超大跨扁平地下洞库锚喷支护受力特征研究

洪开荣， 刘永胜， 杨朝帅， 3， 潘 岳

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广东 广州 511458； 3. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

随着大断面隧道建造技术的快速发展，国内外大力开发大跨度地下工程，如单向4车道隧道、大型地下车站、地下能源储藏室、地下公共设施及其他特殊用途的人防工程等。洞库跨度的增大必然使断面扩大，因此巨跨洞库在施工过程中常面临技术难度大、易产生灾害事故、工程风险高等实际问题[1-2]；而扁平洞库的扁平率低，应力重分布情况更复杂[3]。从目前的研究来看，大跨度洞库在开挖过程中围岩荷载分布和支护力学特性较常规洞库更为复杂，结构稳定性差，极易发生围岩失稳[4-5]，而扁平大跨度洞库由于洞形特殊，拱顶稳定性更差，施工难度更大，安全系数更低，需要采用特殊的施工方法并及时采取针对性的支护措施，以保证施工安全[6-7]。

在开挖方面，大跨度地下工程多采用分部开挖，即把隧道开挖大断面分割为小断面，以确保开挖面自稳[8-9]。在支护方面，锚喷支护结构(主要包括系统锚杆、预应力锚索和钢筋网喷射混凝土)自20世纪50年代问世以来，随着现代支护结构原理尤其是新奥法的发展，已在世界各国矿山、建筑、铁道、水工及军工等领域广泛应用[10]。锚喷支护具有支护及时、柔性、围岩与支护密贴、封闭、施工灵活等工艺特点，因此，既能充分发挥围岩的自承作用和材料的承载作用[10-13]，也可以在不同岩类、不同跨度、不同用途的地下工程中承受静载或动载，用作临时支护、永久支护或用于结构补强以及冒落修复等[14-15]。此外，锚喷支护结构还能与其他结构形式结合组成复合式支护。

目前，已有案例采用分部开挖和锚喷支护措施施工70 m级地下洞库且建造成功[16]。但是，已有的规范和计算方法主要是针对跨度在30 m以下的地下工程，跨度超过60 m的已经超出了已有计算方法的适用范围。对支护结构和围岩受力特征的准确认知，是充分发挥支护结构支护效能的前提。

针对支护结构的力学机制，国内外学者开展了大量研究。刘宇鹏等[17]通过基于应变软化特性的深埋隧道弹塑性解，采用锚杆中性点理论，系统地分析高地应力软岩隧道短锚杆支护失效机制，并论证高地应力软岩隧道中对锚杆进行加长的必要性。陶文斌等[18]针对深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时，锚杆的锚固段整体受力不均、抗剪切承载能力低以及无法适应大变形等问题，提出高预紧力后张法全长锚固支护方法。朱家道[19]基于岩体破坏准则和Hoek-Brown曲线分析了软岩巷道围岩的受力特征。罗基伟等[20]将预应力锚杆-锚索协同支护体系应用于32.7 m跨度的隧道中，结果表明预应力锚索可调动深层围岩的承载力承担围岩荷载，并提高锚杆组合拱的稳定性。袁伟泽等[21]研究了大跨度扁平地下洞室支护效果的影响因素，结果表明随着锚索预应力值的增加，洞库围岩拱顶各监测点的位移、最大剪应变、锚杆拉力以及衬砌最大主应力均呈现减小的趋势。总的来说，目前针对跨度超过50 m的超大跨扁平地下洞库支护结构受力特征的研究较少，研究方法也是以数值模拟为主，因此，对此类地下洞库工程的支护结构受力特征开展深入研究并在施工过程中进行长期监测是十分必要的。

本文依托某巨跨洞库工程开展巨跨超扁平地下洞库开挖过程中的支护技术研究。该洞库跨度远超50 m，属巨跨超扁平结构地下暗挖洞库，是世界人工洞室第一大跨。鉴于目前施工实践方面无成熟经验可借鉴，基于FLAC3D软件对巨跨洞库锚喷支护进行数值模拟研究，得到不同支护结构的受力情况，并对不同支护结构的支护效果进行对比分析，以期为巨跨洞库施工过程中支护工艺的选取提供理论依据。

