洪開(kāi)榮， 劉永勝， 楊朝帥， 3， 潘 岳

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458； 3. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著大斷面隧道建造技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大力開(kāi)發(fā)大跨度地下工程，如單向4車道隧道、大型地下車站、地下能源儲(chǔ)藏室、地下公共設(shè)施及其他特殊用途的人防工程等。洞庫(kù)跨度的增大必然使斷面擴(kuò)大，因此巨跨洞庫(kù)在施工過(guò)程中常面臨技術(shù)難度大、易產(chǎn)生災(zāi)害事故、工程風(fēng)險(xiǎn)高等實(shí)際問(wèn)題[1-2]；而扁平洞庫(kù)的扁平率低，應(yīng)力重分布情況更復(fù)雜[3]。從目前的研究來(lái)看，大跨度洞庫(kù)在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖荷載分布和支護(hù)力學(xué)特性較常規(guī)洞庫(kù)更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)[4-5]，而扁平大跨度洞庫(kù)由于洞形特殊，拱頂穩(wěn)定性更差，施工難度更大，安全系數(shù)更低，需要采用特殊的施工方法并及時(shí)采取針對(duì)性的支護(hù)措施，以保證施工安全[6-7]。

在開(kāi)挖方面，大跨度地下工程多采用分部開(kāi)挖，即把隧道開(kāi)挖大斷面分割為小斷面，以確保開(kāi)挖面自穩(wěn)[8-9]。在支護(hù)方面，錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)(主要包括系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索和鋼筋網(wǎng)噴射混凝土)自20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)，隨著現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理尤其是新奧法的發(fā)展，已在世界各國(guó)礦山、建筑、鐵道、水工及軍工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[10]。錨噴支護(hù)具有支護(hù)及時(shí)、柔性、圍巖與支護(hù)密貼、封閉、施工靈活等工藝特點(diǎn)，因此，既能充分發(fā)揮圍巖的自承作用和材料的承載作用[10-13]，也可以在不同巖類、不同跨度、不同用途的地下工程中承受靜載或動(dòng)載，用作臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)或用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)以及冒落修復(fù)等[14-15]。此外，錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)還能與其他結(jié)構(gòu)形式結(jié)合組成復(fù)合式支護(hù)。

目前，已有案例采用分部開(kāi)挖和錨噴支護(hù)措施施工70 m級(jí)地下洞庫(kù)且建造成功[16]。但是，已有的規(guī)范和計(jì)算方法主要是針對(duì)跨度在30 m以下的地下工程，跨度超過(guò)60 m的已經(jīng)超出了已有計(jì)算方法的適用范圍。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖受力特征的準(zhǔn)確認(rèn)知，是充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效能的前提。

針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。劉宇鵬等[17]通過(guò)基于應(yīng)變軟化特性的深埋隧道彈塑性解，采用錨桿中性點(diǎn)理論，系統(tǒng)地分析高地應(yīng)力軟巖隧道短錨桿支護(hù)失效機(jī)制，并論證高地應(yīng)力軟巖隧道中對(duì)錨桿進(jìn)行加長(zhǎng)的必要性。陶文斌等[18]針對(duì)深部巷道采用加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿的錨固段整體受力不均、抗剪切承載能力低以及無(wú)法適應(yīng)大變形等問(wèn)題，提出高預(yù)緊力后張法全長(zhǎng)錨固支護(hù)方法。朱家道[19]基于巖體破壞準(zhǔn)則和Hoek-Brown曲線分析了軟巖巷道圍巖的受力特征。羅基偉等[20]將預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)體系應(yīng)用于32.7 m跨度的隧道中，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索可調(diào)動(dòng)深層圍巖的承載力承擔(dān)圍巖荷載，并提高錨桿組合拱的穩(wěn)定性。袁偉澤等[21]研究了大跨度扁平地下洞室支護(hù)效果的影響因素，結(jié)果表明隨著錨索預(yù)應(yīng)力值的增加，洞庫(kù)圍巖拱頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、最大剪應(yīng)變、錨桿拉力以及襯砌最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)跨度超過(guò)50 m的超大跨扁平地下洞庫(kù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征的研究較少，研究方法也是以數(shù)值模擬為主，因此，對(duì)此類地下洞庫(kù)工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征開(kāi)展深入研究并在施工過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是十分必要的。

