劉遠(yuǎn)建 LIU Yuan-jian

（中鐵發(fā)展投資有限公司，青島 266034）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)一步發(fā)展，地下隧道建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，常規(guī)大跨度隧道支護(hù)設(shè)計(jì)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)減小跨度的方式保障圍巖穩(wěn)定，一般采用CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[1]，支護(hù)方式以格柵鋼架結(jié)合錨噴組成的聯(lián)合支護(hù)方式為主[2]。

但對(duì)于大跨度隧道，常規(guī)的開(kāi)挖及支護(hù)體系無(wú)法有效滿(mǎn)足大跨度地下隧道的圍巖控制要求[3]。諸多學(xué)者開(kāi)挖工法進(jìn)行了革新，李克先等[4]作者以青島地區(qū)“上軟下硬”地區(qū)的巖性，總結(jié)了多條線(xiàn)路、多個(gè)車(chē)站、不同巖跨比的開(kāi)挖工法，對(duì)比了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法等傳統(tǒng)開(kāi)挖工法與初支拱蓋法的區(qū)別，從安全性與經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化?？壮萚5]針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的貴陽(yáng)地鐵，通過(guò)建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，證明初支拱蓋法的支撐作用能夠有效的抑制圍巖的初期變形，承載性滿(mǎn)足工程需求。

目前，在地下大跨度隧道施工過(guò)程中，傳統(tǒng)開(kāi)挖及支護(hù)技術(shù)不能兼顧施工效率與施工安全[6-8]，譚忠盛等[9]對(duì)比了以系統(tǒng)錨桿為主的被動(dòng)支護(hù)體系與無(wú)錨桿支護(hù)體系，兩類(lèi)支護(hù)條件下圍巖壓力接近，但被動(dòng)支護(hù)作用下圍巖變形量高了40%，錨桿的軸力受力較小，支護(hù)效用不增反降，在現(xiàn)場(chǎng)做出了取消了系統(tǒng)錨桿的措施。陳建勛等學(xué)者[10]在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在被動(dòng)支護(hù)體系中錨桿與格柵鋼架的支護(hù)作用相互抵消，支護(hù)力反而難以發(fā)揮。

現(xiàn)有背景下，大跨度地下隧道亟需一種新的開(kāi)挖及支護(hù)工法體系。因此，本文提出了以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的主動(dòng)支護(hù)工法，其支護(hù)理念是能夠迅速在較短的時(shí)間內(nèi)施加高預(yù)應(yīng)力，利用施加的高預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力補(bǔ)償，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)圍巖的變形與錨桿軸力的受力特征驗(yàn)證了施工體系的可行性。

1 工程背景

青島地鐵6號(hào)線(xiàn)創(chuàng)智谷站位于山東青島，為地下兩層島式暗挖車(chē)站，車(chē)站全長(zhǎng)203.6m，站臺(tái)寬度11m，開(kāi)挖跨度為21.5m，高度為18.5m，拱頂埋深約22.5~27.9m，屬于超大斷面。

2 施工技術(shù)

基于地質(zhì)與施工條件，采用分部臺(tái)階法開(kāi)挖，以預(yù)應(yīng)力錨桿為核心的支護(hù)體系。

2.1 開(kāi)挖工藝

分部臺(tái)階法開(kāi)挖部序如圖1所示，拱部依次開(kāi)挖“拱部上導(dǎo)坑→拱部左側(cè)導(dǎo)坑→拱部右側(cè)導(dǎo)坑→拱部中部巖體”，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為一榀格柵鋼架間距，隧道下部依次開(kāi)挖“①→②→③→④→⑤→⑥”。

圖1 臺(tái)階法開(kāi)挖部序圖

2.2 高預(yù)應(yīng)力錨桿主動(dòng)支護(hù)體系

2.2.1 支護(hù)體系設(shè)計(jì)