1 依托工程概况

国内某巨跨地下洞库工程跨度远超50 m、矢跨比0.20，是单跨最大、扁平率最小、覆岩最薄、建设难度最大的地下洞库工程。工程的开挖跨度大大超出了常规跨度，挑战了现有人工地下洞库的跨度、规模及建设水平，突破了现有地下工程建设理论的应用范畴和相关规范的适用范围，无论是从理论上还是实践上，均有一定的探索性。

研究区内岩石强度普遍较高，岩石风化作用微弱，基本不存在强风化岩体。岩石节理裂隙不发育，完整性较好。

此洞库采用钻爆法施工，施工期间需分部开挖，形成群洞效应。为了保证施工过程中围岩的稳定性，开挖预留中间岩柱。现场采用双岩柱开挖方法进行施工，其断面分块形式如图1所示。

图1 断面分块形式

2 数值模拟分析

2.1 计算方法和计算模型

对于洞室群开挖过程中围岩及支护结构应力应变特性的研究，目前主要思路是通过数值模拟计算得到围岩及支护结构的力学响应及变形特性[22]。为验证数值模拟分析的结果，需选择典型里程断面，埋设变形受力测试元器件，对现场施工过程中锚喷结构的实际受力过程进行测量分析，并与数值模拟计算结果进行对比。结合现场实测数据和数值模拟计算结果，分析巨跨洞库锚喷支护受力特征规律，并得出相应的结论。

基于FLAC3D数值模拟软件建立三维模型，如图2所示。模型高140 m，宽350 m，纵向长120 m。单元数量363 300个，节点数量763 800个，采用摩尔-库仑本构模型。采用壳单元(shell)模拟喷射混凝土，锚杆单元(cable)模拟预应力锚索。

图2 数值模拟模型示意图

根据地质勘察资料，按Ⅲ级围岩确定计算参数，如表1所示。锚索为预应力锚索，长25 m，间距3.6 m，弹性模量为20 600 MPa，极限抗拉强度标准值为1 860 MPa，轴拉力设计值为1 500 kN，预应力为1 200 kN；锚杆为中空砂浆锚杆，长6 m，间距1.2 m，弹性模量为20 600 MPa，抗拉强度设计值为400 MPa，直径为36 mm。

表1 围岩力学参数

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两侧的位移，顶部承受初始地应力。根据地质勘察资料，最大地应力为7.93 MPa，最小地应力为4.9 MPa，取平均值6.42 MPa； 侧压力系数取2.0。模拟步骤为： 施加初始应力场后，依次开挖第①部、②左和②右、③左和③右、④左和④右、第⑤部围岩，分块形式如图1所示，并跟进支护结构，直至计算平衡。

2.2 巨跨洞库锚杆支护受力特征研究

2.2.1 计算工况和模型参数

本节主要研究分析系统锚杆支护受力特征，计算模型如图2所示，分步开挖步骤如图1所示，系统锚杆的计算模型如图3所示。

2.2.2 计算结果分析

通过数值模拟分析得到开挖过程中系统锚杆轴力，如图4所示。

图4(a)示出第①部导洞开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。导洞开挖后，及时跟进支护手段。从计算结果可以看到，系统锚杆产生一定的轴向拉力，但锚杆轴力很小，最大值在锚杆2～3 m处，仅为344 N，表明锚杆对围岩的支护作用很小。

图3 系统锚杆计算模型

图4(b)示出第②部左侧导洞开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。②部左侧导洞开挖后，及时跟进支护手段。从计算结果可以看到，由于围岩卸荷作用，系统锚杆出现轴向拉力。其中，①部导洞拱部的锚杆拉力也进一步增大，但总体上锚杆轴力很小，最大值在锚杆2～3 m处；②部左侧导洞开挖后①部锚杆轴力最大值仅为482 N，②部左侧导洞锚杆轴力最大值仅为323 N，锚杆对围岩的支护作用很小。

