浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制研究与应用

Research and Application of Active Support Mechanism for Shallow-Buried Large-Span Rock Tunnel

摘要

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程的应用日益增多，但其对浅埋大跨岩质隧道的适用性及作用机制尚未明确。以青岛地铁暗挖车站为依托工程，开展调研分析、数值计算和模型试验，对比分析预应力锚杆与非预应力锚杆对块状围岩的支护作用，从围岩应力补偿、块体围岩挤压成拱和危险块体控制3个方面研究浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制及理论模型，并进一步开展现场应用。结果表明：原支护方案主要沿用了土质隧道支护理念，对岩质围岩自承能力的认识和利用不充分；锚杆预应力（100 kN）使围岩拉应力区消失、塑性区大幅度减小，并使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2~0.3 MPa，有效控制结构面两侧岩体的滑移错动，提升了隧道围岩整体稳定性；建立的主动支护理论模型将传统主动支护应力补偿对象由开挖面聚焦至岩体结构面；主动支护新方案较原支护方案的支护材料减量约30%，工期缩短约17%，隧道沉降量减小约50%。

Abstract

The application of active support technology of prestressed anchor rod in tunnel engineering is increasing; however, its applicability and mechanism of action for shallow-buried large-span rock tunnels are not yet clear. Taking the underground excavation station project in Qingdao Metro as the background, the contrastive investigation, numerical calculation and model experiment were carried out, and the comparative analysis of the supporting effect of prestressed bolt and non-prestressed bolt on massive surrounding rock was conducted. The active support mechanism and theoretical model of shallow-buried large-span rock tunnel were studied from three aspects, namely, rock stress compensation, arching compression of blocky rock mass, and dangerous block controlling. Then the on-site application was further carried out. The results show that the original scheme for the support mainly followed the concepts of soil tunnel support, and the understanding and utilization of the self-supporting capacity of the surrounding rock was insufficient. The tensile stress zone of the surrounding rock disappeared and the plastic zone was significantly reduced, the normal compressive contact stress increased about 0.2-0.3 MPa on the rock joints. The sliding displacement at the joints of the key block was effectively controlled, and the overall stability of the tunnel surrounding rock was effectively improved when the rock bolt worked with prestress (100 kN). The established theoretical model for active support of rock tunnels internalized the stress compensation object from the excavation surface to the rock mass structural plane; and the support material consumption of the optimized support schemes was reduced by about 30%, the construction period was shortened by 17% and the tunnel settlement was reduced by about 50% compared with the original scheme.

Graphical abstract

随着经济社会快速发展和基础设施建设规模的不断扩大，大跨隧道因其功能优势而需求日益强烈。在地铁建设领域，由于乘客检票候车和线路换乘等功能要求，地铁暗挖车站跨度普遍较大，一般在20 m以上，是典型的大跨隧道，且有地表环境复杂敏感等特点，因此有较大的工程难度和施工风险^［1-2］。针对此类隧道，先后出现了洞桩法、中洞法及交叉中隔壁法^［3］等浅埋暗挖施工方法。近年来又出现了二衬拱盖法^［4］：在拱部开挖初支完成后即施做永久二衬，通过二衬结构形成拱盖结构体系，在其保护下开挖下部岩体，开挖完成后再进行仰拱、侧墙等结构浇筑的施工方法。该工法在北京、上海等土质地铁隧道建设中应用广泛，随后在启动较晚的青岛地铁广泛采用^［5］。青岛属于典型的滨海岩基地质，覆土薄、岩质硬，暗挖车站一般位于微风化岩浆岩地质体中，与北京、上海等地的土质地层显著不同；然而目前青岛地铁设计施工却仍然沿用了土质地层被动支护理念，没有针对青岛地铁工程特点做出优化调整，未能充分认识和利用岩质围岩的自承能力。

