隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學(xué)特征及其錨固機(jī)制研究

孫 鈞，潘曉明，王 勇

(1.同濟(jì)大學(xué)巖土工程研究所，上海 200092;2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026;3.杭州圖強(qiáng)材料公司、豐強(qiáng)工程研究院，浙江杭州 310008)

0 引言

在隧道軟弱圍巖開挖施工中，經(jīng)常會(huì)遇到在不良地質(zhì)條件下發(fā)生擠壓性大變形問題。自20世紀(jì)初國外首例軟巖隧道大變形問題出現(xiàn)后，圍巖擠壓大變形問題就一直成為困擾地下工程設(shè)計(jì)施工的一項(xiàng)難題，礦山巷道和鐵、公路交通隧道中擠壓大變形圍巖失穩(wěn)事故時(shí)常發(fā)生，造成了不少嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。以烏鞘嶺隧道為例，最大埋深達(dá)1 100 m，在全長(zhǎng)20.05 km中嶺脊段松散破碎軟巖長(zhǎng)約7 km，占隧道全長(zhǎng)的35%，其軟弱圍巖擠壓大變形已是一個(gè)突出的工程地質(zhì)問題［1］。這些隧道、巷道圍巖性態(tài)的共同特點(diǎn)是巖體自身軟弱或松散破碎、強(qiáng)度低、地應(yīng)力多數(shù)都很高，有的還位于高擠壓構(gòu)造區(qū)帶，地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，而隧道開挖時(shí)受施工擾動(dòng)引起的應(yīng)力釋放大，其變形速率快且又收斂慢、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如支護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，極易在開挖過程中產(chǎn)生坍塌等不同范圍的失穩(wěn)事故。

對(duì)軟弱圍巖大變形問題，目前的隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范雖作了一些基本的規(guī)定和要求，但在內(nèi)容和措施上都寫得比較簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)和施工方面還沒有提出一套可供遵循的切實(shí)可行的辦法，規(guī)定中所列出的開挖和支護(hù)技術(shù)措施都遠(yuǎn)不能滿足施工需求，已經(jīng)嚴(yán)重滯后于目前國內(nèi)這類隧道施工技術(shù)上的需求，具體反映在規(guī)范內(nèi)容不系統(tǒng)、不具體、缺乏可實(shí)施性和指導(dǎo)性。為此，對(duì)擠壓性軟弱圍巖大變形隧道的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)仍需做進(jìn)一步的深入研究。

1 基本情況

以一些年來由作者負(fù)責(zé)和參與研究過的幾處大變形隧道圍巖為例進(jìn)行說明。

1)安徽淮南煤礦潘集3號(hào)井基建大巷軟巖掘進(jìn)(國家"六五"科技攻關(guān)項(xiàng)目，由煤炭部下達(dá)研究)。筆者團(tuán)隊(duì)采用所推薦的預(yù)制鉸接頭(可轉(zhuǎn)、有限壓縮)鋼筋混凝土大弧板支護(hù)，背后襯墊采用可吸收圍巖變形能的粗粒填料。該方案獲得成功，讓壓量達(dá)到250 mm。

2)河北峰峰煤礦軟巖巷峒。峒壁兩側(cè)水平收斂值達(dá)1 600 mm以上，且變形速度快，以致前方挖掘機(jī)械需依靠擴(kuò)挖方能退出。

3)甘南木寨嶺鐵路隧道。頁巖夾煤系地層，其巖性破碎軟弱，開挖中拱頂圍巖沉降(大變形)達(dá)800～1 050 mm，且高地應(yīng)力、瓦斯伴有煤爆、地下水發(fā)育，可謂"五毒俱全"，襯砌支護(hù)工作極其困難、塌方頻發(fā)而導(dǎo)致支護(hù)失效破壞。

4)蘭武鐵路客運(yùn)專線烏鞘嶺隧道嶺脊段幾處斷層破碎帶(見圖1，鐵道部"九五"行業(yè)重大攻關(guān)項(xiàng)目)。筆者團(tuán)隊(duì)引入大變形流變理念進(jìn)行了成功整治。拱頂圍巖最大沉降(大變形)650 mm;水平構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，致使兩幫大變形收斂值達(dá)1 050 mm以上。如初期支護(hù)不當(dāng)或不及時(shí)，將導(dǎo)致錨桿拉斷、網(wǎng)噴破損、碎裂掉塊、鋼拱架扭曲剪斷或壓屈失穩(wěn)。經(jīng)初期支護(hù)后仍因后續(xù)大變形而使圍巖向洞室內(nèi)凈空大幅度、大范圍地侵限，設(shè)計(jì)圓形或扁橢圓形二次襯砌，厚度達(dá)850 mm，因巖體后期流變突出，二次襯砌混凝土仍嚴(yán)重開裂，仰拱底鼓上浮。圖2為隧道圍巖施工開挖大變形導(dǎo)致襯砌支護(hù)破壞、失穩(wěn)。

圖1 烏鞘嶺深埋長(zhǎng)大隧道嶺脊段地質(zhì)構(gòu)造縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of geological structure of ridge section of Wushaoling tunnel

圖2 隧道圍巖施工開挖大變形導(dǎo)致襯砌支護(hù)破壞、失穩(wěn)Fig.2 Damages caused by huge deformation

5)正在修建的成蘭高速鐵道，沿川北一線軟巖大變形隧道群。支洞小跨毛洞最大收斂量已達(dá)250～300 mm，估計(jì)日后正洞開挖時(shí)的兩幫收斂將達(dá)800 mm，而圍巖后期流變將導(dǎo)致二次襯砌設(shè)計(jì)困難。采用后文將提到的大尺度讓壓錨桿作試驗(yàn)性研究和整治，尚在進(jìn)行中。

上述的一些大變形隧道/巖坡，已經(jīng)/正在采用本文介紹的一種新型大尺度讓壓錨桿和所提供的專用設(shè)計(jì)軟件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)性研究和整治。本文擬結(jié)合4)、5)工點(diǎn)所述工程項(xiàng)目，對(duì)以上問題作研究介紹。

2 隧道圍巖擠壓性大變形的定義及其變性特征

據(jù)國際巖協(xié)(ISRM)隧道擠壓性圍巖研究分會(huì)(Commission on Squeezing Rock in Tunnels)認(rèn)定，大變形隧道圍巖的表觀地質(zhì)/巖石力學(xué)行為主要反映在:

1)多數(shù)位于高地應(yīng)力、高擠壓性巖體構(gòu)造區(qū)帶，地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，巖體受反復(fù)擠壓、揉搓，形成扭曲褶皺;巖性(以泥巖、頁巖、千枚巖、各種風(fēng)化片巖等軟巖為代表)破碎軟弱，節(jié)理裂隙極度發(fā)育(其間沒有/少有充填、膠結(jié)性差)、浸水軟化、泥化，單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都很低。