图4(c)示出第②部右侧导洞开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。②部右侧导洞开挖后，及时跟进支护手段。从计算结果可以看到，由于围岩卸荷作用，系统锚杆出现轴向拉力。其中，①部导洞和②部左侧导洞拱部的锚杆轴力也进一步增大，但总体上锚杆轴力很小。②部右侧导洞开挖后，①部锚杆轴力最大值仅为531 N，②部左侧导洞锚杆轴力最大值仅为499 N，②部右侧导洞锚杆轴力最大值仅为304 N，锚杆对围岩的支护作用很小。

图4(d)示出第③部左侧下台阶开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。从计算结果可以看到，③部左侧下台阶开挖后，系统锚杆轴力总体上都很小。其中，③部左侧下台阶锚杆最大轴力仅为244 N，拱部锚杆最大轴力仅为539 N，锚杆对围岩的支护作用很小。

图4(e)示出第③部右侧下台阶开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。从计算结果可以看到，③部右侧下台阶开挖后，系统锚杆轴力总体上都很小。其中，③部左侧下台阶锚杆最大轴力仅为249 N，③部右侧下台阶锚杆最大轴力仅为233 N，拱部锚杆最大轴力仅为547 N，锚杆对围岩的支护作用很小。

图4(f)示出第④部左侧岩柱支撑开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。从计算结果可以看到，④部左侧岩柱支撑开挖后，系统锚杆轴力有一个较明显的增量，但系统锚杆的轴力总体较小。由于岩柱支撑开挖卸荷，拱部围岩应力变形有了较大的调整，导致系统锚杆轴力变化较大。①部中导洞、②部左侧导洞和②部右侧导洞的系统锚杆最大轴力分别为794、753、411 N，相比上一个施工部分别增加了45.16%、45.37%和15.77%。这表明，岩柱对围岩的稳定有一个强有力的支撑作用，拆岩柱施工部是整个工程施工最关键的工序。

图4(g)示出第④部右侧岩柱支撑开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。从计算结果可以看到，④部右侧岩柱支撑开挖后，系统锚杆轴力同样有一个较明显的增量，但轴力总体较小。由于右侧岩柱支撑开挖卸荷，拱部围岩应力变形有了较大的调整，导致系统锚杆轴力变化较大。①部中导洞、②部左侧导洞、②部右侧导洞、④部左侧拱顶的系统锚杆最大轴力分别为852、794、562、589 N，相比上一个施工部分别增加了7.3%、5.4%、36.7%、28.88%。

图4(h)示出第⑤部岩体开挖后特征断面处的系统锚杆轴力。从计算结果可以看到，⑤部岩体开挖使得系统锚杆轴力的增量非常小，且整个系统锚杆支护的轴力也很小，其中③部边墙锚杆最大轴力仅为407 N，拱部锚杆最大轴力仅为960 N，锚杆对围岩的支护作用很小。

巨跨洞库不同施工部开挖过程中，特征断面处特征点位上锚杆最大轴力的计算值如表2所示。从表中可以看到，拱部的锚杆轴力较大，而边墙部位的锚杆轴力较小，其中①部中导洞锚杆轴力最大，但也仅仅为860 N，说明系统锚杆对围岩的加固支护作用较小。

(a) 开挖第①部导洞后

(b) 开挖第②部左侧导洞后

(c) 开挖第②部右侧导洞后

(d) 开挖第③部左侧下台阶后

(e) 开挖第③部右侧下台阶后

(f) 开挖第④部左侧岩柱后

(g) 开挖第④部右侧岩柱后

(h) 开挖第⑤部岩体后

表2 巨跨洞库不同施工部条件下特征点位锚杆最大轴力计算值

2.3 巨跨洞库钢筋网喷射混凝土结构受力特征研究

2.3.1 计算工况和模型参数

本节主要研究分析钢筋网喷射混凝土结构的受力特征，计算模型如图2所示。喷射混凝土结构的计算模型如图5所示。

图5 喷射混凝土结构计算模型

2.3.2 计算结果分析

通过数值模拟分析，得到巨跨洞库不同施工部特征断面处特征点位上喷射混凝土最大内力(弯矩、剪力和轴力)的计算值，如表3—5所示。

由表3—5可知，拱部的喷射混凝土内力均较大，而边墙部位的喷射混凝土内力均较小，其中①部中导洞喷射混凝土内力最大，最大弯矩、剪力和轴力分别为58.5 N·m、19.33 N、894.2 N。内力值很小，说明喷射混凝土结构对围岩的支护作用较小。

