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    超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

    2020-10-17 03:28:30
    中國鐵道科學(xué) 2020年5期
    關(guān)鍵詞:軸力跨度拱頂

    (北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

    近年來我國高速鐵路快速發(fā)展,一些多線(3線及以上)鐵路隧道或車站隧道的單跨開挖跨度越來越大,有的可達30 m 以上。超大跨度隧道在鐵路中的應(yīng)用開始愈發(fā)廣泛,并成為鐵路地下工程的1 個重要研究領(lǐng)域。對于超大跨度隧道,隨著其開挖尺寸的增加,隧道圍巖應(yīng)力的演化過程愈發(fā)復(fù)雜,圍巖變形的控制難度顯著增大,在隧道建設(shè)過程中發(fā)生塌方等事故的風(fēng)險不斷上升,相應(yīng)地,隧道支護設(shè)計也面臨極大挑戰(zhàn)。

    大跨度隧道的支護設(shè)計及施工方法引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,已有諸多相關(guān)研究見諸發(fā)表。在國內(nèi),張頂立等[1]分析了大跨隧道不同開挖方法(臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法)及支護方式下圍巖變形特點和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;龔彥峰等[2]和洪軍等[3]分析了新考塘隧道靴型大邊墻、分層開挖及多重支護技術(shù);蔣樹屏等[4]通過相似模型試驗,模擬了扁平大跨隧道的施工過程;曲海峰[5]研究了大跨隧道的荷載計算方法;章慧健等[6]和朱正國等[7]分析了烏蒙山2 號隧道的圍巖松動區(qū)、支護特性及施工方法。在國外,Van??ek等[8]分析了捷克Kobylisy車站隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計及施工方案;Leblais 等[9]介紹了英法海峽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 大跨隧道設(shè)計方法;Sadaghiani 等[11]介紹了伊朗Mansour 車站隧道的建造方法;Robinson 等[12]分析了美國貝克山超大斷面隧道(直徑24.4 m)的地層—支護作用特性;Lunardi[13]和Park等[14]分別分析了意大利Venezia車站隧道和韓國923 車站隧道的大直徑管幕支護設(shè)計及施工過程。然而,現(xiàn)有的大跨度隧道建造方法仍大量采用臨時支護(中隔壁和臨時仰拱等)來實現(xiàn)分布分塊開挖,其施工空間較為狹窄,不利于大型機械設(shè)備的應(yīng)用。此外,臨時支護的拆除是1個復(fù)雜的力學(xué)轉(zhuǎn)換過程,極易發(fā)生支護失效,進而引發(fā)大變形和坍塌等工程災(zāi)害。因此十分有必要研究提出更為合理的支護形式,實現(xiàn)開挖過程中的圍巖穩(wěn)定和支護可靠,為隧道結(jié)構(gòu)的長期安全提供保障。

    預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護是超大跨度隧道的1 種新的支護形式,早期主要應(yīng)用于大斷面煤礦巷道、地下水電站、地下體育場等大型地下空間的支護[15-17],隨著巖土錨固技術(shù)的不斷進步,該方法開始應(yīng)用于大跨度鐵路隧道建設(shè)。本文以京張高鐵八達嶺長城站超大跨度隧道為工程案例,基于錨桿和錨索的軸力監(jiān)測結(jié)果,研究預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為,再結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果,分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理,探索這種新型錨固支護技術(shù)在超大跨度高鐵隧道領(lǐng)域的應(yīng)用可行性,以期為今后類似工程建設(shè)提供借鑒與參考。

    1 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索軸力監(jiān)測

    1.1 工程概況

    京張高鐵八達嶺長城站的車站主體位于八達嶺長城下方山體中,最大埋深102 m,主體部分為3洞小凈距隧道;兩端為單拱超大跨度隧道,此處由正線處的2 線鐵路逐漸過渡為車站處的4 線鐵路,最大開挖跨度32.7 m,開挖面積494 m2;小凈距隧道與單拱超大跨度隧道之間由3 連拱隧道連接。車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面形式如圖1所示。