本文依托某巨跨洞庫(kù)工程開(kāi)展巨跨超扁平地下洞庫(kù)開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)技術(shù)研究。該洞庫(kù)跨度遠(yuǎn)超50 m，屬巨跨超扁平結(jié)構(gòu)地下暗挖洞庫(kù)，是世界人工洞室第一大跨。鑒于目前施工實(shí)踐方面無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，基于FLAC3D軟件對(duì)巨跨洞庫(kù)錨噴支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，并對(duì)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為巨跨洞庫(kù)施工過(guò)程中支護(hù)工藝的選取提供理論依據(jù)。

1 依托工程概況

國(guó)內(nèi)某巨跨地下洞庫(kù)工程跨度遠(yuǎn)超50 m、矢跨比0.20，是單跨最大、扁平率最小、覆巖最薄、建設(shè)難度最大的地下洞庫(kù)工程。工程的開(kāi)挖跨度大大超出了常規(guī)跨度，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有人工地下洞庫(kù)的跨度、規(guī)模及建設(shè)水平，突破了現(xiàn)有地下工程建設(shè)理論的應(yīng)用范疇和相關(guān)規(guī)范的適用范圍，無(wú)論是從理論上還是實(shí)踐上，均有一定的探索性。

研究區(qū)內(nèi)巖石強(qiáng)度普遍較高，巖石風(fēng)化作用微弱，基本不存在強(qiáng)風(fēng)化巖體。巖石節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性較好。

此洞庫(kù)采用鉆爆法施工，施工期間需分部開(kāi)挖，形成群洞效應(yīng)。為了保證施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，開(kāi)挖預(yù)留中間巖柱?，F(xiàn)場(chǎng)采用雙巖柱開(kāi)挖方法進(jìn)行施工，其斷面分塊形式如圖1所示。

圖1 斷面分塊形式

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算方法和計(jì)算模型

對(duì)于洞室群開(kāi)挖過(guò)程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性的研究，目前主要思路是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及變形特性[22]。為驗(yàn)證數(shù)值模擬分析的結(jié)果，需選擇典型里程斷面，埋設(shè)變形受力測(cè)試元器件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中錨噴結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力過(guò)程進(jìn)行測(cè)量分析，并與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析巨跨洞庫(kù)錨噴支護(hù)受力特征規(guī)律，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，如圖2所示。模型高140 m，寬350 m，縱向長(zhǎng)120 m。單元數(shù)量363 300個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量763 800個(gè)，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。采用殼單元(shell)模擬噴射混凝土，錨桿單元(cable)模擬預(yù)應(yīng)力錨索。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，按Ⅲ級(jí)圍巖確定計(jì)算參數(shù)，如表1所示。錨索為預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)25 m，間距3.6 m，彈性模量為20 600 MPa，極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，軸拉力設(shè)計(jì)值為1 500 kN，預(yù)應(yīng)力為1 200 kN；錨桿為中空砂漿錨桿，長(zhǎng)6 m，間距1.2 m，彈性模量為20 600 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為400 MPa，直徑為36 mm。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型兩側(cè)的位移，頂部承受初始地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，最大地應(yīng)力為7.93 MPa，最小地應(yīng)力為4.9 MPa，取平均值6.42 MPa； 側(cè)壓力系數(shù)取2.0。模擬步驟為： 施加初始應(yīng)力場(chǎng)后，依次開(kāi)挖第①部、②左和②右、③左和③右、④左和④右、第⑤部圍巖，分塊形式如圖1所示，并跟進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，直至計(jì)算平衡。

