大跨度隧道主動支護施工體系及現場應用研究

劉遠建 LIU Yuan-jian

（中鐵發展投資有限公司，青島 266034）

0 引言

隨著我國城市化進一步發展，地下隧道建設規模越來越大，常規大跨度隧道支護設計在進行設計時，通過減小跨度的方式保障圍巖穩定，一般采用CD法、CRD法以及雙側壁導坑法[1]，支護方式以格柵鋼架結合錨噴組成的聯合支護方式為主[2]。

但對于大跨度隧道，常規的開挖及支護體系無法有效滿足大跨度地下隧道的圍巖控制要求[3]。諸多學者開挖工法進行了革新，李克先等[4]作者以青島地區“上軟下硬”地區的巖性，總結了多條線路、多個車站、不同巖跨比的開挖工法，對比了雙側壁導坑法、臺階法等傳統開挖工法與初支拱蓋法的區別，從安全性與經濟方面進行了優化。孔超等[5]針對地質條件復雜的貴陽地鐵，通過建立室內試驗模型，證明初支拱蓋法的支撐作用能夠有效的抑制圍巖的初期變形，承載性滿足工程需求。

目前，在地下大跨度隧道施工過程中，傳統開挖及支護技術不能兼顧施工效率與施工安全[6-8]，譚忠盛等[9]對比了以系統錨桿為主的被動支護體系與無錨桿支護體系，兩類支護條件下圍巖壓力接近，但被動支護作用下圍巖變形量高了40%，錨桿的軸力受力較小，支護效用不增反降，在現場做出了取消了系統錨桿的措施。陳建勛等學者[10]在現場監測中發現，在被動支護體系中錨桿與格柵鋼架的支護作用相互抵消，支護力反而難以發揮。

現有背景下，大跨度地下隧道亟需一種新的開挖及支護工法體系。因此，本文提出了以預應力錨桿為核心的主動支護工法，其支護理念是能夠迅速在較短的時間內施加高預應力，利用施加的高預緊力，實現對開挖后圍巖的應力補償，并在現場進行應用，通過圍巖的變形與錨桿軸力的受力特征驗證了施工體系的可行性。

1 工程背景

青島地鐵6號線創智谷站位于山東青島，為地下兩層島式暗挖車站，車站全長203.6m，站臺寬度11m，開挖跨度為21.5m，高度為18.5m，拱頂埋深約22.5~27.9m，屬于超大斷面。

2 施工技術

基于地質與施工條件，采用分部臺階法開挖，以預應力錨桿為核心的支護體系。

2.1 開挖工藝

分部臺階法開挖部序如圖1所示，拱部依次開挖“拱部上導坑→拱部左側導坑→拱部右側導坑→拱部中部巖體”，每循環開挖進尺為一榀格柵鋼架間距，隧道下部依次開挖“①→②→③→④→⑤→⑥”。

圖1 臺階法開挖部序圖

2.2 高預應力錨桿主動支護體系

2.2.1 支護體系設計

基于摩爾-庫倫破壞力學判別準則，建立了高預應力錨桿主動支護設計方法，實現了主動支護體系的精確合理設計。首先，通過現場條件與隧道設計要求確定錨桿的支護強度；其次，明確錨桿的尺寸參數及布置方式；最后，分析主動支護體系所能承受的荷載，對參數進行優化。

2.2.2 關鍵施工技術

①噴射混凝土。包括混凝土初噴和混凝土復噴?；炷脸鯂娫诜植块_挖完成后立即進行。

②鋼筋網片鋪設。鋼筋網片需要在混凝土初噴前和格柵鋼架施作完成，混凝土復噴前鋪設。

③預應力錨桿施工。預應力錨桿張拉施工過程主要包含：測量放樣→鉆孔施工→清孔→錨固劑及錨桿安裝→錨固劑攪拌→預應力張拉→完成高強高韌錨桿施工。

④鎖腳錨桿施工。為將支護結構穩定在圍巖內部，在拱腳處打設鎖腳錨桿，施工流程為“錨桿鉆孔→插入錨桿→注漿→錨桿抗拔力檢測”。同時，安裝鎖腳錨桿時，將錨固頭安裝在中空注漿錨桿一端，另一端安裝止漿塞，然后將錨桿旋轉插入孔內。

3 數值模型分析

3.1 數值模型建立

為驗證主動支護的控制變形效果，利用FLAC3D數值分析軟件對比傳統被動支護方案與主動支護方案在拱部開挖過程中圍巖的變形特征。建立120m×40m×80m的模型，共119320個單元，125378個節點，車站主體FLAC3D模型如圖2所示。圍巖采用實體單元模擬，服從摩爾-庫倫準則；錨桿采用cable單元。

