汪 波， 喻 煒， 訾 信， 程星源， 郭新新， 樊 勇

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059；3. 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)的逐年深入和“一帶一路”倡議的實(shí)施，穿越以千枚巖、炭質(zhì)板巖與泥巖等為代表的長大深埋軟巖隧道大量涌現(xiàn)[1]，高地應(yīng)力環(huán)境所引發(fā)的隧道建設(shè)過程中軟巖大變形問題日益凸顯，由此帶來的變形侵限、噴射混凝土剝落、拱架扭曲、二次襯砌開裂甚至塌方等工程災(zāi)害現(xiàn)象屢見不鮮，嚴(yán)重危及了隧道正常施工。

為應(yīng)對(duì)軟巖隧道中出現(xiàn)的大變形問題，國內(nèi)外尤其是我國隧道工程界多年來一直沿用“強(qiáng)力支護(hù)”的理念來“抵御”[2]圍巖變形?！皬?qiáng)力支護(hù)”指在隧道開挖后通過設(shè)法加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形剛度來限制軟巖的過大變形，如采用加厚的、二次甚至多次復(fù)噴的噴射網(wǎng)筋混凝土，布設(shè)縱距更密的高強(qiáng)度鋼拱支架，以及施作更加厚實(shí)、配筋率更高的剛性二次襯砌結(jié)構(gòu)等，但由此導(dǎo)致的錨、噴、網(wǎng)和鋼架、二次襯砌等支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都大大突破了各行業(yè)規(guī)范中的推薦值，典型工程有蘭渝鐵路木寨嶺隧道、廣甘高速公路杜家山隧道、成蘭高鐵茂縣隧道等[3]。這種高強(qiáng)度和高剛度的支護(hù)模式在處治大變形過程中由于抑制了巖體形變能的釋放，在變形較大的軟巖隧道中不可避免地出現(xiàn)了不同程度的工程災(zāi)害問題[4-5]。

由此，以孫鈞院士為代表的專家、學(xué)者指出[6-9]：在軟巖大變形地下工程中，通過提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度來阻止圍巖變形的思路是行不通的，“強(qiáng)力支護(hù)”的基本理念應(yīng)當(dāng)改變，進(jìn)而在該基礎(chǔ)上從軟巖巖體的非線性流變特性出發(fā)，提出了針對(duì)軟巖大變形的“讓壓支護(hù)”理念，即在圍巖協(xié)同支護(hù)發(fā)生一定變形之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)在提供支護(hù)力的同時(shí)，讓“圍巖形變能”得以在該支護(hù)抗力持續(xù)伴隨作用下適當(dāng)釋放，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)體系“抗讓結(jié)合、邊抗邊讓、抗中有讓”的承載特性，進(jìn)而達(dá)到充分發(fā)揮圍巖自承能力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，保障隧道穩(wěn)定、安全的目的。但截至目前，讓壓支護(hù)體系在軟巖大變形隧道中尚處于初步試驗(yàn)階段，其適用性與可靠性均有待進(jìn)一步研究。

20世紀(jì)90年代中期以來，隨著礦井開采深度的不斷增大，出現(xiàn)了越來越多的高地應(yīng)力煤層巷道。因煤層巖體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，巷道掘進(jìn)過程中大變形問題十分突出，以拱架+噴射混凝土為主體的“強(qiáng)力支護(hù)”方式在大變形災(zāi)害防治中常常顯得“力不從心”。由此，以康紅普院士、何滿潮院士為代表的礦業(yè)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者通過對(duì)傳統(tǒng)全長黏結(jié)型錨固系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)為核心的大變形支護(hù)體系，并將其成功應(yīng)用于煤礦巷道大變形治理中，進(jìn)一步提出了以“高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛度”錨桿(索)為主體的煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)技術(shù)[10-13]。此舉為擠壓型軟巖隧道大變形治理提供了新的思路與方法，但在隧道斷面更大、服役時(shí)間更長、變形控制要求更為嚴(yán)格的交通隧道或水工隧洞中，出于對(duì)錨固體系可靠性及耐久性的要求，支護(hù)系統(tǒng)中仍普遍采用砂漿或中空注漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)體系應(yīng)用較少，其適用性與可靠性亦有待進(jìn)一步探討。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者雖針對(duì)大變形隧道提出了“強(qiáng)力支護(hù)”、“讓壓支護(hù)”及“預(yù)應(yīng)力支護(hù)”3種主要支護(hù)模式，且上述支護(hù)模式在大變形防治過程中均取得了相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)；但3種支護(hù)模式在軟巖大變形隧道中究竟該如何選擇，尚未給出相關(guān)建議，也未開展過深入探討。由此致使設(shè)計(jì)人員在面臨軟巖大變形隧道支護(hù)系統(tǒng)選型與參數(shù)制定過程中往往出現(xiàn)很大的隨意性和不確定性，最為典型的情形是即使在大變形等級(jí)相同的軟巖隧道中，設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)甚至秉承的支護(hù)理念存在著較大差異。上述狀況在給工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)、施工帶來極大困惑的同時(shí)，也給軟巖隧道大變形治理帶來了造價(jià)增高、風(fēng)險(xiǎn)加大等問題。