2.2 巨跨洞庫(kù)錨桿支護(hù)受力特征研究

2.2.1 計(jì)算工況和模型參數(shù)

本節(jié)主要研究分析系統(tǒng)錨桿支護(hù)受力特征，計(jì)算模型如圖2所示，分步開(kāi)挖步驟如圖1所示，系統(tǒng)錨桿的計(jì)算模型如圖3所示。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析得到開(kāi)挖過(guò)程中系統(tǒng)錨桿軸力，如圖4所示。

圖4(a)示出第①部導(dǎo)洞開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)手段。從計(jì)算結(jié)果可以看到，系統(tǒng)錨桿產(chǎn)生一定的軸向拉力，但錨桿軸力很小，最大值在錨桿2～3 m處，僅為344 N，表明錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

圖3 系統(tǒng)錨桿計(jì)算模型

圖4(b)示出第②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)手段。從計(jì)算結(jié)果可以看到，由于圍巖卸荷作用，系統(tǒng)錨桿出現(xiàn)軸向拉力。其中，①部導(dǎo)洞拱部的錨桿拉力也進(jìn)一步增大，但總體上錨桿軸力很小，最大值在錨桿2～3 m處；②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后①部錨桿軸力最大值僅為482 N，②部左側(cè)導(dǎo)洞錨桿軸力最大值僅為323 N，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

圖4(c)示出第②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)手段。從計(jì)算結(jié)果可以看到，由于圍巖卸荷作用，系統(tǒng)錨桿出現(xiàn)軸向拉力。其中，①部導(dǎo)洞和②部左側(cè)導(dǎo)洞拱部的錨桿軸力也進(jìn)一步增大，但總體上錨桿軸力很小。②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，①部錨桿軸力最大值僅為531 N，②部左側(cè)導(dǎo)洞錨桿軸力最大值僅為499 N，②部右側(cè)導(dǎo)洞錨桿軸力最大值僅為304 N，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

圖4(d)示出第③部左側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。從計(jì)算結(jié)果可以看到，③部左側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后，系統(tǒng)錨桿軸力總體上都很小。其中，③部左側(cè)下臺(tái)階錨桿最大軸力僅為244 N，拱部錨桿最大軸力僅為539 N，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

圖4(e)示出第③部右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。從計(jì)算結(jié)果可以看到，③部右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后，系統(tǒng)錨桿軸力總體上都很小。其中，③部左側(cè)下臺(tái)階錨桿最大軸力僅為249 N，③部右側(cè)下臺(tái)階錨桿最大軸力僅為233 N，拱部錨桿最大軸力僅為547 N，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

圖4(f)示出第④部左側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。從計(jì)算結(jié)果可以看到，④部左側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖后，系統(tǒng)錨桿軸力有一個(gè)較明顯的增量，但系統(tǒng)錨桿的軸力總體較小。由于巖柱支撐開(kāi)挖卸荷，拱部圍巖應(yīng)力變形有了較大的調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)錨桿軸力變化較大。①部中導(dǎo)洞、②部左側(cè)導(dǎo)洞和②部右側(cè)導(dǎo)洞的系統(tǒng)錨桿最大軸力分別為794、753、411 N，相比上一個(gè)施工部分別增加了45.16%、45.37%和15.77%。這表明，巖柱對(duì)圍巖的穩(wěn)定有一個(gè)強(qiáng)有力的支撐作用，拆巖柱施工部是整個(gè)工程施工最關(guān)鍵的工序。

圖4(g)示出第④部右側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。從計(jì)算結(jié)果可以看到，④部右側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖后，系統(tǒng)錨桿軸力同樣有一個(gè)較明顯的增量，但軸力總體較小。由于右側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖卸荷，拱部圍巖應(yīng)力變形有了較大的調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)錨桿軸力變化較大。①部中導(dǎo)洞、②部左側(cè)導(dǎo)洞、②部右側(cè)導(dǎo)洞、④部左側(cè)拱頂?shù)南到y(tǒng)錨桿最大軸力分別為852、794、562、589 N，相比上一個(gè)施工部分別增加了7.3%、5.4%、36.7%、28.88%。

