挤压性软岩大变形隧道长短锚杆复合群锚技术

周跃峰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

随着我国交通运输业的不断发展，隧道修建在交通线路中变得越来越关键，隧道修建的安全问题也越来越受到人们的重视。由于地形的复杂多变，在隧道施工中常常会遇到很多难题，其中就包括了由于高地应力引起的软岩大变形，如果不及时采取相应措施，则有可能会造成隧道变形坍塌等现象。

基于“先放后抗”和“先抗后放”的变形控制理念[1-2]，目前我国针对大变形问题的解决方案主要有3种，即及时强支护(常规支护)、分层支护和让压支护[3-12]，国内学者薛勇、屈卫鹏等[13]通过研究试验发现采用台阶法开挖并辅助其它工法进行超前支护和加固可以较好地控制隧道的变形，徐国文、何川等[14]还明确指出在围岩条件很差的情况下，三台阶法能最有效控制隧道大变形。在国外则普遍采用新意法来进行处理，比如瑞士的圣哥达基线特长隧道[15]。在兰州木寨岭高速公路隧道的施工中，孙钧等[16]提出了“边支边让、大尺度让压锚杆”的施工方法，采用让压锚杆来改善隧道围岩挤压型大变形。除此之外，锚杆的应用可以主动向岩体提供约束和加固[17-21]，进而有效控制隧道大变形，并且许多研究表明长锚杆能更有效控制围岩的变形[22]，还能更充分地发挥围岩的自承能力和达到支护结构的效果；但是其它更多有效合理的技术还有待研究人员们继续深入探究。

本文结合之前的各种研究，主要针对复合群锚在控制隧道大变形中所能发挥的作用进行了详细的研究，采用了现场试验和模拟计算的方法，提出了以长短锚杆为核心的“主动控制”技术，为隧道设计施工提供了科学依据。

1 工程概况

成兰铁路成都至川主寺(黄胜关)段共有隧道17座，其中7座隧道分修，10 km以上特长隧道7座, 最长隧道平安隧道(分修)，长28 426 m，最长合修隧道云屯堡隧道，长22 923 m。

成兰线呈现出典型 ‘四极、三高、五复杂’的特征(即地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著；高地壳应力、高地震烈度和高地质灾害危险；复杂的地质构造、复杂的岩性、难以预测的地应力环境、复杂的地下水条件、复杂的构造)。受复杂多变的高地应力影响下，隧道总长70%的板岩、炭质板岩、片岩、千枚岩等软岩发生大变形，是成兰线的突出问题。

为解决成兰铁路隧道存在的软岩大变形问题，课题组选择了茂县隧道作为集中攻关的试验隧道。茂县隧道全长9 913 m，进口合修，洞身至出口分修，最大埋深约1 646 m，隧道纵坡为单面上坡。受龙门山后山断裂影响，洞身发育2断层(其中1活动断裂)、1向斜、3背斜。本隧辅助坑道模式采用“2斜井+3平导”方案，隧道位置及地形地貌如图1所示，隧道地质纵剖面图如图2所示，其中1号斜井通过茂汶活动断裂地段，1号斜井XJ1K0+628～XJ1K0+042段隧洞断面如图3所示。

图1 茂县隧道地形地貌示意图

图2 茂县隧道地质剖面示意图

图3 1号斜井工区XJ1K0+628～XJ1K0+042段隧洞断面示意图

茂汶活动断裂(龙门山后山断裂)：是一条北东向的压扭性大断裂。断层走向N40°E，倾向NW，倾角70°～80°，与线路交于里程D8K127+450～D8K128+100段附近，呈75°相交。破碎带宽度50～150 m，局部达200 m。据《新建成都至兰州铁路重要桥梁工程场地地震安全性评价报告》(2011年8月)对活动断裂的分析，该断层为Q3～Q4活动。断层上盘(NW盘)为奥陶系(O)灰岩、大理岩，地层产状N52°E/76°NW，下盘(SE盘)为志留系茂县群第5组(Smx5)绢云千枚岩夹灰岩、砂岩，地层产状为N56°E/71°NW。该断裂为后龙门山断裂的一条主干断裂，全长约120 km，具有全新世活动的地质地貌证据，晚第四纪以来表现为逆冲右旋运动性质，平均水平滑动速率为1.0±0.1 mm/a，平均垂直滑动速率为1.0±0.1 mm/a，合成平均滑动速率为1.4±0.1 mm/a。有史料记载以来，该断裂1657年发生过汶川的61/2级地震及多次5级左右中强地震，小震也沿断裂密集成带分布。茂县隧道的埋深大，最大埋深约为1 650 m。

