大跨段预应力锚索试验的工程应用成果

在毛羽山隧道骆驼下斜井段设置了预应力长锚索试验段，两个预应力长锚索施工试验段的里程分别为DK282+089.5～DK282+104.5、DK282+113.5～DK282+128.5。每根锚索采用4束φ15.2 mm高强度低松弛全喷涂环氧树脂型的无劲结钢绞线制作，钢绞线抗拉强度不小于1 860 MPa，钻孔直径为150 mm。第一试验段的锚索长12 m(图7.7)，锚索设计张拉力为400 kN，其自由段长度为6 m，每环布设6根，呈梅花形布置，纵向间距1.2 m。主要目的是控制三台阶的水平收敛值，减小水平变形，加固围岩。第二试验段为18 m的长锚索(图7.8)，预应力大小为500 kN，有8 m的自由段和10 m的锚固段，布置同第一试验段一样。主要目的是减小上拱部的跨度，稳定上拱处的围岩，防止大面积掉块情况出现，同时也减小上台阶的水平收敛变形。

1)测试项目及测试频率

DK282+096断面和DK282+118断面分别为第一和第二试验段的监控断面，下面分别用12 m长锚索断面和18 m长锚索断面来表示。其中包括拱顶沉降和洞周的收敛变形、初期支护与围岩间的围岩压力、初期支护和二次衬砌间的接触压力，每项10个测点，分别布设于拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙中、左右墙脚及仰拱，如图7.9所示;锚索拉力测试时每根锚索一个测力计，共设置6个。

图7.7　12 m预应力长锚索试验段锚索布置图

图7.8　18 m预应力长锚索试验段锚索布置图

图7.9　测试布置示意图

2)量测数据的对比分析

①试验段变形数据比较。

通过各测点回归分析的变化曲线图如图7.10—图7.13所示，可得出以下结论:

图7.10　拱顶下沉曲线和拟合曲线图

图7.11　上台阶收敛曲线图

图7.12　中台阶收敛曲线图

图7.13　下台阶收敛曲线图

a.两断面拱顶下沉量，呈逐步增加的趋势。12 m长锚索断面在37 d后速率减小到2 mm/d以下，18 m长锚索断面在31 d后降到2 mm/d的速率，并出现小幅波动。

两断面拱顶下沉量都在施作锚索后趋向稳定，且18 m长锚索断面拱顶总下沉量296 mm，小于12 m长锚索断面的371 mm;由于18 m长锚索断面锚索施作比12 m长锚索断面及时，且施作的位置靠近上拱部，故抑制拱顶变形的能力较好。

b.两断面上台阶水平收敛量，初始增长速率较大。12 m长锚索断面收敛值在48 d后速率减小到2 mm/d，18 m长锚索断面收敛值在32 d后速率减小到2 mm/d，并小幅波动。当施作预应力锚索后两断面上台阶水平收敛变化趋于平稳，12 m长锚索断面上台阶水平收敛值为438 mm，略大于18 m长锚索断面的387 mm。

c.中台阶水平收敛变化曲线图中可看出，两断面的初始速率较大。12 m长锚索断面收敛值在37 d后速率减小到1 mm/d，18 m长锚索断面收敛值在29 d后速率减小到1 mm/d，继续缓慢增长。两断面的中台阶水平收敛值都是在施作锚索后趋于收敛状态，12 m长锚索断面中台阶水平收敛值为341 mm，基本与18 m长锚索断面中台阶水平收敛值340 mm相同。

d.两断面下台阶水平收敛变化曲线开始时增大趋势明显。12 m长锚索断面收敛值在33 d后速率减小到1 mm/d，18 m长锚索断面收敛值在28 d后速率减小到1 mm/d，之后缓慢变化。在施作锚索后两断面下台阶水平收敛值基本趋向最终值，12 m长锚索断面下台阶水平收敛值为269 mm，略小于18 m长锚索断面的279 mm。

从上述可看出，锚索施作位置对变形的影响较明显，12 m长锚索断面施作位置主要在中台阶附近，18 m长锚索断面施作位置主要在上台阶附近，故18 m长锚索断面的拱顶下沉和上台阶收敛变形小于12 m长锚索断面。变形在施作锚索后有明显抑制。

②围岩压力量测数据及分析。

各观测点围岩压力变化曲线图如图7.14—图7.19所示。

a.如图7.14所示，12 m长锚索断面拱顶处的围岩压力，初始急剧增加，第4 d达到峰值92 kPa，随着中台阶的开挖呈减少的趋势，下台阶开挖后达到峰值18 kPa，之后增加到246 kPa;当仰拱开挖支护后，钢拱架闭合成环，达到最大承载力，围岩压力急剧增长到775 kPa;随着掌子面的推进，围岩压力迅速减小，达到138 kPa后，呈收敛趋势。