基于摩爾-庫(kù)倫破壞力學(xué)判別準(zhǔn)則，建立了高預(yù)應(yīng)力錨桿主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù)體系的精確合理設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)條件與隧道設(shè)計(jì)要求確定錨桿的支護(hù)強(qiáng)度；其次，明確錨桿的尺寸參數(shù)及布置方式；最后，分析主動(dòng)支護(hù)體系所能承受的荷載，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

①?lài)娚浠炷?。包括混凝土初噴和混凝土?fù)噴?；炷脸鯂娫诜植块_(kāi)挖完成后立即進(jìn)行。

②鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)片需要在混凝土初噴前和格柵鋼架施作完成，混凝土復(fù)噴前鋪設(shè)。

③預(yù)應(yīng)力錨桿施工。預(yù)應(yīng)力錨桿張拉施工過(guò)程主要包含：測(cè)量放樣→鉆孔施工→清孔→錨固劑及錨桿安裝→錨固劑攪拌→預(yù)應(yīng)力張拉→完成高強(qiáng)高韌錨桿施工。

④鎖腳錨桿施工。為將支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在圍巖內(nèi)部，在拱腳處打設(shè)鎖腳錨桿，施工流程為“錨桿鉆孔→插入錨桿→注漿→錨桿抗拔力檢測(cè)”。同時(shí)，安裝鎖腳錨桿時(shí)，將錨固頭安裝在中空注漿錨桿一端，另一端安裝止?jié){塞，然后將錨桿旋轉(zhuǎn)插入孔內(nèi)。

3 數(shù)值模型分析

3.1 數(shù)值模型建立

為驗(yàn)證主動(dòng)支護(hù)的控制變形效果，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)比傳統(tǒng)被動(dòng)支護(hù)方案與主動(dòng)支護(hù)方案在拱部開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變形特征。建立120m×40m×80m的模型，共119320個(gè)單元，125378個(gè)節(jié)點(diǎn)，車(chē)站主體FLAC3D模型如圖2所示。圍巖采用實(shí)體單元模擬，服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則；錨桿采用cable單元。

圖2 數(shù)值模型構(gòu)建

開(kāi)挖方案為拱部臺(tái)階法四部開(kāi)挖，主、被動(dòng)支護(hù)采用的錨桿分別為預(yù)應(yīng)力錨桿與普通錨桿，預(yù)應(yīng)力為120kN。其他支護(hù)參數(shù)兩種方案均保持一致，錨桿的環(huán)距×縱距均為1.3×1m，格柵間距1m，選用C30混凝土，噴層厚度為300mm。

3.2 圍巖變形分析

選取圖2（a）中距離隧道x=5.5m處的拱頂沉降值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖3所示，隨著隧道的開(kāi)挖，主、被動(dòng)支護(hù)分別在x=2.1m與x=4m開(kāi)始沉降，證明主動(dòng)支護(hù)對(duì)掌子面后方的圍巖控制能力強(qiáng)。兩種支護(hù)方式下拱頂沉降均呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，拱部①導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，在①導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，主動(dòng)支護(hù)下的沉降量減小了80%，當(dāng)導(dǎo)洞①支護(hù)結(jié)構(gòu)形成后，導(dǎo)洞②、③、④開(kāi)挖對(duì)拱頂沉降影響性逐漸降低，③、④導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)兩種支護(hù)方式分別相差6.4m和6.8m。待拱部全部貫通后，主被動(dòng)支護(hù)下拱頂沉降分別穩(wěn)定在5.2mm和12.0mm，采用主動(dòng)支護(hù)形式拱頂沉降比被動(dòng)支護(hù)減少53%。

圖3 主被動(dòng)支護(hù)圍巖變形過(guò)程

3.3 圍巖塑性區(qū)控制分析

兩種支護(hù)形式下塑性區(qū)分布情況如圖4所示，被動(dòng)支護(hù)的拱部和下部均產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，而主動(dòng)支護(hù)下的塑性區(qū)僅在拱腰處產(chǎn)生，說(shuō)明采用主動(dòng)支護(hù)形式抑制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