    張家口方向超大跨度隧道巖體主要為燕山晚期侵入巖,如花崗巖、細粒花崗巖、偉晶花崗巖,斑狀二長花崗巖等;并發(fā)育有F2 斷層,該斷層與洞身相交于DK68+260—DK68+300(見圖1),與線路相交角35°,斷裂產(chǎn)狀為236°∠80°,為一壓扭性斷裂,上盤為花崗巖,下盤為斑狀二長花崗巖,斷層帶內(nèi)為壓碎巖,該區(qū)域巖體破碎,圍巖穩(wěn)定性差,受斷層影響,超大跨度隧道5號斷面和連拱隧道局部區(qū)域的圍巖等級為Ⅴ級(張家口方向1號—5號斷面的圍巖分級依次為Ⅲ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅳ,Ⅴ)。

    圖1 車站平面及張家口方向的超大跨度隧道斷面圖(單位:m)

    為實現(xiàn)京張高鐵八達嶺長城站的超大跨度隧道安全建設(shè),探索應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護方法,調(diào)動圍巖自身承載能力來支護隧道荷載。預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索均采用先張法施工,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由錨頭、自由段、錨固段3部分組成。張家口方向大跨段各斷面處的錨桿、錨索支護參數(shù)見表1。

    預(yù)應(yīng)力錨桿為中空鋼管,直徑32 mm、壁厚6 mm,設(shè)計強度205 kN,預(yù)應(yīng)力120 kN。最大開挖跨度處的錨桿長度達11 m。錨桿施工分為3步:①鉆孔并裝入錨桿桿體,使用水泥錨固劑對錨固段進行錨固;②在錨固段達到設(shè)計強度后,使用千斤頂對自由段進行張拉以施加預(yù)應(yīng)力,通過錨墊板和螺栓對預(yù)應(yīng)力進行鎖定;③對自由段進行注漿,注漿壓力為1~1.5 MPa,實現(xiàn)錨桿與圍巖的全長黏結(jié)。

    圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索構(gòu)造

    表1 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索長度

    錨索索體由7 束或5 束直徑為15.2 mm 的鋼絞線組成,設(shè)計強度分別為1 000,700 kN,錨索預(yù)應(yīng)力是其設(shè)計強度的70%,分別為700,490 kN。最大開挖跨度處的錨索長度達25 m。錨索施工也分為3步進行,但與錨桿略有不同:①鉆孔并裝入錨索索體及注漿管,對自由段進行注漿,注漿壓力為1~2 MPa;②使用硫鋁酸鹽水泥漿對錨固段進行高壓注漿,注漿壓力為4~7 MPa,硫鋁酸鹽水泥早期強度高,3 d 即可達到設(shè)計錨固強度,可實現(xiàn)錨索的及時張拉;③錨固段達到設(shè)計強度后,安裝錨墊板,對自由段進行分級張拉以施加預(yù)應(yīng)力,使用楔形錨頭進行預(yù)應(yīng)力鎖定。施工中,注漿的作用在于充填鉆孔、擠密圍巖并防止錨索發(fā)生應(yīng)力腐蝕,注漿后錨索自由段處于非黏結(jié)狀態(tài)。

    具體作業(yè)時,將超大跨度隧道劃分為4 臺階、11 步進行開挖,其開挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。每步開挖后及時施作初期支護,并安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索錨固圍巖。

    圖3 超大跨度隧道開挖順序及錨桿—錨索協(xié)同支護結(jié)構(gòu)(單位:m)

    1.2 監(jiān)測方案

    該超大跨度隧道與F2斷層相交于最大跨度(5號)斷面,兼具破碎巖體(Ⅴ級圍巖)和超大跨度(32.7 m)這2 種特征,因此5 號斷面的開挖成為超大跨度隧道的建設(shè)難點。出于控制圍巖變形、確保圍巖穩(wěn)定等考慮,該區(qū)域設(shè)置的錨桿、錨索長度最長,錨索支護密度相應(yīng)增加。為了研究開挖過程中預(yù)應(yīng)力錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)行為,在施工階段對隧道5號斷面錨桿、錨索的軸力進行監(jiān)測,測點布置如圖4所示,監(jiān)測斷面里程為DK68+297。