鑒于此，本文從支護(hù)強(qiáng)度對(duì)軟巖變形控制的效用性分析著手，通過對(duì)各類支護(hù)體系與圍巖間相互作用關(guān)系的深入剖析，在揭示“強(qiáng)力支護(hù)”、“讓壓支護(hù)”及“預(yù)應(yīng)力支護(hù)”控制軟巖隧道變形機(jī)制與承載特性的同時(shí)，結(jié)合支護(hù)理念核心載體——錨固系統(tǒng)的材料性能特點(diǎn)開展研究，探討軟巖大變形隧道中支護(hù)模式的合理性選用依據(jù)，以期為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全、有效地治理軟巖隧道大變形問題提供思路。

1 基于承載特性的軟巖大變形隧道中不同支護(hù)模式分類探討

1.1 基于承載特性的支護(hù)模式分類

分析當(dāng)前我國以礦山法修建的交通與水工大變形地下洞室所采用的“強(qiáng)力支護(hù)”、“讓壓支護(hù)”及“預(yù)應(yīng)力支護(hù)”3類支護(hù)模式的構(gòu)件組成(見表1)，可以發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)普遍采用初期支護(hù)+二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌模式。其中，初期支護(hù)系統(tǒng)通常由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、拱架及錨桿(索)等構(gòu)件組合而成，二次襯砌普遍為模筑混凝土澆筑而成。不同支護(hù)模式中，除組成初期支護(hù)體系的錨固系統(tǒng)存在一定差異外，其他組成構(gòu)件基本相同。具體而言，“強(qiáng)力支護(hù)”體系普遍以全長黏結(jié)型砂漿錨桿為主；“讓壓支護(hù)”體系以讓壓錨桿(索)為主，并將常規(guī)的拱架系統(tǒng)替換為可縮型拱架；“預(yù)應(yīng)力支護(hù)”體系中預(yù)應(yīng)力主要通過預(yù)應(yīng)力錨桿(索)實(shí)現(xiàn)。

表1 各支護(hù)模式的構(gòu)件組成Table 1 Component composition of each support type

盡管上述3類支護(hù)模式中各組成構(gòu)件及各構(gòu)件所起的支護(hù)效應(yīng)與作用機(jī)制存在差異，但若從承載特性分析入手，僅分為被動(dòng)承載型和主動(dòng)承載型2類。

1.2 被動(dòng)承載特性

近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖大變形及巖爆隧道發(fā)生破壞機(jī)制與支護(hù)控制技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用機(jī)制的認(rèn)知亦逐步加深，由此提出了明確的被動(dòng)承載的概念?！氨粍?dòng)承載”指依賴圍巖產(chǎn)生向洞內(nèi)的變形或破壞來“誘發(fā)”支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，以抵御可能發(fā)生的各類災(zāi)害。從上述認(rèn)知出發(fā)，分析我國交通隧道與水工隧洞領(lǐng)域初期支護(hù)+二次襯砌支護(hù)模式中各支護(hù)構(gòu)件承載特性，可以看出，噴射混凝土、拱架及二次襯砌等支護(hù)構(gòu)件具有典型的被動(dòng)承載特性，上述構(gòu)件若要發(fā)揮作用，均首先需要圍巖支護(hù)間產(chǎn)生相對(duì)位移，否則各構(gòu)件難以發(fā)揮支護(hù)效應(yīng)[14]；而當(dāng)前我國隧道工程中應(yīng)用最為廣泛的全長黏結(jié)型砂漿錨桿系統(tǒng)，雖從巖體內(nèi)部對(duì)圍巖進(jìn)行了“深層支護(hù)”，但要其發(fā)揮作用同樣需要圍巖與錨桿間產(chǎn)生相對(duì)位移，其受力性能取決于圍巖何時(shí)向洞內(nèi)變形以及變形的程度，因此該類錨固體系本質(zhì)上仍屬于“被動(dòng)承載”的范疇。

