過(guò)程復(fù)雜，傳感器監(jiān)測(cè)導(dǎo)線與鉆孔巖壁的摩擦可能導(dǎo)致線路損壞，特別是當(dāng)鉆孔傾角較小時(shí)（拱腳及邊墻處），在安裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線磨損導(dǎo)致多個(gè)傳感器失效的情況；其二，拱部錨桿監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨桿端部的軸力與自由段上其他點(diǎn)處的相近，具有一定代表性。因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測(cè)方式，以提高傳感器的安裝效率和儀器存活率。

監(jiān)測(cè)使用的振弦式錨桿測(cè)力計(jì)安裝形式如圖6所示。在施加預(yù)應(yīng)力之前，將其套裝在錨桿端部即可。測(cè)力計(jì)兩端各有1個(gè)墊板，錨桿預(yù)應(yīng)力通過(guò)墊板均勻地傳遞到傳感器上。與多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)方法相比，端部監(jiān)測(cè)方法安裝操作簡(jiǎn)便，可在超大跨度隧道錨桿軸力監(jiān)測(cè)中大量應(yīng)用。

圖6 端部錨桿測(cè)力計(jì)及其示意圖

3）預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測(cè)方案

對(duì)錨索僅需測(cè)其端部軸力，這是因?yàn)殄^索自由段的鋼絞線表面有套管保護(hù)，注漿后，錨索自由段與注漿體、圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài)，其軸力沿自由段不發(fā)生變化。

監(jiān)測(cè)使用的振弦式錨索測(cè)力計(jì)安裝形式如圖7所示。在錨索張拉階段，需對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行安裝，且其安裝要求比較嚴(yán)格，錨墊板、上下墊板、錨索測(cè)力計(jì)、錨具、張拉千斤頂?shù)染鶓?yīng)與錨索孔同軸，以避免出現(xiàn)偏心荷載。

圖7 錨索測(cè)力計(jì)及其示意圖

2 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索力學(xué)行為

超大跨度隧道的開(kāi)挖過(guò)程較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析困難較大。為了簡(jiǎn)化分析，基于各開(kāi)挖步在時(shí)間和空間上的分布，將超大跨度隧道的施工過(guò)程劃分為5 個(gè)階段，分別是：①導(dǎo)洞開(kāi)挖；②上臺(tái)階開(kāi)挖；③中臺(tái)階開(kāi)挖；④下臺(tái)階開(kāi)挖；⑤仰拱開(kāi)挖及二襯施做。各階段劃分如圖8所示。在各施工階段劃分基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為進(jìn)行分析。

圖8 超大跨度隧道開(kāi)挖階段劃分

2.1 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

隧道拱頂和左、右拱肩處的錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9和圖10所示，圖中Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力，錨桿軸向坐標(biāo)原點(diǎn)定義為錨墊板處，錨桿測(cè)點(diǎn)位置以軸向坐標(biāo)計(jì)算，具體分析如下。

圖9 錨桿多點(diǎn)軸力監(jiān)測(cè)

圖10 錨桿自由段軸力分布（單位：kN）

1）隧道拱頂錨桿軸力

對(duì)于拱頂處錨桿，在安裝后5～10 d 表現(xiàn)為較為典型的預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，但其自由段各點(diǎn)處的預(yù)應(yīng)力損失比例不同；3 個(gè)月后，錨桿軸力已基本趨于穩(wěn)定，然而當(dāng)上臺(tái)階左、右側(cè)圍巖開(kāi)挖后，由于拱頂處圍巖受到擾動(dòng)，錨桿軸力發(fā)生較大損失；此后，隨著圍巖變形的發(fā)展，錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形，從而使錨桿軸力出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。在第2、3 層臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂錨桿各點(diǎn)處的軸力出現(xiàn)較大的離散，仰拱開(kāi)挖及二襯施做后，錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定。綜合來(lái)看，拱頂錨桿軸力因受后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程的顯著影響，表現(xiàn)出波動(dòng)特性；錨桿預(yù)應(yīng)力因巖體爆破振動(dòng)和開(kāi)挖擾動(dòng)的存在，可能受到損失；錨桿軸力因受圍巖與錨桿協(xié)調(diào)變形的影響，又會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。

2）左拱肩錨桿軸力

與先行導(dǎo)洞相比，上臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖較晚，左、右拱肩處的錨桿安裝大概滯后拱頂處1年。