2)隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)展的大尺度變形(進(jìn)入大變形與否的尺度判定，詳見后述)，就一般的交通隧道而言，毛洞開挖時(shí)的最大收斂變形量當(dāng)在200(300)～800 mm或以上。

3)地應(yīng)力水平高，多數(shù)反映為以圍巖剪切變形為主的主要特征。

4)經(jīng)開挖擾動(dòng)，地應(yīng)力和變形釋放量大，大變形速率快，而收斂時(shí)間慢。

5)變形達(dá)到收斂穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)。在變形發(fā)展過程中，如支護(hù)不及時(shí)或不恰當(dāng)，均極易導(dǎo)致圍巖局部或不同范圍的失穩(wěn)，使初期支護(hù)裂損、坍塌(如第1節(jié)4)小節(jié)所述情況)。

3 擠壓大變形的預(yù)測(cè)方法種類

多年來，國內(nèi)外已提出了各種預(yù)測(cè)圍巖擠壓大變形的方法。有:1)經(jīng)驗(yàn)方法;2)半經(jīng)驗(yàn)半理論方法;3)試驗(yàn)判定方法;4)由作者所在團(tuán)隊(duì)近年來研究的理論分析方法及所研制的"隧道圍巖擠壓大變形理論預(yù)測(cè)－－三維非線性流變數(shù)值分析專用設(shè)計(jì)程序軟件"。

4 隧道圍巖擠壓大變形的預(yù)測(cè)

筆者認(rèn)為，經(jīng)驗(yàn)方法在巖土、地下工程中的許多場(chǎng)合都具有其不可替代的重要作用，但較之理論分析，它又存在其固有的不足。

1)由于巖土介質(zhì)材料屬性的不確定性和隨機(jī)離散性，在許多場(chǎng)合，特別是對(duì)于作經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)相類和相近的地質(zhì)介體而言，理論解答反而沒有經(jīng)驗(yàn)判定值更為準(zhǔn)確，也更具說服力。此外，這里提到的一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和主要影響因素，往往也應(yīng)作為理論求解時(shí)不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而需被引入和采用。

2)但同時(shí)，由于經(jīng)驗(yàn)判定法其地域的局限性，在需要量大面廣地推廣至未及涉獵的其他地質(zhì)介體時(shí)，則往往用后效果均不夠理想，而它又遠(yuǎn)不及理論解答具有普遍的意義。

4.1 經(jīng)驗(yàn)方法(由大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研/量測(cè)數(shù)據(jù)，得到統(tǒng)計(jì)分析值)

1)日本神戶大學(xué)櫻井春輔(Sakurai，1983)教授認(rèn)為:

式中:Δδ為變形收斂率;δ為洞周圍巖徑向最大收斂變形值;D為毛洞直徑。

這之后，隧道圍巖因變形過大，其變形收斂率也趨大，圍巖將呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，需及時(shí)施作強(qiáng)力支護(hù)。

2)Tanimoto(1984)認(rèn)為:當(dāng)圍巖變形因巖石塑性軟化至接近其殘余強(qiáng)度狀態(tài)(接近流動(dòng)性)時(shí)，將產(chǎn)生擠壓性大變形。從巖石應(yīng)變軟化法則，提出了用于估計(jì)圍巖擠壓變形收斂率的彈塑性解答。

3)Singh等(1992)對(duì)39座隧道的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析，指出:從巖體質(zhì)量分級(jí)(Q法－－Barton等，1974)和隧道埋深，可定量給出圍巖出現(xiàn)擠壓性與非擠壓性(指一般變形)的邊界。認(rèn)為

其中H為隧道埋深，m。

4)Goel等(1995)認(rèn)為:

當(dāng) H ＞＞(275N－0.33)B－1時(shí)，將產(chǎn)生擠壓變形;

式中:N為巖體質(zhì)量分級(jí)SRF值=1時(shí)的Q值，稱為巖體質(zhì)量系數(shù);B為隧道毛洞凈寬，m。

5)Singh和Goel(1999)按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道收斂變形數(shù)據(jù)，將圍巖對(duì)洞室的擠壓性分為:1)輕度擠壓，此時(shí)的洞周收斂率為1% ～3%;2)中度擠壓，此時(shí)的洞周收斂率為3% ～5%;3)高度擠壓，此時(shí)的洞周收斂率＞5%。

此處所述的洞周收斂率是指:洞周最大的徑向收斂變形值與毛洞開挖直徑的比值，即

這一達(dá)到大變形的衡量指標(biāo)，比櫻井?dāng)M定的更細(xì)致和嚴(yán)格。

4.2 半經(jīng)驗(yàn)半理論方法

該法系指:先用理論分析得到公式的基本構(gòu)架，而公式中的諸待定參數(shù)則另由經(jīng)驗(yàn)/試驗(yàn)給定?？捎糜诙筷U明隧道圍巖是否達(dá)到擠壓大變形的條件，及其產(chǎn)生大變形的主要影響因素。據(jù)圓形洞室已有的解析解，用等效圓作換算，可推廣并得到圓拱直墻/曲墻帶仰拱型隧道洞周發(fā)生擠壓大變形的量值，及其對(duì)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的地層壓力值。

1)Jethwa等(1984)采用比值

來劃分圍巖擠壓條件(指擠壓性的嚴(yán)重程度)。當(dāng) Nc＜0.4 時(shí)，屬高度擠壓;當(dāng)0.4≤Nc≤0.8 時(shí)，屬中度擠壓;當(dāng)0.8＜Nc≤2.0時(shí)，屬輕度或弱擠壓;而當(dāng)Nc＞2.0時(shí)，屬?zèng)]有擠壓性的一般圍巖變形。

式中:Nc為巖石強(qiáng)度系數(shù);σcm為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;p0=γH，為隧道上覆巖土的自重壓應(yīng)力。

在有襯護(hù)支撐的情況下，從等代圓形洞室的解析解，由①巖土自重地應(yīng)力值、②圍巖塑性區(qū)半徑、③巖石進(jìn)入塑性軟化階段后其抗剪強(qiáng)度c和φ值的降低，可得到④不同隧道主體尺寸時(shí)作用于支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖擠壓力值(本文未列出有關(guān)公式，可參考有關(guān)資料)。

進(jìn)一步的研究認(rèn)為:圍巖發(fā)生大變形時(shí)的"擠壓勢(shì)"(Squeezing Potential)是權(quán)衡其擠壓性強(qiáng)弱的基本依據(jù)。這方面的預(yù)測(cè)研究，主要由 Aydan(1993，1996)和Hoek(1999)等完成。