1.3 主動(dòng)承載特性

“主動(dòng)承載”指通過改善洞周一定深度范圍內(nèi)圍巖的物理力學(xué)特性，主動(dòng)“提高”和“調(diào)動(dòng)”圍巖承載能力，形成深部巖體“承載拱效應(yīng)”，從而實(shí)現(xiàn)控制變形的目的[15]。

處于高地應(yīng)力狀態(tài)下的隧道洞室開挖后，為消除因洞壁周邊約束解除而造成的高應(yīng)力差及帶來的巖體力學(xué)性狀惡化問題，需主動(dòng)快速地對(duì)洞壁施加徑向支護(hù)力，以部分恢復(fù)洞壁徑向應(yīng)力，同時(shí)使洞周圍巖的受力環(huán)境盡早恢復(fù)到三維應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到快速主動(dòng)減小高地應(yīng)力隧道洞周應(yīng)力差、抑制裂隙的擴(kuò)展貫通及宏觀破裂面的形成、提高圍巖物理力學(xué)性狀及其自承能力的目的[16]，如圖1所示。

(a) 有無圍壓下的應(yīng)力包絡(luò)圖

(b) 試驗(yàn)煤樣[17]圖1 主動(dòng)支護(hù)下圍巖應(yīng)力與巖體力學(xué)特性曲線Fig. 1 Stress condition of surrounding rock and rock mechanical characteristics under active support

“預(yù)應(yīng)力支護(hù)”體系中以預(yù)應(yīng)力錨桿(索)為核心構(gòu)件的錨固支護(hù)系統(tǒng)，將在施錨區(qū)形成一定厚度的處于三向受壓狀態(tài)的應(yīng)力壓縮帶(見圖2)，壓縮帶內(nèi)巖體物理力學(xué)特性得到增強(qiáng)，洞周一定深度范圍內(nèi)圍巖的自承載能力得到提高，進(jìn)而形成承載拱效應(yīng)。因此，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)構(gòu)件屬于典型的主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)，其與其他被動(dòng)承載構(gòu)件共同組成了軟巖大變形隧道中主-被動(dòng)承載系統(tǒng)。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖壓縮帶示意圖[16]Fig. 2 Compression zone diagram of prestressed anchorage surrounding rock[16]

綜上分析可以看出，被動(dòng)型支護(hù)體系的承載主體是“襯砌結(jié)構(gòu)”，并未從真正意義或者說最大程度上提高和調(diào)動(dòng)圍巖尤其是深部圍巖的自承能力；而主動(dòng)型支護(hù)體系的承載主體是“圍巖”，其核心是利用支護(hù)構(gòu)件提高和調(diào)動(dòng)圍巖尤其是深部圍巖的自承能力。

2 被動(dòng)支護(hù)體系在軟巖大變形隧道中的效用性及適宜性分析

2.1 擠壓型大變形隧道中基于擠壓因子的分級(jí)簡介

圖3 隧道圍巖擠壓分級(jí)Fig. 3 Extrusion classification of tunnel surrounding rock

表2 圍巖擠壓程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Gradinge of surrounding rock extrusion degree

(1)

式中：c為巖體峰值黏聚力；φ為巖體峰值內(nèi)摩擦角。

2.2 基于支護(hù)強(qiáng)度的被動(dòng)支護(hù)模型建立

隧道被動(dòng)初期支護(hù)的實(shí)質(zhì)是支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)阻止圍巖變形的壓力，其大小用支護(hù)強(qiáng)度pi，即單位面積洞室圍巖表面上作用的支護(hù)力來表征。應(yīng)當(dāng)注意的是，該支護(hù)強(qiáng)度pi在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用的過程中不是一成不變的，而是隨圍巖變形有所提高。被動(dòng)支護(hù)體系參數(shù)的變化實(shí)則是該體系所能提供最大支護(hù)強(qiáng)度的改變，不同參數(shù)的被動(dòng)支護(hù)體系對(duì)圍巖變形的控制效果不一。因此，采用數(shù)值仿真手段對(duì)不同擠壓因子(Nc)下支護(hù)強(qiáng)度與圍巖變形演化特征的關(guān)系開展研究。出于簡化考慮，模擬中采用支護(hù)強(qiáng)度pi作為邊界條件，并據(jù)此分析強(qiáng)力支護(hù)體系在軟巖大變形隧道中的適宜性。