圖4(h)示出第⑤部巖體開(kāi)挖后特征斷面處的系統(tǒng)錨桿軸力。從計(jì)算結(jié)果可以看到，⑤部巖體開(kāi)挖使得系統(tǒng)錨桿軸力的增量非常小，且整個(gè)系統(tǒng)錨桿支護(hù)的軸力也很小，其中③部邊墻錨桿最大軸力僅為407 N，拱部錨桿最大軸力僅為960 N，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用很小。

巨跨洞庫(kù)不同施工部開(kāi)挖過(guò)程中，特征斷面處特征點(diǎn)位上錨桿最大軸力的計(jì)算值如表2所示。從表中可以看到，拱部的錨桿軸力較大，而邊墻部位的錨桿軸力較小，其中①部中導(dǎo)洞錨桿軸力最大，但也僅僅為860 N，說(shuō)明系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖的加固支護(hù)作用較小。

(a) 開(kāi)挖第①部導(dǎo)洞后

(b) 開(kāi)挖第②部左側(cè)導(dǎo)洞后

(c) 開(kāi)挖第②部右側(cè)導(dǎo)洞后

(d) 開(kāi)挖第③部左側(cè)下臺(tái)階后

(e) 開(kāi)挖第③部右側(cè)下臺(tái)階后

(f) 開(kāi)挖第④部左側(cè)巖柱后

(g) 開(kāi)挖第④部右側(cè)巖柱后

(h) 開(kāi)挖第⑤部巖體后

表2 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下特征點(diǎn)位錨桿最大軸力計(jì)算值

2.3 巨跨洞庫(kù)鋼筋網(wǎng)噴射混凝土結(jié)構(gòu)受力特征研究

2.3.1 計(jì)算工況和模型參數(shù)

本節(jié)主要研究分析鋼筋網(wǎng)噴射混凝土結(jié)構(gòu)的受力特征，計(jì)算模型如圖2所示。噴射混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 噴射混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析，得到巨跨洞庫(kù)不同施工部特征斷面處特征點(diǎn)位上噴射混凝土最大內(nèi)力(彎矩、剪力和軸力)的計(jì)算值，如表3—5所示。

由表3—5可知，拱部的噴射混凝土內(nèi)力均較大，而邊墻部位的噴射混凝土內(nèi)力均較小，其中①部中導(dǎo)洞噴射混凝土內(nèi)力最大，最大彎矩、剪力和軸力分別為58.5 N·m、19.33 N、894.2 N。內(nèi)力值很小，說(shuō)明噴射混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支護(hù)作用較小。

鋼筋網(wǎng)噴射混凝土屬于被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)圍巖開(kāi)挖變形時(shí)對(duì)圍巖產(chǎn)生的被動(dòng)反力實(shí)現(xiàn)支護(hù)功能。計(jì)算結(jié)果表明，在開(kāi)挖過(guò)程中，噴射混凝土結(jié)構(gòu)受力小，主要起協(xié)助圍巖承載的作用。

表3 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下特征點(diǎn)位噴射混凝土最大彎矩計(jì)算值

表4 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下特征點(diǎn)位噴射混凝土最大剪力計(jì)算值

2.4 巨跨洞庫(kù)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)受力特征研究

2.4.1 計(jì)算工況和模型參數(shù)

本節(jié)主要研究分析預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的受力特征，計(jì)算模型如圖2所示，預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖6所示。

2.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.2.1 第①部中導(dǎo)洞開(kāi)挖

圖7示出第①部中導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力隨掌子面距離的變化曲線。曲線圖橫坐標(biāo)表示特征斷面與當(dāng)前開(kāi)挖部掌子面的距離。當(dāng)特征斷面在掌子面前方，橫軸坐標(biāo)為負(fù)值；當(dāng)特征斷面在掌子面后方，橫軸坐標(biāo)為正值；當(dāng)特征斷面與掌子面重合，橫軸坐標(biāo)為零。從計(jì)算結(jié)果可以看到，①部導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力錨索拉力略有增大。在特征斷面上，①部導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 219.4 kN，遠(yuǎn)小于錨索拉力設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。

