中空注漿錨桿在隧道地表加固中的應(yīng)用

高 帥，胡明香，李文彪

(1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院 贛州市 341000； 2.贛州水務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司 贛州市 341000)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)隧道建設(shè)迅速發(fā)展，隧道設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)日益豐富，但對(duì)于洞口軟巖淺埋段的進(jìn)洞問(wèn)題仍未得到較好的解決。因此，研究淺埋條件下不接長(zhǎng)隧道明洞而直接進(jìn)洞的方法，對(duì)簡(jiǎn)化隧道洞口段的施工工藝流程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，針對(duì)圍巖條件較差的洞口或洞身淺埋、偏壓地段，為防止隧道在暗挖過(guò)程中發(fā)生過(guò)大的地表沉降和土體的水平滑移，較好的解決方案是對(duì)淺埋隧道的拱頂圍巖進(jìn)行地表加固。

常用的地表加固措施主要有地表砂漿錨桿和地表注漿，然而在實(shí)際應(yīng)用中由于普通砂漿錨桿的局限性，地表砂漿錨桿加固措施往往達(dá)不到預(yù)期效果?？紤]到中空注漿錨桿的優(yōu)越性，建議采用中空注漿錨桿替代普通砂漿錨桿，并通過(guò)有限元模擬進(jìn)一步說(shuō)明地表中空注漿錨桿加固措施的優(yōu)勢(shì)。

2 地表砂漿錨桿

目前，在地質(zhì)條件較差的V、VI級(jí)軟弱和破碎圍巖中，當(dāng)隧道洞口或洞身處于溝谷中的淺埋、偏斜段而無(wú)法形成“拱效應(yīng)”時(shí)，為了防止隧道開(kāi)挖工程中產(chǎn)生過(guò)大的地表沉降，確保隧道施工安全及運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)安全，在隧道暗挖前，多采用地表砂漿錨桿進(jìn)行地表加固[1]。

地表砂漿錨桿是在暗挖隧道待開(kāi)挖面上方，沿開(kāi)挖方向，從地表向拱頂部位，按矩形或梅花形布置豎向錨桿，從而在隧道拱頂上方形成一個(gè)加固保護(hù)區(qū)，以防止隧道開(kāi)挖時(shí)地表沿其滑移面發(fā)生沉降的一種預(yù)支護(hù)方案[2]。

地表砂漿錨桿的作用原理是通過(guò)對(duì)隧道拱頂圍巖進(jìn)行約束，承擔(dān)隧道開(kāi)挖后因巖土體變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而達(dá)到控制地表沉降和土層滑移、防止開(kāi)挖掌子面發(fā)生坍塌的目的[2]。

圖1 地表砂漿錨桿加固示意圖

根據(jù)贛南地區(qū)公路隧道設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，在隧道洞口或洞身淺埋段，當(dāng)拱頂?shù)貙訛閂、VI級(jí)軟弱破碎的全、強(qiáng)風(fēng)化巖土體或覆蓋層，采用地表砂漿錨桿對(duì)拱頂?shù)乇磉M(jìn)行預(yù)支護(hù)時(shí)，其加固效果往往達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期。

通過(guò)綜合分析，其主要客觀(guān)原因有以下幾點(diǎn)[4]：

(1)砂漿錨桿是通過(guò)圍巖變形逐漸發(fā)揮支護(hù)功能，而無(wú)法從根本上改善圍巖的物理力學(xué)性能，因此對(duì)軟弱地層的加固效果還不夠顯著。

(2)在軟弱地層中，砂漿錨桿因施工條件差而經(jīng)常發(fā)生塌孔現(xiàn)象，造成施工不便。同時(shí)塌孔問(wèn)題極大地影響和限制了錨桿的順利安設(shè)，導(dǎo)致錨桿施作質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

(3)對(duì)于V、VI級(jí)軟弱破碎圍巖，砂漿錨桿與圍巖的接觸條件較差，孔壁無(wú)法提供足夠的粘結(jié)力，造成砂漿錨桿無(wú)法充分地發(fā)揮加固支護(hù)作用。

3 中空注漿錨桿

中空注漿錨桿是一種采用螺紋鋼管作為桿體，通過(guò)管體注漿且注漿嚴(yán)密，來(lái)加固周邊巖土體的一種錨桿。與普通砂漿錨桿相比，中空注漿錨桿所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能，使其具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]:

(1)與普通砂漿錨桿相比，中空注漿錨桿在注漿時(shí)不必拔出注漿管，因此不會(huì)造成漿液流失，桿體與圍巖的緊密接觸保證了錨固力的充分發(fā)揮。

(2)中空注漿錨桿采用成套的注漿設(shè)備及成熟的注漿工藝，保證了注漿的密實(shí)性，解決了砂漿錨桿注漿不飽滿(mǎn)的弊端。

(3)中空注漿錨桿將管式桿體作為鉆具和注漿管使用，不必在鉆孔后拔出，安設(shè)方便，從而不再受塌孔的限制，提高了錨桿對(duì)軟弱破碎圍巖的適應(yīng)性，解決了普通砂漿錨桿因塌孔導(dǎo)致安裝不便、施工進(jìn)度慢、施作質(zhì)量差的技術(shù)難題。

(4)漲殼式中空注漿錨桿可施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)需要預(yù)先提供支護(hù)抗力的地層具有較好的適應(yīng)性。

(5)中空注漿錨桿結(jié)合了錨桿和注漿的特點(diǎn)，既具有錨桿的錨固效果，又具有對(duì)圍巖的注漿加固效果。

4 地表中空注漿錨桿

在淺埋隧道拱頂圍巖預(yù)支護(hù)工程中，由于砂漿錨桿的缺陷和局限性，采用地表砂漿錨桿進(jìn)行地表加固時(shí)，往往達(dá)不到預(yù)期效果。而中空注漿錨桿作為一種基于普通砂漿錨桿和注漿工藝發(fā)展而來(lái)的新型錨桿，其結(jié)合了錨桿和注漿的優(yōu)勢(shì)，突出的特點(diǎn)就是桿體兼具錨桿和注漿的功能，能夠發(fā)揮錨桿支護(hù)以及注漿加固圍巖的作用，同時(shí)中空注漿錨桿的抗拔性能也要顯著地優(yōu)于普通砂漿錨桿，對(duì)軟弱破碎圍巖具有更好的適應(yīng)性[3]。

因此，建議對(duì)淺埋隧道地表加固措施中的地表砂漿錨桿，當(dāng)圍巖軟弱破碎、地質(zhì)條件較差，應(yīng)采用中空注漿錨桿替代傳統(tǒng)的普通砂漿錨桿進(jìn)行地表加固。

此外，采用地表中空注漿錨桿，通過(guò)桿體注漿，可以對(duì)隧道淺埋段巖土體進(jìn)行局部固結(jié)，在一定程度上改良了拱頂巖土體物理性質(zhì)和防止地表水大量滲入，從而具有一定的地表注漿加固效果。

5 地表加固工程案例

現(xiàn)通過(guò)具體的隧道地表加固工程案例，根據(jù)有限元模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證和說(shuō)明地表中空注漿錨桿的加固效果和優(yōu)越性。

5.1 工程概況

坑背尾隧道左線(xiàn)進(jìn)出口均位于溝谷之中，溝谷地勢(shì)平緩，隧道淺埋段較長(zhǎng)，最小淺埋厚度僅5m。此外隧道進(jìn)出口淺埋段地層巖性均為全風(fēng)化花崗巖，巖體極破碎，巖質(zhì)軟-極軟，地質(zhì)條件差，若開(kāi)挖不當(dāng)，極易發(fā)生大規(guī)模坍塌。

為了控制隧道開(kāi)挖工程中產(chǎn)生過(guò)大的地表沉降和變形，防止開(kāi)挖掌子面發(fā)生大規(guī)模坍塌事故，確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全，在暗挖前，采用地表中空注漿錨桿，對(duì)隧道淺埋段進(jìn)行地表加固。錨桿類(lèi)型采用普通中空注漿錨桿，間距為1.0m，呈梅花形布置，設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 地表中空注漿錨桿加固設(shè)計(jì)

5.2 有限元模擬

使用有限元軟件PLAXIS，取坑背尾隧道拱頂埋深約7.0m的淺埋段作為計(jì)算剖面，分別在無(wú)地表加固措施、地表砂漿錨桿加固措施和地表中空注漿錨桿加固措施三種不同開(kāi)挖條件下的拱頂圍巖位移沉降進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。