该地区构造地应力较高，区域应力场较高。最大主应力方向为N68～82°W，优势方向为N75°W，最大水平主应力方向与茂县隧道线路走向夹角大约为18°，根据测孔附近最大、最小水平主应力值进行回归计算，公式为SH=0.028H-0.75；Sh=0.022H-1.24；SV=0.026H(SH、Sh、SV分别为最大、最小水平主应力和垂直应力，单位MPa，H为深度，单位为m)。在埋深500～1 650 m的范围内，最大主应力的值约为：14～34.81 MPa;最小主应力的值为：10～26.7 MPa;垂直应力的值为13～33.02 MPa。

2 复合群锚的作用机理

注浆锚杆加固隧道后，围岩强度会显著提高，围岩塑性区将向深部转移，应力峰值也随之向深部转移；当隧道进一步施作初支喷层支护后，可使围岩应力峰值进一步向深部转移，且峰值也随之提高，降低传递到隧道喷层结构上的外部应力。因此，注浆锚杆施作后可主动有效减少喷层的洞壁支护阻力，增加承载区的厚度和强度，是减少隧道大变形的有效措施。然而由于软岩大变形的塑性区范围较大，施工中需要通过快速施作长锚杆来实现。但施工现场受到工序、工艺、作业空间的限制，长锚杆施作难度大，作业时间长，往往不能及时施作，造成支护成环前初期变形非常大，起不到控制变形的良好效果。

为解决这个矛盾，成兰线推出复合群锚的概念，把不同长短、不同材质、不同功能的锚杆根据现场需要分批施作。开挖初期施作能够快凝的短锚杆，以便控制开挖初期变形，减少松动圈的发展；初支喷层成环后施作长锚杆，用以加固围岩，初支和围岩共同作用，加大承载区厚度。

3 现场试验

3.1 试验段选择

试验段选择在茂县隧道1号斜井通过茂汶活动断裂带的XJ1K0+208～+260段，共52 m，该段与正线平行，水平距离30 m，较正洞高20～25 m，该段采用辅洞正做，由于地质条件和正洞基本一致，因此对正线工程的指导意义非常显著。

3.2 数值模拟分析

采用地层-结构模型对隧道开挖过程进行数值模拟，并对锚杆支护体系进行分析。数值计算模型的建模原则按圣维南原则进行考虑，计算模型在隧道横断面左右边界考虑10倍的隧道开挖洞径。其数值计算模型分别如图4所示。

图4 试验段计算模型

通过对拱顶、拱脚、边墙、仰拱等关键节点的计算值对比分析得出最优锚杆长度。3种对比模型如表1。

表1 计算工况

通过计算可以得到不同锚杆的轴力分布，具体情况如图5所示。

由图5可以看出边墙处的锚杆轴力明显大于拱顶和拱肩处的锚杆轴力，锚杆轴力随着深度的增加而减小，通过对3种工况锚杆轴力的分析，3+6 m长短结合锚杆的轴力最大；3+10长短结合锚杆的轴力次之；3+8长短结合锚杆的轴力最小。

3.3 试验方案

辅洞正做段落为XJ1K0+208～+260共52 m，现场确定分4段对工程措施进行对比，具体分段情况见表2。

图5 锚杆轴力对比曲线

表2 试验段工程措施情况

现场埋设测试断面，对净空收敛、拱顶下沉、围岩接触压力、钢架应力、喷砼应力和锚杆轴力进行测试，断面埋设方案如图6。

4 现场测试数据分析

4.1 洞周位移监控量测

不同支护措施工况的拱顶沉降和周边收敛的时程曲线见图7—图10。

对图7—图10中最大变形值进行整理可以进一步得到如表3所示。

表3 不同支护措施工况下的拱顶位移和周边收敛最大值

图6 测试元件埋设方案

图7 格栅+型钢钢架+长锚杆支护段洞周位移时程曲线(XJ1K0+255)

图8 双层工20b型钢钢架+长自进式锚杆支护段洞周位移时程曲线(XJ1K0+245)

图9 H型钢钢架+长自进式锚杆支护段洞周位移时程曲线(XJ1K0+225)

图10 H型钢钢架+长短锚杆组合(树脂短锚杆+长自进式锚杆)支护段洞周位移时程曲线(XJ1K0+215)

从以上不同支护参数的变形数据可发现：

1)锚杆施作有效地抑制了围岩变形，特别是初支初期变形后锚杆开始受力，累积变形量曲线的增加趋势从陡变得明显平缓，说明锚杆很有效地减缓了变形速率。

2)工况1、工况2和工况3采用了不同形式的钢架支护体系，对比发现工况2采用的双层工20b型钢钢架效果最不理想，拱顶、S1和S2处的初期变形速率和最大变形量均明显大于另外2种工况条件；工况3采用的H型钢钢架+长自进式锚杆的支护体系则最优，相比于工况2，工况3最大变形量在拱顶处下降最明显，下降了48%左右。