表5 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下特征點(diǎn)位噴射混凝土最大軸力計(jì)算值

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)模型

圖7 第①部中導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線

2.4.2.2 第②部左側(cè)邊導(dǎo)洞開(kāi)挖

圖8示出第②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力隨掌子面距離的變化曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看到，②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力錨索拉力逐步增大。在特征斷面上，①部導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 227.3 kN，②部左側(cè)導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 223.4 kN，均遠(yuǎn)小于錨索拉力設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。

圖8 第②部左側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線

2.4.2.3 第②部右側(cè)邊導(dǎo)洞開(kāi)挖

圖9示出第②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力隨掌子面距離的變化曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看到，②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力錨索拉力逐步增大。在特征斷面上，①部導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 232.1 kN，②部左側(cè)導(dǎo)洞和右側(cè)導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值分別為1 230.5 kN和1 219.7 kN，均遠(yuǎn)小于錨索拉力設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。

圖9 第②部右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線

2.4.2.4 第③部左、右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖

經(jīng)計(jì)算得知，第③部左側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱部1 MS、2 MSZ和2 MSY 3個(gè)特征點(diǎn)處的錨索拉力增量分別為1.6、0.3、0.2 kN，表明第③部左側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力的調(diào)整影響很小，錨索拉力幾乎不變。

第③部右下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱部1 MS、2 MSZ和2 MSY 3個(gè)特征點(diǎn)處的錨索拉力增量分別為0.2、0.3、0.2 kN，表明第③部右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力的調(diào)整影響也非常小，錨索拉力幾乎不變。

2.4.2.5 第④部左側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖

圖10示出第④部左側(cè)巖柱開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看到，④部左側(cè)巖柱開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力錨索拉力有較大程度的增加。在特征斷面上，①部導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 259.8 kN，②部左側(cè)導(dǎo)洞和右側(cè)導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值分別為1 258.4 kN和1 242.8 kN，④部左側(cè)拱頂錨索拉力最大值為1 228.6 kN，均遠(yuǎn)小于錨索拉力設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。另外，第④部左側(cè)巖柱拆除過(guò)程中，錨索拉力增幅較大，表明原先由巖柱支撐的圍巖壓力，在巖柱拆除后轉(zhuǎn)移到由錨索結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，錨索對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。

圖10 第④部左側(cè)巖柱開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線

2.4.2.6 第④部右側(cè)巖柱支撐開(kāi)挖

圖11示出第④部右側(cè)巖柱開(kāi)挖過(guò)程中特征斷面上錨索拉力變化曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看到，④部右側(cè)巖柱開(kāi)挖后，及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力錨索拉力有較大程度的增加。在特征斷面上，①部導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值為1 286.2 kN，②部左側(cè)導(dǎo)洞和右側(cè)導(dǎo)洞拱部錨索拉力最大值分別為1 278.1 kN和1 271.1 kN，④部左側(cè)巖柱和右側(cè)巖柱的拱頂部位錨索拉力最大值分別為1 258.3 kN和1 225.9 kN，均遠(yuǎn)小于錨索拉力設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。另外，第④部右側(cè)巖柱拆除過(guò)程中，錨索拉力增幅較大，表明原先由巖柱支撐的圍巖壓力，在巖柱拆除后轉(zhuǎn)移到由錨索結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，錨索對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。

2.4.2.7 第⑤部巖體開(kāi)挖

第⑤部右下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱部1 MS、2 MSZ、2 MSY、4 MSZ、4 MSY 5個(gè)特征點(diǎn)處的錨索拉力增量分別為1.3、0.5、0.3、0.4、0.2 kN，表明第⑤部巖體開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力的調(diào)整影響非常小，對(duì)錨索拉力的變化也沒(méi)有影響。

