超大跨度隧道预应力锚杆—锚索协同支护机理

2020-10-17

中国铁道科学 2020年5期

（北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044）

近年来我国高速铁路快速发展，一些多线（3线及以上）铁路隧道或车站隧道的单跨开挖跨度越来越大，有的可达30 m 以上。超大跨度隧道在铁路中的应用开始愈发广泛，并成为铁路地下工程的1 个重要研究领域。对于超大跨度隧道，随着其开挖尺寸的增加，隧道围岩应力的演化过程愈发复杂，围岩变形的控制难度显著增大，在隧道建设过程中发生塌方等事故的风险不断上升，相应地，隧道支护设计也面临极大挑战。

大跨度隧道的支护设计及施工方法引起了国内外学者的广泛关注，已有诸多相关研究见诸发表。在国内，张顶立等［1］分析了大跨隧道不同开挖方法（台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法）及支护方式下围岩变形特点和结构稳定性；龚彦峰等［2］和洪军等［3］分析了新考塘隧道靴型大边墙、分层开挖及多重支护技术；蒋树屏等［4］通过相似模型试验，模拟了扁平大跨隧道的施工过程；曲海峰［5］研究了大跨隧道的荷载计算方法；章慧健等［6］和朱正国等［7］分析了乌蒙山2 号隧道的围岩松动区、支护特性及施工方法。在国外，Vančček等［8］分析了捷克Kobylisy车站隧道双侧壁导坑法设计及施工方案；Leblais 等［9］介绍了英法海峡隧道交叉口大跨段的建造方法；Sharifzadeh 等［10］基于位移反分析法，研究了伊朗Niayesh 大跨隧道设计方法；Sadaghiani 等［11］介绍了伊朗Mansour 车站隧道的建造方法；Robinson 等［12］分析了美国贝克山超大断面隧道（直径24.4 m）的地层—支护作用特性；Lunardi［13］和Park等［14］分别分析了意大利Venezia车站隧道和韩国923 车站隧道的大直径管幕支护设计及施工过程。然而，现有的大跨度隧道建造方法仍大量采用临时支护（中隔壁和临时仰拱等）来实现分布分块开挖，其施工空间较为狭窄，不利于大型机械设备的应用。此外，临时支护的拆除是1个复杂的力学转换过程，极易发生支护失效，进而引发大变形和坍塌等工程灾害。因此十分有必要研究提出更为合理的支护形式，实现开挖过程中的围岩稳定和支护可靠，为隧道结构的长期安全提供保障。

预应力锚杆—锚索协同支护是超大跨度隧道的1 种新的支护形式，早期主要应用于大断面煤矿巷道、地下水电站、地下体育场等大型地下空间的支护［15-17］，随着岩土锚固技术的不断进步，该方法开始应用于大跨度铁路隧道建设。本文以京张高铁八达岭长城站超大跨度隧道为工程案例，基于锚杆和锚索的轴力监测结果，研究预应力锚杆、锚索的力学行为，再结合微震监测结果，分析预应力锚杆—锚索协同支护机理，探索这种新型锚固支护技术在超大跨度高铁隧道领域的应用可行性，以期为今后类似工程建设提供借鉴与参考。

1 超大跨度隧道预应力锚杆—锚索轴力监测

1.1 工程概况

京张高铁八达岭长城站的车站主体位于八达岭长城下方山体中，最大埋深102 m，主体部分为3洞小净距隧道；两端为单拱超大跨度隧道，此处由正线处的2 线铁路逐渐过渡为车站处的4 线铁路，最大开挖跨度32.7 m，开挖面积494 m2；小净距隧道与单拱超大跨度隧道之间由3 连拱隧道连接。车站平面及张家口方向的超大跨度隧道断面形式如图1所示。