预应力锚杆是实现主动支护的主要技术形式，2020年前，预应力锚杆主动支护的概念主要出现在矿山巷道、水电硐室等领域^［6-9］，而在隧道工程领域一般采用无预应力或低预应力的系统锚杆，主动支护的提法很少。近两年来，随着隧道建设体量的进一步增加和主动支护理念的跨领域传播，隧道工程主动支护也开始受到较多关注，出现了较高的研究热度^［10-16］，也在实际工程中解决了一些隧道支护问题。在此背景下，尝试通过主动支护方式破解青岛地铁暗挖车站建造中的设计理念不适用、工程安全与施工效率冲突问题，但面临着当前主动支护理论和技术在此类浅埋大跨岩质隧道中的适用性问题。

本文以青岛地铁暗挖车站为依托，基于实际工程特点分析原支护设计局限性，研究揭示浅埋大跨岩质隧道中的预应力锚杆主动支护机制，进行设计方案优化并开展工程实践，实现预应力锚杆主动支护的扩展应用。

1 工程特点及优化方向

1.1　工程特点

青岛具有典型的土岩二元复合地层结构，花岗岩岩基上覆盖0~20 m第四系土层。本文依托的青岛地铁6号线设暗挖车站6座，综合围岩分级为Ⅳ₂—Ⅲ₁级，其中Ⅳ₂级占比37.1%，Ⅳ₁级占比30.7%，Ⅲ级占比32.2%。暗挖车站属于典型的浅埋大跨岩质隧道，具备以下2个特点。

（1）大跨浅埋。6号线暗挖车站开挖跨度普遍大于20 m，其中华山一路站开挖跨度26.2 m，开挖面积276 m²，在铁路、公路和水电规范中都属于大跨度或特大跨度^［16-18］。车站整体埋深14~34 m，覆岩厚度约0.2~1倍洞径，基本全部属于浅埋隧道。大跨隧道开挖后围岩应力重分布更加剧烈，覆岩薄使拱部较难形成稳定拱结构，工程风险更高。

（2）块状硬岩。图1为青岛地铁6号线暗挖车站所处典型地质剖面图，车站主体全部位于微风化花岗岩地层中。图2为现场揭露的代表性掌子面，隧道围岩体被结构面、裂隙切割，具有明显的空间几何边界，块体特征明显。实测微风化花岗岩天然单轴抗压强度达到55~90 MPa，属于硬岩或极硬岩^［19］。以上块状硬岩的特征决定了青岛地铁6号线暗挖车站开挖后围岩应力和位移（变形和破坏）具有的非连续性，显著区别于软岩和土质隧道。

2017年青岛地铁6号线某暗挖车站事故现场及块体失稳示意图如图3所示。

由图3可以看出：现场出现拱部楔形体连带周围不稳定块体滑塌，产生了11 m×4 m×3 m（长×宽×高）的巨型掉块，纵向14榀格栅连带掉落，垮落位置锚杆破断。大量现场实测数据显示，此类隧道开挖后，围岩中由结构面切割形成的不利结构体，往往会在爆破等扰动作用下沿结构面产生滑移，甚至连带周围不稳定岩块突破支护，产生冒顶或片帮等事故；事故发生前围岩位移小，预兆不明显，具有明显瞬发性。

由此可见，青岛地铁暗挖车站大跨浅埋岩质隧道围岩潜在破坏模式显著区别于北京地铁等土质隧道，因此开挖支护理念和方法也应有所区别。

1.2　原支护方案

原支护方案如图4所示。图中：L为中空注浆锚杆长度。由图4可以看出：原支护方案采用二衬拱盖法（拱部衬砌结构完成后再开挖下部），初期支护采用格栅拱架+锚杆+喷层的联合支护方式。以Ⅳ₁级围岩为例，拱架采用四肢格栅，间距0.5 m，净距不足300 mm；锚杆为不施加预应力的中空注浆锚杆，长度3.5 m；喷层厚度350 mm。