表6列出了巨跨洞庫(kù)不同施工部特征斷面處特征點(diǎn)位上錨索拉力的計(jì)算值。從表中可以看到，拱部中導(dǎo)洞處的錨索拉力計(jì)算值最大，達(dá)到1 287.5 kN，但小于設(shè)計(jì)值1 500 kN，錨索結(jié)構(gòu)受力安全。

2.5 圍巖應(yīng)力及變形分析

開(kāi)挖后，相應(yīng)部位周圍圍巖的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了重分布，并且出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于圍巖卸荷作用，周邊圍巖產(chǎn)生一定的豎向位移和水平位移。采用雙巖柱開(kāi)挖，噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索和系統(tǒng)錨桿支護(hù)。當(dāng)計(jì)算穩(wěn)定后，圍巖的應(yīng)力及變形計(jì)算值如表7所示。可以看到，和無(wú)支護(hù)狀態(tài)相比，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的應(yīng)力影響不明顯，但是可以顯著降低拱頂?shù)某两?，提高洞?kù)的穩(wěn)定性。

表6 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下特征點(diǎn)位錨索拉力計(jì)算值

2.6 巨跨地下洞室穩(wěn)定性分析

數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)錨桿軸力總體較小，最大值僅為860 N，表明錨桿對(duì)圍巖穩(wěn)定性的支護(hù)作用很?。粐娚浠炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)力很小，最大彎矩為58.5 N·m，最大剪力為19.33 N，最大軸力為894.2 N，遠(yuǎn)小于混凝土強(qiáng)度，表明噴射混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)巨跨洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定的支護(hù)作用很小。由此可見(jiàn)，在整個(gè)施工過(guò)程中，錨索對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。因此，在洞庫(kù)修建時(shí)，應(yīng)重視主動(dòng)支護(hù)的作用，充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力。

表7 巨跨洞庫(kù)不同施工部條件下圍巖應(yīng)力及變形計(jì)算值

3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

3.1 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖及支護(hù)方法

超大跨洞室開(kāi)挖后，圍巖的變形規(guī)律表現(xiàn)為拱頂下沉大于水平收斂，開(kāi)挖過(guò)程中水平方向的位移一度向圍巖內(nèi)部發(fā)生；圍巖除拱頂下沉可能引起塌方外，拱腳或起拱線也可能因受到來(lái)自拱頂變形傳遞來(lái)的強(qiáng)大推力，產(chǎn)生塑性區(qū)而失穩(wěn)。因此，采用3導(dǎo)洞洞口預(yù)留橫向巖柱分部開(kāi)挖。按照超大跨洞庫(kù)施工步序，為不影響施工的流暢性，先行導(dǎo)洞錨索施工可滯后開(kāi)挖面60 m；中巖柱錨索施工緊跟開(kāi)挖面。

超大跨洞室拱部采用9根長(zhǎng)度為25 m的φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力錨索，錨固段長(zhǎng)9 m，自由段長(zhǎng)16 m，矩形布置，480 cm(環(huán))×480/240 cm(縱),p=1 000 kN。拱部系統(tǒng)錨桿采用長(zhǎng)6 m的φ32 mm砂漿錨桿(2.4 m×1.2 m)和9 m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力錨桿(2.4 m×1.2 m)，p=120 kN。邊墻錨桿采用9 m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力錨桿(1.2 m×1.2 m)，p=120 kN；φ8 mm鋼筋網(wǎng)片；100 mm厚CF30鋼纖維混凝土。洞口淺埋段采用12根長(zhǎng)25～32 m的對(duì)拉錨索鋼絞線，規(guī)格為φ15.2 mm，環(huán)向間距4.8 m，p=1 500 kN。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在錨索軸力監(jiān)測(cè)方面，每個(gè)斷面布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。沿縱向布設(shè)4個(gè)斷面，里程分別為40、60、100、140 m，且布設(shè)點(diǎn)應(yīng)控制在對(duì)應(yīng)里程位置±2 m，如圖12所示。

