鎖腳錨桿在軟弱地層隧道中圍巖變形控制的研究

王允偲，黃曉東，張 軒，兀 森，曹 宇

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.陜西路橋集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710000)

1 引言

我國(guó)山嶺眾多，隨著公共交通事業(yè)的快速發(fā)展，隧道成為了節(jié)約施工成本的重要手段。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道往往是交通建設(shè)項(xiàng)目中的控制性工程[1]。新奧法是我國(guó)隧道施工中最常用的方法，利用初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖自身共同承擔(dān)圍巖壓力。當(dāng)隧道在圍巖性質(zhì)較好的地層中開挖時(shí)，系統(tǒng)錨桿能夠發(fā)揮巨大的作用。但是，近年來越來越多的隧道在圍巖性質(zhì)較差的地層中開挖，特別是在軟弱圍巖地層中開挖，系統(tǒng)錨桿的作用變得不明顯，導(dǎo)致隧道發(fā)生侵限、塌方等工程事故，威脅人身及財(cái)產(chǎn)安全。

鄒育麟[2]等發(fā)現(xiàn)在破碎千枚巖中開挖隧道時(shí)，系統(tǒng)錨桿的作用大大減弱。認(rèn)為在破碎千枚巖地層中安裝系統(tǒng)錨桿會(huì)加深對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)會(huì)延誤噴射混凝土和架設(shè)鋼支撐，導(dǎo)致圍巖發(fā)生大變形。孫鈞等[3]認(rèn)為在軟弱圍巖隧道發(fā)生大變形時(shí)，系統(tǒng)錨桿無法有效控制圍巖變形，采用讓壓錨桿替代系統(tǒng)錨桿，更有利于隧道的穩(wěn)定性。陳建勛等[4]發(fā)現(xiàn)在黃土隧道中，系統(tǒng)錨桿的作用可以忽略不計(jì)，因而提出了取消系統(tǒng)錨桿，增設(shè)鎖腳錨桿來維護(hù)隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。郭小紅[5]和鄧斌等[6]發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錨桿的作用隨著地質(zhì)條件的變差而逐漸降低，提出了“弱化”系統(tǒng)錨桿，加強(qiáng)支護(hù)剛度，增設(shè)鎖腳錨桿等措施。綜上可知，隧道在圍巖性質(zhì)較差的巖層中開挖時(shí)，系統(tǒng)錨桿的作用隨著圍巖性質(zhì)的降低而逐漸降低。

本文基于系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿的作用機(jī)理，利用數(shù)值模擬軟件，探究使用系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿的初期支護(hù)體系在軟弱圍巖隧道中的作用，分析相同施工條件下兩種錨桿對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

2 初期支護(hù)形式

2.1 鋼拱架+噴砼+系統(tǒng)錨桿支護(hù)體系

在軟弱圍巖地層中開挖隧道時(shí)，常見的初期支護(hù)體系為鋼拱架+噴砼+系統(tǒng)錨桿，即軟弱地層隧道開挖，立即噴射砼，避免圍巖暴露在空氣中，然后按照設(shè)計(jì)圖鉆孔并安裝系統(tǒng)錨桿，之后架設(shè)鋼拱架，最后噴射砼至設(shè)計(jì)厚度。在圍巖性質(zhì)較好的地層中開挖隧道時(shí)，系統(tǒng)錨桿在初期支護(hù)中起到改善圍巖受力狀態(tài)和控制圍巖變形的作用。通常認(rèn)為，錨桿在安裝后會(huì)與巖體融為一體，改善圍巖的受力狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保證隧道穩(wěn)定性的目的。其中，系統(tǒng)錨桿的加固效應(yīng)主要體現(xiàn)在懸吊效應(yīng)、增強(qiáng)效應(yīng)、成拱效應(yīng)和內(nèi)壓效應(yīng)四個(gè)方面[7]。在不同的環(huán)境下，系統(tǒng)錨桿的作用并不完全相同。但隧道在圍巖性質(zhì)較好的地層中開挖時(shí)，錨桿對(duì)維護(hù)隧道穩(wěn)定起到了重要的作用。

但近年來，隨著公共交通事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的隧道需要在軟弱圍巖中開挖。軟弱圍巖性質(zhì)較差，開挖后的松動(dòng)圈范圍較大，常常超過系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度，使得系統(tǒng)錨桿的支護(hù)作用并不明顯，導(dǎo)致隧道在初期支護(hù)后仍有較大的變形。