圖4 塑性區(qū)分布

3.4 開(kāi)挖影響范圍分析

隧道施工過(guò)程中，掌子面開(kāi)挖在一定范圍內(nèi)均會(huì)受到影響，主、被動(dòng)支護(hù)方式對(duì)在空間內(nèi)對(duì)圍巖的控制效果有所差異，如圖5所示，拱部導(dǎo)洞①向前開(kāi)挖10m時(shí)，在y-z方向上的圍巖位移云圖。

圖5中，y-z平面內(nèi)，兩種支護(hù)作用下圍巖開(kāi)挖的擾動(dòng)范圍具有顯著差異，主動(dòng)支護(hù)通過(guò)提供徑向應(yīng)力改善圍巖條件，減小了掌子面的影響范圍，降低地面的擾動(dòng)區(qū)域、提高了超前影響區(qū)的控制效果，對(duì)圍巖的控制效果更加優(yōu)異。

4 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為研究大跨度隧道主動(dòng)支護(hù)施工工法在現(xiàn)場(chǎng)的適用性，并對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖6（a）為隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖累計(jì)變形時(shí)程曲線(xiàn)，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，與數(shù)值分析結(jié)果接近，僅達(dá)到《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的12%，說(shuō)明了大跨度隧道主動(dòng)支護(hù)施工工法對(duì)圍巖變形控制效果良好。受開(kāi)挖的超前變形量影響，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖時(shí)，地表沉降在已累計(jì)產(chǎn)生-1.9mm的變形，在第10~20天內(nèi)是變形量最高的時(shí)間段，最高速率為0.25mm/d，在20天后變形速率穩(wěn)定，導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)圍巖的變形影響程度低。

圖5圍巖位移場(chǎng)云圖

圖6 （b）為隧道分部開(kāi)挖過(guò)程中，隧道拱頂、左右拱腳的錨桿受力過(guò)程，結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為120kN，張拉完成后的錨桿均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但受下一循環(huán)爆破開(kāi)挖影響會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，導(dǎo)致錨桿軸力減小，隨開(kāi)挖的進(jìn)行，圍巖變形量增加，錨桿開(kāi)始與圍巖協(xié)同變形，此時(shí)錨桿的被動(dòng)支護(hù)力增加，錨桿軸力增加，當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面足夠遠(yuǎn)時(shí)，開(kāi)挖效應(yīng)減弱，錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定。軸力穩(wěn)定后，錨桿軸力最大值出現(xiàn)在右拱腳，達(dá)到116.4kN，僅為錨桿屈服強(qiáng)度的58%，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較大。

圖6 圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)論

以青島地鐵6號(hào)線(xiàn)創(chuàng)智谷站大斷面地鐵隧道為工程依托，提出了大跨度隧道主動(dòng)支護(hù)施工工法，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，主要形成以下結(jié)論：①為了保證施工安全，提高施工效率，提出以“分部臺(tái)階法-預(yù)應(yīng)力錨桿”為核心的開(kāi)挖支護(hù)體系。其中拱部采用4導(dǎo)洞的施工部序，下部通過(guò)中部拉槽、兩側(cè)錯(cuò)步開(kāi)挖的方式進(jìn)行。②提出了預(yù)應(yīng)力錨桿主動(dòng)支護(hù)體系的關(guān)鍵施工技術(shù)。主要包括噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)、預(yù)應(yīng)力錨桿施工、格柵鋼架施工、鎖腳錨桿施工等。③通過(guò)主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)體系的數(shù)值分析對(duì)比可知，拱部貫通后，采用主動(dòng)支護(hù)形式拱頂沉降比被動(dòng)支護(hù)減少53%，主動(dòng)支護(hù)通過(guò)提供徑向應(yīng)力改善圍巖條件，有效的控制了塑性區(qū)半徑，支護(hù)效果具有顯著優(yōu)勢(shì)。④根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圍巖變形中拱頂沉降變形值最大為-5.0mm，錨桿軸力最大值為116.4kN，說(shuō)明大跨度隧道主動(dòng)支護(hù)施工工法對(duì)圍巖變形控制效果良好，初支結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備高。