    預(yù)應(yīng)力錨桿自由段通過注漿體與圍巖相黏結(jié),在錨桿與圍巖的協(xié)調(diào)變形過程中,其自由段各點處軸力出現(xiàn)不同程度的變化,故采用自由段多點軸力監(jiān)測、端部軸力監(jiān)測2種形式觀察錨桿軸力變化。

    預(yù)應(yīng)力錨索自由段的鋼絞線外設(shè)有套管保護,錨索自由段不與圍巖黏結(jié),在錨索與圍巖的協(xié)調(diào)變形過程中,其自由段不同位置處的軸力始終保持一致,故采用端部軸力監(jiān)測的形式觀察錨索軸力變化。

    圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索軸力監(jiān)測點布置

    1)預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點軸力監(jiān)測方案

    對拱頂和左右拱腰處的錨桿進行自由段多點軸力監(jiān)測,可以詳盡地反映錨桿支護力沿軸向的變化規(guī)律,有利于揭示預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為。7 個測點沿自由段順次分布,間距分別為1.4,1.3,1.3,1.3,1.3,1.4 m,如圖5所示。所用傳感器為振弦式鋼筋計,監(jiān)測錨桿的安裝經(jīng)由錨桿段切割、錨桿段與傳感器連接、組裝監(jiān)測錨桿并放入鉆孔、錨桿張拉及注漿4步完成。

    圖5 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段測點布置(單位:m)

    2)預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測方案

    對拱腳和邊墻處錨桿采用端部軸力監(jiān)測方法,是出于以下2 點考慮:其一,多點軸力監(jiān)測錨桿安裝過程復(fù)雜,傳感器監(jiān)測導(dǎo)線與鉆孔巖壁的摩擦可能導(dǎo)致線路損壞,特別是當鉆孔傾角較小時(拱腳及邊墻處),在安裝過程中會出現(xiàn)導(dǎo)線磨損導(dǎo)致多個傳感器失效的情況;其二,拱部錨桿監(jiān)測結(jié)果表明,錨桿端部的軸力與自由段上其他點處的相近,具有一定代表性。因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測方式,以提高傳感器的安裝效率和儀器存活率。

    監(jiān)測使用的振弦式錨桿測力計安裝形式如圖6所示。在施加預(yù)應(yīng)力之前,將其套裝在錨桿端部即可。測力計兩端各有1個墊板,錨桿預(yù)應(yīng)力通過墊板均勻地傳遞到傳感器上。與多點軸力監(jiān)測方法相比,端部監(jiān)測方法安裝操作簡便,可在超大跨度隧道錨桿軸力監(jiān)測中大量應(yīng)用。

    圖6 端部錨桿測力計及其示意圖

    3)預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測方案

    對錨索僅需測其端部軸力,這是因為錨索自由段的鋼絞線表面有套管保護,注漿后,錨索自由段與注漿體、圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài),其軸力沿自由段不發(fā)生變化。

    監(jiān)測使用的振弦式錨索測力計安裝形式如圖7所示。在錨索張拉階段,需對測力計進行安裝,且其安裝要求比較嚴格,錨墊板、上下墊板、錨索測力計、錨具、張拉千斤頂?shù)染鶓?yīng)與錨索孔同軸,以避免出現(xiàn)偏心荷載。

    圖7 錨索測力計及其示意圖

    2 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索力學(xué)行為

    超大跨度隧道的開挖過程較為復(fù)雜,數(shù)據(jù)分析困難較大。為了簡化分析,基于各開挖步在時間和空間上的分布,將超大跨度隧道的施工過程劃分為5 個階段,分別是:①導(dǎo)洞開挖;②上臺階開挖;③中臺階開挖;④下臺階開挖;⑤仰拱開挖及二襯施做。各階段劃分如圖8所示。在各施工階段劃分基礎(chǔ)上,對預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的力學(xué)行為進行分析。

    圖8 超大跨度隧道開挖階段劃分

    2.1 預(yù)應(yīng)力錨桿自由段多點軸力監(jiān)測結(jié)果

    隧道拱頂和左、右拱肩處的錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果如圖9和圖10所示,圖中Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力,錨桿軸向坐標原點定義為錨墊板處,錨桿測點位置以軸向坐標計算,具體分析如下。