2.2 鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿支護(hù)體系

在軟弱圍巖地層中開挖隧道時(shí)，由于巖性較差，開挖后的松動(dòng)圈范圍較大，系統(tǒng)錨桿的作用變得不明顯，傳統(tǒng)的鋼拱架+噴砼+系統(tǒng)錨桿的初期支護(hù)無法有效控制圍巖變形。在軟弱圍巖中開挖隧道時(shí)，通常采用臺(tái)階法施工，上臺(tái)階的斷面開挖后，立即架設(shè)鋼拱架，上臺(tái)階安裝鋼拱架后，鋼拱架會(huì)在下一步的臺(tái)階開挖時(shí)，處于臨空狀態(tài)，沒有支撐受力點(diǎn)，喪失支護(hù)能力，無法處于支護(hù)圍巖，自行塌落或隨圍巖發(fā)生位移，造成施工病害。近年來，鎖腳錨桿在工程中被廣泛使用，在軟弱圍巖地層中開挖隧道采用鋼拱架+噴射混凝土+鎖腳錨桿的初期支護(hù)形式。鎖腳錨桿為鋼拱架提供一個(gè)支撐點(diǎn)，保證拱架牢牢固定在圍巖上，使鋼架在下一階段開挖時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，鎖腳錨桿不僅受到徑向力的左右，還因?yàn)槭艿戒摴凹艿膲毫χ萎a(chǎn)生了豎向力和彎矩。

鎖腳錨桿由于其簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)、效果明顯，大大地提高了施工效率，省去了其他輔助施工措施，節(jié)約了人力、物力[8]。大量工程實(shí)踐表明，大斷面隧道在軟巖隧道中開挖時(shí)，架設(shè)鎖腳錨桿能夠預(yù)防下臺(tái)階開挖引起的鋼拱架懸空，能夠有效控制隧道開挖后的圍巖變形。因此，鎖腳錨桿在軟弱圍巖隧道的施工中得到了廣泛的運(yùn)用。

圖1 鋼拱架+噴砼+系統(tǒng)錨桿支護(hù)體系

圖2 鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿支護(hù)體系

3 支護(hù)受力的分析

3.1 工程概況

某公路隧道為軟弱圍巖隧道，隧道凈寬11.77 m，凈高8.80 m，拱墻部分內(nèi)半徑R=6.05 m，仰拱部分內(nèi)半徑R=17.0 m。圍巖的力學(xué)參數(shù)與支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

隧道設(shè)計(jì)的初期支護(hù)為系統(tǒng)錨桿+鋼拱架+噴射混凝土的方式。由于實(shí)際施工中的圍巖變形較大，擬采用鎖腳錨桿代替系統(tǒng)錨桿進(jìn)行初期支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)形式分析

3.2 數(shù)值模擬分析

用Midas GTS軟件分別建立鋼拱架+噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿的支護(hù)體系(工況1)和鋼拱架+噴射混凝土+鎖腳錨桿的支護(hù)體系(工況2)下的數(shù)值計(jì)算模型。在系統(tǒng)錨桿支護(hù)體系中，錨桿采用全斷面布設(shè)，每個(gè)斷面有21根； 鎖腳錨桿支護(hù)體系中，分別在上、中和下臺(tái)階鋼拱架拱腳處斜向下45°布置鎖腳錨桿，每個(gè)斷面有6根。模型開始運(yùn)行前，在拱頂處預(yù)設(shè)沉降關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖3。

(a)鋼拱架+噴砼+系統(tǒng)錨桿支護(hù)

提取兩種工況下隧道拱頂關(guān)鍵點(diǎn)的位移，對(duì)圍巖的變形結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 圍巖變形數(shù)值模擬結(jié)果

由表3可以看出，在采用鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿的初期支護(hù)中，隧道拱頂?shù)南鲁亮啃∮诓捎孟到y(tǒng)錨桿時(shí)，在圍巖穩(wěn)定性方面，當(dāng)用鎖腳錨桿替代系統(tǒng)錨桿后，圍巖的變形量減少。從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，同一斷面內(nèi)，鎖腳錨桿的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)錨桿，這不僅節(jié)省了購(gòu)買錨桿的費(fèi)用，還節(jié)約了時(shí)間，有利于隧道快速開挖。由此可以認(rèn)為，在軟弱圍巖地層中開挖隧道，利用鎖腳錨桿替代系統(tǒng)錨桿進(jìn)行初期支護(hù)是可行的。

4 結(jié)論

通過對(duì)兩種初期支護(hù)的支護(hù)原理進(jìn)行分析，并依托軟弱圍巖隧道，利用數(shù)值模擬，分析了采用不同錨桿的初期支護(hù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，獲得的主要結(jié)論：

(1)從控制圍巖變形的角度來看，在軟弱圍巖地層中開挖隧道時(shí)，使用鎖腳錨桿替代系統(tǒng)錨桿，圍巖的變形量減少，隧道的穩(wěn)定性增強(qiáng)。在軟弱圍巖地層中開挖隧道，利用用鎖腳錨桿替代系統(tǒng)錨桿，有利于維護(hù)隧道的穩(wěn)定性。

(2)從節(jié)約施工成本的角度來看，使用鎖腳錨桿替代系統(tǒng)錨桿后，支護(hù)效果較好，并且使用的錨桿數(shù)量明顯減少，節(jié)省了隧道支護(hù)的材料成本。同時(shí)，由于錨桿數(shù)量減少，鉆孔的數(shù)量也隨之減少，加快了隧道的施工，降低了施工成本。