极高地应力软岩隧道预应力锚索支护技术研究*

王万平，李建斐，白浪峰

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068)

0 引言

极高地应力软岩隧道施工遇到的首要难题是大变形控制，软岩大变形不仅会造成初期支护结构断裂、失稳进而侵限，导致频繁拆换拱架，奥地利Tauern隧道、日本Enasan I号隧道、瑞士圣哥达基线隧道、我国兰渝铁路两水隧道等均发生过软岩大变形问题[1-13]，严重影响施工进度、工程造价和施工人员安全。由于渭武高速公路木寨岭隧道距兰渝铁路木寨岭隧道较近，工程地质条件等相似，对兰渝铁路木寨岭隧道的研究已取得众多成果[14-18]，可为本研究提供参考。兰渝铁路木寨岭隧道大变形控制措施主要有改变隧道形状、设置多层支护体系、超前应力释放小导洞扩挖、长锚杆(锚索)加固、仰拱桁架加固、设置缓冲结构等。

针对大变形控制技术的研究主要体现在大变形机理、大变形预测与分级、大变形控制分析。顾寅[19]认为大变形形成主要原因是高地应力作用下围岩的挤出和膨胀，且挤出起主导作用，采用锚索可有效控制隧道位移收敛，关键控制参数为锚索长度、间距和预应力。李乾[20]采用数值模拟分析方法对锚索、锚杆联合支护效果和传统方式支护效果进行对比。赵伟等[21]通过理论分析和数值模拟，对让压锚索作用机理和变形控制效果进行了研究。李干[22]以木寨岭隧道2号斜井为例，针对隧道围岩非对称变形特征提出了非对称高预紧力恒阻锚索支护技术，并通过相似模拟、数值模拟及现场实测手段对该支护技术可靠性进行了验证。

本文针对渭武高速公路木寨岭隧道2号斜井施工出现的大变形问题，从横断面锚索组合形式、锚索纵向布置形式、围岩稳定性和剪胀角控制方面开展预应力锚索支护技术研究，为隧道支护结构参数进一步优化提供参考。

1 工程概况

渭武高速公路木寨岭隧道采用分离式设计，全长约15 192m，洞身最大埋深约629m。2号斜井全长1 813m，洞身最大埋深约591m。斜井穿越地层为中风化炭质板岩，薄层状构造，碎裂状松散结构。受断层影响，该段岩体节理裂隙非常发育，岩体破碎。地下水主要为基岩裂隙水，水量较大，施工时会出现点滴状或淋雨状出水情况。围岩稳定性差，初期支护不及时易产生较大面积的坍塌。

隧道地应力以水平应力为主，最大主应力为25.1MPa，最小主应力为7.3～11.6MPa，围岩应力强度比为0.4～1.4，属于极高地应力状态[13]。最大水平主应力方向与斜井轴线小角度相交，有利于斜井支护结构稳定。

2 设计与施工存在的问题

斜井施工时掌子面揭示的围岩主要为薄层状炭质板岩，岩层倾角为30°～60°，夹有薄厚不均的砂质板岩，层厚3～10cm，如图1所示。围岩刚开挖后具有一定强度，经24h后风化较严重(见图2)，给施工带来较大难度。

施工期间发现初期支护变形收敛速率加大后，施工现场采取应急措施进行加密环向注浆补强，注浆补强后监测变形收敛速率虽有降低，但仍>30mm/d。由于围岩层理倾斜和地应力方向影响，左侧初期支护边墙及拱部混凝土出现不同程度的开裂、剥落及钢拱架压扭性破坏等情况，如图3，4所示。已开挖并施作初期支护的斜井段最大变形为153cm。

斜井原设计支护参数为：4.5m长φ42导管超前注浆，4m长φ25自进式锚杆，HW200×200@50cm钢拱架，32cm厚C25喷射混凝土，60cm厚C30钢筋混凝土二次衬砌。

结合国内外工程经验和本工程实际施工效果，可知刚性支护体系对极高地应力软岩隧道大变形控制的适用性仍存在一定问题，刚性支护体系的支护结构因未充分发挥岩体自承能力，往往无法承担过大的地应力，从而引起结构破裂、失稳和返修。

从大变形隧道实践经验和现场施工效果来看，参考常规软岩大变形隧道设计支护参数时(如加大开挖预留变形量、超前注浆导管加固围岩、加强初期支护喷射混凝土厚度和型钢刚度)，存在系统锚杆提供支护力速度偏慢，提供的锚固力、变形量与围岩压力及变形不匹配，结构不足以支撑斜井围岩开挖后的释放应力和地应力调整等。同时，炭质板岩快速风化导致施工组织困难，以人工开挖为主的施工方式对工艺控制不力，多台阶开挖方式产生的爆破扰动和超欠挖对围岩变形的影响较大，局部砂质板岩占比较大的区间可采用传统的支护方式，但对于局部薄层状炭质板岩占比较大的区间，因围岩条件限制，需通过拆换初期支护进行应力释放后重新施作加强的初期支护。