為便于深入研究問題，采用平面應(yīng)變模型，隧道斷面為圓形斷面(R=6.75 m)；考慮邊界效應(yīng)，模型尺寸為8R×8R的正方形；左右邊界設(shè)水平約束，下邊界設(shè)豎向約束；模型上邊界施加均勻豎向荷載p0以模擬埋深；在開挖洞室表面施加力pi以模擬支護(hù)強(qiáng)度的效果(見圖4(a))，pi取值依次為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 MPa；洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖4(b)所示。根據(jù)表2，選取5種工況，各工況圍巖參數(shù)及擠壓程度如表3所示。

(a) 模型整體

(b) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖4 數(shù)值模型Fig. 4 Numerical model

表3 模擬工況圍巖參數(shù)及擠壓程度Table 3 Surrounding rock parameters and extrusion degree under simulated working conditions

2.3 被動(dòng)支護(hù)體系適宜性研究

2.3.1 水平及豎向位移變化規(guī)律

變形控制是檢驗(yàn)軟巖大變形隧道支護(hù)效應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，分析時(shí)重點(diǎn)對(duì)工況1—5中豎向位移Uy和水平位移Ux的變化規(guī)律進(jìn)行探討，以剖析不同支護(hù)強(qiáng)度pi對(duì)圍巖位移的控制效應(yīng)，進(jìn)而探究被動(dòng)支護(hù)模式的適用性。鑒于不同擠壓程度下圍巖變形規(guī)律基本一致，文中僅列出部分代表性云圖，見圖5—8。

圖5 Nc=0.10，不同支護(hù)強(qiáng)度的圍巖豎向位移云圖(單位： m)Fig. 5 Vertical displacement nephograms of surrounding rock with various support strengths (Nc=0.10)(unit: m)

圖6 Nc=0.25，不同支護(hù)強(qiáng)度的圍巖豎向位移云圖(單位： m)Fig. 6 Vertical displacement nephograms of surrounding rock with various support strengths (Nc=0.25)(unit: m)

圖7 Nc=0.10，不同支護(hù)強(qiáng)度的圍巖水平位移云圖(單位： m)Fig. 7 Horizontal displacement nephograms of surrounding rock with various support strengths (Nc=0.10)(unit: m)

圖8 Nc=0.25，不同支護(hù)強(qiáng)度的圍巖水平位移云圖(單位： m)Fig. 8 Horizontal displacement nephograms of surrounding rock with various support strengths (Nc=0.25)(unit: m)

從圖5和圖6中可以看出： 不同擠壓因子Nc和支護(hù)強(qiáng)度pi下圍巖豎向位移均表現(xiàn)為拱頂沉降、拱底隆起；隨擠壓因子Nc和支護(hù)強(qiáng)度pi的增大，圍巖豎向位移減小，但減小速度漸緩。例如： 當(dāng)pi=0 MPa，Nc=0.10和Nc=0.25時(shí)的拱頂沉降分別為94.4 cm和24.4 cm；當(dāng)pi=0.4 MPa和pi=1.0 MPa，Nc=0.10時(shí)相應(yīng)拱頂沉降分別減小到50.9、42.1 cm，Nc=0.25時(shí)相應(yīng)拱頂沉降分別減小到22.9、20.9 cm。

從圖7和圖8中可以看出：Nc=0.10時(shí)，不同支護(hù)強(qiáng)度下圍巖水平變形均表現(xiàn)為向洞內(nèi)收斂；但當(dāng)擠壓因子Nc=0.25且支護(hù)強(qiáng)度pi=1.5 MPa時(shí)，水平變形呈現(xiàn)出向洞外擴(kuò)張的現(xiàn)象(見圖8(c))。這說明，當(dāng)Nc較大時(shí)，增加pi可取得理想的水平位移Ux控制效果。

對(duì)比豎向位移云圖(見圖5和圖6)和水平位移云圖(見圖7和圖8)可以看出，同一擠壓因子Nc、同一支護(hù)強(qiáng)度pi下，豎向位移Uy極值要明顯大于水平位移Ux極值。以Nc=0.10、pi=1.0 MPa為例，Uy、Ux的極值分別為42.1、16.1 cm，差值為26 cm。因此，以下分析針對(duì)豎向位移展開。

2.3.2 支護(hù)對(duì)豎向位移的控制效果

不同擠壓因子下圍巖豎向位移(Uy)-支護(hù)強(qiáng)度(pi)變化曲線如圖9所示。其中，Nc=0.063，當(dāng)pi≤0.2 MPa時(shí)，計(jì)算未收斂。

圖9 不同擠壓因子下圍巖豎向位移-支護(hù)強(qiáng)度變化曲線Fig. 9 Variation curves of vertical displacement of surrounding rock with support strength under various compression factors

