淺埋大跨小凈距桃花峪黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用效果研究

劉 洋，譚忠盛

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100088;2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引言

錨桿支護(hù)是噴錨支護(hù)的主要組成部分，實(shí)踐表明，在硬巖和軟巖中，錨桿有著良好的適用性，可以取得良好的效果。國內(nèi)外在這方面研究很多，形成了懸吊效應(yīng)、組合拱效應(yīng)、減跨效應(yīng)和擠壓加固效應(yīng)等諸多支護(hù)機(jī)制，相關(guān)的研究成果已歸納成相應(yīng)的公式列入我國部分規(guī)范中［1］。與局部錨桿相比，系統(tǒng)錨桿是指在隧道的周邊按一定規(guī)律統(tǒng)一布置的徑向錨桿。然而，系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的作用一直是學(xué)術(shù)界和工程界爭論的熱點(diǎn)。譚忠盛等［2］采用現(xiàn)場監(jiān)測方法對淺埋黃土隧道和深埋黃土隧道有無系統(tǒng)錨桿的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析研究，得出了拱部錨桿支護(hù)效果不明顯這一重要結(jié)論。路軍富等［3］對大斷面深埋黃土隧道圍巖內(nèi)變形模式發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為拱部錨桿支護(hù)效果較差。陳建勛等［4］針對淺埋黃土隧道中系統(tǒng)錨桿支護(hù)作用進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明，系統(tǒng)錨桿對控制圍巖變形的作用不顯著。雖然目前關(guān)于黃土隧道的工程特征、設(shè)計(jì)與施工技術(shù)以及黃土地層的錨固機(jī)制都已經(jīng)有了較深入的研究［5－8］，但針對淺埋大跨小凈距黃土隧道，國內(nèi)外研究比較少［9－10］，特別是系統(tǒng)錨桿的作用還有待進(jìn)一步研究。以武西高速公路桃花峪隧道工程為依托，開展有無錨桿的現(xiàn)場對比試驗(yàn)研究，監(jiān)測了先行洞開挖過程中每個(gè)開挖步的位移和應(yīng)力，進(jìn)而檢測后行洞開挖到交匯斷面時(shí)后行洞每個(gè)開挖步的位移和應(yīng)力，得到了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出有無錨桿試驗(yàn)段的變形、應(yīng)力和圍巖壓力隨各個(gè)施工步的變化規(guī)律;通過對試驗(yàn)段的各監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終確定淺埋大跨小凈距黃土隧道在現(xiàn)場試驗(yàn)條件下有無錨桿的作用效果。

1 工程概況及地質(zhì)情況

武西高速公路北接焦作至鄭州高速公路，南接國道主干線連霍高速公路，在ZK36+680～ZK37+260處穿越邙山，設(shè)置桃花峪隧道。隧道位于河南省武西高速公路桃花峪黃河特大橋主橋以南約250 m處。隧道北口接大橋南引橋，洞身穿越邙山風(fēng)景區(qū)，終點(diǎn)位于桃花峪景區(qū)大門停車場附近，行政區(qū)域隸屬于鄭州滎陽市。隧道總長575 m，位于邙山黃土丘陵區(qū)，地形起伏大，地面標(biāo)高157.6～206.3 m，設(shè)計(jì)為獨(dú)立雙洞形式，洞室間最小凈距4.45 m，洞體覆蓋層厚0.8～55.5 m，最小覆蓋層不足1 m，為雙向6車道，單洞最大開挖跨度15.288 m，開挖高度12.07 m(含仰拱)，頂板厚5～50 m，為目前國內(nèi)間距最小的淺埋、大跨、小凈距黃土隧道公路隧道。

桃花峪隧道地處黃河南岸的邙山黃土臺塬區(qū)，呈北高南低，向南部傾斜，侵蝕地貌發(fā)育，地形起伏不平，溝壑縱橫，形成眾多的黃土梁、峁南。位于淺埋偏壓段，且為大斷面黃土隧道，是設(shè)計(jì)領(lǐng)域公認(rèn)的復(fù)雜類隧道，隧道設(shè)計(jì)、施工難度大。隧道為具有一定濕陷性的新黃土，土質(zhì)較松散，穩(wěn)定性差，承載力低。黃土濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級。隧道圍巖涉及地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積形成的馬蘭黃土(Q3eol)，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較弱，工程性質(zhì)差，Ⅴ級圍巖。在雨季施工時(shí)，土體穩(wěn)定性更差。桃花峪隧道地質(zhì)情況如表1所示。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本項(xiàng)目共進(jìn)行了2段隧道有無錨桿施工對比試驗(yàn)，其中有錨桿段長度40 m(ZK36+920～+960)，無錨桿段長度30 m(ZK37+000～+030)，試驗(yàn)內(nèi)容如下:

1)檢測斷面各設(shè)4個(gè)位移監(jiān)測斷面，進(jìn)行了拱頂絕對下沉監(jiān)測、拱腳絕對下沉監(jiān)測和水平收斂監(jiān)測。

2)檢測斷面各設(shè)2個(gè)圍巖壓力監(jiān)測斷面，進(jìn)行了圍巖和初期支護(hù)間接觸壓力的監(jiān)測。

3)檢測斷面各設(shè)2個(gè)應(yīng)力監(jiān)測斷面，進(jìn)行了初期支護(hù)鋼格柵應(yīng)力監(jiān)測。

表1 桃花峪隧道地質(zhì)情況匯總表Table 1 Geological conditions of Taohuayu tunnel

4)桃花峪隧道潮噴噴射混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快、較平穩(wěn)，24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.5 MPa左右，48 h可達(dá)11.5 MPa，在軟弱圍巖中提高噴混凝土的早期強(qiáng)度十分重要，是控制圍巖變形和穩(wěn)定的關(guān)鍵。噴射混凝土可以滿足鋼拱架采用鋼格柵時(shí)對早期強(qiáng)度的需要，能夠起到早期支護(hù)的作用。

5)本次試驗(yàn)段采用CD開挖法施工。永久初期支護(hù)采用格柵鋼拱架，截面28 cm×28 cm，縱向凈距50 cm;φ8 cm雙層鋼筋網(wǎng)@10 cm×10 cm;噴射37 cm厚C25混凝土;每榀鋼架均設(shè)置鎖腳錨管，φ50×4 mm，L=3.5 m。臨時(shí)支護(hù):I18型鋼鋼架+φ22藥卷錨桿，L=300 cm，間距100 cm ×100 cm，φ8@25 cm ×25 cm鋼筋網(wǎng)，22 cm厚C25噴射混凝土。具體施工流程如圖1所示。

圖1 CD法開挖步驟圖Fig.1 Excavation process of CD method

試驗(yàn)段位于桃花峪隧道中段，試驗(yàn)從2012年4月10日開始，有錨桿試驗(yàn)段選取ZK36+955斷面為研究對象，拱、墻設(shè)3.5 m長錨桿，監(jiān)測項(xiàng)目包括位移、圍巖－初期支護(hù)接觸壓力、鋼格柵應(yīng)力和錨桿軸力;無錨桿試驗(yàn)段選取ZK37+020斷面為研究對象，拱、墻均不設(shè)置錨桿，監(jiān)測項(xiàng)目包括位移、圍巖－初期支護(hù)接觸壓力和鋼格柵應(yīng)力。

2.2 監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置

1)隧道先開挖右側(cè)，即1號點(diǎn)位置，為隧道先行導(dǎo)洞，拱頂沉降測點(diǎn)“GD1”，左右側(cè)拱頂測點(diǎn)“1號點(diǎn)、2號點(diǎn)”，左右側(cè)拱肩測點(diǎn)“3號點(diǎn)、4號點(diǎn)”，見圖2。

圖2 初期支護(hù)位移測點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of monitoring points for primary support displacement

2)圍巖－初期支護(hù)接觸壓力采用雙模壓力盒監(jiān)測，雙模壓力盒以隧道中線對稱布置，Y1～Y9表示9個(gè)壓力測點(diǎn)，見圖3。

圖3 圍巖－初期支護(hù)壓力測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for contact pressure between surrounding rock and primary support

3)鋼格柵應(yīng)力采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測，應(yīng)變計(jì)以隧道中線對稱布置，“WE”表示格柵拱架的外測應(yīng)變測點(diǎn)，“NE”表示格柵拱架的內(nèi)測應(yīng)變測點(diǎn)，整個(gè)斷面埋設(shè)9對應(yīng)變計(jì)，見圖4。

4)錨桿軸力采用錨桿軸力計(jì)，“MZ”表示錨桿軸力測點(diǎn)，每根錨桿上布置4個(gè)錨桿軸力計(jì)，見圖5。

2.3 無錨桿試驗(yàn)段結(jié)果分析

1)無錨桿試驗(yàn)段選取ZK37+020斷面進(jìn)行了監(jiān)測分析?！白髠?cè)拱頂”表示隧道開挖左導(dǎo)洞上拱頂位置布置的監(jiān)控量測點(diǎn)位，“右側(cè)拱頂”表示隧道開挖右導(dǎo)洞上拱頂位置布置的監(jiān)控量測點(diǎn)位，“仰拱封閉”表示研究斷面仰拱開挖、初期支護(hù)封閉成環(huán)。由于隧道各個(gè)導(dǎo)洞交替開挖，開挖各導(dǎo)洞沉降無突變影響。拱頂下沉及拱肩、拱腳收斂關(guān)系曲線見圖6和圖7。