    圖9 錨桿多點軸力監(jiān)測

    圖10 錨桿自由段軸力分布(單位:kN)

    1)隧道拱頂錨桿軸力

    對于拱頂處錨桿,在安裝后5~10 d 表現(xiàn)為較為典型的預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài),但其自由段各點處的預(yù)應(yīng)力損失比例不同;3 個月后,錨桿軸力已基本趨于穩(wěn)定,然而當上臺階左、右側(cè)圍巖開挖后,由于拱頂處圍巖受到擾動,錨桿軸力發(fā)生較大損失;此后,隨著圍巖變形的發(fā)展,錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形,從而使錨桿軸力出現(xiàn)顯著增長。在第2、3 層臺階開挖過程中,拱頂錨桿各點處的軸力出現(xiàn)較大的離散,仰拱開挖及二襯施做后,錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定。綜合來看,拱頂錨桿軸力因受后續(xù)開挖過程的顯著影響,表現(xiàn)出波動特性;錨桿預(yù)應(yīng)力因巖體爆破振動和開挖擾動的存在,可能受到損失;錨桿軸力因受圍巖與錨桿協(xié)調(diào)變形的影響,又會出現(xiàn)增長。

    2)左拱肩錨桿軸力

    與先行導(dǎo)洞相比,上臺階左、右側(cè)開挖較晚,左、右拱肩處的錨桿安裝大概滯后拱頂處1年。

    左拱肩錨桿在經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力快速損失階段后趨于穩(wěn)定;在第③和第④階段中、下臺階巖體開挖后,其錨桿軸力出現(xiàn)較為顯著的增長,即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起的錨桿被動支護力增長超過了其預(yù)應(yīng)力損失;在仰拱開挖及二襯施做過程中,錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

    3)右拱肩錨桿軸力

    右拱肩處錨桿也有著相似的力學(xué)行為,第③和第④階段中、下層臺階開挖使錨桿各點處的軸力出現(xiàn)不同幅度的增長,沿錨桿軸向各測點軸力出現(xiàn)較大的離散,錨桿軸力在開挖后期表現(xiàn)為緩慢的軸力下降過程。

    4)以上3處錨桿的軸力分布

    整理隧道拱頂和左、右拱肩處錨桿自由段軸力分布如圖10所示。由圖可知:錨桿軸力最大值出現(xiàn)在錨桿端部或靠近端部測點。這表明,靠近隧道開挖邊界處的圍巖變形相對較大,且圍巖變形受到預(yù)應(yīng)力錨桿的有效約束。錨桿的初始預(yù)應(yīng)力Fp1如圖中虛線所示,顯然,錨桿軸力總體上表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài),除個別點軸力超過初始預(yù)應(yīng)力外,其他測點的錨桿軸力均小于初始預(yù)應(yīng)力。這表明,與預(yù)應(yīng)力損失的影響相比,錨桿被動支護作用帶來的軸力增長相對較小,因此錨桿軸力總體上表現(xiàn)為下降趨勢。

    根據(jù)Freeman[18]中性點理論,全長黏結(jié)錨桿(無預(yù)應(yīng)力)的軸力及剪應(yīng)力分布如圖11所示,其剪應(yīng)力與軸力間關(guān)系可以表示為

    式中:F為全長黏結(jié)錨桿的軸力;D為錨桿直徑;τb為錨桿與注漿體間剪應(yīng)力;L為錨桿軸向坐標;Fh為錨墊板支護力。

    顯然,全長黏結(jié)錨桿(無預(yù)應(yīng)力)上存在1 個中性點,該點處錨桿與注漿體間剪應(yīng)力τb為0,且中性點兩側(cè)剪應(yīng)力反向。對于只有1個中性點的非預(yù)應(yīng)力錨桿而言,中性點也是其軸力最大值點。

    然而預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力分布更為復(fù)雜。由圖10可知,在錨桿的自由段,其軸力存在多個極大值點和極小值點,這表明預(yù)應(yīng)力錨桿可能存在多個中性點,現(xiàn)以左拱肩處錨桿為例做進一步分析。