由圖9可以看出：

③收益增加額減去項(xiàng)目總投資額后，第一年項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為804萬元-527.43萬元=276.57萬元。

1)從Nc=0.063、0.1、0.15時(shí)豎向位移變化曲線圖可以看出，pi較小(Nc=0.063、0.1且pi≤0.6 MPa，Nc=0.15且pi≤0.4 MPa)時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度對(duì)豎向位移的控制呈指數(shù)變化，表示開挖后及時(shí)施加支護(hù)阻力對(duì)豎向位移的控制非常明顯。如Nc=0.063、pi=0.4 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的沉降為89.7 cm，而當(dāng)pi=0.6 MPa時(shí)沉降迅速減小到60.3 cm，支護(hù)強(qiáng)度增加了0.2 MPa，沉降減小了29.4 cm，效果很明顯，說明對(duì)于擠壓程度嚴(yán)重的圍巖(Nc≤0.15)，開挖后及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)非常必要。

2)從Nc=0.063、0.1、0.15時(shí)豎向位移變化曲線圖還可以看出，當(dāng)pi超過1)中范圍后，曲線的斜率明顯減小且基本穩(wěn)定，表示支護(hù)強(qiáng)度對(duì)豎向位移的控制效果基本相同，即增加支護(hù)強(qiáng)度的作用并不明顯，說明對(duì)于擠壓程度嚴(yán)重的圍巖(Nc≤0.15)，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，再通過繼續(xù)增加支護(hù)強(qiáng)度來控制豎向位移是不可取的。如Nc=0.063、pi=0.8 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的沉降為57.7 cm，當(dāng)pi=1.5 MPa時(shí)沉降減小到49.8 cm左右，支護(hù)強(qiáng)度增加了0.7 MPa，豎向位移只減小了7.9 cm，效果明顯降低，而此時(shí)的豎向位移仍然很大?？紤]到工程實(shí)際中所能提供支護(hù)強(qiáng)度一般不超過1.5 MPa[22]，故對(duì)于擠壓程度嚴(yán)重的圍巖(Nc≤0.15)，傳統(tǒng)強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)無法將變形控制到安全范圍以內(nèi)。

3)從Nc=0.2、0.25時(shí)豎向位移變化曲線圖可以看出，豎向位移隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加近似呈線性減小，表示支護(hù)強(qiáng)度的增加對(duì)控制豎向位移的效果基本相當(dāng)；而且，因?yàn)閲鷰r擠壓程度較低，圍巖的豎向變形并不是很大，只需要一定的支護(hù)強(qiáng)度便可將豎向位移控制在可接受的范圍內(nèi)，如Nc=0.2、pi=0.4 MPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)1的沉降為29.2 cm，已控制在30 cm范圍內(nèi)。

由上述分析可以得到，對(duì)于擠壓程度不嚴(yán)重的圍巖(Nc≥0.2)，常規(guī)強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)體系可以實(shí)現(xiàn)圍巖變形控制，能夠滿足支護(hù)需求，故對(duì)于Nc≥0.2的圍巖采用強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)體系即可；對(duì)于擠壓程度嚴(yán)重的圍巖(Nc<0.2)，開挖后進(jìn)行及時(shí)強(qiáng)支護(hù)雖對(duì)圍巖變形的控制效果非常明顯，但隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，其控制效果明顯降低，且無法有效控制位移位于安全范圍，因此不能靠單純?cè)黾颖粍?dòng)支護(hù)強(qiáng)度來控制變形，而應(yīng)考慮采用強(qiáng)化并調(diào)動(dòng)發(fā)揮圍巖自承載能力的主動(dòng)支護(hù)體系。綜上所述，當(dāng)Nc≥0.2時(shí)，現(xiàn)行的強(qiáng)力支護(hù)模式能夠?qū)鷰r進(jìn)行有效支護(hù)；當(dāng)Nc<0.2時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況考慮采用主動(dòng)支護(hù)模式。

3 主動(dòng)支護(hù)體系在軟巖大變形隧道中的適宜性分析

3.1 錨桿(索)系統(tǒng)的選擇

現(xiàn)今的主動(dòng)支護(hù)實(shí)現(xiàn)形式，主要涉及預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)(錨桿(索))，所采用桿(索)體材料主要為高強(qiáng)螺紋鋼筋或高強(qiáng)鋼絞線。如圖10所示，桿體鋼筋強(qiáng)度較低而變形能力較好(以YE25-5為例，屈服力不小于131 kN，斷后伸長率不小于18%[23])，索體鋼絞線雖具有較大的強(qiáng)度，但變形能力較差(以1×19S-21.8 mm-1 860 MPa為例，名義屈服力不低于513 kN，最大力總伸長率不小于3.5%[24])，但錨桿和錨索的選擇主要取決于所施加預(yù)應(yīng)力的大小。