2)Aydan等(1993)，對(duì)日本國內(nèi)這類大變形隧道圍巖進(jìn)行了廣泛調(diào)研，提出"利用巖體切向剪應(yīng)變以預(yù)測(cè)圍巖擠壓勢(shì)"，并將大變形隧道的圍巖擠壓勢(shì)特性表征為:

①當(dāng)上述圍巖強(qiáng)度系數(shù)Nc＜2后，Nc值越小，圍巖擠壓變形速率愈快，變形值也愈大，可歸之為大變形范疇，這與Jethwa的研究結(jié)論相一致。

②在擠壓變形情況下，圍巖切向剪應(yīng)變?chǔ)脤ⅲ?%。

③對(duì)擠壓性圍巖而言，巖體孔隙率與其擠壓性程度密切相關(guān)。隨孔隙率增大，巖石疏松，其強(qiáng)度銳減，擠壓性的嚴(yán)重程度將急劇增大。其次要因素則是巖體內(nèi)的含水率，當(dāng)含水率＞25%后，擠壓程度將明顯加劇。

④對(duì)成層沉積巖而言，巖體中具有膨脹特性的黏土質(zhì)礦物顆粒(如高嶺土、蒙脫石等)的含量多少，決定了該類圍巖擠壓性的嚴(yán)重程度。

3)Aydan等(1996)在該領(lǐng)域的另一項(xiàng)貢獻(xiàn)主要反映在利用實(shí)驗(yàn)室條件，提出了預(yù)測(cè)并判定擠壓大變形的一種方法。即認(rèn)為:在巖石為低約束側(cè)壓力σ3≤0.1σci條件下，將σ－ε曲線作以下模型化(見圖3)。模型表明，巖石塑性軟化前、后的變形發(fā)展一般都將經(jīng)歷以下5個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線分階段模型化示意圖Fig.3 Staged modeling of rock stress-strain curves

①彈性階段:巖石行為呈線彈性發(fā)展，無可見新的變形裂隙;

②硬化階段:顯微破裂開始，破裂方向與最大應(yīng)力方向一致;

③屈服階段:超過彈性應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰值σp以后，微裂紋連通并開始出現(xiàn)宏觀狀破裂;

④軟化階段:宏觀裂隙擴(kuò)展，并沿最不利方向成組出現(xiàn);

⑤流動(dòng)狀態(tài):宏觀破裂在最不利方向完全貫通，構(gòu)成滑面/滑裂帶，破碎巖體沿滑裂平面流動(dòng)，下降至殘余強(qiáng)度，并出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的極度擠壓性大變形。

針對(duì)上述5種不同階段，圍巖體產(chǎn)生大變形擠壓性嚴(yán)重程度的判定條件見表1。

4)Hoek(1999)對(duì)圍巖擠壓大變形的預(yù)測(cè)和判定方法及其可靠性評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。

①提出了在高地應(yīng)力條件下，通過采用"大變形擠壓勢(shì)"的理念，對(duì)擠壓大變形的等級(jí)進(jìn)行評(píng)定;②建議了一種對(duì)軟弱圍巖擠壓大變形行之有效的預(yù)測(cè)方法;③本文將該方法應(yīng)用于烏鞘嶺隧道嶺脊段F7斷層帶開挖施工中的圍巖穩(wěn)定性判別，得到了有、無支護(hù)情況下的圍巖"擠壓勢(shì)";④對(duì)該種預(yù)測(cè)擠壓大變形方法進(jìn)行了可靠性評(píng)價(jià)。

此處Hoek由基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則提出并建立的一種"半經(jīng)驗(yàn)半理論"預(yù)測(cè)擠入大變形的方法，在國外已獲得廣泛采用。設(shè)定用上述"擠壓勢(shì)(σcm/p0)"，即巖體單軸抗壓強(qiáng)度σcm與初始地應(yīng)力p0的比值，作為對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生擠入變形條件的判定指標(biāo)，并據(jù)此得出其變形收斂率˙ε。

表1 圍巖擠壓性大變形的判定條件Table 1 Criteria for identification of huge deformation of surrounding rock caused by squeezing

無支護(hù)條件下，

式中:δi為洞室支護(hù)后，擠入變形位移的歷時(shí)變化量;d0為洞徑;pi為洞室開挖后，經(jīng)調(diào)整變化的圍巖二次地應(yīng)力。

就所作的理論預(yù)測(cè)再經(jīng)回歸后，按式(6)，可得如圖4所示的無支護(hù)毛洞情況下的˙ε－σcm/p0多點(diǎn)預(yù)測(cè)曲線。由圖4可見:巖石強(qiáng)度σcm值逾低、初始地應(yīng)力p0逾高時(shí)，用以描述的"擠壓勢(shì)"就愈小，而圍巖向洞內(nèi)凈空的變形收斂率值˙ε就逾大。

圖4 無支護(hù)條件下毛洞圍巖多點(diǎn)預(yù)測(cè)變形收斂率與擠壓勢(shì)值的關(guān)系Fig.4 Correlation between predicted deformation of surrounding rock of unsupported tunnel and squeezing potential

一般認(rèn)為，當(dāng)˙ε＞10%以后，擠壓勢(shì)σcm/p0將＜0.15，圍巖已開始擠入并將產(chǎn)生大的擠壓變形。

再由式(7)，還可繪制如圖5所示的有支護(hù)條件下圍巖變形收斂率與擠壓性嚴(yán)重程度的分區(qū)曲線。從圖5擠壓勢(shì)σcm/p0值的大小，可以定量判定出圍巖擠入變形收斂速率˙ε的定量值。

圖5 有支護(hù)條件下圍巖變形收斂率與擠壓性嚴(yán)重程度的關(guān)系分區(qū)圖Fig.5 Correlation between convergence of surrounding rock of supported tunnel and squeezing

"沒有"和"已經(jīng)"設(shè)置初期支護(hù)的條件下，烏鞘嶺隧道嶺脊段F7斷層帶圍巖某區(qū)段沿隧道縱向圍巖的變形收斂率隨里程變化的實(shí)測(cè)值如圖6所示?？梢?，設(shè)置按早前設(shè)計(jì)的一般性初期支護(hù)后，圍巖收斂率有了一定幅度的降低/減小，初期支護(hù)效果是明顯的;但初期支護(hù)后的收斂率˙ε還在10%以上，仍屬擠壓大變形范疇，依舊達(dá)不到控制收斂率的效果。為此，在初期支護(hù)方案和錨桿構(gòu)造措施上，尚有待改進(jìn)(見本文后續(xù)所述)。該處隧道斷面經(jīng)初期支護(hù)以后，按式(7)預(yù)測(cè)計(jì)算所得的圍巖最大收斂量為1 230 mm，而實(shí)測(cè)收斂量則為1 034 mm，計(jì)算較實(shí)測(cè)值大19%，認(rèn)為該式在精度上尚可被工程所接受。但經(jīng)一般傳統(tǒng)初期支護(hù)后的收斂量仍在1 000 mm以上，效果仍不理想，有待按本文后述的新的錨固方案實(shí)施改進(jìn)。