张家口方向超大跨度隧道岩体主要为燕山晚期侵入岩，如花岗岩、细粒花岗岩、伟晶花岗岩，斑状二长花岗岩等；并发育有F2 断层，该断层与洞身相交于DK68+260—DK68+300（见图1），与线路相交角35°，断裂产状为236°∠80°，为一压扭性断裂，上盘为花岗岩，下盘为斑状二长花岗岩，断层带内为压碎岩，该区域岩体破碎，围岩稳定性差，受断层影响，超大跨度隧道5号断面和连拱隧道局部区域的围岩等级为Ⅴ级（张家口方向1号—5号断面的围岩分级依次为Ⅲ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅳ，Ⅴ）。

图1 车站平面及张家口方向的超大跨度隧道断面图（单位：m）

为实现京张高铁八达岭长城站的超大跨度隧道安全建设，探索应用预应力锚杆—锚索协同支护方法，调动围岩自身承载能力来支护隧道荷载。预应力锚杆、锚索均采用先张法施工，其结构如图2所示，主要由锚头、自由段、锚固段3部分组成。张家口方向大跨段各断面处的锚杆、锚索支护参数见表1。

预应力锚杆为中空钢管，直径32 mm、壁厚6 mm，设计强度205 kN，预应力120 kN。最大开挖跨度处的锚杆长度达11 m。锚杆施工分为3步：①钻孔并装入锚杆杆体，使用水泥锚固剂对锚固段进行锚固；②在锚固段达到设计强度后，使用千斤顶对自由段进行张拉以施加预应力，通过锚垫板和螺栓对预应力进行锁定；③对自由段进行注浆，注浆压力为1～1.5 MPa，实现锚杆与围岩的全长黏结。

图2 预应力锚杆、锚索构造

表1 预应力锚杆、锚索长度

锚索索体由7 束或5 束直径为15.2 mm 的钢绞线组成，设计强度分别为1 000，700 kN，锚索预应力是其设计强度的70%，分别为700，490 kN。最大开挖跨度处的锚索长度达25 m。锚索施工也分为3步进行，但与锚杆略有不同：①钻孔并装入锚索索体及注浆管，对自由段进行注浆，注浆压力为1～2 MPa；②使用硫铝酸盐水泥浆对锚固段进行高压注浆，注浆压力为4～7 MPa，硫铝酸盐水泥早期强度高，3 d 即可达到设计锚固强度，可实现锚索的及时张拉；③锚固段达到设计强度后，安装锚垫板，对自由段进行分级张拉以施加预应力，使用楔形锚头进行预应力锁定。施工中，注浆的作用在于充填钻孔、挤密围岩并防止锚索发生应力腐蚀，注浆后锚索自由段处于非黏结状态。

具体作业时，将超大跨度隧道划分为4 台阶、11 步进行开挖，其开挖顺序及锚杆—锚索协同支护结构布置如图3所示。每步开挖后及时施作初期支护，并安设预应力锚杆和预应力锚索锚固围岩。

图3 超大跨度隧道开挖顺序及锚杆—锚索协同支护结构（单位：m）

1.2 监测方案

该超大跨度隧道与F2断层相交于最大跨度（5号）断面，兼具破碎岩体（Ⅴ级围岩）和超大跨度（32.7 m）这2 种特征，因此5 号断面的开挖成为超大跨度隧道的建设难点。出于控制围岩变形、确保围岩稳定等考虑，该区域设置的锚杆、锚索长度最长，锚索支护密度相应增加。为了研究开挖过程中预应力锚杆及预应力锚索的力学行为，在施工阶段对隧道5号断面锚杆、锚索的轴力进行监测，测点布置如图4所示，监测断面里程为DK68+297。

预应力锚杆自由段通过注浆体与围岩相黏结，在锚杆与围岩的协调变形过程中，其自由段各点处轴力出现不同程度的变化，故采用自由段多点轴力监测、端部轴力监测2种形式观察锚杆轴力变化。

预应力锚索自由段的钢绞线外设有套管保护，锚索自由段不与围岩黏结，在锚索与围岩的协调变形过程中，其自由段不同位置处的轴力始终保持一致，故采用端部轴力监测的形式观察锚索轴力变化。