(a) 錨桿[25]

(b) 鋼絞線[26]圖10 錨桿(索)體材料荷載-位移曲線Fig. 10 Load-displacement curves of bolt/strand

作為主動(dòng)支護(hù)體系的關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)應(yīng)力量值與支護(hù)效果關(guān)系密切。隨施加預(yù)應(yīng)力量值增大，主動(dòng)支護(hù)對(duì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的強(qiáng)化作用(從殘余強(qiáng)度的角度)有所增加，能夠取得更好的變形控制效果。故隨圍巖擠壓程度加劇，要實(shí)現(xiàn)隧道變形有效控制，施加的預(yù)應(yīng)力量值FP需相應(yīng)增加。根據(jù)隧道等地下工程對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范[23，27-29]，當(dāng)預(yù)應(yīng)力量值超過200 kN時(shí),應(yīng)選擇錨索作為預(yù)應(yīng)力施加載體。因此，對(duì)于所需控制變形較小(FP≤200 kN)的軟巖隧道，可采用預(yù)應(yīng)力錨桿系統(tǒng)；而對(duì)于所需控制變形較大(FP>200 kN)的軟巖隧道，建議采用預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)。

3.2 基于錨索系統(tǒng)的主動(dòng)支護(hù)模式適宜性分析

錨索鋼絞線在彈性范圍內(nèi)的伸長很小，其延伸主要發(fā)生在屈服之后(見圖10(b))，同時(shí)，考慮到錨索系統(tǒng)發(fā)揮支護(hù)作用離不開索體材料伸長，若設(shè)計(jì)中僅考慮索體材料處于彈性工作狀態(tài)，將無法更好地利用材料性能。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)(FP>200 kN)時(shí)，應(yīng)允許索體材料在工作狀態(tài)處于塑性階段，并確保其不發(fā)生破壞，且具有一定的安全度。

為減少預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)多采用兩點(diǎn)錨型式，采用機(jī)械頭或樹脂錨固劑內(nèi)錨于穩(wěn)定圍巖中[30]，外錨端則采用錨具固定于洞壁。索體延伸率εa由內(nèi)、外錨端相對(duì)位移產(chǎn)生，忽略內(nèi)、外錨端處錨固系統(tǒng)與圍巖相對(duì)位移，且認(rèn)為索體均勻延伸，則

(2)

為保證錨固體系在工作狀態(tài)不發(fā)生破壞且具有一定安全度，取1.5倍安全系數(shù)，則錨索工作狀態(tài)延伸率εa不應(yīng)超過2.3%。

為保證錨固系統(tǒng)工作狀態(tài)不發(fā)生體系破壞，則洞壁圍巖徑向位移u0應(yīng)滿足

(3)

當(dāng)索體延伸率與洞壁圍巖徑向位移超過式(2)和式(3)限值時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性得不到保證，甚至可能發(fā)生體系性損壞。故此種情況下，合理的支護(hù)模式應(yīng)當(dāng)以主動(dòng)支護(hù)為基礎(chǔ)、融入讓壓支護(hù)，形成主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式。該支護(hù)模式下，洞壁圍巖允許徑向位移u0在利用索體材料自身延伸基礎(chǔ)上增加了支護(hù)體系讓壓量，如式(4)所示。主動(dòng)-讓壓支護(hù)在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化與調(diào)動(dòng)發(fā)揮圍巖自承載性能的同時(shí)，大大提高了支護(hù)體系的變形能力，故適用于變形量更大的軟巖大變形隧道。

(4)

4 木寨嶺公路隧道軟巖大變形段支護(hù)模式的合理選用分析與驗(yàn)證

4.1 木寨嶺公路隧道工程概況

渭武高速木寨嶺公路隧道地處秦嶺構(gòu)造帶，穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣，是甘肅及西北地區(qū)通往西南地區(qū)的重要通道。隧道為分離式2車道隧道，左線全長15 231 m，右線全長15 173 m，最大埋深為629.1 m。隧址區(qū)巖性主要為炭質(zhì)板巖(見圖11)，占比約為隧道全長的50%，其黏聚力c為200 kPa，內(nèi)摩擦角φ為25°，由式(1)可得σcm=0.63 MPa。隧址區(qū)水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，地應(yīng)力場(chǎng)以NNE向擠壓為主，與隧道洞軸線方向大致相同。隧道里程ZK218+420～ZK219+608段初始地應(yīng)力p0=11.37～18.76 MPa，則Nc=0.034～0.055<0.2。由2.3節(jié)分析可得，傳統(tǒng)強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)模式在該區(qū)段不適用，而應(yīng)選擇主動(dòng)支護(hù)模式。

