预应力锚索在高地应力软岩隧道的控变应用效果分析

张银金， 秦 峰

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司， 重庆 400067)

随着我国西部大开发的持续深入发展，交通基建向西部高原高海拔地区延伸，隧道工程占比及建设难度不断刷新公路建设史，尤其在青藏高原修筑隧道，高地应力及软弱围岩段大变形是绕不开的不良地质问题，施工期间如何有效控制围岩大变形，且又能安全建成通车运营，是工程界的一大难题。

正在建设的渭武高速木寨岭公路隧道，线位在兰渝铁路木寨岭隧道上方，平面距离约900 m～1 200 m、高差约60 m～100 m。兰渝铁路木寨岭隧道，开挖断面面积90 m2～105 m2，隧道全长19.25 km，穿越软岩段总长约16.1 km，在隧道中间岭脊核心段出现最大变形量，高达4 500 mm，共进行了约6 km段落反复拆换，工期历时9年多才建成通车。该铁路隧道施工中遇到的最主要的工程地质问题是高地应力及软岩大变形[1-2]，其中围岩竖向应力、横向应力都较大，特别是断层带内横向应力显著增大[3]，在高地应力下炭质板岩流变特性突出[4]。

针对软岩大变形隧道，陈子全、王胜国、李佳琪等[5-7]对施工变形及分级进行了研究，对隧道施工大变形进行了预测，提出了高地应力软岩隧道的分级指标、分级标准及施工控制措施建议；田洪铭等[8]提出了U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护方式；祁贤[9]提出了用双排锁脚锚管进行控制变形；邹种等[10]提出了超前大钻孔、超前导洞应力控制等法。这些方法和措施虽取得了一定效果，但未从根本上解决软岩隧道的整体大变形问题。何满潮等[11-13]研发了具有负泊松比效应的NPR(Negative Poisson′s Ratio)恒阻锚索，在煤炭巷道支护中的控变效果较好，但对高地应力下软弱围岩的公路隧道，控变效果如何有待验证。

目前软岩大变形隧道主要有3种支护方式：柔性支护、刚性支护及刚柔并济支护。柔性支护采用新奥法原理，通过锚喷及钢架支护法，找到合理的支护参数；刚性支护采用刚性强支护，隧道开挖后即施作预应力锚索、或采用多层钢架、或采用高强度大体积混凝土结构等方式对隧道围岩施以高刚度或高强度支护压力，以抵抗或阻止围岩变形；刚柔并济支护采用柔性支护与刚性支护相结合的综合方法，坚持“以抗为主，抗放结合”，力求产生一个合理的塑性圈，既允许围岩适度变形，又有控制地释放围岩变形能，以保证围岩应力不致快速下降及过快变形、减小松动圈，如NPR恒阻预应力锚索。

这3种抗变支护思路在渭武高速木寨岭公路隧道中均有运用，本文以监控量测数据为依据，对这3种支护方式的控变实效进行统计对比分析。

1 木寨岭公路隧道

渭武高速公路线路走向与国道G212线基本一致，木寨岭公路隧道采用分离式设计，双向4车道，隧道净宽10.25 m、净高5.0 m，开挖断面面积为104 m2～149.3 m2，洞身最大埋深约629.1 m，其中左洞(ZK210+635～ZK225+861)长15.226 km、右洞(YK210+635～YK225+803)长15.168 km。隧道设置了3座斜井(其中2号斜井桩号为XK0+000～XK1+813)，既是隧道施工期间运输通道，又是后期运营通风通道。斜井断面型式与主洞相近，内轮廓净宽相同，净高斜井为7.61 m、主洞为7.22 m，斜井高跨比较主洞略大。

该隧道穿越漳河与洮河的分水岭木寨岭，隧道的最高海拔为3 872 m，围岩主要为前第四系、二叠系下统黑灰色、薄层状炭质板岩，泥质变余结构，有微膨胀性；二叠系下统褐红色-灰黑色、薄层状砂岩与炭质板岩互层或夹层，细粒结构；石炭系下统断层压碎岩，原岩为炭质板岩、灰岩或砂岩，岩体胶结差或无胶结，呈碎裂状松散结构。隧道主洞及斜井的设计围岩级别均为Ⅴ级。

该隧道位于秦岭-昆仑纬向构造体系，褶皱、断层发育，地质构造极为复杂，隧址区有3个背斜与3个向斜构造，12条断层破碎带。隧址区属高应力区，最大主应力值12.14 MPa～18.76 MPa，最小主应力值为7.34 MPa～11.61 MPa。