图4 预应力锚杆、锚索轴力监测点布置

1）预应力锚杆自由段多点轴力监测方案

对拱顶和左右拱腰处的锚杆进行自由段多点轴力监测，可以详尽地反映锚杆支护力沿轴向的变化规律，有利于揭示预应力锚杆的力学行为。7 个测点沿自由段顺次分布，间距分别为1.4，1.3，1.3，1.3，1.3，1.4 m，如图5所示。所用传感器为振弦式钢筋计，监测锚杆的安装经由锚杆段切割、锚杆段与传感器连接、组装监测锚杆并放入钻孔、锚杆张拉及注浆4步完成。

图5 预应力锚杆自由段测点布置（单位：m）

2）预应力锚杆端部轴力监测方案

对拱脚和边墙处锚杆采用端部轴力监测方法，是出于以下2 点考虑：其一，多点轴力监测锚杆安装过程复杂，传感器监测导线与钻孔岩壁的摩擦可能导致线路损坏，特别是当钻孔倾角较小时（拱脚及边墙处），在安装过程中会出现导线磨损导致多个传感器失效的情况；其二，拱部锚杆监测结果表明，锚杆端部的轴力与自由段上其他点处的相近，具有一定代表性。因此拱腰及边墙处的锚杆采用端部轴力监测方式，以提高传感器的安装效率和仪器存活率。

监测使用的振弦式锚杆测力计安装形式如图6所示。在施加预应力之前，将其套装在锚杆端部即可。测力计两端各有1个垫板，锚杆预应力通过垫板均匀地传递到传感器上。与多点轴力监测方法相比，端部监测方法安装操作简便，可在超大跨度隧道锚杆轴力监测中大量应用。

图6 端部锚杆测力计及其示意图

3）预应力锚索端部轴力监测方案

对锚索仅需测其端部轴力，这是因为锚索自由段的钢绞线表面有套管保护，注浆后，锚索自由段与注浆体、围岩处于非黏结状态，其轴力沿自由段不发生变化。

监测使用的振弦式锚索测力计安装形式如图7所示。在锚索张拉阶段，需对测力计进行安装，且其安装要求比较严格，锚垫板、上下垫板、锚索测力计、锚具、张拉千斤顶等均应与锚索孔同轴，以避免出现偏心荷载。

图7 锚索测力计及其示意图

2 预应力锚杆—锚索力学行为

超大跨度隧道的开挖过程较为复杂，数据分析困难较大。为了简化分析，基于各开挖步在时间和空间上的分布，将超大跨度隧道的施工过程划分为5 个阶段，分别是：①导洞开挖；②上台阶开挖；③中台阶开挖；④下台阶开挖；⑤仰拱开挖及二衬施做。各阶段划分如图8所示。在各施工阶段划分基础上，对预应力锚杆、锚索的力学行为进行分析。

图8 超大跨度隧道开挖阶段划分

2.1 预应力锚杆自由段多点轴力监测结果

隧道拱顶和左、右拱肩处的锚杆轴力监测结果如图9和图10所示，图中Fp1为锚杆初始预应力，锚杆轴向坐标原点定义为锚垫板处，锚杆测点位置以轴向坐标计算，具体分析如下。

图9 锚杆多点轴力监测

图10 锚杆自由段轴力分布（单位：kN）

1）隧道拱顶锚杆轴力

对于拱顶处锚杆，在安装后5～10 d 表现为较为典型的预应力损失状态，但其自由段各点处的预应力损失比例不同；3 个月后，锚杆轴力已基本趋于稳定，然而当上台阶左、右侧围岩开挖后，由于拱顶处围岩受到扰动，锚杆轴力发生较大损失；此后，随着围岩变形的发展，锚杆与围岩协调变形，从而使锚杆轴力出现显著增长。在第2、3 层台阶开挖过程中，拱顶锚杆各点处的轴力出现较大的离散，仰拱开挖及二衬施做后，锚杆轴力逐渐趋于稳定。综合来看，拱顶锚杆轴力因受后续开挖过程的显著影响，表现出波动特性；锚杆预应力因岩体爆破振动和开挖扰动的存在，可能受到损失；锚杆轴力因受围岩与锚杆协调变形的影响，又会出现增长。