圖6 F7斷層泥礫帶隧道圍巖變形收斂率隨里程變化的實(shí)測(cè)值Fig.6 Measured convergence of surrounding rock of F7 fault section of Wushaoling tunnel

5)對(duì)上述預(yù)測(cè)方法的可靠性評(píng)價(jià)

在有(無)支護(hù)情況下，據(jù)式(6)和式(7)預(yù)測(cè)的隧道圍巖變形收斂率，此處采用概率密度分布曲線進(jìn)一步評(píng)價(jià)了其可靠性程度，如圖7所示。從圖7可知:設(shè)置支護(hù)后，圍巖的變形收斂率有相當(dāng)多的降低，其平均值由未支護(hù)前的˙ε=19%下降到支護(hù)后的9.47%。還可見到，經(jīng)初期支護(hù)后，評(píng)價(jià)其預(yù)測(cè)收斂率值可靠性程度的概率密度分布，極多地、密集地集中在其平均值的附近(達(dá)0.95)，說明其可靠性是有保證的;而在未支護(hù)前，則預(yù)測(cè)收斂率可靠性的概率密度分布(僅0.53)，其離散性要大得多。這說明，毛洞圍巖變形收斂率的大小更難以掌控。

從圖7還可看出，在無支護(hù)情況下，毛洞收斂率的累積概率分布所顯示的可靠性如表2所示。在施作支護(hù)后，隧道圍巖變形收斂率趨小的可能性大幅增加，如表3所示。

圖7 隧道變形收斂率預(yù)測(cè)的可靠性分布Fig.7 Distribution of reliability of prediction of tunnel convergence

表2 無支護(hù)情況下毛洞收斂率預(yù)測(cè)的可靠性指標(biāo)Table 2 Reliability indexes of prediction of convergence of unsupported tunnel

表3 有支護(hù)情況下隧道收斂率預(yù)測(cè)的可靠性指標(biāo)Table 3 Reliability indexes of prediction of convergence of supported tunnel

在設(shè)定某2種洞周變形收斂率˙ε的條件下(分別為15%和20%，如圖8(a)和8(b)所示)，分有、無支護(hù)情況，按式(6)和式(7)可得出其變形收斂率的預(yù)測(cè)值，其可靠性的累積概率密度分布如圖8所示。

從圖8可見，在無(有)支護(hù)情況下，無論設(shè)定的收斂率˙ε取值的大小，有支護(hù)時(shí)的累積概率密度均比無支護(hù)情況的相應(yīng)值大，而預(yù)測(cè)失效的概率則要小得多。這說明，毛洞情況下，由于更多不確定性因素的存在，其變形收斂率出現(xiàn)隨機(jī)分散性變化的累積概率密度都會(huì)更加分散。此外，為使采用式(6)和式(7)做計(jì)算預(yù)測(cè)的結(jié)果較為準(zhǔn)確和可靠，作為基礎(chǔ)輸入諸變量數(shù)據(jù)的可靠性將尤顯重要。

4.3 試驗(yàn)測(cè)試方法

1)Singh等(1997)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將隧道圍巖變形的收斂率(臨界值)˙εcr，表示為

式中:γ為巖體重度;Q為巖體質(zhì)量分級(jí);σci為地應(yīng)力值;Ei為圍巖體變形模量。

圖8 變形預(yù)測(cè)值可靠性的累積概率密度與隧道圍巖收斂率的關(guān)系Fig.8 Correlation between accumulated probability density of reliability of predicted deformation and convergence of tunnel surrounding rock

2)Barton(2002)提出，按試驗(yàn)測(cè)得的圍巖變形收斂率

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的隧道洞壁位移ua與洞室半徑a的比值，用定義SI來判定圍巖擠壓性的嚴(yán)重程度，其取值范圍見表1。

3)Mahendra Singh(2007)采用臨界應(yīng)變?chǔ)與r作參數(shù)，來判定圍巖擠壓變形的嚴(yán)重程度。該臨界應(yīng)變?chǔ)與r實(shí)驗(yàn)值不僅可以考慮隧道圍巖不同埋深處巖體的各向異性，而且計(jì)入了完整巖石和節(jié)理巖體不同的彈性/變形模量(分別為Ei和Etj)。將該方法應(yīng)用于30多座隧道工程的結(jié)果表明，采用該試驗(yàn)公式預(yù)測(cè)隧道圍巖的擠壓變形與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果相差不大。此處將臨界應(yīng)變 εcr表示為

式中:σci為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;Ei為完整巖石的彈性模量;Etj為節(jié)理巖體的變形模量。

5 近年來，筆者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)隧道圍巖擠壓性大變形問題按三維非線性流變的理論分析、相應(yīng)的專用軟件研制及其工程應(yīng)用

限于篇幅，本文只列出了有關(guān)的研究?jī)?nèi)容及其創(chuàng)意性方面的文字表述性介紹，而未涉及具體公式演引與推導(dǎo)的繁復(fù)過程。有興趣的同仁，可參考文獻(xiàn)［1］。

5.1 按二維平面應(yīng)變問題對(duì)此處三維和大變形問題作分析計(jì)算的不足

1)對(duì)此處大變形隧道圍巖及其襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，如仍按二維平面應(yīng)變問題作分析，雖然其計(jì)算簡(jiǎn)單、速度快，迄今仍被設(shè)計(jì)界普遍采用，但由于隧道工程存在有以下情況，在作更詳細(xì)(盡管尚難以做到"精確")的分析研究中，上述按二維條件作簡(jiǎn)化探討在理論上是不完善的。從工程實(shí)際情況反映出它的真三維空間問題的實(shí)質(zhì)可以看出:①巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀(層面和大節(jié)理裂隙的展布)形態(tài)，相對(duì)于隧道縱軸方向是不對(duì)稱的，不能按平面應(yīng)變問題作近似簡(jiǎn)化處理;②由于開挖作業(yè)面的存在，它對(duì)隧道圍巖變形起空間約束作用，因而也不能作上述簡(jiǎn)化;③開挖作業(yè)面前方的圍巖，隧洞開挖時(shí)也已有了一定的沉降變形，但按二維問題處理時(shí)這部分變形不能計(jì)算得出，而影響最終結(jié)果的正確性。