    圖11 全長黏結(jié)錨桿(非預(yù)應(yīng)力)軸力及剪應(yīng)力分布

    預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段軸力及剪應(yīng)力分布的研究已經(jīng)較為成熟,根據(jù)現(xiàn)有研究[19-21]對其錨固段軸力分布曲線進行補全,基于式(1),可得到錨桿與注漿體之間的剪應(yīng)力分布曲線,如圖12所示。顯然,該錨桿自由段處存在3個中性點,分別出現(xiàn)在錨桿軸力的2 個極大值處和1 個極小值處。實際上,由于該預(yù)應(yīng)力錨桿長度達到11 m,且錨固巖體較為破碎,監(jiān)測所得的軸力極值點個數(shù)可能少于其實際個數(shù)。由此可知,預(yù)應(yīng)力錨桿上通常存在多個中性點,這是與現(xiàn)有普通錨桿(非預(yù)應(yīng)力錨桿)錨固理論存在較大差異的力學(xué)特性。

    圖12 左拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿剪應(yīng)力分布

    2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿端部軸力監(jiān)測結(jié)果

    如前所述,多測點的錨桿測力計對鉆孔精度、安裝方法、導(dǎo)線保護等要求較高,且錨桿端部軸力基本可以反映錨桿自由段的受力情況,因此拱腰及邊墻處的錨桿采用端部軸力監(jiān)測方式,監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

    圖13 錨桿端部軸力監(jiān)測

    由圖可知:在左拱腰處,錨桿軸力增長較為顯著,下臺階開挖后,在錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過程中,錨桿軸力迅速增長并超過錨桿的初始預(yù)應(yīng)力,然后趨于穩(wěn)定,這表明仰拱開挖對拱腰處錨桿受力影響較小。在右拱腰處,錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后,軸力表現(xiàn)為波動下降的趨勢,直至初期支護閉合后軸力趨于穩(wěn)定。在左拱墻處,錨桿經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力損失階段后,軸力基本趨于穩(wěn)定,這表明該處圍巖穩(wěn)定,受后續(xù)開挖影響較小。在右拱墻處,錨桿初始階段預(yù)應(yīng)力損失較小,但錨桿經(jīng)歷了一個較長的預(yù)應(yīng)力緩慢損失階段。

    由前文分析可知,預(yù)應(yīng)力錨桿的支護力由3 個部分組成:①初始預(yù)應(yīng)力,也可稱為主動支護力;②預(yù)應(yīng)力損失,與錨具形式、安裝張拉工藝、桿體的材料特性、注漿體的壓縮等多種因素有關(guān);③被動支護力,即錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形過程中的錨桿軸力增長。則預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力可表示為

    式中:F1為錨桿軸力;Fp1為錨桿初始預(yù)應(yīng)力;Fs1為錨桿被動支護力;ΔFL1為錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

    錨桿的初始預(yù)應(yīng)力在其張拉階段就已確定。在隧道開挖階段,預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力演化過程實際上是被動支護力和預(yù)應(yīng)力損失相互作用的過程:當被動支護力大于預(yù)應(yīng)力損失,錨桿表現(xiàn)為軸力的上升;當被動支護力小于預(yù)應(yīng)力損失,錨桿表現(xiàn)為軸力的下降。由此,錨桿的軸力演化過程可以劃分為3個階段。

    1)預(yù)應(yīng)力快速損失階段

    在錨桿安裝后10~20 d,預(yù)應(yīng)力損失遠大于被動支護力,錨桿表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài),其預(yù)應(yīng)力損失率一般處于4%~12%之間,且自由段不同位置處出現(xiàn)軸力離散,各測點最大軸力差值為3~5 kN。

    2)錨桿軸力波動階段

    隨著開挖范圍的擴大,錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形引起被動支護力增長,根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力大小關(guān)系的不同,錨桿軸力表現(xiàn)為波動式的上升或下降,同時其自由段不同位置處的軸力出現(xiàn)較大的離散,各測點處最大軸力差值為20~30 kN。

    3)錨桿軸力穩(wěn)定階段

    隨著時間的推移、開挖擾動的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉,預(yù)應(yīng)力損失逐漸減弱,被動支護力也不再顯著增長,錨桿軸力趨于穩(wěn)定。