左拱肩錨桿在經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力快速損失階段后趨于穩(wěn)定；在第③和第④階段中、下臺(tái)階巖體開(kāi)挖后，其錨桿軸力出現(xiàn)較為顯著的增長(zhǎng)，即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起的錨桿被動(dòng)支護(hù)力增長(zhǎng)超過(guò)了其預(yù)應(yīng)力損失；在仰拱開(kāi)挖及二襯施做過(guò)程中，錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

3）右拱肩錨桿軸力

右拱肩處錨桿也有著相似的力學(xué)行為，第③和第④階段中、下層臺(tái)階開(kāi)挖使錨桿各點(diǎn)處的軸力出現(xiàn)不同幅度的增長(zhǎng)，沿錨桿軸向各測(cè)點(diǎn)軸力出現(xiàn)較大的離散，錨桿軸力在開(kāi)挖后期表現(xiàn)為緩慢的軸力下降過(guò)程。

4）以上3處錨桿的軸力分布

整理隧道拱頂和左、右拱肩處錨桿自由段軸力分布如圖10所示。由圖可知：錨桿軸力最大值出現(xiàn)在錨桿端部或靠近端部測(cè)點(diǎn)。這表明，靠近隧道開(kāi)挖邊界處的圍巖變形相對(duì)較大，且圍巖變形受到預(yù)應(yīng)力錨桿的有效約束。錨桿的初始預(yù)應(yīng)力Fp1如圖中虛線所示，顯然，錨桿軸力總體上表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，除個(gè)別點(diǎn)軸力超過(guò)初始預(yù)應(yīng)力外，其他測(cè)點(diǎn)的錨桿軸力均小于初始預(yù)應(yīng)力。這表明，與預(yù)應(yīng)力損失的影響相比，錨桿被動(dòng)支護(hù)作用帶來(lái)的軸力增長(zhǎng)相對(duì)較小，因此錨桿軸力總體上表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

根據(jù)Freeman［18］中性點(diǎn)理論，全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿（無(wú)預(yù)應(yīng)力）的軸力及剪應(yīng)力分布如圖11所示，其剪應(yīng)力與軸力間關(guān)系可以表示為

式中：F為全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿的軸力；D為錨桿直徑；τb為錨桿與注漿體間剪應(yīng)力；L為錨桿軸向坐標(biāo)；Fh為錨墊板支護(hù)力。

顯然，全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿（無(wú)預(yù)應(yīng)力）上存在1 個(gè)中性點(diǎn)，該點(diǎn)處錨桿與注漿體間剪應(yīng)力τb為0，且中性點(diǎn)兩側(cè)剪應(yīng)力反向。對(duì)于只有1個(gè)中性點(diǎn)的非預(yù)應(yīng)力錨桿而言，中性點(diǎn)也是其軸力最大值點(diǎn)。

然而預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力分布更為復(fù)雜。由圖10可知，在錨桿的自由段，其軸力存在多個(gè)極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，這表明預(yù)應(yīng)力錨桿可能存在多個(gè)中性點(diǎn)，現(xiàn)以左拱肩處錨桿為例做進(jìn)一步分析。

圖11 全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿（非預(yù)應(yīng)力）軸力及剪應(yīng)力分布

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段軸力及剪應(yīng)力分布的研究已經(jīng)較為成熟，根據(jù)現(xiàn)有研究［19-21］對(duì)其錨固段軸力分布曲線進(jìn)行補(bǔ)全，基于式（1），可得到錨桿與注漿體之間的剪應(yīng)力分布曲線，如圖12所示。顯然，該錨桿自由段處存在3個(gè)中性點(diǎn)，分別出現(xiàn)在錨桿軸力的2 個(gè)極大值處和1 個(gè)極小值處。實(shí)際上，由于該預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度達(dá)到11 m，且錨固巖體較為破碎，監(jiān)測(cè)所得的軸力極值點(diǎn)個(gè)數(shù)可能少于其實(shí)際個(gè)數(shù)。由此可知，預(yù)應(yīng)力錨桿上通常存在多個(gè)中性點(diǎn)，這是與現(xiàn)有普通錨桿（非預(yù)應(yīng)力錨桿）錨固理論存在較大差異的力學(xué)特性。