以上3個(gè)問題，可以用圖9示明。

圖9 隧道圍巖和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式與縱向變形示意Fig.9 Calculation mode and longitudinal deformation of surrounding rock and support structure of tunnel

2)用小變形理論來計(jì)算大變形問題的不足

筆者所在團(tuán)隊(duì)在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，用固定坐標(biāo)系分割成有限單元作數(shù)值分析時(shí)，其分割、離散成的微元體在大變形前后所分割的并不是同一個(gè)微元體。因大變形時(shí)每一微元體都有很大的變形位移，微元體的形狀和體積也都隨大變形的增長(zhǎng)發(fā)展而不斷變化，這在數(shù)值分析大變形情況時(shí)將不能忽略;而小變形理論的出發(fā)點(diǎn)則認(rèn)同各個(gè)微元體在變形前后均為一個(gè)不變化的定值。這違背了質(zhì)量守恒定律中數(shù)學(xué)表達(dá)的一致性，且難以用能量原理作表述，就理論上的嚴(yán)密性而言，則是不成立的。

5.2 研究?jī)?nèi)容和方法(限于篇幅，本文只能用少量文字作簡(jiǎn)介)

1)本項(xiàng)研究以廣義Komamura-Huang流變模型為基礎(chǔ)，經(jīng)串結(jié)上非線性黏塑性(Bingham)體元件，建立了一種能較完整地反映圍巖非線性蠕變?nèi)^程的Komamura-Huang黏塑性流變模型，使之可應(yīng)用于反映圍巖擠壓大變形的流變特性。進(jìn)而在ABAQUS軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，編制了能適應(yīng)所設(shè)定的巖土材料以FORTRAN語言表述的子程序，并進(jìn)行了程序驗(yàn)證。此后，將其應(yīng)用于對(duì)烏鞘嶺隧道嶺脊段軟弱斷層帶圍巖進(jìn)行二維平面應(yīng)變問題非線性黏彈塑性大變形流變分析，得到了隧道拱頂下沉和支護(hù)壓力隨時(shí)間發(fā)展變化的規(guī)律。

2)隨后，又進(jìn)一步較系統(tǒng)地研究了巖土材料大變形的基本理論，得到了常用的各種應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間三者之間的相互關(guān)系，并指出:應(yīng)變率的積分為對(duì)數(shù)應(yīng)變。此處Kirchhoff剪切應(yīng)力與其對(duì)數(shù)應(yīng)變率(log˙ε)構(gòu)成了一雙共軛對(duì)，進(jìn)而推導(dǎo)出大變形有限元離散方程的切線剛度矩陣和幾何剛度矩陣。

3)提出了一種新的大/小變形彈黏塑性巖土材料本構(gòu)模型。以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，考慮了圍巖介質(zhì)的幾何非線性，分別推導(dǎo)了小變形和大變形情況下的有限元法離散方程，以及相應(yīng)的應(yīng)力更新算法和一致切線模量，分別研制了可用于ABAQUS軟件的大(小)變形彈黏塑性材料子程序，最后進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。

4)利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件，建立了烏鞘嶺隧道軟弱圍巖的三維有限元模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的彈黏塑性大變形分析，得到了圍巖向洞內(nèi)收斂變形及其與襯砌支護(hù)間接觸壓力隨時(shí)間發(fā)展而增長(zhǎng)變化的規(guī)律。文中建議的大變形彈黏塑性本構(gòu)模型能較好地反映隧道圍巖擠壓大變形流變的時(shí)效特征。

5)采用所研制的"大變形三維彈黏塑性本構(gòu)模型"以及"小變形二維非線性黏彈塑性本構(gòu)模型"2種程序模塊，分別對(duì)烏鞘嶺鐵路隧道嶺脊段圍巖 F7斷層破碎帶巖體進(jìn)行了相應(yīng)的流變時(shí)效分析。計(jì)算結(jié)果表明，分別按大、小變形2種模型計(jì)算得到的隧道圍巖拱頂下沉值和作用于二次襯砌的支護(hù)壓力值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)對(duì)比后認(rèn)為，在采用本文大變形流變計(jì)算模型的情況下，其圍巖大變形的歷時(shí)發(fā)展變化趨勢(shì)及量值大小都基本上與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。據(jù)此認(rèn)定，本文所建議的方法在一定條件下可以基本上如實(shí)反映隧道圍巖擠壓大變形的流變時(shí)效特征，并可以按本文所得的大變形理論預(yù)測(cè)值作為設(shè)定洞周擴(kuò)挖量值的依據(jù)。

5.3 本項(xiàng)理論研究方法的計(jì)算成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

以烏鞘嶺隧道斷層帶軟巖為例，表4和表5分別列出了采用本項(xiàng)研究提出的2種流變本構(gòu)模型，分別按所研制的大(小)變形，采用二維平面和三維空間模型所做的數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，得出了它與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析結(jié)果。

表5 隧道二次襯砌拱頂最大接觸壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較Table 5 Comparison and contrast between calculated maximum crown contact pressure and measured maximum crown contact pressure

由表4可見，實(shí)測(cè)值與按二維小變形非線性黏彈塑性以及與考慮大變形三維彈黏塑性2種模型的計(jì)算結(jié)果間均有一定的誤差，差值在20% ～30%。沉降/變形的計(jì)算值一般都很難做到準(zhǔn)確，這是巖土問題經(jīng)常有的通例。

由表5可見，實(shí)測(cè)值與按大變形三維問題的計(jì)算值更接近，二者間的平均誤差約為7.2%，計(jì)算結(jié)果可為工程上所接受;而按小變形二維平面問題的計(jì)算值則誤差比較大，平均達(dá) 13.4%［1］。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的復(fù)雜性而巖體軟弱破碎并呈隨機(jī)分布，且在輸入?yún)?shù)和設(shè)定模型上的主觀誤差，以及所采用施工方法的變異等各方面交錯(cuò)復(fù)雜因素的相互影響，就巖土類問題而言，理論上的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果當(dāng)有一定的、有時(shí)還會(huì)有相當(dāng)程度的誤差;但計(jì)算所反映的變化規(guī)律及其量級(jí)大小等均尚能基本上如實(shí)反映隧道工程軟弱圍巖擠壓大變形的流變屬性特征，應(yīng)視為仍具有相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)用價(jià)值。

5.4 有待進(jìn)一步深化研討的若干問題

通過本項(xiàng)研究，從高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖擠壓性大變形的流變?chǔ)遥牛璽本構(gòu)關(guān)系，分別提出了"小變形黏彈塑性平面應(yīng)變"和"大(小)變形彈黏塑性三維實(shí)體"2種計(jì)算模型，使對(duì)擠壓性大變形流變力學(xué)特性的研究能較為接近這類圍巖的實(shí)際受力性態(tài)?；诒疚囊堰M(jìn)行的階段研究，下一步擬再深化開展以下幾方面的研究工作。