圖2 數值模型構建

開挖方案為拱部臺階法四部開挖，主、被動支護采用的錨桿分別為預應力錨桿與普通錨桿，預應力為120kN。其他支護參數兩種方案均保持一致，錨桿的環距×縱距均為1.3×1m，格柵間距1m，選用C30混凝土，噴層厚度為300mm。

3.2 圍巖變形分析

選取圖2（a）中距離隧道x=5.5m處的拱頂沉降值進行監測，如圖3所示，隨著隧道的開挖，主、被動支護分別在x=2.1m與x=4m開始沉降，證明主動支護對掌子面后方的圍巖控制能力強。兩種支護方式下拱頂沉降均呈現先增大后穩定的趨勢，拱部①導洞開挖對圍巖擾動最大，在①導洞開挖完成后，主動支護下的沉降量減小了80%，當導洞①支護結構形成后，導洞②、③、④開挖對拱頂沉降影響性逐漸降低，③、④導洞開挖時兩種支護方式分別相差6.4m和6.8m。待拱部全部貫通后，主被動支護下拱頂沉降分別穩定在5.2mm和12.0mm，采用主動支護形式拱頂沉降比被動支護減少53%。

圖3 主被動支護圍巖變形過程

3.3 圍巖塑性區控制分析

兩種支護形式下塑性區分布情況如圖4所示，被動支護的拱部和下部均產生了一定范圍的塑性區，而主動支護下的塑性區僅在拱腰處產生，說明采用主動支護形式抑制了圍巖塑性區的發展。

圖4 塑性區分布

3.4 開挖影響范圍分析

隧道施工過程中，掌子面開挖在一定范圍內均會受到影響，主、被動支護方式對在空間內對圍巖的控制效果有所差異，如圖5所示，拱部導洞①向前開挖10m時，在y-z方向上的圍巖位移云圖。

圖5中，y-z平面內，兩種支護作用下圍巖開挖的擾動范圍具有顯著差異，主動支護通過提供徑向應力改善圍巖條件，減小了掌子面的影響范圍，降低地面的擾動區域、提高了超前影響區的控制效果，對圍巖的控制效果更加優異。

4 工程現場應用

為研究大跨度隧道主動支護施工工法在現場的適用性，并對隧道結構的安全穩定進行監測，在工程現場對圍巖變形與支護結構受力進行監測。

圖6（a）為隧道開挖過程中圍巖累計變形時程曲線，從現場監測結果來看，與數值分析結果接近，僅達到《城市軌道交通工程監測技術規范》規定的12%，說明了大跨度隧道主動支護施工工法對圍巖變形控制效果良好。受開挖的超前變形量影響，當監測斷面開挖時，地表沉降在已累計產生-1.9mm的變形，在第10~20天內是變形量最高的時間段，最高速率為0.25mm/d，在20天后變形速率穩定，導洞開挖對圍巖的變形影響程度低。

圖5圍巖位移場云圖

圖6 （b）為隧道分部開挖過程中，隧道拱頂、左右拱腳的錨桿受力過程，結果表明：預應力設計值為120kN，張拉完成后的錨桿均滿足設計要求，但受下一循環爆破開挖影響會產生預應力損失，導致錨桿軸力減小，隨開挖的進行，圍巖變形量增加，錨桿開始與圍巖協同變形，此時錨桿的被動支護力增加，錨桿軸力增加，當掌子面距離監測斷面足夠遠時，開挖效應減弱，錨桿軸力逐漸趨于穩定。軸力穩定后，錨桿軸力最大值出現在右拱腳，達到116.4kN，僅為錨桿屈服強度的58%，支護結構安全儲備較大。

圖6 圍巖變形監測曲線

5 結論

以青島地鐵6號線創智谷站大斷面地鐵隧道為工程依托，提出了大跨度隧道主動支護施工工法，并現場進行了應用，主要形成以下結論：①為了保證施工安全，提高施工效率，提出以“分部臺階法-預應力錨桿”為核心的開挖支護體系。其中拱部采用4導洞的施工部序，下部通過中部拉槽、兩側錯步開挖的方式進行。②提出了預應力錨桿主動支護體系的關鍵施工技術。主要包括噴射混凝土、鋼筋網片鋪設、預應力錨桿施工、格柵鋼架施工、鎖腳錨桿施工等。③通過主動支護與被動支護體系的數值分析對比可知，拱部貫通后，采用主動支護形式拱頂沉降比被動支護減少53%，主動支護通過提供徑向應力改善圍巖條件，有效的控制了塑性區半徑，支護效果具有顯著優勢。④根據監測數據，圍巖變形中拱頂沉降變形值最大為-5.0mm，錨桿軸力最大值為116.4kN，說明大跨度隧道主動支護施工工法對圍巖變形控制效果良好，初支結構安全儲備高。