圖12 左拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿剪應(yīng)力分布

2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

如前所述，多測(cè)點(diǎn)的錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)鉆孔精度、安裝方法、導(dǎo)線保護(hù)等要求較高，且錨桿端部軸力基本可以反映錨桿自由段的受力情況，因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13所示。

圖13 錨桿端部軸力監(jiān)測(cè)

由圖可知：在左拱腰處，錨桿軸力增長(zhǎng)較為顯著，下臺(tái)階開(kāi)挖后，在錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過(guò)程中，錨桿軸力迅速增長(zhǎng)并超過(guò)錨桿的初始預(yù)應(yīng)力，然后趨于穩(wěn)定，這表明仰拱開(kāi)挖對(duì)拱腰處錨桿受力影響較小。在右拱腰處，錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后，軸力表現(xiàn)為波動(dòng)下降的趨勢(shì)，直至初期支護(hù)閉合后軸力趨于穩(wěn)定。在左拱墻處，錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后，軸力基本趨于穩(wěn)定，這表明該處圍巖穩(wěn)定，受后續(xù)開(kāi)挖影響較小。在右拱墻處，錨桿初始階段預(yù)應(yīng)力損失較小，但錨桿經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力緩慢損失階段。

由前文分析可知，預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)力由3 個(gè)部分組成：①初始預(yù)應(yīng)力，也可稱為主動(dòng)支護(hù)力；②預(yù)應(yīng)力損失，與錨具形式、安裝張拉工藝、桿體的材料特性、注漿體的壓縮等多種因素有關(guān)；③被動(dòng)支護(hù)力，即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過(guò)程中的錨桿軸力增長(zhǎng)。則預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力可表示為

式中：F1為錨桿軸力；Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力；Fs1為錨桿被動(dòng)支護(hù)力；ΔFL1為錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

錨桿的初始預(yù)應(yīng)力在其張拉階段就已確定。在隧道開(kāi)挖階段，預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力演化過(guò)程實(shí)際上是被動(dòng)支護(hù)力和預(yù)應(yīng)力損失相互作用的過(guò)程：當(dāng)被動(dòng)支護(hù)力大于預(yù)應(yīng)力損失，錨桿表現(xiàn)為軸力的上升；當(dāng)被動(dòng)支護(hù)力小于預(yù)應(yīng)力損失，錨桿表現(xiàn)為軸力的下降。由此，錨桿的軸力演化過(guò)程可以劃分為3個(gè)階段。

1）預(yù)應(yīng)力快速損失階段

在錨桿安裝后10～20 d，預(yù)應(yīng)力損失遠(yuǎn)大于被動(dòng)支護(hù)力，錨桿表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài)，其預(yù)應(yīng)力損失率一般處于4%～12%之間，且自由段不同位置處出現(xiàn)軸力離散，各測(cè)點(diǎn)最大軸力差值為3～5 kN。

2）錨桿軸力波動(dòng)階段

隨著開(kāi)挖范圍的擴(kuò)大，錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起被動(dòng)支護(hù)力增長(zhǎng)，根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失和被動(dòng)支護(hù)力大小關(guān)系的不同，錨桿軸力表現(xiàn)為波動(dòng)式的上升或下降，同時(shí)其自由段不同位置處的軸力出現(xiàn)較大的離散，各測(cè)點(diǎn)處最大軸力差值為20～30 kN。

3）錨桿軸力穩(wěn)定階段

隨著時(shí)間的推移、開(kāi)挖擾動(dòng)的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉，預(yù)應(yīng)力損失逐漸減弱，被動(dòng)支護(hù)力也不再顯著增長(zhǎng)，錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

如前所述，預(yù)應(yīng)力錨索自由段與圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài)，其自由段各點(diǎn)處軸力相等，只需監(jiān)測(cè)錨索端部軸力即可，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示。拱頂處錨索經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力快速損失后，其軸力進(jìn)入波動(dòng)階段。受兩側(cè)圍巖開(kāi)挖影響，錨索軸力出現(xiàn)較為顯著的增長(zhǎng)；在中、下臺(tái)階開(kāi)挖階段，受預(yù)應(yīng)力損失和開(kāi)挖應(yīng)力釋放的雙重影響，錨索軸力較為穩(wěn)定。在下臺(tái)階開(kāi)挖完成后，拱頂處圍巖基本穩(wěn)定，因此錨索軸力主要表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力緩慢損失狀態(tài)，并逐步趨于穩(wěn)定。