    2.3 預(yù)應(yīng)力錨索端部軸力監(jiān)測結(jié)果

    如前所述,預(yù)應(yīng)力錨索自由段與圍巖處于非黏結(jié)狀態(tài),其自由段各點處軸力相等,只需監(jiān)測錨索端部軸力即可,監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。拱頂處錨索經(jīng)過預(yù)應(yīng)力快速損失后,其軸力進入波動階段。受兩側(cè)圍巖開挖影響,錨索軸力出現(xiàn)較為顯著的增長;在中、下臺階開挖階段,受預(yù)應(yīng)力損失和開挖應(yīng)力釋放的雙重影響,錨索軸力較為穩(wěn)定。在下臺階開挖完成后,拱頂處圍巖基本穩(wěn)定,因此錨索軸力主要表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力緩慢損失狀態(tài),并逐步趨于穩(wěn)定。

    由圖可知:在左拱肩處,錨索張拉后的前10 d預(yù)應(yīng)力損失較大,損失值達到62 kN 后錨索軸力趨于穩(wěn)定,受上臺階右側(cè)及中、下臺階開挖影響,其支護力出現(xiàn)階段性的臺階式上升,直至開挖完成后趨于穩(wěn)定。在右拱肩處,錨索軸力增長較為顯著,中臺階開挖使錨索軸力快速增長,并超過其初始預(yù)應(yīng)力值。在左拱腰處,錨索軸力在下臺階開挖階段表現(xiàn)為波動上升,在仰拱開挖階段表現(xiàn)為緩慢下降并趨于穩(wěn)定。在右拱腰處,錨索經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力快速損失后,軸力略有上升,然后經(jīng)過一個較長的軸力下降區(qū)間,在仰拱開挖后趨于穩(wěn)定。在左拱墻處,錨索軸力演化也有類似的表現(xiàn),但相比之下,右拱墻處錨索在鄰近斷面仰拱開挖時出現(xiàn)軸力臺階式上升的情況,表明該時段右拱墻處圍巖受到較大擾動,錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形使錨索軸力快速增長。

    圖14 錨索軸力監(jiān)測

    根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知,預(yù)應(yīng)力錨索與預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)行為有相似之處,預(yù)應(yīng)力錨索支護力也是由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失、被動支護力這3部分組成,可表示為

    式中:F2為錨索軸力;Fp2為錨索初始預(yù)應(yīng)力;Fs2為錨索被動支護力;ΔFL2為錨索預(yù)應(yīng)力損失。

    同樣地,錨索的軸力演化過程也可以劃分為3個階段。

    1)預(yù)應(yīng)力快速損失階段

    在錨索安裝后10~30 d,預(yù)應(yīng)力損失遠大于被動支護力,錨索表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力快速損失狀態(tài),其預(yù)應(yīng)力損失率為2%~8%。

    2)錨索軸力波動階段

    在經(jīng)過預(yù)應(yīng)力快速損失階段后,預(yù)應(yīng)力損失減小;受下部開挖帶來的圍巖擾動影響,錨索與圍巖發(fā)生協(xié)調(diào)變形,錨索被動支護力開始增大;在開挖的不同階段,預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力的大小關(guān)系不斷變化,導(dǎo)致軸力不斷波動;當被動支護力較大時,錨索軸力出現(xiàn)波動上升趨勢,被動支護力很大時甚至出現(xiàn)軸力臺階式上升的情況;當被動支護力較小而預(yù)應(yīng)力損失值較大時,錨索軸力表現(xiàn)為波動下降趨勢。

    3)錨索軸力穩(wěn)定階段

    隨著時間的推移、開挖擾動的減小或停止、以及襯砌結(jié)構(gòu)的封閉,預(yù)應(yīng)力損失效應(yīng)和被動支護效應(yīng)逐漸減弱甚至消失,錨索軸力趨于穩(wěn)定。

    2.4 錨桿—錨索支護作用評價

    為了評價超大跨度隧道錨桿—錨索協(xié)同支護效果,分析后續(xù)開挖對錨桿—錨索支護體系的影響,在先行導(dǎo)洞拱頂最后1次噴鋼纖維混凝土?xí)r(導(dǎo)洞開挖完成后6 個月),于DK68+297 斷面拱頂埋設(shè)沉降測點,其監(jiān)測結(jié)果如圖15所示。