1)從上述可見，高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓變形的預(yù)測(cè)方法是多種多樣的，各種方法應(yīng)有其不同的適用場(chǎng)合和條件，存在一定的局限性與適用范圍。此后，通過進(jìn)一步研究，要分別提出適合于不同類別軟巖大變形隧道圍巖擠壓大變形相對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)方法，建立各自特定條件下圍巖施工開挖穩(wěn)定性保障更為嚴(yán)密與可靠的理論依據(jù)［2］及其適用范圍與制約條件。對(duì)此，仍需廣泛搜集極大量的各類隧道圍巖大變形的實(shí)測(cè)資料/數(shù)據(jù)進(jìn)行深入探討。

2)本文非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型的編程工作目前還沒有拓展至三維、大變形狀態(tài)，這限制了它更大范圍的使用。在下一步的研究中，準(zhǔn)備進(jìn)一步探討計(jì)入幾何大變形而建立的非線性三維黏彈塑性流變本構(gòu)模型。

3)對(duì)于擠壓大變形流變本構(gòu)模型的某些復(fù)雜力學(xué)行為，本項(xiàng)研究尚未及涉獵，需要做更多的試驗(yàn)研究和理論探究。下一步擬進(jìn)一步改進(jìn)和完善目前工作中存在的不足，收集和利用筆者所在單位優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件，做出一批更為詳細(xì)的試驗(yàn)成果，將試驗(yàn)手段、數(shù)值計(jì)算和理論分析多種方法相互結(jié)合，以求更加深入地對(duì)擠壓性大變形流變力學(xué)行為作更為細(xì)致深入的研究，特別需要引入上述各種經(jīng)驗(yàn)方法中提出的多個(gè)主要有關(guān)因素，作為理論分析中的基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)。這是十分重要的一項(xiàng)關(guān)鍵所在。

4)本文未考慮地下水的滲流效應(yīng)，即所謂的流固耦合問題。如何將流固耦合與大變形黏彈塑性問題有機(jī)結(jié)合，發(fā)展并開發(fā)考慮流固耦合的大變形流變分析計(jì)算模塊，仍需作進(jìn)一步探究。

5)本項(xiàng)研究的對(duì)象目前尚限于以軟巖為主，而對(duì)于土工材料而言，由于多數(shù)軟黏性土體的黏聚力或內(nèi)摩擦角都相對(duì)較小，當(dāng)這類土體發(fā)生過大變形時(shí)，軟土隧道洞周土體可能多數(shù)已出現(xiàn)坍塌、突泥、滲水等危象［2］。總體言之，此時(shí)已不屬于連續(xù)介質(zhì)理論研究的范疇，本項(xiàng)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)所建立的大變形流變理論當(dāng)已不再適用，以土體材料為研究對(duì)象的大變形流變屬性問題，也是今后作者團(tuán)隊(duì)有意重點(diǎn)拓寬研究的主要方向之一。

6 管控/約束隧道圍巖大變形持續(xù)發(fā)展的錨固技術(shù)措施 －－一種新型大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索的研制與應(yīng)用

6.1 基本情況

眾所周知，假設(shè)在軟巖大變形洞室的開挖過程中，對(duì)圍巖能實(shí)時(shí)施加恒定的錨桿支護(hù)力，又能隨圍巖變形增長(zhǎng)而桿體同時(shí)作相等的位移滑動(dòng)(可藉本文介紹的大尺度讓壓錨桿施行)，而在變形趨于穩(wěn)定收斂時(shí)才最后將錨桿體鎖定、封死，則這樣將能以實(shí)施所謂的"邊支邊讓、先柔后剛"，以保證雖圍巖變形持續(xù)歷時(shí)發(fā)展而洞周圍巖體卻仍可維持其穩(wěn)定狀態(tài)，不至于在變形發(fā)展過程中坍塌失穩(wěn)。因此，就可以達(dá)到對(duì)圍巖有效錨固的目的。

由于圍巖體向洞內(nèi)大幅度地收斂，在其大變形值將達(dá)到如300 mm或以上時(shí)，將不可避免地要侵占到設(shè)計(jì)規(guī)定的洞室限界("侵限")。為此，可先擴(kuò)挖一定的洞周土石方來解決。此時(shí)，問題的關(guān)鍵在于:一是要求設(shè)計(jì)上能有據(jù)地確定洞室圍巖所要求的擴(kuò)挖量(指沿洞周徑向向上、向外的超挖尺寸);二是讓壓錨桿能在設(shè)計(jì)上滿足達(dá)到足夠的讓壓量δ1。如理論上使δ=δ1，則待變形趨于收斂后，作用于隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上的支護(hù)壓力將基本上歸零或很小。這樣，超挖增加的土石方工程量就可以由大幅減小內(nèi)襯厚度及其配筋量來得到補(bǔ)償。

我們?cè)捎蒙鲜龇桨冈谀车卮笞冃嗡淼绹鷰r施行該項(xiàng)作業(yè)。具體情況是:

1)在未考慮采用讓壓錨桿時(shí)，隧道內(nèi)襯的原設(shè)計(jì)厚度高達(dá)d=105 cm，而其配筋率(為需承受大的支護(hù)壓力)μ≈2%;曾采用超前大管棚 /雙層小導(dǎo)管注漿作為超前預(yù)支護(hù)加固地層，又增設(shè)密排的格柵鋼拱架作強(qiáng)力支撐(初期支護(hù))。

2)采用上述讓壓錨桿的理念，后經(jīng)改變?cè)O(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)洞室擴(kuò)挖尺度為δ=80 cm(按第5節(jié)計(jì)算再結(jié)合參考第4節(jié)各種經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法所得的日后洞周大變形收斂量，其值由第5節(jié)所述已研制的專用程序軟件作計(jì)算預(yù)測(cè)后確定)。

3)經(jīng)采用本文所建議的新型大尺度讓壓錨桿作實(shí)時(shí)支護(hù)后，讓壓量亦設(shè)定為δ1=80 cm，此時(shí)的錨桿錨固屬性呈既施加恒定支護(hù)力，又可隨圍巖一起同步產(chǎn)生滑移的柔性性態(tài)。洞室圍巖經(jīng)后續(xù)實(shí)測(cè)所得的內(nèi)凈空最大收斂量為 δ'=74.4 cm(此時(shí)，在達(dá)到 δ'后，洞室圍巖的變形位移即戛然停止于此定值，此后即趨于收斂、不動(dòng)狀態(tài))。這之后，就可將讓壓錨桿最終鎖定成剛性錨固。