3)相比于工况3只使用长锚杆，工况4在工况3的基础上结合使用了短锚杆，从图9和图10中可以看出在长短锚杆组合使用的情况下，A(拱顶)的初期变形速率明显变缓，只使用长锚杆时，拱顶变形量在最初几十天内增加了大约200 mm。然而，在结合使用了短锚杆以后，拱顶变形量在最初的几十天内仅仅增加了10～20 mm，说明短锚杆施作最大程度地控制了拱顶初期变形。

4)对比工况3和工况4的全断面最大变形量，工况4的4个变形监测点位的最大变形量相比于工况3均有下降，在拱顶处由395 mm降至150 mm;S1处由398 mm降至320 mm;S2处由535 mm降至490 mm;S3处由320 mm降至150 mm。其中拱顶最大变形量下降最为明显，降低了62%左右，充分说明了长短锚杆结合能有效控制全断面的变形，优于前3个工况。

4.2 围岩接触压力情况对比分析

各支护参数段的初支与围岩的接触压力随时间变化的曲线和围岩压力分布图如图11—图14所示。

图11 XJ1K0+253(格栅+工20b双层支护)围岩接触压力

图12 XJ1K0+238(双层工20b型钢钢架+长自进式锚杆支护)围岩接触压力

图13 XJ1K0+226(H型钢钢架+长自进式锚杆支护)围岩接触压力

图14 XJ1K0+214(H型钢钢架+长短锚杆组合(树脂短锚杆+长自进式锚杆)支护)围岩接触压力

对图11—图14中最大接触压力值进行整理可以进一步得到表4结果。

表4 围岩一支接触压力最大值表

如图14所示，工况4的接触压力在观测期后期出现了先升高后降低直至趋向稳定的情况。

对以上数据进行对比分析，可得出如下结论：

1)首先从各个工况的围岩一支接触压力随时间的变化曲线可以看出，工况1和工况2的条件下，需要施做二支或者二支成环过后，曲线的增长速率才开始明显降低，而工况3和工况4的条件下，只需要初支成环以后曲线就开始变得平缓，说明工况1和工况2支护体系的前期支护效果欠佳，不能及时抑制围岩压力的增加。

2)各工况条件下围岩一支接触压力的最大值都出现在拱顶或者拱腰、拱墙处，拱脚和仰拱处的接触压力明显偏小。其中工况1在拱顶1TY1处接触压力最大，达到了3.17 MPa，在拱腰1TY3和拱墙两侧值相对工况4较大；工况2的拱腰两侧接触压力均较大，最大达到了6.92 MPa，在拱顶处接触压力值相对工况4较大；工况3在拱顶1TY1处接触压力最大，达到了7.45 MPa，在拱腰两侧和拱墙两侧相对工况4都较大；工况4在拱腰1TY2处出现接触压力最大值，最大达到了3.25 MPa，工况4在整体的接触压力上明显小于其余各工况，而且工况4在后期观测中，拱腰1TY2处接触压力由峰值3.25 MPa降至1.92 MPa，拱脚1TY7处接触压力由峰值2.38 MPa降至1.50 MPa，最终各处的围岩一支接触压力分布均匀并且都较小。通过上述对比分析，说明工况4中长短锚杆结合使用的效果能最大限度加固围岩，充分发挥了群锚加固后围岩的自承能力并减小了围岩压力。

5 结 论

长短复合群锚支护体系明显优于常规锚固体系及完全增加初支刚度的支护体系，并在成兰线跃龙门、杨家坪、云屯堡等隧道中得到了推广应用，取得了较好的效果。通过实验和应用，有如下结论：

1)在高地应力引起的软岩大变形隧道中使用锚杆，明显降低了洞周位移变形速率和最终变形值，表明锚杆可以有效提高围岩自承能力，抑制围岩变形，并使作用在一支上的围岩压力减小。

2)根据针3 m+6 m、3 m+8 m和3 m+10 m长短结合锚杆数值模拟的结果显示，使用3 m+8 m的长短复合群锚时，锚杆轴力最小。

3)结合现场试验的监测数据，与加强钢架支护体系相比，长短复合群锚的支护效果更佳。长短复合群锚能更有效地控制洞周的变形，使洞周各测点的变形值更小，围岩一支的接触压力更小且压力分布也更均匀。长短锚杆的结合充分发挥了各自的优势，既不会因为锚杆过长造成不经济也不会因为锚杆过短而达不到应有的工程治理效果。

当然，隧道施工设计中应根据不同的围岩特性、不同的功能要求以及施工条件等因素设置不同种类的锚固系统，以满足工程需求。锚杆设计与发展的方向是有针对性的解决隧道施工中各类问题，特别是大变形隧道的设计中需要把握好时机并且满足功能需求，合理地确定锚杆类型，才可以充分发挥锚杆的作用。