圖11 木寨嶺公路隧道縱斷面圖Fig. 11 Geological profile of Muzhailing highway tunnel

實(shí)際上，在建設(shè)之初，ZK218+428～+448段采用了SVf型襯砌，具體支護(hù)參數(shù)見表4。從表中各參數(shù)量值來看，SVf型襯砌參數(shù)的取值均已達(dá)到或超過了規(guī)范推薦值[31]，屬于典型的強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)模式。

表4 SVf型襯砌參數(shù)Table 4 Lining parameters of SVf

在SVf型強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)段采用三臺(tái)階開挖法，施工中出現(xiàn)了局部侵限、鋼支撐扭曲、噴射混凝土開裂(見圖12(a))等大變形災(zāi)害現(xiàn)象，斷面最大位移為247～529 mm，最大變形速率達(dá)135 mm/d(見圖12(b))，表明SVf型強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)體系已難以有效控制圍巖變形。

(a) 噴射混凝土開裂

(b) 位移-時(shí)間曲線圖12 被動(dòng)支護(hù)試驗(yàn)段情況Fig. 12 Passive support test section

4.2 試驗(yàn)段支護(hù)模式選擇

鑒于此，ZK218+448～488段擬采用主動(dòng)支護(hù)方案，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值為250 kN，采用1×19S-21.8 mm-1 860 MPa錨索，沿隧道縱向交替布置，1環(huán)5 m錨索，1環(huán)10 m錨索。于上、中臺(tái)階處布置預(yù)應(yīng)力錨索，在爆破出渣完成后，及時(shí)施作錨索并施加預(yù)應(yīng)力?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開展數(shù)值仿真(忽略預(yù)應(yīng)力錨索施作時(shí)間)，得到施加250 kN預(yù)應(yīng)力時(shí)圍巖豎向和水平位移，如圖13所示?？梢钥闯?，拱頂沉降大于拱腰水平收斂，故取拱頂范圍洞壁、5 m和10 m深處沉降分別為u0=45.0 cm、ul(5 m)=14.1 cm、ul(10 m)=9.8 cm。將ul(5 m)和ul(10 m)代入式(3)可得，5 m和10 m預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下洞壁允許位移分別為：

(a) 豎向位移

(b) 水平位移圖13 圍巖位移云圖(預(yù)應(yīng)力250 kN)(單位： m)Fig. 13 Displacement nephograms of surrounding rock (applied pre-stress of 250 kN)(unit: m)

(5)

(6)

5 m和10 m預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下洞壁允許位移u0(5 m)和u0(10 m)分別為25.8、33.1 cm，均小于實(shí)際洞壁位移u0=46.7 cm?？芍?，該區(qū)段施加預(yù)應(yīng)力250 kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索變形能力無法匹配大變形，主動(dòng)支護(hù)體系無法實(shí)現(xiàn)成功支護(hù)，而應(yīng)采用主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式。

4.3 主動(dòng)-讓壓模式支護(hù)效果

在該區(qū)段開展主動(dòng)-讓壓支護(hù)試驗(yàn)，所采用的預(yù)應(yīng)力讓壓錨索是在上述預(yù)應(yīng)力錨索(預(yù)應(yīng)力250 kN)的基礎(chǔ)上加設(shè)讓壓裝置而成，設(shè)計(jì)讓壓力為300 kN，最大讓壓量為50 cm。所采用的主動(dòng)-讓壓支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)見表5。

表5 主動(dòng)-讓壓支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)(異于SVf型)Table 5 Support parameters of active-yielding section(different from SVf)

主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式下，除ZK218+465斷面累計(jì)變形量達(dá)504 mm(侵限4 mm)外，試驗(yàn)段圍巖位移基本小于設(shè)定的預(yù)留變形量(500 mm)，初期支護(hù)體系均處于安全的受力狀態(tài)。雖出現(xiàn)了局部損裂，但未見明顯的噴射混凝土掉塊，且拱架未發(fā)生扭曲現(xiàn)象。ZK218+465斷面拱頂和拱腰處讓壓錨索軸力時(shí)程曲線如圖14(a)所示。

橫坐標(biāo)“-1”對(duì)應(yīng)的軸力值表示為千斤頂加載的預(yù)應(yīng)力值; A、B、C線中橫坐標(biāo)“0”表示為千斤頂卸載后，加載到錨索上的預(yù)緊力。(a) 讓壓錨索軸力時(shí)程曲線

