天津關(guān)隧道軟巖大變形段鎖腳錨桿支護(hù)技術(shù)研究*

佟曉冬，郭金冀，譚賢君

(1.中交一公局第五工程有限公司，北京 100024； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

0 引言

目前，通過長期的理論研究和工程實(shí)踐，總結(jié)出一些預(yù)防和處治軟巖隧道大變形的方法,如高早強(qiáng)噴射混凝土、高強(qiáng)鋼拱架、超前管棚/小導(dǎo)管、預(yù)應(yīng)力錨桿、注漿加固、臨時仰拱長錨桿及鎖腳錨桿等[1-6]。其中鎖腳錨桿支護(hù)技術(shù)近年來應(yīng)用較多，其效果得到業(yè)界一致認(rèn)可，眾多學(xué)者也開展大量研究，取得一定成果，如羅彥斌等[7]以包茂線西康高速公路包家山特長公路隧道為依托，采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，對典型斷面錨桿軸向應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)果表明，拱部錨桿受力較小，鎖腳錨桿受力較大。鄧國華等、王晨昭[8-9]對比分析錨桿和鎖腳錨桿的異同點(diǎn),提出鎖腳錨桿的數(shù)值模擬方法，并通過三維有限元分析,研究鎖腳錨桿對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。陳麗俊等[10-11]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性地基梁理論推導(dǎo)鎖腳錨桿撓度、剪力、彎矩和地基反力的解析表達(dá)式。彭正中等[13]采用有限元分析軟件對鎖腳錨桿與初支鋼架連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行模擬分析，結(jié)合理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，提出合理的鎖腳錨桿與初支鋼架連接結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化偏壓側(cè)錨桿設(shè)置參數(shù)。

但總體來說，目前針對鎖腳錨桿支護(hù)的理論、設(shè)計(jì)及施工方法研究還較少,不能很好地指導(dǎo)實(shí)際工程,導(dǎo)致隧道現(xiàn)場施工存在一定盲目性,不僅給施工帶來諸多困難、延誤工期和增加造價,甚至造成人員傷亡。因此,對軟弱圍巖隧道中控制過大變形的鎖腳錨桿支護(hù)特性進(jìn)行研究[14-15],最大限度降低軟巖大變形所帶來的危害,具有重要的理論和實(shí)踐意義。

鑒于此，本文結(jié)合雙大路二期(柏峪—齋幽路)天津關(guān)軟巖隧道工程，研究了鎖腳錨桿的支護(hù)效果，提出進(jìn)一步優(yōu)化措施，并研究錨桿直徑和長度對支護(hù)效果的影響等。

1 工程概況

雙大路二期(柏峪—齋幽路)道路工程位于北京市門頭溝區(qū)西部齋堂鎮(zhèn)，路線起點(diǎn)位于柏峪村西北口雙大路一期柏峪隧道北側(cè)，終點(diǎn)位于沿河城南側(cè)，與齋幽路(S211) 相交。起點(diǎn)樁號為 K0+000，終點(diǎn)樁號為 K17+909，路線全長 17.91km。

天津關(guān)隧道起止里程樁號為K1+287—K2+283,總長996m，屬中長隧道。隧道寬10.0m，高5.0m，為雙向行車單洞三級公路隧道，隧道進(jìn)口路面高程987.160m，隧道出口路面高程992.520m。洞身主要穿越碎石土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中等風(fēng)化白云巖、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖及中等風(fēng)化閃長巖。強(qiáng)風(fēng)化白云巖巖體破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)類型為碎裂狀結(jié)構(gòu)；中等風(fēng)化白云巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)類型為裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；強(qiáng)風(fēng)化閃長巖巖體破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)類型為碎裂狀結(jié)構(gòu)；中等風(fēng)化閃長巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)類型為裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；碎石土呈中密～密實(shí)狀態(tài)，僅隧道進(jìn)口段崩積碎石土呈松散～稍密狀態(tài)。

2 鎖腳錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)方案

隧道根據(jù)圍巖條件，共選用上下臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階法施工，為消除施工工法對隧道圍巖變形的影響，以同一工法大變形段(K1+890—K2+010)為對象進(jìn)行研究。原鎖腳支護(hù)方案如圖1所示，中臺階開挖完成后立拱架，同時施作3m長φ22早強(qiáng)砂漿鎖腳錨桿?，F(xiàn)場實(shí)施樁號為K1+890—K1+920，共40m。

圖1 原鎖腳錨桿方案設(shè)計(jì)

典型斷面(K1+900)拱頂和拱腰位置累計(jì)變形如圖2所示。從圖2可以看出，采用該鎖腳錨桿支護(hù)方案，圍巖變形并沒有得到有效控制，拱頂和拱腰在支護(hù)閉合前變形一直都很大，累計(jì)變形分別達(dá)到了836.5，784.1mm。原因是該斷面臨近V2級圍巖條件很差，且φ22早強(qiáng)砂漿鎖腳錨桿沒有起到很好的支護(hù)效果。為了進(jìn)一步分析鎖腳錨桿在隧道施工過程中控制圍巖的作用，繪制隧道拱頂和拱腰的變形速率，如圖3所示。