图7.14　拱顶围岩压力对比图(https://www.chuimin.cn)

18 m长锚索断面拱顶处，围岩压力急速增大，第7 d达到峰值124 kPa，但随后仪器被损坏，故无法继续监测。

b.如图7.15所示，12 m长锚索断面左侧拱腰围岩压力值，初始增速非常明显，中台阶开挖时达到峰值400 kPa，随后小幅减小，并迅速增大达到峰值603 kPa;当仰拱施作完成后，又增加到589 kPa;随着隧道开挖，围岩压力逐渐减小，呈收敛趋势;当施作完二衬后围岩压力有小幅增加，之后趋于平稳。右侧拱腰围岩压力，刚开始增长较快，中台阶开挖时达到159 kPa;之后呈减小趋势，变为111 kPa;随着掌子面的推进，围岩压力继续减小，并趋于稳定;当预应力锚索施作完成后，拱腰处围岩压力值增大为138 kPa;在做二衬时围岩压力有小幅波动，并达到稳定收敛状态。

图7.15　拱腰围岩压力对比图

18 m长锚索断面左拱腰位置处的围岩压力值，初始增加较快，中台阶开挖时达到峰值89 kPa，围岩压力值有较小的降低，还是成增长状态;当仰拱施作后达到98 kPa之后围岩压力呈平缓增大趋势，达到峰值114 kPa;二衬施作后，围岩压力呈平缓增大趋势。右侧拱腰处的围压值刚开始增大显著，中台阶开挖时达到180 kPa;之后随着仰拱施作波动到139 kPa;随着掌子面的推进，围岩压力平缓减小到53 kPa;二衬施作后围岩压力呈微小增大趋势。

c.如图7.16所示，12 m长锚索断面左侧拱脚位置处，围岩压力急剧增加，中台阶开挖后增大到137 kPa，随后继续增大，下台阶开挖时达到峰值166 kPa，之后呈减小趋势;随着仰拱开挖和支护施作，围压变化呈增加趋势;随着掌子面的推进，围岩压力逐渐减小并呈收敛趋势;施作完二衬后围岩压力有小幅增加并趋于收敛。右侧拱脚位置处，围岩压力初始增加较快，中台阶开挖时达到峰值146 kPa;随后呈减小趋势，仰拱施作完成后达到99 kPa;当预应力锚索施作后达到峰值113 kPa，之后变化趋于平稳;施作二衬后围压值波动最终达到125 kPa。

图7.16　拱脚围岩压力对比图

18 m长锚索断面左侧拱脚位置处围压值，初始急剧变化，第2 d就达到峰值1 094 kPa，中台阶开挖时就减少到2 kPa，之后呈增加趋势;下台阶施作后变为487 kPa，仰拱开挖和支护完成后，围压值逐步减小到112 kPa;随后出现受拉现象，二衬的施作，围岩压力变为受压状态，但数值非常小。右侧拱脚位置处，围岩压力快速增长到103 kPa;之后平稳变化到112 kPa，仰拱施作完成后，围岩压力逐渐增大;但随着隧道的开挖，围压值减小到111 kPa，当预应力锚索施作后围岩压力值变为133 kPa;二衬施作完成后围压值变为平稳趋势。

d.如图7.17所示，12 m长锚索断面左墙中围压值，呈增加趋势，下台阶开挖后围压值急剧增加到峰值175 kPa;仰拱开挖和支护后，增加到峰值154 kPa;随着隧道掌子面的推进，围压值变为3 kPa，但仪器随后就被损坏。右墙中位置的围岩压力，开始时急剧增加，在下台阶开挖后减少到33 kPa;在仰拱施作完成后，围岩压力增大为21 kPa;当中台阶锚索张拉后，围岩压力趋于平稳，增加为37 kPa，但之后仪器损坏。

图7.17　墙中围岩压力对比图

18 m长锚索断面墙中左侧位置处围岩压力值，初始急剧增大到65 kPa，在下台阶开挖后围岩压力值减小到37 kPa;当仰拱开挖和支护施作后，变化呈增加趋势，缓慢达到118 kPa;当锚索张拉后增加到121 kPa;在二衬施作完成后围岩压力呈平稳变化。墙中右侧位置处，仪器出现偏压为负值，在11 d时达到2 kPa，之后围岩压力值呈增大趋势变为16 kPa;随着二衬的施作，围岩压力值增加到27 kPa。

e.如图7.18所示，12 m长锚索断面墙脚左侧的围岩压力值，初始增加较缓慢;当施作仰拱后，围岩压力增加为165 kPa;在二衬施作完成后增大为185 kPa，之后仪器被损坏。右侧墙脚的围岩压力值初始呈增加趋势，第12 d达到峰值157 kPa;随着仰拱开挖、钢拱架闭合，围岩压力急剧增加;预应力锚索施作后，围岩达到1 109 kPa;在二衬施作后围岩压力小幅增长并呈收敛趋势。