地铁暗挖车站虽然属于铁路工程范畴，但因其开挖跨度较大，直接相关的条文规定并不多，因此调研了公路隧道、岩土锚喷等相关规范及挪威Q法，其中公路隧道设计细则中规定的4车道公路隧道与暗挖车站跨度接近，挪威Q法主要总结于北欧硬岩隧道，均具有一定参考价值。将原支护方案主要设计参数与相关规范规定值对照，详见表1。由表1可知：原设计取值一般等于或大于安全于规范推荐限值，喷层厚度约为推荐值的2倍，拱架间距小（0.75 m/0.5 m），锚杆密度大，与相关规范推荐参数相比总体偏于保守。

挪威奥林匹克山大厅^［20］也属于典型的浅埋大跨岩质隧道，跨度61 m，长度91 m，最大高度25 m，上覆岩体厚25~50 m。支护主要采用6 m长锚杆和12 m长锚索按2.5 m×2.5 m交替布置，未设拱架，该工程体现了发挥围岩自身承载能力的重要性和可行性。青岛地铁试验段青纺医院站建设于1990年代初，洞室宽×高为18.5 m×14.0 m，埋深约10 m；拱部锚杆长度3 m，间排距1.5 m，不设拱架，喷层厚度10 cm^［21］，隧道稳定至今；对比可知当前参数远保守于30年前的试验段。以上2个案例为支护优化工作提供重要参考。

1.3　优化必要性及优化方向

经对照分析可见，原支护方案存在优化的必要性，主要体现在3个方面。

（1）设计参数总体偏于保守，忽视了青岛地区岩浆岩承载能力。青岛地铁以往暗挖车站未将自身的硬岩地层特征与软岩、土层区分看待，仅将围岩看作施载和支护的对象，未认识到围岩的自承能力，多以强化支护投入作为主要应对策略。

（2）依赖拱盖和拱架，未重视预应力锚杆。过多的沿用二衬拱盖、拱架等偏于被动概念的支护结构形式，且拱盖自重易导致拱脚应力集中；锚杆一般采用不施加预应力的中空注浆锚杆，对围岩自承能力的主动保护和调动不够。

（3）施工效率低，施工质量难保证。二衬拱盖法需要提前施作拱部二衬，交叉施工组织困难，效率低、造价高；拱架紧跟掌子面，导致周边眼外插角很大，爆破超挖严重；过密的拱架导致喷浆困难，拱架背后容易产生大面积脱空。

上述问题反映了对隧道围岩自承能力的判断、调动和利用不充分，基于此提出了支护设计优化方向：①变被动支护为主动支护；②用预应力锚杆替代传统锚杆，充分调动围岩自承能力；③适当加大拱架间距；④取消二衬拱盖。

2 预应力锚杆主动支护作用机制

2.1　围岩应力补偿作用

以青岛地铁6号线暗挖车站典型断面（Ⅳ₁级围岩）为对象开展计算分析。模型长100 m，高75.9 m，厚1 m；隧道宽20 m，高17.2 m，拱顶埋深18.5 m。地层、喷层采用实体单元模拟，围岩物理力学参数详见表2。拱架采用Beam单元，锚杆采用Cable单元，参数详见表3。模型左右边界约束法向位移，下边界全位移约束，上边界自由；地应力平衡后开挖支护1次完成，布置系统锚杆31根，长度3.5 m。2种对比方案中锚杆分别施加0和100 kN预应力，即分别采用非预应力锚杆和预应力锚杆。

分别采用非预应力锚杆和预应力锚杆支护方案时，锚杆轴力及塑性区主要计算结果如图5所示。图中：红色部位为塑性区。由图5可以看出：采用非预应力锚杆支护方案时，锚杆工作轴力大多很低，一般仅有2~3 kN，拱脚位置塑性区深度约2.0 m；采用预应力锚杆支护方案时，锚杆工作轴力达到100 kN左右，拱脚下部塑性区深度小于1.0 m。