圖2 典型斷面(K1+900)拱頂和拱腰位置累計(jì)變形量

圖3 典型斷面(K1+900)拱頂和拱腰位置變形速率

從圖3可以看出，圍巖變形速率與隧道開挖過程的關(guān)系。隧道上臺階開挖后，由于應(yīng)力得到釋放，圍巖變形速率較大，達(dá)到46mm/d，此后隨著噴射混凝土、鋼拱架等初次支護(hù)的施加，圍巖變形速率慢慢變小，直到左中臺階開挖，圍巖變形小幅回升，這是因?yàn)樽笾信_階開挖使得上臺階鋼拱架臨空，無法起到支護(hù)作用，導(dǎo)致圍巖變形速率增大，此后隨著中臺階鋼拱架施工以及φ22早強(qiáng)砂漿鎖腳錨桿施工完成，變形速率慢慢得到控制，直到右中臺階開挖，圍巖變形速率開始變大，并且比之前的左中臺階開挖時變形速率增大更多，這是因?yàn)榇藭r隧道的臨空面大大增加，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力顯著增大，說明三臺階七步開挖法施工時，要特別重視第3步開挖時的支護(hù)。右中臺階支護(hù)施工完成，圍巖變形速率又明顯下降，直到左、右下臺階和仰拱開挖時，變形速率又有小幅增加，其原因與中臺階開挖時類似。當(dāng)?shù)?9d初期支護(hù)完全閉合后，圍巖變形速率開始顯著降低，并很快降為0，說明圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉對減小圍巖變形效果顯著。

下臺階開挖完成后，初襯已經(jīng)明顯侵限，只能采用換拱方法進(jìn)行處理。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化過程與效果分析

上述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場變形情況表明，原鎖腳錨桿支護(hù)方案無法很好控制圍巖變形，于是提出第1階段優(yōu)化方案，如圖4所示。

圖4 第1階段優(yōu)化方案

本次優(yōu)化支護(hù)具體措施為上、中、下臺階開挖完成后，立拱架，同時均施作φ42×4鎖腳錨桿，其中上、下臺階位置處的錨桿長3.5m，中臺階位置處的錨桿長4.0m?，F(xiàn)場實(shí)施樁號為處的K1+920—K1+950，共計(jì)30m。此方案拱頂位置累計(jì)變形量和變形速率如圖5,6所示。從圖5可以看出，通過優(yōu)化后，拱頂圍巖變形量比原方案有了較大幅度減小，最大變形量從原來的836.5mm減小到562.3mm，減小32.8%。從圖6可以看出，各臺階開挖后由于鎖腳錨桿的作用，變形速率增加不是很明顯，說明鎖腳錨桿起固定鋼拱架的作用，但是變形量依然較大，從現(xiàn)場照片來看，局部依然出現(xiàn)了侵限，所以有待進(jìn)一步優(yōu)化。該結(jié)論與伍毅敏等提出的觀點(diǎn)相似，即常用的φ42mm小導(dǎo)管直徑過小，橫向承載能力有限，不宜用作鎖腳鋼管。

圖5 3種方案拱頂位置累計(jì)變形量對比

圖6 3種方案拱頂位置變形速率對比

通過上述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場變形情況表明，第1次鎖腳支護(hù)優(yōu)化方案依然無法很好控制圍巖變形，于是提出第2階段優(yōu)化方案，如圖7所示。

圖7 第2階段優(yōu)化方案

本次鎖腳優(yōu)化支護(hù)具體措施為上、中臺階開挖完成后，立拱架，同時施作φ89×6、長5.0m的鎖腳錨桿?，F(xiàn)場實(shí)施樁號為K1+950—K2+010，共計(jì)60m。此方案拱頂位置累計(jì)變形量和變形速率如圖5,6所示。從圖5可以看到，通過第2次優(yōu)化后，拱頂圍巖的變形量比原方案有了更大幅度減小，最大變形量從原來的836.5mm減小到342.9mm，比原設(shè)計(jì)方案減小59.0%。

3 結(jié)語

1)雖然φ42×4鎖腳錨桿的支護(hù)效果好于φ22早強(qiáng)砂漿鎖腳錨桿，但依然不能很好控制圍巖變形。

2)相比φ42×4鎖腳錨桿，φ89×6鎖腳錨桿能很好地控制圍巖變形，說明鎖腳錨桿管徑對其支護(hù)效果具有重要影響。

3)圍巖變形速率與隧道開挖過程有密切的關(guān)系，三臺階七步開挖法施工時，要特別重視第3步開挖時的支護(hù)。