施工期间该公路隧道主洞及斜井在施工过程中多次发生钢架扭曲折叠、喷射混凝土开裂剥落、初支严重侵线等现象，如图1所示。采用新奥法锚喷钢架支护的段落，钢拱架拆换率高达26%以上，被院士专家组定性为“木寨岭公路隧道为高地应力软岩大变形隧道，工程难度极大”。

(a) 炭质板岩

(b) 砂岩与炭质板岩互层

(c) 断层压碎岩图1 木寨岭隧道掌子面围岩照片Fig.1 Surrounding rock photos of Muzhailing tunnel

地下水分为基岩裂隙水、岩溶水和第四系松散岩类孔隙水3大类，其中以基岩裂隙水存在为主。总体来说，深部岩层相对较为完整，地层渗透性变差，地下水富水性相对较差。

2 支护方案

木寨岭公路隧道先后采用了新奥法锚喷钢架、NPR恒阻锚索、预应力锚索等3种支护方案。

2.1 原设计支护方案(新奥法锚喷钢架支护)

采用新奥法理念对木寨岭隧道进行支护：超前支护 + 喷射混凝土 + 系统锚杆 + 钢拱架。

2.2 NPR恒阻锚索支护方案

负泊松比材料或结构NPR(Negative Poisson′s Ratio)在受到单轴拉伸时会发生侧向膨胀，在抗冲击、抗剪切及吸收能量等许多方面比正泊松比材料具有更优的性能，NPR恒阻锚索嵌入工程岩体后，将改变其原有的复杂本构关系为理想弹塑性的简单本构关系[12]。

1) 支护形式

NPR锚网索喷 + W型钢带 + 钢拱架。NPR恒阻锚索支护原理见图2(a)。

单位：mm(a) NPR恒阻锚索支护原理

(b) NPR主要部件图2 NPR恒阻锚索支护原理及主要部件Fig.2 Support priciple of NPR constant resistance anchor cable and main components

2) 支护材料及参数

NPR恒阻锚索支护材料主要有预应力锚索、恒阻器、托盘、W型钢带、高强度柔性网、锚固剂等，见图2(b)。具体参数见表1，支护断面见图3。

表1 木寨岭隧道NPR恒阻锚索支护设计参数Table 1 NPR constant resistance anchor cable support design parameters of Muzhailing tunnel

单位：mm图3 NPR支护断面Fig.3 Support section of NPR

2.3 预应力锚索支护方案

除无恒阻器外，其它与NPR恒阻锚索支护方案相同。

3 预应力(或NPR恒阻)锚索支护的隧道施工工序及工艺流程

通常情况下，采用上下台阶法施工的隧道，采取预应力/NPR锚索支护的隧道施工工序见图4(a)。

图4 隧道施工工序与锚索施工工艺流程Fig.4 Tunnel construction process and anchor cable construction process

对于上台阶开挖，NPR恒阻锚索施工每循环用时约为2.0 h～2.5 h，流程见图4(b)，预应力锚索施工每循环用时约为1.5 h～2.0 h，流程见图4(c)。预应力锚索相较于NPR恒阻锚索，减少了扩孔及恒阻器安装2道工序，因此少耗时约0.5 h。

4 不同支护方式的控变效果对比分析

渭武高速木寨岭公路隧道自开工以来，由于隧道开挖后变形很大，施工现场先后采用了新奥法锚喷钢架、NPR恒阻锚索、预应力锚索3种方式进行支护；施工过程中，第三方监测单位开展了大量的监控量测工作，采集了大量的监测数据，现根据对不同支护方案的监测情况进行对比分析，为找到更加适宜该隧道的支护方案提供支持。

4.1 不同支护方式下隧道支护状态观察

1) 锚喷钢架支护段

施作于2号斜井XK0+000～XK1+740段，施工长度1 740 m，初期支护出现了大变形情况：(1) 钢架折叠、扭曲、搓断，拱顶、拱腰及边墙均有不同程度变形，上中台阶接茬处错开；(2) 喷混凝土大面积剥落、掉块、开裂；(3) 初支断面挤出、严重侵限，见图5。

(a) 拱腰钢架折叠

(b) 上中台阶钢架接茬处错开

(c) 断面挤出图5 锚喷钢架支护段的初支变形Fig.5 Deformation of initial support of spray anchor steel frame support section