由圖可知：在左拱肩處，錨索張拉后的前10 d預(yù)應(yīng)力損失較大，損失值達(dá)到62 kN 后錨索軸力趨于穩(wěn)定，受上臺(tái)階右側(cè)及中、下臺(tái)階開(kāi)挖影響，其支護(hù)力出現(xiàn)階段性的臺(tái)階式上升，直至開(kāi)挖完成后趨于穩(wěn)定。在右拱肩處，錨索軸力增長(zhǎng)較為顯著，中臺(tái)階開(kāi)挖使錨索軸力快速增長(zhǎng)，并超過(guò)其初始預(yù)應(yīng)力值。在左拱腰處，錨索軸力在下臺(tái)階開(kāi)挖階段表現(xiàn)為波動(dòng)上升，在仰拱開(kāi)挖階段表現(xiàn)為緩慢下降并趨于穩(wěn)定。在右拱腰處，錨索經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力快速損失后，軸力略有上升，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的軸力下降區(qū)間，在仰拱開(kāi)挖后趨于穩(wěn)定。在左拱墻處，錨索軸力演化也有類似的表現(xiàn)，但相比之下，右拱墻處錨索在鄰近斷面仰拱開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)軸力臺(tái)階式上升的情況，表明該時(shí)段右拱墻處圍巖受到較大擾動(dòng)，錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形使錨索軸力快速增長(zhǎng)。

圖14 錨索軸力監(jiān)測(cè)

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力錨索與預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為有相似之處，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)力也是由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失、被動(dòng)支護(hù)力這3部分組成，可表示為

式中：F2為錨索軸力；Fp2為錨索初始預(yù)應(yīng)力；Fs2為錨索被動(dòng)支護(hù)力；ΔFL2為錨索預(yù)應(yīng)力損失。

同樣地，錨索的軸力演化過(guò)程也可以劃分為3個(gè)階段。

1）預(yù)應(yīng)力快速損失階段

在錨索安裝后10～30 d，預(yù)應(yīng)力損失遠(yuǎn)大于被動(dòng)支護(hù)力，錨索表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài)，其預(yù)應(yīng)力損失率為2%～8%。

2）錨索軸力波動(dòng)階段

在經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力快速損失階段后，預(yù)應(yīng)力損失減??；受下部開(kāi)挖帶來(lái)的圍巖擾動(dòng)影響，錨索與圍巖發(fā)生協(xié)調(diào)變形，錨索被動(dòng)支護(hù)力開(kāi)始增大；在開(kāi)挖的不同階段，預(yù)應(yīng)力損失和被動(dòng)支護(hù)力的大小關(guān)系不斷變化，導(dǎo)致軸力不斷波動(dòng)；當(dāng)被動(dòng)支護(hù)力較大時(shí)，錨索軸力出現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，被動(dòng)支護(hù)力很大時(shí)甚至出現(xiàn)軸力臺(tái)階式上升的情況；當(dāng)被動(dòng)支護(hù)力較小而預(yù)應(yīng)力損失值較大時(shí)，錨索軸力表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)。

3）錨索軸力穩(wěn)定階段

隨著時(shí)間的推移、開(kāi)挖擾動(dòng)的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉，預(yù)應(yīng)力損失效應(yīng)和被動(dòng)支護(hù)效應(yīng)逐漸減弱甚至消失，錨索軸力趨于穩(wěn)定。

2.4 錨桿—錨索支護(hù)作用評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)超大跨度隧道錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)效果，分析后續(xù)開(kāi)挖對(duì)錨桿—錨索支護(hù)體系的影響，在先行導(dǎo)洞拱頂最后1次噴鋼纖維混凝土?xí)r（導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后6 個(gè)月），于DK68+297 斷面拱頂埋設(shè)沉降測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖15所示。

圖15 拱頂沉降監(jiān)測(cè)