2）左拱肩锚杆轴力

与先行导洞相比，上台阶左、右侧开挖较晚，左、右拱肩处的锚杆安装大概滞后拱顶处1年。

左拱肩锚杆在经历了预应力快速损失阶段后趋于稳定；在第③和第④阶段中、下台阶岩体开挖后，其锚杆轴力出现较为显著的增长，即锚杆与围岩协调变形引起的锚杆被动支护力增长超过了其预应力损失；在仰拱开挖及二衬施做过程中，锚杆轴力趋于稳定。

3）右拱肩锚杆轴力

右拱肩处锚杆也有着相似的力学行为，第③和第④阶段中、下层台阶开挖使锚杆各点处的轴力出现不同幅度的增长，沿锚杆轴向各测点轴力出现较大的离散，锚杆轴力在开挖后期表现为缓慢的轴力下降过程。

4）以上3处锚杆的轴力分布

整理隧道拱顶和左、右拱肩处锚杆自由段轴力分布如图10所示。由图可知：锚杆轴力最大值出现在锚杆端部或靠近端部测点。这表明，靠近隧道开挖边界处的围岩变形相对较大，且围岩变形受到预应力锚杆的有效约束。锚杆的初始预应力Fp1如图中虚线所示，显然，锚杆轴力总体上表现为预应力损失状态，除个别点轴力超过初始预应力外，其他测点的锚杆轴力均小于初始预应力。这表明，与预应力损失的影响相比，锚杆被动支护作用带来的轴力增长相对较小，因此锚杆轴力总体上表现为下降趋势。

根据Freeman［18］中性点理论，全长黏结锚杆（无预应力）的轴力及剪应力分布如图11所示，其剪应力与轴力间关系可以表示为

式中：F为全长黏结锚杆的轴力；D为锚杆直径；τb为锚杆与注浆体间剪应力；L为锚杆轴向坐标；Fh为锚垫板支护力。

显然，全长黏结锚杆（无预应力）上存在1 个中性点，该点处锚杆与注浆体间剪应力τb为0，且中性点两侧剪应力反向。对于只有1个中性点的非预应力锚杆而言，中性点也是其轴力最大值点。

然而预应力锚杆的轴力分布更为复杂。由图10可知，在锚杆的自由段，其轴力存在多个极大值点和极小值点，这表明预应力锚杆可能存在多个中性点，现以左拱肩处锚杆为例做进一步分析。

图11 全长黏结锚杆（非预应力）轴力及剪应力分布

预应力锚杆锚固段轴力及剪应力分布的研究已经较为成熟，根据现有研究［19-21］对其锚固段轴力分布曲线进行补全，基于式（1），可得到锚杆与注浆体之间的剪应力分布曲线，如图12所示。显然，该锚杆自由段处存在3个中性点，分别出现在锚杆轴力的2 个极大值处和1 个极小值处。实际上，由于该预应力锚杆长度达到11 m，且锚固岩体较为破碎，监测所得的轴力极值点个数可能少于其实际个数。由此可知，预应力锚杆上通常存在多个中性点，这是与现有普通锚杆（非预应力锚杆）锚固理论存在较大差异的力学特性。

图12 左拱肩预应力锚杆剪应力分布

2.2 预应力锚杆端部轴力监测结果

如前所述，多测点的锚杆测力计对钻孔精度、安装方法、导线保护等要求较高，且锚杆端部轴力基本可以反映锚杆自由段的受力情况，因此拱腰及边墙处的锚杆采用端部轴力监测方式，监测结果如图13所示。