    圖15 拱頂沉降監(jiān)測

    由圖可知:在上臺階左、右側(cè)開挖面向測點位置推進時,拱頂沉降增長較快;在左、右拱肩處預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護完成后,拱頂沉降不再繼續(xù)增長。在中臺階開挖時,拱頂沉降變形繼續(xù)增大,拱腰處支護完成后,沉降值趨于穩(wěn)定。下臺階開挖對拱頂圍巖變形影響較小,但是在仰拱開挖階段,拱頂沉降顯著增大,這一方面是由于仰拱開挖造成的,另一方面則是由于距測點12 m 處的3 連拱隧道中洞開挖,使拱頂處圍巖受到擾動所致。

    結(jié)合實際來看,當3 連拱中洞開挖完成后,拱頂沉降趨于穩(wěn)定,最大拱頂沉降值為30.9 mm,圍巖變形量滿足安全性要求。對于開挖跨度達到32.7 m、開挖時間長達2年的超大跨隧道來說,這足以表明預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護體系可以有效控制圍巖變形,新型錨固支護體系的應(yīng)用成為八達嶺長城站超大跨度隧道建設(shè)成功的關(guān)鍵。

    3 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護效應(yīng)

    在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護體系中,錨桿、錨索支護區(qū)域不同,且錨桿、錨索支護區(qū)域內(nèi)的圍巖受到不同程度的開挖擾動。研究錨桿及錨索支護區(qū)域的圍巖損傷特性和穩(wěn)定性特征,對分析預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護效應(yīng)具有重要意義。

    3.1 超大跨度隧道微震監(jiān)測

    隧道開挖過程中,會對圍巖造成擾動,使巖體薄弱處發(fā)生開裂。這一巖體開裂過程伴隨著裂隙能量釋放,對其發(fā)出的微震信號加以采集和處理,可以獲取巖體損傷中微裂紋的位置、大小和破壞進程等信息,從而對隧道圍巖的損傷特性和發(fā)展趨勢進行分析[22-24]。

    在京張高鐵八達嶺長城站大跨度隧道建設(shè)中,采用微震監(jiān)測技術(shù)分析圍巖損傷特性,以進一步分析、印證預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的支護效應(yīng)。微震監(jiān)測系統(tǒng)由檢波器、GPS 時鐘同步裝置、數(shù)據(jù)采集儀、供電設(shè)備、光纖交換機、數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)組成,如圖16所示。

    圖16 微震系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

    圖17 微震事件平面分布圖(全部微震事件的10%)

    對超大跨度隧道開挖全過程進行微震監(jiān)測,獲得隧道周圍的微震事件分布如圖17所示,微震事件根據(jù)矩震級的不同,以顏色、大小不同的點來表示。由圖可知,沿隧道切向來看,越接近隧道開挖輪廓,其矩震級越大;沿隧道軸向來看,隨著開挖跨度的增大以及圍巖質(zhì)量的降低,微震事件的密度和矩震級逐漸增大。

    根據(jù)微震事件分布密度和矩震級的不同[25-27],可將圍巖劃分為開挖高損傷區(qū)、開挖低損傷區(qū)和開挖擾動區(qū)。其中,高損傷區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差,易發(fā)生塌方等事故,是隧道支護的重點,整理其沿隧道周邊的分布見表2。為了避免圍巖損傷程度的加劇和高損傷區(qū)范圍的擴大,需要對高損傷區(qū)圍巖進行及時、可靠的支護,以保證超大跨度隧道的施工安全。