由圖可知：在上臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖面向測(cè)點(diǎn)位置推進(jìn)時(shí)，拱頂沉降增長(zhǎng)較快；在左、右拱肩處預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)完成后，拱頂沉降不再繼續(xù)增長(zhǎng)。在中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，拱頂沉降變形繼續(xù)增大，拱腰處支護(hù)完成后，沉降值趨于穩(wěn)定。下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)拱頂圍巖變形影響較小，但是在仰拱開(kāi)挖階段，拱頂沉降顯著增大，這一方面是由于仰拱開(kāi)挖造成的，另一方面則是由于距測(cè)點(diǎn)12 m 處的3 連拱隧道中洞開(kāi)挖，使拱頂處圍巖受到擾動(dòng)所致。

結(jié)合實(shí)際來(lái)看，當(dāng)3 連拱中洞開(kāi)挖完成后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，最大拱頂沉降值為30.9 mm，圍巖變形量滿足安全性要求。對(duì)于開(kāi)挖跨度達(dá)到32.7 m、開(kāi)挖時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2年的超大跨隧道來(lái)說(shuō)，這足以表明預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)體系可以有效控制圍巖變形，新型錨固支護(hù)體系的應(yīng)用成為八達(dá)嶺長(zhǎng)城站超大跨度隧道建設(shè)成功的關(guān)鍵。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)效應(yīng)

在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護(hù)體系中，錨桿、錨索支護(hù)區(qū)域不同，且錨桿、錨索支護(hù)區(qū)域內(nèi)的圍巖受到不同程度的開(kāi)挖擾動(dòng)。研究錨桿及錨索支護(hù)區(qū)域的圍巖損傷特性和穩(wěn)定性特征，對(duì)分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)效應(yīng)具有重要意義。

3.1 超大跨度隧道微震監(jiān)測(cè)

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)，使巖體薄弱處發(fā)生開(kāi)裂。這一巖體開(kāi)裂過(guò)程伴隨著裂隙能量釋放，對(duì)其發(fā)出的微震信號(hào)加以采集和處理，可以獲取巖體損傷中微裂紋的位置、大小和破壞進(jìn)程等信息，從而對(duì)隧道圍巖的損傷特性和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析［22-24］。

在京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站大跨度隧道建設(shè)中，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)分析圍巖損傷特性，以進(jìn)一步分析、印證預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的支護(hù)效應(yīng)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由檢波器、GPS 時(shí)鐘同步裝置、數(shù)據(jù)采集儀、供電設(shè)備、光纖交換機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)組成，如圖16所示。

圖16 微震系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖17 微震事件平面分布圖（全部微震事件的10%）

對(duì)超大跨度隧道開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，獲得隧道周圍的微震事件分布如圖17所示，微震事件根據(jù)矩震級(jí)的不同，以顏色、大小不同的點(diǎn)來(lái)表示。由圖可知，沿隧道切向來(lái)看，越接近隧道開(kāi)挖輪廓，其矩震級(jí)越大；沿隧道軸向來(lái)看，隨著開(kāi)挖跨度的增大以及圍巖質(zhì)量的降低，微震事件的密度和矩震級(jí)逐漸增大。

根據(jù)微震事件分布密度和矩震級(jí)的不同［25-27］，可將圍巖劃分為開(kāi)挖高損傷區(qū)、開(kāi)挖低損傷區(qū)和開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)。其中，高損傷區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差，易發(fā)生塌方等事故，是隧道支護(hù)的重點(diǎn)，整理其沿隧道周邊的分布見(jiàn)表2。為了避免圍巖損傷程度的加劇和高損傷區(qū)范圍的擴(kuò)大，需要對(duì)高損傷區(qū)圍巖進(jìn)行及時(shí)、可靠的支護(hù)，以保證超大跨度隧道的施工安全。

表2 大跨度隧道圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)范圍匯總

3.2 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理

預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索共同應(yīng)用于超大跨度隧道支護(hù)時(shí)，錨桿和錨索因其支護(hù)區(qū)域、支護(hù)密度、預(yù)應(yīng)力及承載能力的特點(diǎn)而發(fā)揮相應(yīng)的作用，取超大跨度隧道局部區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護(hù)進(jìn)行分析，如圖18（a）所示。圖中：預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)密度較大，錨桿安裝并張拉完成后，錨頭和錨固段處的預(yù)應(yīng)力Fp1擠壓圍巖，以∠α向圍巖中擴(kuò)散形成1個(gè)錐形壓縮區(qū)，各個(gè)錐形壓縮區(qū)相互重疊連接形成均勻的連續(xù)壓縮帶［28-29］。在該區(qū)域內(nèi)，錨桿的預(yù)應(yīng)力主動(dòng)支護(hù)作用提高了圍巖的最小主應(yīng)力σ3，從而顯著提高了圍巖強(qiáng)度；反過(guò)來(lái)，圍巖的進(jìn)一步變形也會(huì)受到錨桿被動(dòng)支護(hù)力Fs1的約束，圍巖與錨桿共同組成了1個(gè)有較強(qiáng)承載力的拱結(jié)構(gòu)，稱之為組合拱，根據(jù)圖18（a）中所示幾何關(guān)系，組合拱的厚度可以表示為