分别采用非预应力锚杆和预应力锚杆支护方案时，围岩主应力场矢量图主要计算结果如图6所示。图中：线段代表主应力方向和大小，蓝色为压应力，红色为拉应力。由图6可以看出：采用非预应力锚杆支护方案时，拱顶、拱脚和边墙出现拉应力区，最大发育深度约2.4 m；采用预应力锚杆支护方案时，围岩未出现拉应力区，因此锚杆的预应力可使围岩中的拉应力区和塑性区范围大幅度减小甚至消失，对于改善围岩应力状态具有显著效果。

2.2　块体围岩挤压成拱作用

针对围岩的块状结构特征，计算分析预应力锚杆对块体围岩的支护作用。模型由一系列含凹角的矩形块体组合而成，块体短边长取2 m，长边长取5 m，缺角边长取0.5 m，块体倾角取65°，参数取值依据来自现场实测岩体结构面倾角、间距等结构参数，通过这种方式模拟现场花岗岩体的镶嵌咬合作用。底部边界位移完全约束，左右边界约束法向位移，上部边界不进行约束。围岩采用摩尔-库伦理想弹塑性模型，计算参数与表2一致；结构面采用库伦摩擦本构模型，力学参数详见表4；锚杆参数与表3一致，仍然分别采用非预应力锚杆和预应力锚杆（预应力100 kN）这2种对比方案。

2种支护方案的岩体结构面法向接触应力计算结果如图7所示。由图7可以看出：非预应力锚杆支护下围岩结构面法向挤压接触应力（接近于隧道环向）很小，一般接近0 MPa；预应力锚杆支护下，相同位置围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2~0.3 MPa，这表明预应力锚杆对结构面法向应力的补偿效果明显，而这种环向挤压接触应力越大越有利于块体群挤压成拱，有利于提升隧道围岩稳定性。

2种支护方案计算得到的围岩竖向位移云图如图8所示。由图8可以看出：预应力锚杆支护作用下隧道拱部围岩沉降得到有效控制，沉降量较非预应力锚杆支护降低约40%。

2.3　危险块体控制作用

基于图3所述工程事故案例，开展含危险块体隧道模型试验。几何相似比为66.7，容重相似比为1，模型长1 m、高1 m、厚0.4 m，隧道跨度0.3 m。采用配合比为1∶2.5∶0.4的石膏、石英砂、水组合材料作为相似材料，满足抗压强度1.09 MPa、抗拉强度0.07 MPa的要求。隧道拱部预设1组交叉结构面，通过在填料过程中埋设云母片的方式成型。隧道采用预应力锚杆支护，锚杆模型材料为铝，直径0.33 mm，间排距4 cm×6 cm，预紧力2.77 N。含危险块体隧道支护模型试验模型制作主要过程如图9所示。模型成型后先开挖支护再进行超载试验，超载时在模型上表面施加均布竖向荷载，直至模型体破坏。

模型试验及按照表1和表2参数开展数值计算的主要结果如图10所示。图中：（a）、（b）图为试验结果，（c）、（d）图为数值计算结果。由图10可以看出：加载后期隧道出现表面开裂、掉块等破坏现象，左右拱腰的多根锚杆破断失效；处于隧道右侧的陡倾结构面两侧围岩产生明显错动，而左侧的缓倾结构面有2根预应力锚杆贯穿控制，结构面两侧围岩的错动、分离不明显，说明危险块体稳定性在预应力锚杆作用下得到显著提升；非预应力锚杆方案中锚杆破断、块体掉落；预应力锚杆方案中锚杆工作轴力显著高于非预应力锚杆，块体稳定；总体上，预应力锚杆增加了结构面法向作用力，提升了结构面抗剪强度和变形刚度，进一步提升了隧道整体稳定性。