图7.18　墙脚围岩压力对比图

18 m长锚索断面左侧墙脚的围压值，初始快速的增大到569 kPa;仰拱施作后，围压值增大到峰值552 kPa，之后小幅减小，但随之继续增大;在二衬施作完成后围压值达到789 kPa，变化趋于平稳。墙脚右侧位置处的围岩压力值呈较缓慢增加趋势;当仰拱施作后，围岩压力值急剧增大到峰值208 kPa，随后平缓增大到268 kPa;当二衬施作后，围岩压力减小并呈平稳趋势。

f.如图7.19所示，12 m长锚索断面仰拱底部的围岩压力，初始急速增大到峰值76 kPa，随着混凝土龄期增长，围岩压力增加并趋于平稳，变为104 kPa。

图7.19　仰拱围岩压力对比图

18m长锚索断面仰拱位置处的围压值，前期迅速增大到167 kPa，之后随着混凝土龄期增加，围岩压力继续增大并趋向稳定，变为211 kPa。

由以上图7.10—图7.19对比分析可得，12 m长锚索断面拱顶处的围岩压力初期小于18 m长锚索断面，但最终值要稍大一点;12 m长锚索断面左拱腰处围岩压力从初期到终期都接近18 m长锚索断面左拱腰的值;12 m长锚索断面左拱脚处初期值和最大值小于18 m长锚索断面的值，但最终值稍大一些;12 m长锚索断面左墙中处围岩压力初期较大，终期时变为0 kPa。

18 m长锚索断面的围岩压力值一直增加到终期135 kPa;12 m长锚索断面左墙脚处围岩压力一直以较大差值小于18 m长锚索断面的值;12 m长锚索断面仰拱处围岩压力一直小于18 m长锚索断面的值;12 m长锚索断面右墙脚处围岩压力一直以较大差值大于18 m长锚索断面的值;12 m长锚索断面右墙中处围岩压力大于18 m长锚索断面的值;右拱脚处两断面的围岩压力值基本一致;右拱腰处前期两断面相差不大，后期12 m长锚索断面的值大于18 m长锚索断面的值;出现较大差值情况是受施工的影响较大。两个断面的围岩应力终值差别不大，预应力锚索施加后效果不是十分明显。

g.预应力长锚索张拉预应力量测分析。

从图7.20和图7.21中可看出，12 m长锚索断面左侧上台阶处锚索预应力在二次张拉后为338 kN。随着施工的推进预应力值基本保持稳定，在二衬施作后预应力值有小幅增大，为343 kN;左侧中台阶处由于孔壁围岩存在裂隙，注浆不充实，锚固端未锚实，故张拉过程中被拉脱;左侧下台阶处与中台阶处情况类似，初张拉时较好，二次张拉过程中拉脱;右侧上台阶处锚索预应力在二次张拉后为430 kN，随着施工的推进，预应力值基本保持稳定，在二次衬砌施作后预应力值有小幅增大，为431 kN;右侧中台阶处锚索在二次张拉后预应力值为504 kN。随着时间推移预应力损失了2 kN，但二次衬砌施作后变大到573 kN;右侧下台阶处锚索在二次张拉后预应力值为385 kN，随着时间推移预应力损失了10 kN。18m长锚索断面左侧上台阶处锚索预应力在二次张拉后为402 kN，随着施工的推进，预应力值有所损失，为386 kN，在二次衬砌施作后预应力值有小幅增大，为389 kN;左侧中台阶处锚索预应力张拉时预应力值为438 kN，随着时间推移预应力损失了33 kN;左侧下台阶处锚索预应力张拉时预应力值为440 kN。随着时间推移预应力损失了3 kN;右侧上台阶处锚索预应力在二次张拉后为416 kN。随着施工的推进预应力损失了5 kN，在二次衬砌施作后预应力值有小幅增大，为430 kN;右侧上台阶处锚索预应力在二次张拉后为504 kN，随着施工的推进预应力有小幅增长，为513 kN，在二次衬砌施作后预应力值有大幅增加，为589 kN;右侧下台阶处锚索在二次张拉后为453 kN，但在拆除千斤顶时出现问题，使得预应力有较大损失，为365 kN，随着二次衬砌施作后预应力值有小幅增大，为368 kN。总体预应力损失不是很明显。

图7.20　12 m长锚索轴力值图

图7.21　18 m长锚索轴力值图