图13 锚杆端部轴力监测

由图可知：在左拱腰处，锚杆轴力增长较为显著，下台阶开挖后，在锚杆与围岩协调变形过程中，锚杆轴力迅速增长并超过锚杆的初始预应力，然后趋于稳定，这表明仰拱开挖对拱腰处锚杆受力影响较小。在右拱腰处，锚杆经历预应力损失阶段后，轴力表现为波动下降的趋势，直至初期支护闭合后轴力趋于稳定。在左拱墙处，锚杆经历预应力损失阶段后，轴力基本趋于稳定，这表明该处围岩稳定，受后续开挖影响较小。在右拱墙处，锚杆初始阶段预应力损失较小，但锚杆经历了一个较长的预应力缓慢损失阶段。

由前文分析可知，预应力锚杆的支护力由3 个部分组成：①初始预应力，也可称为主动支护力；②预应力损失，与锚具形式、安装张拉工艺、杆体的材料特性、注浆体的压缩等多种因素有关；③被动支护力，即锚杆与围岩协调变形过程中的锚杆轴力增长。则预应力锚杆的轴力可表示为

式中：F1为锚杆轴力；Fp1为锚杆初始预应力；Fs1为锚杆被动支护力；ΔFL1为锚杆预应力损失。

锚杆的初始预应力在其张拉阶段就已确定。在隧道开挖阶段，预应力锚杆的轴力演化过程实际上是被动支护力和预应力损失相互作用的过程：当被动支护力大于预应力损失，锚杆表现为轴力的上升；当被动支护力小于预应力损失，锚杆表现为轴力的下降。由此，锚杆的轴力演化过程可以划分为3个阶段。

1）预应力快速损失阶段

在锚杆安装后10～20 d，预应力损失远大于被动支护力，锚杆表现为预应力快速损失状态，其预应力损失率一般处于4%～12%之间，且自由段不同位置处出现轴力离散，各测点最大轴力差值为3～5 kN。

2）锚杆轴力波动阶段

随着开挖范围的扩大，锚杆与围岩协调变形引起被动支护力增长，根据预应力损失和被动支护力大小关系的不同，锚杆轴力表现为波动式的上升或下降，同时其自由段不同位置处的轴力出现较大的离散，各测点处最大轴力差值为20～30 kN。

3）锚杆轴力稳定阶段

随着时间的推移、开挖扰动的减小或停止、以及衬砌结构的封闭，预应力损失逐渐减弱，被动支护力也不再显著增长，锚杆轴力趋于稳定。

2.3 预应力锚索端部轴力监测结果

如前所述，预应力锚索自由段与围岩处于非黏结状态，其自由段各点处轴力相等，只需监测锚索端部轴力即可，监测结果如图14所示。拱顶处锚索经过预应力快速损失后，其轴力进入波动阶段。受两侧围岩开挖影响，锚索轴力出现较为显著的增长；在中、下台阶开挖阶段，受预应力损失和开挖应力释放的双重影响，锚索轴力较为稳定。在下台阶开挖完成后，拱顶处围岩基本稳定，因此锚索轴力主要表现为预应力缓慢损失状态，并逐步趋于稳定。

由图可知：在左拱肩处，锚索张拉后的前10 d预应力损失较大，损失值达到62 kN 后锚索轴力趋于稳定，受上台阶右侧及中、下台阶开挖影响，其支护力出现阶段性的台阶式上升，直至开挖完成后趋于稳定。在右拱肩处，锚索轴力增长较为显著，中台阶开挖使锚索轴力快速增长，并超过其初始预应力值。在左拱腰处，锚索轴力在下台阶开挖阶段表现为波动上升，在仰拱开挖阶段表现为缓慢下降并趋于稳定。在右拱腰处，锚索经历预应力快速损失后，轴力略有上升，然后经过一个较长的轴力下降区间，在仰拱开挖后趋于稳定。在左拱墙处，锚索轴力演化也有类似的表现，但相比之下，右拱墙处锚索在邻近断面仰拱开挖时出现轴力台阶式上升的情况，表明该时段右拱墙处围岩受到较大扰动，锚索与围岩协调变形使锚索轴力快速增长。