式中：db為組合拱厚度；Lb1為預(yù)應(yīng)力錨桿自由段長(zhǎng)度；r為隧道曲率半徑；Sb1為錨桿間距；b為錨桿墊板寬度；α為壓力擴(kuò)散角（常取α=45°進(jìn)行計(jì)算）。

在超大跨度隧道支護(hù)中，由于錨索的支護(hù)間距較大，往往不考慮其拱效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)點(diǎn)在于超長(zhǎng)的支護(hù)長(zhǎng)度和極強(qiáng)的承載能力，因此錨索一般錨固于深部的穩(wěn)定巖體中，其錨固段處圍巖變形較小，可以認(rèn)為是1個(gè)固定點(diǎn)。通過(guò)超長(zhǎng)的錨固深度，錨索調(diào)動(dòng)深部巖體的承載能力支護(hù)圍巖，一方面發(fā)揮預(yù)應(yīng)力Fp2的主動(dòng)支護(hù)作用加固組合拱，分擔(dān)一部分圍巖荷載；另一方面，由于組合拱內(nèi)圍巖的不均勻性和荷載分布的不均勻性，組合拱內(nèi)可能存在穩(wěn)定性較差的潛在失穩(wěn)區(qū)，在錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形的過(guò)程中，錨索被動(dòng)支護(hù)力Fs2將有效加固變形較大的組合拱潛在失穩(wěn)區(qū)，確保圍巖穩(wěn)定。

根據(jù)圍巖漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定性的特征，可將穩(wěn)定性差且距離隧道邊界近的高損傷區(qū)巖體劃分為淺層圍巖；將穩(wěn)定性較好且距離隧道邊界較遠(yuǎn)的低損傷區(qū)巖體及擾動(dòng)區(qū)巖體劃分為深層圍巖［30-31］。根據(jù)表2列出的高損傷區(qū)（淺層圍巖）邊界，最大跨度斷面錨桿—錨索支護(hù)范圍及深、淺層圍巖分布如圖18（b）所示。由上述分析可知，在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)體系中，預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索因其支護(hù)范圍、支護(hù)密度的不同，在體系中發(fā)揮的作用也不同，其支護(hù)機(jī)理可總結(jié)為：錨桿主要分布在淺層圍巖內(nèi)部，錨桿預(yù)應(yīng)力擠壓巖體，在相鄰錨桿壓縮區(qū)相互疊加作用下，形成1個(gè)由錨桿和圍巖共同組成的組合拱結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)圍巖荷載；由于隧道跨度很大，組合拱難以承擔(dān)全部圍巖荷載，錨固于深層圍體中的預(yù)應(yīng)力錨索，可調(diào)動(dòng)深層圍巖的承載能力，分擔(dān)錨桿組合拱承擔(dān)的圍巖荷載，加固組合拱潛在失穩(wěn)區(qū)，從而提高錨桿組合拱穩(wěn)定性。

圖18 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理

4 結(jié) 論

預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和被動(dòng)支護(hù)力3部分組成；預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力演化過(guò)程均可劃分為預(yù)應(yīng)力快速損失、軸力波動(dòng)和軸力穩(wěn)定等3個(gè)階段；預(yù)應(yīng)力錨桿軸力沿自由段非均勻分布，在自由段上存在多個(gè)中性點(diǎn)。

預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理可總結(jié)為：淺層圍巖內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力錨桿與被錨固巖體共同組成了組合拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖荷載，預(yù)應(yīng)力錨索則調(diào)動(dòng)深層圍巖承載力承擔(dān)圍巖荷載，提高組合拱穩(wěn)定性；在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的協(xié)同作用下，超大跨度隧道圍巖得到有效支護(hù)。