3 预应力锚索支护技术的应用

从国内外诸多软岩大变形隧道建设案例及煤矿巷道支护案例中可发现，采用长锚杆/锚索的柔性支护体系可加固围岩，有效控制围岩松弛圈，减小围岩压力，控制隧道变形。由于本工程原支护参数是基于常规软岩大变形隧道确定的，对变形控制不力，为此通过优化设计提出以高强预应力锚索为主的快速支护体系，通过内锚外拉及锚索主动支护提高围岩自身的承载能力，抵御隧道开挖后的岩性松弛应力和地应力，解决隧道软岩大变形问题。

3.1 预应力锚索支护参数

预留变形量30cm，取消φ42超前注浆小导管、环向φ25自进式中空注浆锚杆，替换为预应力锚索，长度分别为5，10m，纵向间距均为60cm。5m长预应力锚索环向间距为100cm，10m长预应力锚索环向间距为200cm，仅在拱顶至拱腰范围内布置。

采用HW200×200@60cm钢拱架、32cm厚C25喷射混凝土、60cm厚C30钢筋混凝土二次衬砌，取消原设计临时仰拱，改用三台阶法施工。上、中台阶长度适当增加，上台阶长度控制为5～8m，中台阶长度控制为15～20m。上、中、下台阶分次爆破，尽量采用预裂爆破和弱爆破，减小爆破振动对围岩和初期支护结构的影响。

3.2 预应力锚索支护体系数值分析

围岩重度为21.0kN/m3，弹性模量为0.45GPa，泊松比为0.40，黏聚力为150kPa，内摩擦角为25°，剪胀角为10°[23]。预应力锚索钢绞线等效直径为21.8mm，强度为1 860MPa，锚固段长1.5m，锚固体直径为50mm，注浆体与岩土间侧摩阻力为300kPa。

预应力锚索支护体系如图5所示，有限元模型如图6所示。衬砌采用2D板单元模拟，钢绞线采用锚杆单元模拟，锚固段注浆体采用内嵌梁单元模拟。岩土材料采用15节点三角形单元模拟，服从莫尔-库仑塑性屈服准则。由于隧道处于极高应力区，采用均匀的三向主应力模拟隧道初始应力场，模型平面内竖向主应力为7.3MPa，模型平面内水平主应力为11.6MPa，模型平面外主应力为25.1MPa。模型外边界距隧道轮廓线的距离大于3倍隧道跨度，底部约束竖向位移，两侧约束水平位移。模拟步骤为：建立模型、增加地应力→上台阶开挖及支护→中台阶开挖及支护→下台阶开挖及支护。

本工程地质条件极差，工期紧张，安装长锚索耗时相对较长，且对施工设备和操作人员的要求较高，因此开展仅安装短锚索的适用性研究。设置短锚索的围岩塑性区分布如图7所示，当隧道开挖完成后，围岩塑性区已超过短锚索长度范围，最大塑性区深度约10.5m，因此短锚索无法充分发挥锚固作用，支护体系存在失效风险。经充分对比研究，决定采用长锚索和短锚索共存的支护体系。

锚索预应力是锚索支护的关键参数，按预应力为50，220，250，280，310kN的工况研究锚索支护对隧道变形控制的影响。计算得到预应力为50，220，250，280，310kN的拱顶沉降分别为13.5，12.2，11.5，10.5，9.8cm，拱腰收敛分别为36.2，32.5，31.0，29.8，29.1cm。

以锚索预应力50kN为基准，锚索预应力为220，250，280，310kN时的拱顶沉降分别减少了9.6%，14.8%，22.2%，27.4%，拱腰收敛分别减少了10.2%，14.4%，17.7%，19.6%。随着锚索预应力的增加，拱顶沉降和拱腰收敛呈减小趋势，但减小幅度有所放缓。综合考虑预应力加固效果和施工成本，最终选择锚索预应力为280kN，对应的隧道塑性区如图8所示。由图8可知，锚索锚固段位于塑性区外，塑性区范围较好地说明了预应力锚索的支护效果。计算结果表明，采用长、短锚索结合的支护体系是合理、必要的。锚索在恢复围岩三向应力状态、提升或恢复围岩自承能力、分散周围不均布围岩荷载、控制高地应力挤压情况下围岩层间不均匀错动等方面具有较好的效果。短锚索可有效加固围岩，提高围岩抗剪能力，在隧道周边形成围岩承载环，保证隧道安全施工。拱部和拱腰的长锚索能够充分发挥锚固和悬吊作用，有效控制围岩变形。