图14 锚索轴力监测

根据监测结果可知，预应力锚索与预应力锚杆的力学行为有相似之处，预应力锚索支护力也是由初始预应力、预应力损失、被动支护力这3部分组成，可表示为

式中：F2为锚索轴力；Fp2为锚索初始预应力；Fs2为锚索被动支护力；ΔFL2为锚索预应力损失。

同样地，锚索的轴力演化过程也可以划分为3个阶段。

1）预应力快速损失阶段

在锚索安装后10～30 d，预应力损失远大于被动支护力，锚索表现为预应力快速损失状态，其预应力损失率为2%～8%。

2）锚索轴力波动阶段

在经过预应力快速损失阶段后，预应力损失减小；受下部开挖带来的围岩扰动影响，锚索与围岩发生协调变形，锚索被动支护力开始增大；在开挖的不同阶段，预应力损失和被动支护力的大小关系不断变化，导致轴力不断波动；当被动支护力较大时，锚索轴力出现波动上升趋势，被动支护力很大时甚至出现轴力台阶式上升的情况；当被动支护力较小而预应力损失值较大时，锚索轴力表现为波动下降趋势。

3）锚索轴力稳定阶段

随着时间的推移、开挖扰动的减小或停止、以及衬砌结构的封闭，预应力损失效应和被动支护效应逐渐减弱甚至消失，锚索轴力趋于稳定。

2.4 锚杆—锚索支护作用评价

为了评价超大跨度隧道锚杆—锚索协同支护效果，分析后续开挖对锚杆—锚索支护体系的影响，在先行导洞拱顶最后1次喷钢纤维混凝土时（导洞开挖完成后6 个月），于DK68+297 断面拱顶埋设沉降测点，其监测结果如图15所示。

图15 拱顶沉降监测

由图可知：在上台阶左、右侧开挖面向测点位置推进时，拱顶沉降增长较快；在左、右拱肩处预应力锚杆、锚索支护完成后，拱顶沉降不再继续增长。在中台阶开挖时，拱顶沉降变形继续增大，拱腰处支护完成后，沉降值趋于稳定。下台阶开挖对拱顶围岩变形影响较小，但是在仰拱开挖阶段，拱顶沉降显著增大，这一方面是由于仰拱开挖造成的，另一方面则是由于距测点12 m 处的3 连拱隧道中洞开挖，使拱顶处围岩受到扰动所致。

结合实际来看，当3 连拱中洞开挖完成后，拱顶沉降趋于稳定，最大拱顶沉降值为30.9 mm，围岩变形量满足安全性要求。对于开挖跨度达到32.7 m、开挖时间长达2年的超大跨隧道来说，这足以表明预应力锚杆—锚索协同支护体系可以有效控制围岩变形，新型锚固支护体系的应用成为八达岭长城站超大跨度隧道建设成功的关键。

3 预应力锚杆—锚索协同支护效应

在预应力锚杆—锚索支护体系中，锚杆、锚索支护区域不同，且锚杆、锚索支护区域内的围岩受到不同程度的开挖扰动。研究锚杆及锚索支护区域的围岩损伤特性和稳定性特征，对分析预应力锚杆—锚索协同支护效应具有重要意义。

3.1 超大跨度隧道微震监测

隧道开挖过程中，会对围岩造成扰动，使岩体薄弱处发生开裂。这一岩体开裂过程伴随着裂隙能量释放，对其发出的微震信号加以采集和处理，可以获取岩体损伤中微裂纹的位置、大小和破坏进程等信息，从而对隧道围岩的损伤特性和发展趋势进行分析［22-24］。

在京张高铁八达岭长城站大跨度隧道建设中，采用微震监测技术分析围岩损伤特性，以进一步分析、印证预应力锚杆—锚索的支护效应。微震监测系统由检波器、GPS 时钟同步装置、数据采集仪、供电设备、光纤交换机、数据存储和分析系统组成，如图16所示。