钢筋网喷射混凝土属于被动支护结构，主要通过围岩开挖变形时对围岩产生的被动反力实现支护功能。计算结果表明，在开挖过程中，喷射混凝土结构受力小，主要起协助围岩承载的作用。

表3 巨跨洞库不同施工部条件下特征点位喷射混凝土最大弯矩计算值

表4 巨跨洞库不同施工部条件下特征点位喷射混凝土最大剪力计算值

2.4 巨跨洞库预应力锚索结构受力特征研究

2.4.1 计算工况和模型参数

本节主要研究分析预应力锚索结构的受力特征，计算模型如图2所示，预应力锚索结构的计算模型如图6所示。

2.4.2 计算结果分析

2.4.2.1 第①部中导洞开挖

图7示出第①部中导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力随掌子面距离的变化曲线。曲线图横坐标表示特征断面与当前开挖部掌子面的距离。当特征断面在掌子面前方，横轴坐标为负值；当特征断面在掌子面后方，横轴坐标为正值；当特征断面与掌子面重合，横轴坐标为零。从计算结果可以看到，①部导洞开挖后，及时跟进锚喷支护构件，预应力锚索拉力略有增大。在特征断面上，①部导洞拱部锚索拉力最大值为1 219.4 kN，远小于锚索拉力设计值1 500 kN，锚索结构处于安全范围内。

表5 巨跨洞库不同施工部条件下特征点位喷射混凝土最大轴力计算值

图6 预应力锚索结构模型

图7 第①部中导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线

2.4.2.2 第②部左侧边导洞开挖

图8示出第②部左侧导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力随掌子面距离的变化曲线。从计算结果可以看到，②部左侧导洞开挖后，及时跟进锚喷支护构件，预应力锚索拉力逐步增大。在特征断面上，①部导洞拱部锚索拉力最大值为1 227.3 kN，②部左侧导洞拱部锚索拉力最大值为1 223.4 kN，均远小于锚索拉力设计值1 500 kN，锚索结构处于安全范围内。

图8 第②部左侧导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线

2.4.2.3 第②部右侧边导洞开挖

图9示出第②部右侧导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力随掌子面距离的变化曲线。从计算结果可以看到，②部右侧导洞开挖后，及时跟进锚喷支护构件，预应力锚索拉力逐步增大。在特征断面上，①部导洞拱部锚索拉力最大值为1 232.1 kN，②部左侧导洞和右侧导洞拱部锚索拉力最大值分别为1 230.5 kN和1 219.7 kN，均远小于锚索拉力设计值1 500 kN，锚索结构处于安全范围内。

图9 第②部右侧导洞开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线

2.4.2.4 第③部左、右侧下台阶开挖

经计算得知，第③部左侧下台阶开挖后，拱部1 MS、2 MSZ和2 MSY 3个特征点处的锚索拉力增量分别为1.6、0.3、0.2 kN，表明第③部左侧下台阶开挖对围岩应力的调整影响很小，锚索拉力几乎不变。

第③部右下台阶开挖后，拱部1 MS、2 MSZ和2 MSY 3个特征点处的锚索拉力增量分别为0.2、0.3、0.2 kN，表明第③部右侧下台阶开挖对围岩应力的调整影响也非常小，锚索拉力几乎不变。

2.4.2.5 第④部左侧岩柱支撑开挖

图10示出第④部左侧岩柱开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线。从计算结果可以看到，④部左侧岩柱开挖后，及时跟进锚喷支护构件，预应力锚索拉力有较大程度的增加。在特征断面上，①部导洞拱部锚索拉力最大值为1 259.8 kN，②部左侧导洞和右侧导洞拱部锚索拉力最大值分别为1 258.4 kN和1 242.8 kN，④部左侧拱顶锚索拉力最大值为1 228.6 kN，均远小于锚索拉力设计值1 500 kN，锚索结构处于安全范围内。另外，第④部左侧岩柱拆除过程中，锚索拉力增幅较大，表明原先由岩柱支撑的围岩压力，在岩柱拆除后转移到由锚索结构来承担，锚索对围岩稳定起主要支护作用。