4)經(jīng)改用本文建議的上述錨固工藝方案后，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的厚度可由原設(shè)計(jì)的d=105 cm銳減為d1=45 cm，而相應(yīng)的配筋率則基本上只為承受襯砌混凝土內(nèi)溫度變化和收縮應(yīng)力需要配置的構(gòu)造配筋量，取配筋率μ1≈0.4%即可。這樣，二次襯砌厚度及其配筋率均得到了大幅降低，對(duì)因超挖80 cm后所增大的土石方工程量在經(jīng)濟(jì)上將因此補(bǔ)償有余，而這里的圍巖大變形收斂量已得到了有效的管控和約束。為此，本項(xiàng)設(shè)計(jì)取得了應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益，其工程技術(shù)成果被業(yè)界認(rèn)同。

6.2 讓壓錨具的受力機(jī)制與相應(yīng)構(gòu)造

筆者團(tuán)隊(duì)近年來與杭州圖強(qiáng)工程材料公司合作研制了一種新型大尺度讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力錨索。這種新型大尺度讓壓錨具的基本構(gòu)造包括擠壓頭、讓壓腔(套筒)和錨筋，如圖10所示。擠壓頭為下部帶有短錐面的圓柱體，擠壓頭通過與錨筋錨固連成一體。擠壓頭置于讓壓套筒內(nèi)，而套筒深置于圍巖體上部基本穩(wěn)固不動(dòng)的部位。圍巖向洞內(nèi)凈空變形時(shí)，擠壓頭在套筒內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生讓壓量。讓壓套筒內(nèi)壁設(shè)有與擠壓頭下部錐面相契合并沿環(huán)向呈凸、凹形的弧型曲面，即其突棱的端部為與擠壓頭下部錐面相互契合的環(huán)曲形凸、凹面，以增大擠壓頭受力后在腔壁內(nèi)滑移時(shí)的摩擦阻力。該讓壓錨具可以達(dá)到錨固時(shí)實(shí)現(xiàn)定值的設(shè)定讓壓量δ1，并提供恒定的支護(hù)抗力，達(dá)到控制圍巖大變形的目的，它適用于多種材料和不同型式的錨筋、預(yù)應(yīng)力錨索。該種讓壓錨具制作方便，效果可靠，可針對(duì)不同的需求進(jìn)行讓壓，以廣泛適應(yīng)各類巖土大變形的工程需要。

圖10 讓壓錨桿構(gòu)造Fig.10 Structure of yielding rock bolt

其應(yīng)用范圍主要有:1)各類地下工程、交通與水利隧道工程、自然和人工邊坡、建筑基坑工程等所需用的讓壓型錨固支護(hù);2)除了對(duì)巖土工程/隧道圍巖擠壓大變形作錨固支護(hù)外，還可推廣用于控制巖爆、抗地震、工程爆破作業(yè)等瞬間沖擊型應(yīng)力波的防治，相信也會(huì)有明顯效果(尚未有正式工程項(xiàng)目實(shí)踐，但已在江西省某高陡人工開挖巖坡，為約束坡體變形進(jìn)行過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了成功)。

隨圍巖向洞內(nèi)收斂、位移，錨桿/錨索在錨腔內(nèi)克服與腔壁的摩擦力而滑移(見圖11)，形成讓壓量，同時(shí)提供設(shè)計(jì)要求的恒定支護(hù)力，以約束圍巖的自由松動(dòng)變形。待圍巖變形達(dá)到收斂穩(wěn)定以后，將錨固鎖定不動(dòng)，最終形成"邊支邊讓、先柔后剛"，起到保持圍巖持續(xù)穩(wěn)定的效果。讓壓錨桿(索)讓壓特性見圖12。

圖11 錨桿/錨索在錨腔內(nèi)滑移效果圖Fig.11 Effectofsliding ofrock bolt/anchorcable in anchorage chamber

圖12 讓壓錨桿(索)讓壓特性Fig.12 Yielding performance of yielding rock bolt/anchor cable

6.3 讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力錨索的受力特性與錨固工藝

1)A型。剛性粘結(jié)型，可施加(或不施加)預(yù)應(yīng)力的粗鋼筋讓壓錨桿(見圖13)。其規(guī)格和技術(shù)參數(shù)如表6所示。

圖13 A型:剛性粘結(jié)型(施加預(yù)應(yīng)力與否均可)的粗鋼筋讓壓錨桿Fig.13 Type A:Rigid-bonded yielding rock bolt made of steel tendon(prestressed or unprestressed)

表6 A型規(guī)格及技術(shù)參數(shù)Table 6 Specifications and technical parameters

將帶有上述讓壓錨具的整套錨桿或預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索安裝到錨腔中以后，安裝墊板，螺母先不固定鎖死。此后，錨體將在錨腔內(nèi)隨圍巖變形而滑移，形成柔性讓壓，錨腔在圍巖深部固定不動(dòng)的情況下，將可提供恒定不變的支護(hù)力。在變形達(dá)到收斂穩(wěn)定后，進(jìn)行腔體注漿，在錨孔內(nèi)形成注漿體;當(dāng)漿液固結(jié)到一定強(qiáng)度后，鎖定螺母，封死錨桿體，實(shí)施最后的剛性錨固。根據(jù)錨固力需要，也可以先進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，在張拉力未松開前先在錨孔內(nèi)壓注速凝漿，待漿液固結(jié)后松開張拉力，并封死錨頭使錨桿對(duì)圍巖施加設(shè)定的預(yù)壓應(yīng)力。

錨筋在一定的因圍巖向隧道內(nèi)凈空收斂而形成的拉力下，對(duì)洞周圍巖起到由設(shè)計(jì)制定的恒定錨固/支護(hù)力，通過其前端的錨固讓壓裝置起到可以產(chǎn)生設(shè)定滑移讓壓量的柔性錨固作用。還可實(shí)施一定量值的預(yù)應(yīng)力張拉，形成初始的主動(dòng)拉力，以使圍巖先期承受預(yù)壓，效果當(dāng)會(huì)更佳。錨筋帶動(dòng)擠壓頭相對(duì)于讓壓套筒做具有可提供恒定支護(hù)力(克服套筒與擠壓頭間凸、凹曲面上的最大摩阻力)的定值滑移(讓壓)。這時(shí)，擠壓頭與讓壓套筒內(nèi)的突棱呈相互擠壓而滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錨桿/錨索要求的讓壓作用，以適應(yīng)圍巖所產(chǎn)生的大變形;同時(shí)，又保持錨具對(duì)巖體施加恒定的設(shè)定支護(hù)力值，使大變形圍巖在柔性錨固過程中能將過度變形適度釋放，以維護(hù)錨固效果的有效性，保護(hù)錨固的可靠性，為工程安全提供保障。