图16 微震系统网络图

图17 微震事件平面分布图（全部微震事件的10%）

对超大跨度隧道开挖全过程进行微震监测，获得隧道周围的微震事件分布如图17所示，微震事件根据矩震级的不同，以颜色、大小不同的点来表示。由图可知，沿隧道切向来看，越接近隧道开挖轮廓，其矩震级越大；沿隧道轴向来看，随着开挖跨度的增大以及围岩质量的降低，微震事件的密度和矩震级逐渐增大。

根据微震事件分布密度和矩震级的不同［25-27］，可将围岩划分为开挖高损伤区、开挖低损伤区和开挖扰动区。其中，高损伤区围岩自稳能力差，易发生塌方等事故，是隧道支护的重点，整理其沿隧道周边的分布见表2。为了避免围岩损伤程度的加剧和高损伤区范围的扩大，需要对高损伤区围岩进行及时、可靠的支护，以保证超大跨度隧道的施工安全。

表2 大跨度隧道围岩开挖高损伤区范围汇总

3.2 超大跨度隧道预应力锚杆—锚索协同支护机理

预应力锚杆和预应力锚索共同应用于超大跨度隧道支护时，锚杆和锚索因其支护区域、支护密度、预应力及承载能力的特点而发挥相应的作用，取超大跨度隧道局部区域内的预应力锚杆—锚索支护进行分析，如图18（a）所示。图中：预应力锚杆的支护密度较大，锚杆安装并张拉完成后，锚头和锚固段处的预应力Fp1挤压围岩，以∠α向围岩中扩散形成1个锥形压缩区，各个锥形压缩区相互重叠连接形成均匀的连续压缩带［28-29］。在该区域内，锚杆的预应力主动支护作用提高了围岩的最小主应力σ3，从而显著提高了围岩强度；反过来，围岩的进一步变形也会受到锚杆被动支护力Fs1的约束，围岩与锚杆共同组成了1个有较强承载力的拱结构，称之为组合拱，根据图18（a）中所示几何关系，组合拱的厚度可以表示为

式中：db为组合拱厚度；Lb1为预应力锚杆自由段长度；r为隧道曲率半径；Sb1为锚杆间距；b为锚杆垫板宽度；α为压力扩散角（常取α=45∘进行计算）。

在超大跨度隧道支护中，由于锚索的支护间距较大，往往不考虑其拱效应。预应力锚索的优点在于超长的支护长度和极强的承载能力，因此锚索一般锚固于深部的稳定岩体中，其锚固段处围岩变形较小，可以认为是1个固定点。通过超长的锚固深度，锚索调动深部岩体的承载能力支护围岩，一方面发挥预应力Fp2的主动支护作用加固组合拱，分担一部分围岩荷载；另一方面，由于组合拱内围岩的不均匀性和荷载分布的不均匀性，组合拱内可能存在稳定性较差的潜在失稳区，在锚索与围岩协调变形的过程中，锚索被动支护力Fs2将有效加固变形较大的组合拱潜在失稳区，确保围岩稳定。

根据围岩渐进破坏及稳定性的特征，可将稳定性差且距离隧道边界近的高损伤区岩体划分为浅层围岩；将稳定性较好且距离隧道边界较远的低损伤区岩体及扰动区岩体划分为深层围岩［30-31］。根据表2列出的高损伤区（浅层围岩）边界，最大跨度断面锚杆—锚索支护范围及深、浅层围岩分布如图18（b）所示。由上述分析可知，在预应力锚杆—锚索协同支护体系中，预应力锚杆、锚索因其支护范围、支护密度的不同，在体系中发挥的作用也不同，其支护机理可总结为：锚杆主要分布在浅层围岩内部，锚杆预应力挤压岩体，在相邻锚杆压缩区相互叠加作用下，形成1个由锚杆和围岩共同组成的组合拱结构来承担围岩荷载；由于隧道跨度很大，组合拱难以承担全部围岩荷载，锚固于深层围体中的预应力锚索，可调动深层围岩的承载能力，分担锚杆组合拱承担的围岩荷载，加固组合拱潜在失稳区，从而提高锚杆组合拱稳定性。