图10 第④部左侧岩柱开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线

2.4.2.6 第④部右侧岩柱支撑开挖

图11示出第④部右侧岩柱开挖过程中特征断面上锚索拉力变化曲线。从计算结果可以看到，④部右侧岩柱开挖后，及时跟进锚喷支护构件，预应力锚索拉力有较大程度的增加。在特征断面上，①部导洞拱部锚索拉力最大值为1 286.2 kN，②部左侧导洞和右侧导洞拱部锚索拉力最大值分别为1 278.1 kN和1 271.1 kN，④部左侧岩柱和右侧岩柱的拱顶部位锚索拉力最大值分别为1 258.3 kN和1 225.9 kN，均远小于锚索拉力设计值1 500 kN，锚索结构处于安全范围内。另外，第④部右侧岩柱拆除过程中，锚索拉力增幅较大，表明原先由岩柱支撑的围岩压力，在岩柱拆除后转移到由锚索结构来承担，锚索对围岩稳定起主要支护作用。

2.4.2.7 第⑤部岩体开挖

第⑤部右下台阶开挖后，拱部1 MS、2 MSZ、2 MSY、4 MSZ、4 MSY 5个特征点处的锚索拉力增量分别为1.3、0.5、0.3、0.4、0.2 kN，表明第⑤部岩体开挖对围岩应力的调整影响非常小，对锚索拉力的变化也没有影响。

表6列出了巨跨洞库不同施工部特征断面处特征点位上锚索拉力的计算值。从表中可以看到，拱部中导洞处的锚索拉力计算值最大，达到1 287.5 kN，但小于设计值1 500 kN，锚索结构受力安全。

2.5 围岩应力及变形分析

开挖后，相应部位周围围岩的应力场发生了重分布，并且出现了一定程度的应力集中现象。由于围岩卸荷作用，周边围岩产生一定的竖向位移和水平位移。采用双岩柱开挖，喷射混凝土、预应力锚索和系统锚杆支护。当计算稳定后，围岩的应力及变形计算值如表7所示。可以看到，和无支护状态相比，支护结构对围岩的应力影响不明显，但是可以显著降低拱顶的沉降，提高洞库的稳定性。

表6 巨跨洞库不同施工部条件下特征点位锚索拉力计算值

2.6 巨跨地下洞室稳定性分析

数值模拟的计算结果表明，系统锚杆轴力总体较小，最大值仅为860 N，表明锚杆对围岩稳定性的支护作用很小；喷射混凝土结构内力很小，最大弯矩为58.5 N·m，最大剪力为19.33 N，最大轴力为894.2 N，远小于混凝土强度，表明喷射混凝土结构对巨跨洞库围岩稳定的支护作用很小。由此可见，在整个施工过程中，锚索对围岩稳定起主要支护作用。因此，在洞库修建时，应重视主动支护的作用，充分调动围岩的自承能力。

表7 巨跨洞库不同施工部条件下围岩应力及变形计算值

3 现场施工情况

3.1 现场开挖及支护方法

超大跨洞室开挖后，围岩的变形规律表现为拱顶下沉大于水平收敛，开挖过程中水平方向的位移一度向围岩内部发生；围岩除拱顶下沉可能引起塌方外，拱脚或起拱线也可能因受到来自拱顶变形传递来的强大推力，产生塑性区而失稳。因此，采用3导洞洞口预留横向岩柱分部开挖。按照超大跨洞库施工步序，为不影响施工的流畅性，先行导洞锚索施工可滞后开挖面60 m；中岩柱锚索施工紧跟开挖面。