    表2 大跨度隧道圍巖開挖高損傷區(qū)范圍匯總

    3.2 超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

    預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索共同應(yīng)用于超大跨度隧道支護時,錨桿和錨索因其支護區(qū)域、支護密度、預(yù)應(yīng)力及承載能力的特點而發(fā)揮相應(yīng)的作用,取超大跨度隧道局部區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護進行分析,如圖18(a)所示。圖中:預(yù)應(yīng)力錨桿的支護密度較大,錨桿安裝并張拉完成后,錨頭和錨固段處的預(yù)應(yīng)力Fp1擠壓圍巖,以∠α向圍巖中擴散形成1個錐形壓縮區(qū),各個錐形壓縮區(qū)相互重疊連接形成均勻的連續(xù)壓縮帶[28-29]。在該區(qū)域內(nèi),錨桿的預(yù)應(yīng)力主動支護作用提高了圍巖的最小主應(yīng)力σ3,從而顯著提高了圍巖強度;反過來,圍巖的進一步變形也會受到錨桿被動支護力Fs1的約束,圍巖與錨桿共同組成了1個有較強承載力的拱結(jié)構(gòu),稱之為組合拱,根據(jù)圖18(a)中所示幾何關(guān)系,組合拱的厚度可以表示為

    式中:db為組合拱厚度;Lb1為預(yù)應(yīng)力錨桿自由段長度;r為隧道曲率半徑;Sb1為錨桿間距;b為錨桿墊板寬度;α為壓力擴散角(常取α=45°進行計算)。

    在超大跨度隧道支護中,由于錨索的支護間距較大,往往不考慮其拱效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)點在于超長的支護長度和極強的承載能力,因此錨索一般錨固于深部的穩(wěn)定巖體中,其錨固段處圍巖變形較小,可以認為是1個固定點。通過超長的錨固深度,錨索調(diào)動深部巖體的承載能力支護圍巖,一方面發(fā)揮預(yù)應(yīng)力Fp2的主動支護作用加固組合拱,分擔(dān)一部分圍巖荷載;另一方面,由于組合拱內(nèi)圍巖的不均勻性和荷載分布的不均勻性,組合拱內(nèi)可能存在穩(wěn)定性較差的潛在失穩(wěn)區(qū),在錨索與圍巖協(xié)調(diào)變形的過程中,錨索被動支護力Fs2將有效加固變形較大的組合拱潛在失穩(wěn)區(qū),確保圍巖穩(wěn)定。

    根據(jù)圍巖漸進破壞及穩(wěn)定性的特征,可將穩(wěn)定性差且距離隧道邊界近的高損傷區(qū)巖體劃分為淺層圍巖;將穩(wěn)定性較好且距離隧道邊界較遠的低損傷區(qū)巖體及擾動區(qū)巖體劃分為深層圍巖[30-31]。根據(jù)表2列出的高損傷區(qū)(淺層圍巖)邊界,最大跨度斷面錨桿—錨索支護范圍及深、淺層圍巖分布如圖18(b)所示。由上述分析可知,在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護體系中,預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索因其支護范圍、支護密度的不同,在體系中發(fā)揮的作用也不同,其支護機理可總結(jié)為:錨桿主要分布在淺層圍巖內(nèi)部,錨桿預(yù)應(yīng)力擠壓巖體,在相鄰錨桿壓縮區(qū)相互疊加作用下,形成1個由錨桿和圍巖共同組成的組合拱結(jié)構(gòu)來承擔(dān)圍巖荷載;由于隧道跨度很大,組合拱難以承擔(dān)全部圍巖荷載,錨固于深層圍體中的預(yù)應(yīng)力錨索,可調(diào)動深層圍巖的承載能力,分擔(dān)錨桿組合拱承擔(dān)的圍巖荷載,加固組合拱潛在失穩(wěn)區(qū),從而提高錨桿組合拱穩(wěn)定性。

    圖18 預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理

    4 結(jié) 論

    預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力由初始預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和被動支護力3部分組成;預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的軸力演化過程均可劃分為預(yù)應(yīng)力快速損失、軸力波動和軸力穩(wěn)定等3個階段;預(yù)應(yīng)力錨桿軸力沿自由段非均勻分布,在自由段上存在多個中性點。

    預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索協(xié)同支護機理可總結(jié)為:淺層圍巖內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力錨桿與被錨固巖體共同組成了組合拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖荷載,預(yù)應(yīng)力錨索則調(diào)動深層圍巖承載力承擔(dān)圍巖荷載,提高組合拱穩(wěn)定性;在預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索的協(xié)同作用下,超大跨度隧道圍巖得到有效支護。

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