除按設(shè)計(jì)要求提供合理的恒定支護(hù)力值以外，設(shè)定的讓壓量值的精準(zhǔn)程度關(guān)系到洞室預(yù)留超/擴(kuò)挖量的多少，以及后續(xù)施作隧道二次襯砌(內(nèi)襯砌)的剛度(襯砌厚度)、配筋量及其最佳施筑時(shí)間。前者，由本文第5節(jié)所述、已研制的專用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算后作出;而后者，則由圍巖"收斂－約束"曲線，按我處另外已研制的其他軟件專用程序，亦可經(jīng)計(jì)算后確定，這里不再詳述。

當(dāng)圍巖體的變形量使錨桿/錨索的拉力持續(xù)增長(zhǎng)而超過桿、索的設(shè)計(jì)滑移力后，內(nèi)錨固段(錨頭+錨桿)和外錨固段(套筒、錨腔)之間的錨桿/錨索將會(huì)在保持一定恒定拉力并在支護(hù)力持續(xù)不變的情況下自動(dòng)"滑移"。產(chǎn)生預(yù)設(shè)定的滑動(dòng)位移(讓壓量)，桿(索)體自身只有彈性伸長(zhǎng)變形，與材料屈服無關(guān)。此時(shí)，讓壓錨桿(錨索)的"滑移"是依賴于具有恒定錨固力的讓壓裝置，使錨體在恒定拉力作用下在該裝置中產(chǎn)生平穩(wěn)滑動(dòng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的最大讓壓量為止。

2)B型。柔性無粘結(jié)型鋼絞線、變形可控的讓壓長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨索，其讓壓特性如圖14所示。

3)C型。成組式讓壓分散型預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索(用于對(duì)巖坡加固、需施加的預(yù)應(yīng)力和支護(hù)力更大時(shí)，并需采用長(zhǎng)大錨索的場(chǎng)合)，如圖15所示。圖15中的讓壓裝置沿鋼索縱長(zhǎng)前、后共3組，每組有3個(gè)讓壓套管。

圖14 B型:柔性粘結(jié)型鋼絞線變形可控式讓壓錨索Fig.14 Type B:Flexible-bonded deformation-controllable yielding anchor cable made of steel strand

圖15 C型:成組讓壓分散型預(yù)應(yīng)力錨索(當(dāng)需要錨固力大、讓壓量多時(shí)，適合對(duì)巖坡加固時(shí)采用)Fig.15 Type C:Yielding-scattered prestressed anchor cable，which is applicable to the consolidation of rock slopes where huge anchoring forces and huge yielding are needed

7 討論

下一步研究擬在讓壓錨桿作初期支護(hù)時(shí)，為求成錨快速，建議選用一種自進(jìn)式錨桿(早年曾稱之為邁式錨桿)，鉆、錨、注三位一體的、具有快速成錨的新一代讓壓錨桿，來管控/約束此類大變形圍巖的施工穩(wěn)定性，使圍巖變形能夠更早、更快地形成錨固約束力，并始終處于受恒定錨固/支撐力作用下，而不至于在讓壓錨固體形成之前圍巖就先已發(fā)生早期坍塌;在施作二次襯砌后，其與圍巖間的接觸壓力將大大降低，起到進(jìn)一步減小二次襯砌厚度與其配筋量的作用。

以上方法已先后在上述幾處工地不同程度地成功實(shí)施。該方法的成功實(shí)施，關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)變形量δ的準(zhǔn)確性，這取決于由量測(cè)所得的地應(yīng)力參數(shù)和諸巖性參數(shù)的可靠性及其準(zhǔn)確程度。同時(shí)，預(yù)測(cè)變形量δ的準(zhǔn)確性也是求得錨桿所提供讓壓量值δ1精確值的保證。

［1］ 孫鈞，潘曉明.隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學(xué)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(10):1957 － 1968.(SUN Jun，PAN Xiaoming.Research on large squeezing deformation and its nonlinear rheological mechanical characteristics of tunnel with weak surrounding rocks ［J］.Chinese JournalofRock Mechanics and Engineering，2012，31(10):1957 －1968.(in Chinese))

［2］ 孫鈞，潘曉明，王勇.隧道圍巖擠入型流變大變形預(yù)測(cè)及其工程應(yīng)用研究［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(5):646 － 653.(SUN Jun，PAN Xiaoming，WANG Yong.Study on the prediction of large squeezing creep-deformation oftunnelsurroundingrocks＆ its applications［J］.Journal of Henan University:Natural Science，2012，42(5):646 － 653.(in Chinese))

［3］ 孫鈞.巖石流變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進(jìn)展［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(6):1081－1106.(SUN Jun.Rock rheologicalmechanics and its advance in engineering applications［J］.Chinese JournalofRock Mechanics and Engineering，2007，26(6):1081 － 1106.(in Chinese))

［4］ 潘曉明，楊釗，許建聰.非定常西原黏彈塑性流變模型的應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(增刊1):2640 －2646.(PAN Xiaoming，YANG Zhao，XU Jiancong.Application study of Nonstationary Nishihara Viscoelastoplastic Rheological Model［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(S1):2640 － 2646.(in Chinese))

［5］ 孫鈞.巖土材料流變及其工程應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.(SUN Jun.Rheological behavior of geomaterials and its engineering applications［M］.Beijing:China Architecture and Building Press，1999.(in Chinese))

［6］ 潘曉明.擠壓大變形隧道圍巖流變力學(xué)特征研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2011.(PAN Xiaoming.Study on squeezing large deformation rheological mechanical characteristics of tunnelsurrounding rocks ［D］. Shanghai:Tongji University，2011.(in Chinese))

［7］ 齊明山.大變形軟巖流變性態(tài)及其在隧道工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.(QI Mingshan.Rheological behavior of soft rock under large deformation and its applications in tunnel engineering structures［D］.Shanghai:Tongji University，2006.(in Chinese))

［8］ 趙旭峰.擠壓性圍巖隧道施工時(shí)空效應(yīng)及其大變形控制研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.(ZHAO Xufeng.The temporal and spatial effect in construction and control of large deformation of tunnels in squeezing ground［D］.Shanghai:Tongji University，2007.(in Chinese))

［9］ 孫鈞，王勇.一種新型讓壓錨具的研制與開發(fā)應(yīng)用［R］.杭州:杭州豐強(qiáng)土建工程研究院，2012.(SUN Jun，WANG Yong.Development and application of a new type of yielding anchor device ［R］.Hangzhou:Hangzhou Fengqiang Civil Engineering Research Institute，2012.(in Chinese))