圖12 錨索軸力監(jiān)測(cè)斷面示意圖

斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在巖柱拆除的過(guò)程中，圍巖變形增大，錨索、錨桿軸力和噴射混凝土上的應(yīng)力增幅較大。其中，錨桿的軸力始終未超過(guò)1 kN，錨索的軸力則遠(yuǎn)大于錨桿的軸力。同時(shí)，噴射混凝土上最大應(yīng)力未超過(guò)1 MPa。這說(shuō)明原先由巖柱支撐的圍巖壓力，在巖柱拆除后轉(zhuǎn)移到由錨索結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，錨索對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。該結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果相同，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的合理性。

(a) 錨索軸力監(jiān)測(cè)值

(b) 錨桿軸力監(jiān)測(cè)值

(c) 噴射混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)值

(d) 圍巖變形監(jiān)測(cè)值

4 結(jié)論與討論

本文依托某巨跨洞庫(kù)工程開(kāi)展巨跨超扁平地下洞庫(kù)開(kāi)挖及支護(hù)施工技術(shù)研究，并基于FLAC3D軟件對(duì)巨跨洞庫(kù)錨噴支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。通過(guò)對(duì)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)錨桿軸力總體較小，最大值僅為860 N，表明錨桿對(duì)圍巖穩(wěn)定性的支護(hù)作用很??；噴射混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力很小，最大彎矩為58.5 N·m，最大剪力為19.33 N，最大軸力為894.2 N，遠(yuǎn)小于混凝土強(qiáng)度，表明噴射混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)巨跨洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定的支護(hù)作用很小。因此，在整個(gè)施工過(guò)程中，錨索對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。

2)在巨跨洞庫(kù)開(kāi)挖過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力錨索的拉力有一定程度的增加，尤其在拆除兩側(cè)巖柱時(shí)，錨索拉力增幅較大，最大錨索拉力計(jì)算值為1 287.5 kN，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)安全度高。錨索軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的變化趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的合理性。

3)薄層噴射混凝土殼體和系統(tǒng)錨桿構(gòu)件作為被動(dòng)支護(hù)類型，構(gòu)件受力小，安全系數(shù)高，其主要發(fā)揮協(xié)助圍巖承載的作用。而錨索作為主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，其作用是將洞庫(kù)表層圍巖的解構(gòu)效應(yīng)傳遞到深部圍巖，使洞庫(kù)更深范圍的圍巖也能夠發(fā)揮其自身承載力。

4)前人的研究表明，錨噴支護(hù)可以充分發(fā)揮圍巖的自承作用和材料的承載作用。本文的研究也證明，通過(guò)錨桿和噴射混凝土殼體的支護(hù)作用可以有效改善洞庫(kù)開(kāi)挖深部圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，提高洞庫(kù)的穩(wěn)定性?；诖?，將預(yù)應(yīng)力錨索作為調(diào)動(dòng)深部圍巖承載作用的深層支護(hù)手段，充分利用了圍巖自身承載效能。

本文的研究證明，在整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)中主動(dòng)支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定起主要支護(hù)作用。而傳統(tǒng)隧道建設(shè)長(zhǎng)期以來(lái)的淺部環(huán)境形成了被動(dòng)、滯后的支護(hù)理念，忽視了對(duì)圍巖的早期干預(yù)，對(duì)被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)依賴較強(qiáng)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來(lái)勢(shì)必會(huì)有更多超大跨度地下洞庫(kù)的修造需求。如果忽視主動(dòng)支護(hù)對(duì)圍巖自承能力的調(diào)動(dòng)，則可能導(dǎo)致在施工中出現(xiàn)許多困境與危境。要充分利用圍巖自承能力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效能，需要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的共同受力機(jī)制有更加準(zhǔn)確、深入的認(rèn)識(shí)，因而后續(xù)的研究仍需繼續(xù)深化。