2.4　岩质隧道主动支护理论模型

一般情况下，主动支护的作用机理在于主动补偿围岩因开挖而损失的径向压力，使围岩恢复原岩的三向受压状态，从而提高围岩的自承能力。为更清晰地表述主动支护作用，绘制了传统主动支护力学原理示意图如图11所示。图中：σ为正应力；τ为切应力；c₁和σ_t1分别为开挖前围岩的黏聚力和单轴抗拉强度；σ₁和σ₃分别为开挖前的大主应力和小主应力；σ₁₁和σ₃₁分别为开挖后的大、小主应力；σ₁₂和σ₃₂分别为支护后大、小主应力。

基于前文研究成果建立岩质围岩主动支护理论模型如图12所示。图中：F_b为锚杆预应力；c_j和φ_j为结构面黏聚力和内摩擦角；σ_n+ 为结构面法向应力补偿值；τ_f+ 为结构面抗剪强度提升值；F_r+为锚杆预应力提供的块体抗滑力；θ为锚杆应力方向与块体下滑方向的夹角。

由图11和图12可以得出以下结论。

1）传统主动支护力学原理

开挖前围岩大小主应力分别为σ₁和σ₃，对应于莫尔圆①和强度曲线①，2者相离表示围岩应力未超过强度极限；开挖后轮廓线上的径向应力σ₃损失为0（σ₃₁），σ₁升高为σ₁₁，莫尔圆扩大为图中的圆②，强度包线下移至曲线②，2者相割表示围岩应力超过强度极限，进入塑性；预应力锚杆支护后，径向应力补偿增加为σ₃₂，切向应力降低为σ₁₂（应力集中缓解），莫尔圆缩小为图中的圆③，强度包线上移至曲线③，2者不再相割，围岩形成强度储备。

2）岩质围岩主动支护理论

对于块体特性明显的岩质隧道，隧道开挖使结构面上的法向应力有所损失，进而降低了结构面的抗剪强度，因此控制块体的关键在于块体与围岩间的结构面的力学状态；而预应力锚杆提供的主动支护力经托盘、杆体、锚固段等联合作用下扩散到围岩内部，形成一定范围的压应力区，及时、主动补偿或恢复围岩因开挖损失的三向应力状态，增强岩体完整性及宏观强度指标，形成组合拱，充分调动围岩自承能力，实现主动支护。具体体现在2个主要方面：一是补偿块体间结构面的法向应力，提高结构面抗剪强度与变形刚度，提升块体体系完整性和抵抗变形破坏能力，提高围岩自稳和自承能力（图12（a））；二是补偿临空面径向应力，直接提供块体滑动塌落阻力，控制关键块体，提升块体体系的整体稳定性（图12（b））。岩质围岩主动支护理论并没有否定传统主动支护原理，是在此基础上向块状围岩地层的聚焦，是对传统主动支护内涵的扩展。

3 工程应用

3.1　主动支护技术形式

高预应力主动支护技术，主要指由高预应力锚杆、喷射混凝土、金属网及拱架（必要时）等组成的联合支护形式。其中锚杆的功能定位最为明确，通过锚杆预应力提供主动的支护力；喷层、金属网的总体功能是维护表面、实现支护体系的整体性。对于拱架的功能定位，原设计中体现不够清晰准确，对此进行了计算分析（参数与2.1节相同）。格栅主筋应力分布的计算结果及现场监测统计结果如图13所示。由图13可以看出：数值模拟结果拱架最大轴力出现在拱腰而非拱脚，显著区别于地上拱结构，表明喷层已将拱架与围岩构造成协同变形受力的整体结构；现场监测数据也呈现相同规律。

因此，在青岛地铁暗挖车站类工程中，围岩自承能力是隧道稳定的主力，拱架的作用一般是被动的，其功能定位是为喷射混凝土加筋和作为安全储备。

3.2　支护方案优化

根据前文岩质隧道主动支护效应研究成果，确定了以调动围岩自承能力为目标，预应力锚杆为主，喷层、拱架为辅的支护设计原则。对于质量较好的岩质隧道围岩，塑性区很小，支护设计以控制拉应力区范围为要点；对于质量较差的围岩，综合控制拉应力区和塑性区。