2) NPR恒阻锚索支护段

施作于2号斜井XK1+740～XK1+813.43(73.43 m)、主洞YK218+150～YK218+194(44 m)、YK218+369.2～YK218+635(265.8 m)、ZK218+352～ZK218+412段(60 m)，共443.23 m，初期支护变形基本正常：(1) 钢架受力正常，无扭曲、折叠现象，上中台阶接茬处无错开现象；(2) 喷射混凝土局部小面积剥落、掉块现象，初支表面局部环向开裂；(3) 初支断面轮廓较为圆顺，未见挤出或侵限等异常现象，见图6。

图6 预应力/NPR恒阻锚索支护段的初支变形Fig.6 Initial support deformation of prestressed/NPR constant resistance anchor cable support section

3) 预应力锚索支护段

施作于主洞YK216+655～YK218+150(1 495 m)、YK218+194～YK218+369.2(175.2 m)、YK218+635～YK219+942(1 307 m)、ZK216+751～ZK218+352(1 601 m)、ZK218+412～ZK219+856段(1 444 m)，共6 022.2 m。初期支护变形基本正常，控变效果比NPR恒阻锚索支护段略好。

综上所述，无论是斜井还是主洞，预应力锚索(或NPR恒阻锚索)施作段的初支变形都呈明显改善趋势，表明预应力锚索(或NPR恒阻锚索)支护在控制木寨岭公路隧道围岩变形方面，取得了较好效果。但是，从施工实际效果来看，NPR恒阻器安装后极少发生恒阻行程，表明恒阻器柔性支护效果不明显，需进一步改善；另外，由于预应力锚索比NPR恒阻锚索省去了扩孔及恒阻器安装时间(也是隧道开挖之初、围岩极易变形的阶段)，因此预应力锚索能更快成环受力、更早控制围岩开挖之初的快速变形和松弛范围，因而能实现更好的控变效果。

4.2 不同支护方式下隧道变形监测分析

隧道开挖后，针对不同的支护方式，在隧道拱顶和拱腰均进行了密集的位移监测，结果见表2，隧道典型监测断面的变形极值对比见图7。

表2 3种支护方式段落监控量测及拆换拱情况统计Table 2 Monitoring measurement and steel frame removal and replacement statistics of three different support methods

图7 不同支护方式段落典型断面监测数据极值对比Fig.7 Extreme values comparison of typical section monitoring data of different support types

由表2、图7可以看出：1) 相对于锚喷钢架支护段，NPR恒阻锚索支护段的拱顶下沉下降了50.6%，周边收敛下降了48.1%，控变效果显著提高；2) 相对于锚喷钢架支护段，预应力锚索支护段的拱顶下沉下降了62.5%，周边收敛下降了49.5%，控变效果显著提高；3) 预应力锚索与NPR恒阻锚索两者的支护效果相近，相对于NPR恒阻锚索，预应力锚索由于减少了恒阻器扩孔及安装时间，因而能更快地控制围岩变形，实际控变效果略好。

另外，3种支护方式的隧道洞段均出现了拆换拱情况。由表2的拆换拱数据可以看出，相对于采用锚喷钢架支护方式，预应力锚索支护或NPR恒阻锚索支护的隧道换拱率大幅下降，控变效果更好。这也与兰渝铁路木寨岭隧道在高地应力、软岩地质条件下，采用常规的锚喷钢架(柔性)及多层钢架(刚性)支护均难以满足工程实际支护要求[14]的实践结果相吻合。

4.3 不同支护方式的隧道施工效果比较

木寨岭公路隧道开工建设5年来，主要采用了3种支护方案，各方案除了锚杆(索)施工工艺不同外，其它工艺环节相同，但施工进度及效果却大为不同，结果见表3。

表3 3种不同支护方式施工效果比较Table 3 Construction effects comparison of three different support methods

5 结论与建议

1) 预应力锚索支护或NPR恒阻锚索支护，对控制高地应力软岩隧道开挖后的围岩变形，相较于锚喷钢架支护，控变效果显著提高。

2) 预应力锚索支护与NPR恒阻锚索支护，对高地应力软岩隧道的控变效果较为接近，隧道拱顶下沉及周边位移变形最大值控制在450 mm以内。

3) 根据预应力锚索支护的良好应用效果，建议在高地应力软岩隧道或其它类似大变形隧道采用预应力锚索支护，更利于围岩及支护结构稳定，还可减少后期因变形大而发生的二次换拱率。