超大跨洞室拱部采用9根长度为25 m的φ15.2 mm预应力锚索，锚固段长9 m，自由段长16 m，矩形布置，480 cm(环)×480/240 cm(纵),p=1 000 kN。拱部系统锚杆采用长6 m的φ32 mm砂浆锚杆(2.4 m×1.2 m)和9 m长的预应力锚杆(2.4 m×1.2 m)，p=120 kN。边墙锚杆采用9 m长的预应力锚杆(1.2 m×1.2 m)，p=120 kN；φ8 mm钢筋网片；100 mm厚CF30钢纤维混凝土。洞口浅埋段采用12根长25～32 m的对拉锚索钢绞线，规格为φ15.2 mm，环向间距4.8 m，p=1 500 kN。

3.2 监测数据

在锚索轴力监测方面，每个断面布设7个测点。沿纵向布设4个断面，里程分别为40、60、100、140 m，且布设点应控制在对应里程位置±2 m，如图12所示。

图12 锚索轴力监测断面示意图

断面监测数据如图13所示。监测数据表明，在岩柱拆除的过程中，围岩变形增大，锚索、锚杆轴力和喷射混凝土上的应力增幅较大。其中，锚杆的轴力始终未超过1 kN，锚索的轴力则远大于锚杆的轴力。同时，喷射混凝土上最大应力未超过1 MPa。这说明原先由岩柱支撑的围岩压力，在岩柱拆除后转移到由锚索结构来承担，锚索对围岩稳定起主要支护作用。该结果和数值模拟的结果相同，验证了数值模拟计算结果的合理性。

(a) 锚索轴力监测值

(b) 锚杆轴力监测值

(c) 喷射混凝土应力监测值

(d) 围岩变形监测值

4 结论与讨论

本文依托某巨跨洞库工程开展巨跨超扁平地下洞库开挖及支护施工技术研究，并基于FLAC3D软件对巨跨洞库锚喷支护进行数值模拟，得到不同支护结构的受力情况。通过对不同支护结构的支护效果进行对比分析，得到以下结论：

1)数值模拟计算结果表明，系统锚杆轴力总体较小，最大值仅为860 N，表明锚杆对围岩稳定性的支护作用很小；喷射混凝土结构内力很小，最大弯矩为58.5 N·m，最大剪力为19.33 N，最大轴力为894.2 N，远小于混凝土强度，表明喷射混凝土结构对巨跨洞库围岩稳定的支护作用很小。因此，在整个施工过程中，锚索对围岩稳定起主要支护作用。

2)在巨跨洞库开挖过程中，预应力锚索的拉力有一定程度的增加，尤其在拆除两侧岩柱时，锚索拉力增幅较大，最大锚索拉力计算值为1 287.5 kN，远小于设计值，结构安全度高。锚索轴力监测数据和数值模拟的变化趋势相同，验证了数值模拟计算结果的合理性。

3)薄层喷射混凝土壳体和系统锚杆构件作为被动支护类型，构件受力小，安全系数高，其主要发挥协助围岩承载的作用。而锚索作为主动支护结构，其作用是将洞库表层围岩的解构效应传递到深部围岩，使洞库更深范围的围岩也能够发挥其自身承载力。

4)前人的研究表明，锚喷支护可以充分发挥围岩的自承作用和材料的承载作用。本文的研究也证明，通过锚杆和喷射混凝土壳体的支护作用可以有效改善洞库开挖深部围岩的应力应变状态，提高洞库的稳定性。基于此，将预应力锚索作为调动深部围岩承载作用的深层支护手段，充分利用了围岩自身承载效能。

本文的研究证明，在整个支护结构中主动支护对围岩稳定起主要支护作用。而传统隧道建设长期以来的浅部环境形成了被动、滞后的支护理念，忽视了对围岩的早期干预，对被动支护结构依赖较强。随着社会经济的发展，未来势必会有更多超大跨度地下洞库的修造需求。如果忽视主动支护对围岩自承能力的调动，则可能导致在施工中出现许多困境与危境。要充分利用围岩自承能力，提高支护结构的支护效能，需要对支护结构和围岩的共同受力机制有更加准确、深入的认识，因而后续的研究仍需继续深化。