圖4 鋼格柵應(yīng)力測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of monitoring points for stress of lattice girder

圖5 錨桿軸力的測點(diǎn)布置圖(單位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points for axial force of anchor bolt(cm)

圖6 ZK37+020拱頂沉降－時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.6 Time-dependent curves of crown settlement at ZK37+020

圖7 ZK37+020先行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.7 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK37+020

2)格柵鋼架應(yīng)力分布規(guī)律。格柵拱架的應(yīng)變值，乘以格柵拱架的彈性模量得到其應(yīng)力值，根據(jù)格柵拱架的抗拉、抗壓極限強(qiáng)度判斷格柵拱架的受力安全性。格柵拱架的應(yīng)力時(shí)程曲線見圖8。

圖8 ZK37+020斷面格柵鋼架外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線圖Fig.8 Time-dependent curves of stress on outside of lattice girder at ZK37+020

3)土壓力分布規(guī)律。圍巖－初期支護(hù)接觸壓力時(shí)程曲線圖以及斷面基本穩(wěn)定后的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力分布圖，如圖9和圖10所示。

圖9 ZK37+020斷面圍巖－初期支護(hù)接觸壓力時(shí)程曲線圖Fig.9 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020

圖10 ZK37+020研究斷面圍巖－初期支護(hù)壓力分布圖(單位:kPa)Fig.10 Distribution of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020(kPa)

2.4 有錨桿試驗(yàn)段結(jié)果分析

1)拱頂下沉及拱肩、拱腳收斂。對ZK36+955斷面的左右側(cè)拱頂下沉監(jiān)測如圖11所示，拱肩、拱腳收斂如圖12和圖13所示。

2)鋼格柵鋼架應(yīng)力分布規(guī)律。斷面ZK36+955的鋼格柵表面應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線如圖14和圖15所示，圖中系列1－系列9表示拱架外側(cè)或者內(nèi)側(cè)測點(diǎn)。量測時(shí)間持續(xù)2個(gè)多月。

圖11 ZK36+955拱頂沉降－時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.11 Crown settlement Vs time at ZK36+955

圖12 ZK36+955先行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.12 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK36+955

圖13 ZK36+955后行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.13 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of following tunnel at ZK36+955

圖14 ZK36+955鋼格柵外側(cè)應(yīng)力監(jiān)測時(shí)態(tài)曲線Fig.14 Time-dependent curves of stresse on outside of lattice girder at ZK36+955

圖15 ZK36+955鋼格柵內(nèi)側(cè)應(yīng)力監(jiān)測時(shí)態(tài)曲線Fig.15 Time-dependent curves of stress on inside of lattice girder at ZK36+955

3)土壓力分布規(guī)律。針對ZK36+955斷面的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力進(jìn)行了監(jiān)測，各測點(diǎn)的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力時(shí)程曲線如圖16所示。

圖16 ZK36+955斷面圍巖－初期支護(hù)接觸壓力分布圖Fig.16 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK36+955

3 有無錨桿監(jiān)測結(jié)果對比分析

1)拱頂沉降的對比分析。將有無錨桿2試驗(yàn)段的拱頂沉降進(jìn)行對比分析，各測點(diǎn)的時(shí)程曲線見圖17和圖18。錨桿對沉降控制作用較小，除去塌方段引起的沉降突變，有錨桿試驗(yàn)段各臺階施工引起的沉降比較均勻，相對無錨桿段沉降較小，仰拱封閉時(shí)沉降發(fā)生的比例兩者相差不大。

圖17 有無錨桿段研究斷面初支拱頂左側(cè)沉降測點(diǎn)對比分析Fig.17 Time-dependent curves of settlement of the left side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

圖18 有無錨桿段研究斷面初支拱頂右側(cè)沉降測點(diǎn)對比分析Fig.18 Time-dependent curves of settlement of the right side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

2)水平相對收斂。有無錨桿段在水平相對收斂方面差距很小，CD法雙側(cè)導(dǎo)洞開挖以及各個(gè)臺階的施作隧道整體水平收斂相對不均勻，在滯后一側(cè)導(dǎo)洞下導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成30～40 m后施作仰拱，收斂值略有增大，同時(shí)由于黃土土質(zhì)特點(diǎn)，隧道以整體性沉降為主，初期支護(hù)沉降非常明顯，相對于拱頂沉降，收斂值非常小。

