錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)在豎井工程中的應(yīng)用

李恒一

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010)

錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)在豎井工程中的應(yīng)用

李恒一

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010)

豎井位于巖石中，一般采用錨桿噴射混凝土技術(shù)，目前在地鐵區(qū)間中有較廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合已經(jīng)施工的深圳地鐵9號線孖銀區(qū)間豎井對錨桿噴錨支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

豎井； 數(shù)值模擬； 錨桿； 噴射混凝土

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的加快，城市地下空間的開發(fā)和利用力度進(jìn)一步加大。密集城市地下隧道式工程日趨增多。城市地鐵豎井工程包括：巖土工程勘察與工程調(diào)查、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基坑開挖與支護(hù)的施工、地層位移預(yù)測與周邊工程保護(hù)、施工現(xiàn)場量測與監(jiān)控等[1-4]。

豎井根據(jù)不同的地層采取不同支護(hù)方式，一般在巖石中采用錨桿噴射混凝土技術(shù)、土層中一般采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐的支護(hù)方式等。

本文通過深圳地鐵9號線區(qū)間豎井錨桿噴射支護(hù)計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，對錨桿噴射混凝土技術(shù)在豎井中的受力情況進(jìn)行分析，得出一些錨桿受力的特點(diǎn)。根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2001)中4.2.3中第五條，錨頭的設(shè)計(jì)錨固力不應(yīng)低于50kN。由于本文豎井兼作盾構(gòu)吊出井尺寸較一般的礦山法豎井大，能否采用此條規(guī)范用于設(shè)計(jì)，本文通過計(jì)算進(jìn)行分析研究并得出結(jié)論。

1 工程概況

深圳地鐵9號線孖銀區(qū)間2#豎井為礦山法區(qū)間施工豎井兼做盾構(gòu)吊出井，豎井尺寸為16.4m×11.9m，豎井地層從上到下依次為素填土、粉細(xì)砂、黏土、全風(fēng)化混合巖、中風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖，豎井在土層中采用φ1000@1 150mm鉆孔樁+旋噴樁止水，豎井位于巖石中采用錨桿噴射混凝土支護(hù)。

2 錨桿的作用和效果及施工過程

錨桿主要有以下作用和效果[5]：

(1)支承圍巖：錨桿限制約束圍巖變形，并向圍巖施加壓力，從而使處于二維應(yīng)力狀態(tài)的洞室表面附近的圍巖保持三維應(yīng)力狀態(tài)，因而能制止圍巖強(qiáng)度惡化；

(2)加固圍巖，由于系統(tǒng)錨桿加固作用，使圍巖中，尤其是松動區(qū)的節(jié)理裂隙、破裂面等得以聯(lián)結(jié)，因而增大錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度(即C、φ值)；

(3)提高層間摩阻力，形成“組合梁”，對于水平或者緩傾斜的層狀圍巖，用錨桿群能把數(shù)層巖層連在一起，增大層理間摩阻力，從而形成“組合梁”；

(4)“懸吊”作用：所謂“懸吊”作用是指防止個(gè)別危巖的掉落或者滑落，用錨桿將其同穩(wěn)定圍巖聯(lián)結(jié)起來。

由于本豎井噴錨支護(hù)位于微風(fēng)化混和巖中，錨桿主要起到提高層間摩阻力的作用，錨桿施工過程：豎井開挖→噴射混凝土→掛鋼筋網(wǎng)→錨桿施工→復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

3 數(shù)值模型

本施工過程模擬運(yùn)用有限元軟件Midas-GTS建立模型分析。

模型基本假定：采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型的大小為92m×65m×65m。豎井上部鉆孔樁范圍內(nèi)的土層20m，以土荷載20×20=400kPa的形式加載到地面上。研究斷面在計(jì)算時(shí)，約束左、右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移，上邊界為自由界，且在上邊界考慮活載的因素，由于本豎井兼作盾構(gòu)吊出井，取活載值為70kPa。

由于模型所在區(qū)域?yàn)榈貞?yīng)力地段，地應(yīng)力僅以巖層自重作為考慮；計(jì)算模型的位移邊界和應(yīng)力邊界為左面邊界(X=0m和X=92m)、前方邊界(Y=0m和Y=65m)為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型的底面(Z=-65m)也為位移約束邊界，僅約束垂直方向的位移。

計(jì)算參數(shù)如下：豎井內(nèi)凈空尺寸為7.5m×65m，噴射混凝土厚度為150mm，采用板單元進(jìn)行模擬；地面考慮活載70kN/m。三維有限元計(jì)算模型如圖1和圖2所示。計(jì)算土體、襯砌及錨桿的物理力學(xué)參數(shù)見下表1。

表1 圍巖及支護(hù)參數(shù)表

圖1 工況一模型

圖2 工況一豎井噴錨支護(hù)模型

4 計(jì)算分析

錨桿位移和受力見圖3～圖6。

圖3 錨桿位移圖一

圖4 錨桿位移圖二

圖5 不同深度處錨桿位移

圖6 錨桿受力

由圖4～圖6可以看出，豎井深度為1m時(shí)，最大位移為0.048mm，最小位移為0.023mm；豎井深度在5m時(shí)，最大位移為0.018mm，最小位移為0.012mm；豎井深度為10m時(shí)，最大位移為0.0062mm，最小位移為0.0039mm?？梢钥闯?，錨桿的位移隨著開挖深度也是逐漸變小的，在同一深度錨桿頭到錨桿端部的位移也是逐漸減小的。

由圖6錨桿軸力圖，可知錨桿軸力在同一深度時(shí)，最大

軸力在錨桿的中部，兩端逐漸減??；隨著豎井的開挖，錨桿的軸力逐漸減小。

由圖6可知錨桿軸力最大值為97.36kN，設(shè)計(jì)中采用直徑22mm的錨桿長3m，間距為1m×1m。

根據(jù)《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(SJG05-2011)式10.2.7-1

Nu，k=πDmqsikLi=3.14×0.04×500×3=188.4kN>KtNk=1.8×97.36=175.25kN，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)錨桿的位移隨著開挖深度也是逐漸變小的，在同一深度錨桿頭到錨桿端部的位移也是逐漸減小的；

(2)可知錨桿軸力在同一深度時(shí)，最大在錨桿的中部，兩端逐漸減?。浑S著豎井的開挖，錨桿的軸力逐漸減?。?/p>

(3)盾構(gòu)豎井，由于地面超載取值為70kPa，其錨桿支護(hù)的抗拔力不小于50kN,不一定滿足設(shè)計(jì)要求，故在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行計(jì)算，明確錨桿軸力值，確保施工的安全，實(shí)際施工中，施工單位對錨桿進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，錨桿的抗拔力為135kN。

[1] 陳云生,劉佑榮,胡斌,等. 武漢地鐵2號線廣虎區(qū)間豎井開挖與支護(hù)模擬仿真分析[J]. 工程勘察， 2010，(3)

[2] 漆泰岳,陸士良. 錨桿單元模型及其應(yīng)用[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003，(5)

[3] 漆泰岳. 大變形巷道錨桿力學(xué)特性的數(shù)值模擬[J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003，(4)

[4] 趙杰, 邵龍?zhí)?深基坑土釘支護(hù)的有限元數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué), 2008, 29 (4):983-988

[5] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M]. 人民交通出版社, 2003

李恒一(1983～)，男，碩士,工程師,注冊土木工程師(巖土)，主要從事巖土工程方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

TU94+2

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[定稿日期]2015-03-31