具体设计时以毛洞为基础进行数值计算，依据塑性区深度和拉应力区分布等确定隧道围岩关键部位，结合工程类比确定基本设计参数；对于可能出现的危险块体，根据实际揭露的结构面数据，基于最危险工况计算进行优化设计。

优化设计方案具体参数见表5。由表5可知：与原方案相比，优化方案采用高预应力锚杆替代传统灌浆锚杆，用料减少；格栅间距适当加大，部分条件下可滞后架设，便于光爆实施；采用高等级喷射混凝土，减小喷层厚度；采用初支拱盖台阶法取代二衬拱盖CD法。

3.3　监测反馈

对6座暗挖车站全部开展精细化监测，每个车站布设10~12个监测断面，每个断面除了常规位移监测外，还同步监测拱架主筋应力、混凝土应变和锚杆轴力，分别布置在拱顶、拱腰和拱脚。暗挖车站主动支护现场部分典型监测结果如图14所示。由图14可以看出：开挖完成后约15~20 d拱顶沉降趋于平缓，集中于2~5 mm；格栅钢架主筋应力总体呈增大—降低—趋稳的规律，安装后掘进1~2个循环达到峰值，开挖20 d后曲线趋于稳定，稳定后集中于10~30 MPa；混凝土应变总体呈增大—降低—趋稳的规律，在监测前期变化较大，20 d后大部分趋于稳定，稳定后测点微应变总体低于500 με；锚杆轴力总体呈小幅下降—趋稳的规律，下降段集中于锚杆安装初期，20 d后基本趋于稳定，稳定于100~110 kN。以上监测数据表明，暗挖车站围岩在开挖后较快趋于稳定，安全状态好。

统计显示，采用主动支护的6座暗挖车站，锚杆用量较原支护方案减少28.7%，喷射混凝土用量减少约30.3%，格栅钢筋用量减少约35.1%，拱脚开挖量及回填量大幅减少。与工程条件相近的青岛地铁1号线衡山路站、8号线南昌路站等既有施工车站对比，拱顶沉降减少3~8 mm，减少46%~56%。且采用的初支拱盖台阶法施工，去掉了大拱盖和大量的临时支撑，获得更大的施工空间（如图15所示），施工组织更为方便，每站施工工期缩短约17%，综合效益显著。

4 结 论

（1）工程条件分析表明青岛地铁暗挖车站具有大跨浅埋、块状硬岩的鲜明特点，明显区别于软岩和土质隧道；而系统的调研类比后显示原支护设计主要沿用了土质隧道支护理念，依赖拱架、不重视锚杆预应力，对岩质围岩自承能力认识和利用不充分。

（2）围岩应力场结果对比表明，100 kN的锚杆预应力可使算例中围岩拉应力区消失，塑性区大幅度减小，对于改善围岩应力状态具有显著效果；块体围岩结构面应力对比表明，预应力锚杆使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2~0.3 MPa，促进了块体群挤压成拱，拱顶沉降量减小约40%；危险块体支护作用试验与计算对比表明，预应力锚杆有效控制了结构面两侧岩体的滑移错动，提升了隧道围岩整体稳定性。

（3）根据建立的岩质隧道主动支护理论模型可知，预应力锚杆对岩质隧道有2个主要作用：一是补偿临空面径向应力，直接提供关键块体滑塌阻力；二是补偿结构面法向应力，提升块体体系整体性与抵抗变形破坏能力。该理论模型将传统主动支护中的“应力补偿对象”由开挖轮廓面聚焦至结构面。

（4）主动支护设计方案比原支护方案锚杆减少约29%，拱架减少约35%，喷层减薄约30%；初支拱盖台阶法取代二衬拱盖CD法，每个车站工期缩短约17%；监测表明隧道拱顶沉降量一般为3~5 mm，是以往类似工程的50%左右。

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