3)格柵鋼架應(yīng)力對比分析。為了進(jìn)一步對有無錨桿試驗(yàn)段的格柵拱架應(yīng)力進(jìn)行分析，監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定后取值，在施工過程中部分監(jiān)測點(diǎn)在隧道開挖過程中有一定突變增長，略大于穩(wěn)定值，但相差不大，因此取封閉后監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定值來分析，利用2個(gè)試驗(yàn)段斷面各部的格柵拱架應(yīng)力最大值進(jìn)行比較，內(nèi)側(cè)的格柵拱架應(yīng)力包絡(luò)圖以及外側(cè)的格柵拱架應(yīng)力包絡(luò)圖如圖19和圖20所示。

圖19 有無錨桿試驗(yàn)段斷面格柵拱架內(nèi)測應(yīng)力對比圖(單位:MPa)Fig.19 Stress on inside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

圖20 有無錨桿試驗(yàn)段斷面格柵拱架外測應(yīng)力對比圖(單位:MPa)Fig.20 Stress on outside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

4)土壓力對比分析。由于監(jiān)測斷面的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力離散性較大，對有無錨桿試驗(yàn)段的各測點(diǎn)接觸壓力利用仰拱封閉后的穩(wěn)定值進(jìn)行比較，見圖21。從分布形式來看，有無錨桿試驗(yàn)段的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力分布都是偏壓的，拱部受壓較小，邊墻和仰拱部位受壓較大。無錨桿段應(yīng)力相對不均勻，偏壓相對較為嚴(yán)重;從量值來看，無錨桿試驗(yàn)段的圍巖－初期支護(hù)接觸壓力在拱部以及仰拱右側(cè)邊墻部位與有錨桿段相差不大，左側(cè)邊墻最大值為361.8 kPa，比有錨桿段大，其邊墻部位受力較大，偏壓嚴(yán)重，對于有錨桿段隧道左右側(cè)邊墻相差不大，整體受力較好。

圖21 有無錨桿試驗(yàn)段斷面初期支護(hù)－圍巖接觸壓力最大值對比圖(單位:kPa)Fig.21 Maximum contact pressure between primary support and surrounding rock in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(kPa)

4 結(jié)論與討論

1)從錨桿對比試驗(yàn)段的初期支護(hù)左右側(cè)拱頂?shù)某两祵Ρ葋砜矗绣^桿段沉降略小于錨桿段，試驗(yàn)段隧道的水平收斂值相差不大。

2)隧道在開挖過程中拱部錨桿在上導(dǎo)洞與中導(dǎo)洞施作是輕微受拉，隨著隧道各個(gè)洞室的開挖，圍巖松散，拱部錨桿受壓，邊墻錨桿從施作后基本受拉，在后行洞開挖過程中有一定量增長，增長較小，錨桿整體受力相對較小;錨桿在黃土中施作后對圍巖擾動(dòng)，在開挖過程中錨桿的施作將延長每個(gè)施工循環(huán)1 h左右，圍巖暴露時(shí)間長且施作錨桿使黃土破碎有掉塊，使圍巖穩(wěn)定性降低，且造成土體松散，加大了圍巖塑性區(qū)，錨桿的施作也推遲了初期支護(hù)閉合的時(shí)間，使圍巖變形進(jìn)一步發(fā)生，這對控制黃土隧道的變形和保證快速施工是不利的。

3)對于大跨小凈距黃土隧道來說，拱頂?shù)焦澳_的錨桿作用效果不明顯，且由于黃土松散下沉處于受壓狀態(tài)，因此對于拱部圍巖可不采取過多的加固措施，通常減小封閉時(shí)間，盡量減少擾動(dòng)，對于邊墻部位的小凈距黃土體可采用錨桿支護(hù)體系，施作錨桿并注漿，使其有一定的整體性，隧道襯砌形成一個(gè)整體，有利于邊墻的穩(wěn)定，減少后行洞對土體的擾動(dòng)。對于后行洞來說，邊墻部位可以不施作錨桿以減少作業(yè)時(shí)間，加快斷面的封閉，盡量減少小凈距土體的應(yīng)力重分布。

4)首次創(chuàng)新性的系統(tǒng)研究了淺埋大斷面小凈距黃土隧道的錨桿作用效果，這不僅能指導(dǎo)和優(yōu)化公路淺埋大跨雙線黃土隧道工程的設(shè)計(jì)參數(shù)與施工方案，還豐富和發(fā)展了淺埋大斷面小凈距黃土隧道的支護(hù)理論和方法，為未來類似大斷面黃土隧道工程的設(shè)計(jì)與施工提供理論和技術(shù)參考。

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