(b) 位移-時(shí)間曲線圖14 主動(dòng)-讓壓支護(hù)試驗(yàn)段情況Fig. 14 Test section of active-yielding support

由于拱頂A處讓壓錨索軸力變化曲線未呈現(xiàn)明顯讓壓過程，以下分析針對(duì)左右拱腰B、C部位讓壓錨索展開。B、C部位讓壓錨索初始讓壓力分別為248、276 kN，略小于設(shè)定初始讓壓力；在圍巖變形穩(wěn)定后，錨索停留在讓壓吸能支護(hù)階段，最終穩(wěn)定軸力分別為278、277 kN；錨索最終讓壓滑移量可由錨索軸力時(shí)程曲線(見圖14(a))結(jié)合斷面圍巖變形數(shù)據(jù)(見圖14(b))得到，分別為24.4、36.1 cm。綜上所述，主動(dòng)-讓壓支護(hù)在試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)了圍巖變形控制，且保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全受力狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了所提出軟巖大變形隧道適宜支護(hù)模式選擇方法的合理性。

5 結(jié)論與討論

本文在對(duì)當(dāng)前軟巖大變形隧道主要支護(hù)模式分類的基礎(chǔ)上，從圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)2方面探討了被動(dòng)支護(hù)、主動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)-讓壓支護(hù)3種支護(hù)模式在軟巖大變形隧道中的適宜性，給出了支護(hù)模式的合理選擇方法與建議，并依托木寨嶺公路隧道軟巖大變形段落予以實(shí)踐，得到主要結(jié)論如下：

1)對(duì)于非嚴(yán)重?cái)D壓變形隧道(Nc≥0.2)，增加支護(hù)強(qiáng)度pi可取得理想的位移控制效果，現(xiàn)行的強(qiáng)力支護(hù)模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圍巖的有效支護(hù)；對(duì)于嚴(yán)重?cái)D壓變形隧道(Nc<0.2)，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度pi較小時(shí)，隨著pi增加，圍巖位移呈指數(shù)型減小，但當(dāng)其增至一定程度時(shí)，支護(hù)對(duì)圍巖變形的控制效果明顯下降，且無法控制位移于安全范圍內(nèi)，因此不能靠單純?cè)黾颖粍?dòng)支護(hù)強(qiáng)度來控制變形，而應(yīng)考慮采用強(qiáng)化并調(diào)動(dòng)發(fā)揮圍巖自承載能力的主動(dòng)支護(hù)體系。

2)對(duì)于所需控制的圍巖變形較小(FP≤200 kN)的軟巖隧道，可采用預(yù)應(yīng)力錨桿系統(tǒng)，而對(duì)于所需控制變形較大(FP>200 kN)的軟巖隧道，建議采用預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)；當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)時(shí)，為有效發(fā)揮錨索系統(tǒng)支護(hù)作用，應(yīng)允許索體工作狀態(tài)處于塑性階段，但延伸率εa不應(yīng)超過2.3%；當(dāng)超過上述限值時(shí)，單純的主動(dòng)支護(hù)不再適用，合理的支護(hù)模式應(yīng)當(dāng)是具有更大變形能力的主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式。

3)木寨嶺公路隧道ZK218+420～ZK219+608段擠壓因子Nc=0.034～0.055<0.2，在強(qiáng)力被動(dòng)支護(hù)體系作用下，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段斷面最大位移為247～529 mm，出現(xiàn)了鋼支撐扭曲、噴射混凝土開裂等大變形現(xiàn)象；ZK218+448～488段擬采用主動(dòng)支護(hù)，錨索系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力值為250 kN，在主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式下，除ZK218+465斷面累計(jì)變形量達(dá)504 mm(侵限4 mm)外，圍巖位移基本小于設(shè)定的預(yù)留變形量(500 mm)，初期支護(hù)體系均處于安全的受力狀態(tài)；試驗(yàn)結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了被動(dòng)、主動(dòng)與主動(dòng)-讓壓支護(hù)模式選用依據(jù)的合理性。

由于本研究旨在探尋不同支護(hù)模式的適用范圍，故在研究中對(duì)被動(dòng)支護(hù)的模擬采用了簡化，未考慮被動(dòng)支護(hù)所提供支護(hù)力隨圍巖變形逐漸提高的過程，而是以恒定支護(hù)力作為邊界條件開展分析，后續(xù)宜采用更精細(xì)的模擬開展被動(dòng)與主動(dòng)支護(hù)的相關(guān)研究。