5.2.1無(wú)地表加固措施計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，計(jì)算剖面在沒(méi)有地表加固措施的情況下，隧道上、下臺(tái)階開(kāi)挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為102mm、104mm，隧道拱頂發(fā)生坍塌的可能性極大，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 上臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖4 下臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據(jù)圖5“隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖”可知，隧道開(kāi)挖完成后拱頂?shù)乇硖幾畲罂偽灰萍s為0.09m，表明地表產(chǎn)生了很大的沉降變形。

梨花和桃花捧著熱火火的骨灰盒，在黑傘下回到各自的拖拉機(jī)上，又被突突突地拉回谷村。拖拉機(jī)每到一個(gè)岔路口，桃花和梨花都要叫幾聲亡靈，叫他們跟著往這兒走，千萬(wàn)別走錯(cuò)了路，回不了家。梨花喊一聲：“媽?zhuān)丶伊?！”桃花也跟著喊一聲：“方竹，回家了！”梨花在喊過(guò)母親之后，和著桃花的喊聲，也在心里喊一聲：“哥哥，回家了！”

圖5 隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖

由此判斷，坑背尾隧道淺埋段暗挖前若不采取地表加固措施，在開(kāi)挖施工時(shí)極有可能發(fā)生較大的地表沉降和大規(guī)模坍塌事故。

5.2.2地表砂漿錨桿加固措施計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，計(jì)算剖面在采用地表砂漿錨桿加固措施的情況下，隧道上、下臺(tái)階開(kāi)挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為52mm、53mm，隧道拱頂發(fā)生坍塌的可能性仍然較大，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 上臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖7 下臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據(jù)圖8“隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖”可知，隧道開(kāi)挖完成后拱頂?shù)乇硖幾畲罂偽灰萍s為0.05m，表明地表產(chǎn)生的沉降變形仍然很大。

圖8 隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖

由此判斷，相比無(wú)地表加固措施，采用地表砂漿錨桿加固措施，隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中拱頂圍巖變形位移量減小了一半，但仍有可能發(fā)生較大的地表沉降或拱頂坍塌事故。

5.2.3地表中空注漿錨桿加固措施計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，隧道淺埋段在采用地表中空注漿錨桿加固措施的情況下，隧道上、下臺(tái)階開(kāi)挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為23mm、25mm，隧道拱頂發(fā)生大規(guī)模坍塌的可能性減小，見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 上臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖10 下臺(tái)階開(kāi)挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據(jù)圖11“隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖”可知，隧道開(kāi)挖完成后拱頂?shù)乇硖幾畲罂偽灰萍s為0.022m，表明地表沉降變形量已經(jīng)在可控范圍之內(nèi)。

由此判斷，相比地表砂漿錨桿加固措施，采用地表中空注漿錨桿加固措施，隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中拱頂圍巖變形位移量減小了一半以上，隧道拱頂發(fā)生大規(guī)模坍塌的可能性減小，沉降變形量也處在控制范圍以?xún)?nèi)。

此外，根據(jù)表1隧道拱頂?shù)乇沓两惮F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可知，有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果吻合性較好，表明以上有限元模擬結(jié)果與判斷具有一定的可靠性。

圖11 隧道拱頂?shù)乇砜偽灰魄€(xiàn)圖

表1 隧道拱頂?shù)乇沓两惮F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果(單位：mm)

6 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)圍巖松散破碎的隧道淺埋段，采用地表砂漿錨桿對(duì)拱頂?shù)乇磉M(jìn)行預(yù)支護(hù)時(shí)，由于普通砂漿錨桿的局限性等客觀(guān)原因，其加固效果往往達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期。

(2)采用中空注漿錨桿替代普通砂漿錨桿進(jìn)行地表加固，可以解決砂漿錨桿的技術(shù)缺陷和弊端，充分發(fā)揮地表錨桿的錨固效果。

(3)采用地表中空注漿錨桿，通過(guò)桿體注漿，可以對(duì)隧道淺埋段巖土體進(jìn)行局部固結(jié)，在一定程度上改良了拱頂巖土體物理性質(zhì)和防止地表水大量滲入，從而具有一定的地表注漿加固效果。

(4)地表中空注漿錨桿的加固效果大約是地表砂漿錨桿的兩倍以上，而中空注漿錨桿的施工成本約為砂漿錨桿的1.5倍，所以地表中空注漿錨桿不僅加固效果顯著，同時(shí)也具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。