4 隧道稳定性影响因素分析

一方面，软岩大变形隧道开挖后，隧道周边围岩迅速进入塑性状态，由于节理裂隙扩张，围岩发生剪胀，并随时间加剧。另一方面，预应力锚索长度对隧道结构安全和施工效率有着重要影响。为此，分析剪胀角和锚索长度对隧道稳定性的影响。

Hoek等基于大量工程经验，建议质量较好、质量中等及质量较差的岩体剪胀角可分别取岩体峰值摩擦角的1/4，1/8，0倍，而MC强度准则下剪胀角对塑性区的影响最大，为考察不同剪胀角对围岩变形范围的影响，计算时分别取剪胀角为0°，10°，20°。

当锚索长度为10m时，不同剪胀角下隧道拱顶上方围岩位移如图9所示。由图9可知，拱顶上方3m范围内围岩位移变化显著，随着距隧道拱顶距离的增加，围岩变形衰减加快，当距隧道拱顶10m时，不同剪胀角下的围岩位移已基本一致，说明超过此范围时围岩位移基本不受剪胀角影响。

隧道开挖临空面受剪胀角的影响最大，以锚索长度为10m的工况为例，当剪胀角为10°时，隧道拱顶沉降较不考虑剪胀时增加了43.3%；当剪胀角为20°时，隧道拱顶沉降较不考虑剪胀时增加了203.7%，说明剪胀对围岩变形的影响较大，软岩隧道考虑一定的剪胀性是符合工程实际的。

不同锚索长度下，剪胀角与拱顶沉降的关系如图10所示。由图10可知，当剪胀角<10°时，拱顶沉降小幅度增加，但当剪胀角>10°时，拱顶沉降大幅度增加。增加锚索长度能够显著降低隧道拱顶沉降，改善隧道围岩应力状态。

5 预应力锚索布置方式优化及实施效果

5.1 预应力锚索布置方式优化

原设计为长、短锚索交错布置，既能利用短锚索对围岩的加固作用，又能发挥长锚索有效控制围岩变形的能力。但实际施工过程中发现，每个循环进尺长、短锚索施工时工序转换繁琐，大大降低工效，增加施工安全风险。针对该问题，对锚索布置方式进行优化，如图11所示。锚索纵向间距、环向间距保持不变，沿隧道纵向交错布置长、短锚索，考虑仅布置长锚索时支护刚度较原设计方案小，因此将长锚索布置范围扩大至拱腰。

建立长、短锚索交错布置的三维模型，如图12所示，模型参数与前文一致，纵向长度取4m，锚索施加预应力为280kN，隧道开挖进尺为0.6m，开挖后衬砌位移云图如图13所示。

由图13可知，采用优化的预应力锚索布置方式时，隧道拱顶沉降约为9cm，拱腰收敛约为32cm，与优化前的结果相差较小，但显著提升了工效。

5.2 实施效果分析

采用长、短锚索纵向交错布置的优化方案，长锚索长度为10m，短锚索长度为5m，长、短锚索环向间距均为1m，纵向间距均为0.6m，锚索垫板下方设置槽钢，以增加锚索垫板压力作用范围。HW175×175钢架纵向间距1m，喷射25cm厚C25早强混凝土，施作50cm厚C30钢筋混凝土二次衬砌。采用台阶法开挖，上台阶高度6.4m。

锚索施工后，变形控制效果明显，与类似围岩隧道段相比，变形量明显下降，隧道轮廓基本圆顺，变形相对均匀，如图14所示。

考虑层状围岩的不均一性和地质条件的复杂性，受支护时机等因素影响，实测变形与理论计算结果存在较大差异，但从总体趋势和作用来看，锚索对大变形起到较好的控制作用。

6 结语

本文提出适用于渭武高速公路木寨岭隧道基于主动支护的极高地应力薄层软岩隧道支护设计方案，并通过数值模拟研究其加固效果，得出以下结论。

1)采用以锚索为主的柔性支护，既能加固岩体，提高围岩抗剪强度，又能较强地适应变形能力，是较合理的支护方式，值得在类似工程中推广应用，对提高软岩大变形隧道施工质量和安全水平具有一定意义。

2)层状软弱围岩在极高地应力作用下，剪胀对岩体变形的影响较大，软岩隧道考虑一定的剪胀性是符合工程实际的。

3)长、短锚索按环向和纵向交错布置时的变形控制效果相当，当长、短锚索按环向间距1m、纵向间距0.6m交错布置时，施工工序较单一，单次开挖时无须进行锚索成孔设备转换，工效高。

4)计算结果表明，设置锚索可有效控制围岩变形。