一般質(zhì)量圍巖隧道錨桿的功效性探討

吳海衛(wèi) ，侯哲生，江 磊（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264000）

一般質(zhì)量圍巖隧道錨桿的功效性探討

吳海衛(wèi) ，侯哲生，江 磊
（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264000）

目前工程類比法被廣泛應(yīng)用于公路隧道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于此設(shè)計(jì)的支護(hù)體系是否能夠最大限度的發(fā)揮其應(yīng)有的支護(hù)功能或作用，到目前為止還缺乏足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持。為了深入了解高速公路隧道一般質(zhì)量圍巖錨桿的實(shí)際功效，在邢汾高速邢臺(tái)段賀坪峽隧道與黃巖子隧道內(nèi)選擇四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安設(shè)測(cè)力錨桿對(duì)其受力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示部分測(cè)力錨桿內(nèi)部測(cè)點(diǎn)承受壓力，該結(jié)果與錨桿受拉才起到支護(hù)作用相背離；其余受拉測(cè)點(diǎn)最大值僅占規(guī)范設(shè)計(jì)最大受拉值的10%，表明錨桿在實(shí)際當(dāng)中發(fā)揮的功效非常有限，幾乎起不到應(yīng)有的支護(hù)作用?；诖丝烧J(rèn)為，在今后實(shí)際工程實(shí)踐當(dāng)中對(duì)于類似工程與類似的一般質(zhì)量圍巖，可以考慮將系統(tǒng)錨桿進(jìn)行必要的優(yōu)化。

公路隧道；錨桿；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；承載性能

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施投入的不斷加強(qiáng)，高速公路的建設(shè)正處于快速發(fā)展時(shí)期，而隧道是山嶺地區(qū)高速公路常見的一種地下建筑物，由于隧道工程圍巖狀況復(fù)雜多變，加之工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及施工方法的多樣性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)圍巖類別、穩(wěn)定性進(jìn)行分析以確保安全施工是至關(guān)重要的，而且對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約成本起到關(guān)鍵作用［1-3］。目前，我國(guó)公路隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式多采用復(fù)合式襯砌，它由初期支護(hù)、土工防水層、二次襯砌構(gòu)成。初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架或者格柵拱架等支護(hù)部位進(jìn)行適當(dāng)組合支護(hù)的形式［4-6］。

錨桿是隧道的重要支護(hù)形式之一，20世紀(jì)60年代以來(lái) ，隨著新奧法的發(fā)展和全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿的出現(xiàn)，錨桿的使用范圍也不斷地?cái)U(kuò)大，許多國(guó)家學(xué)者都在錨桿的支護(hù)效果和作用機(jī)制進(jìn)行了研究，也取得了不少成果，提出來(lái)系統(tǒng)錨桿的懸吊作用、組合梁作用、減跨作用、整體加固作用等理論［7-9］。但近年來(lái)，錨桿在隧道支護(hù)體系中究竟發(fā)揮多大的功效，產(chǎn)生了較大的爭(zhēng)議，主要存在兩種學(xué)術(shù)觀點(diǎn):一種認(rèn)為隧道中的系統(tǒng)錨桿對(duì)隧道穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用，應(yīng)該設(shè)置；另外一種則認(rèn)為系統(tǒng)錨桿對(duì)隧道穩(wěn)定性起不到作用，可以取消。

針對(duì)錨桿的實(shí)際工作機(jī)制，王鑫等［10］、趙廣占等［11］、曲海峰等［12］分別對(duì)錨噴支護(hù)和系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)理進(jìn)行了探索性的研究，表明錨桿的設(shè)置不能明顯降低襯砌內(nèi)力以及改善塑性區(qū)分布，按照目前設(shè)計(jì)方法設(shè)置的系統(tǒng)錨桿存在較大的浪費(fèi)。譚忠盛、陳建勛等［13-15］采用實(shí)際觀測(cè)的方法對(duì)淺埋、深埋黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用效果進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了拱頂系統(tǒng)錨桿作用不大的結(jié)論。

為了進(jìn)一步深入了解系統(tǒng)錨桿的實(shí)際受力特性或支護(hù)效果，以河北省邢汾高速邢臺(tái)至冀晉段黃巖子隧道、賀坪峽2#隧道為工程依托，選取典型監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)將所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］（JTGD70-2004）中的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，從而探討一般質(zhì)量圍巖隧道支護(hù)當(dāng)中系統(tǒng)錨桿是否可以考慮取消等優(yōu)化問(wèn)題，從而達(dá)到在保證施工安全的前提下節(jié)約成本的目的。

1 工程概況

邢汾高速公路邢臺(tái)至冀晉界段是邢臺(tái)市連接山西的唯一高速通道，其賀坪峽2#隧道為左右幅分離式布置，右幅長(zhǎng)1 036 m（YK77+329～YK78+365），左幅長(zhǎng)995 m（ZK77+300～ZK78+295）；黃巖子隧道亦為左右幅分離式布置，右幅長(zhǎng)2 260 m（YK78+535 ～YK80+795），左幅長(zhǎng)2 383 m（ZK78+435～ZK80+ 818），兩座隧道所在地層巖性為上元古界長(zhǎng)城系常州溝組紅色石英砂巖。隧道Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖段隧道支護(hù)如圖1和圖2所示。

圖1 隧道Ⅲ級(jí)圍巖段開挖尺寸與襯砌類別及參數(shù)（單位:cm）

圖2 隧道Ⅳ級(jí)圍巖段開挖尺寸與襯砌類別及參數(shù)（單位:cm）

2 監(jiān)測(cè)斷面及錨桿測(cè)點(diǎn)布置

2.1 監(jiān)測(cè)斷面布置

在邢汾高速邢臺(tái)段賀坪峽隧道與黃巖子隧道內(nèi)選擇四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安設(shè)測(cè)力錨桿對(duì)其實(shí)際受力特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面基本情況匯總于表1。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)計(jì)布置3根測(cè)力錨桿，如圖3～圖6所示，分別位于兩側(cè)拱肩及拱頂。錨桿安插方向基本與開挖面垂直。原設(shè)計(jì)測(cè)力錨桿均有三或四個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)之間的間距為1 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)原件為CL-XZ-B型鋼筋計(jì)。

圖3 賀坪峽2#隧道測(cè)力錨桿布置圖

圖4 黃巖子進(jìn)口左幅測(cè)力錨桿布置圖

表1各監(jiān)測(cè)斷面基本概況

圖5黃巖子進(jìn)口右幅測(cè)力錨桿布置圖

圖6 黃巖子出口右幅測(cè)力錨桿布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)時(shí)段及頻率

自測(cè)力錨桿安裝后，每一個(gè)開挖循環(huán)采集一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直至下導(dǎo)坑開挖后減緩監(jiān)測(cè)頻率（具體數(shù)據(jù)見監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析部分）。

3 錨桿軸力量測(cè)與計(jì)算原理

測(cè)力錨桿的量測(cè)元件為CL-XZ-B型鋼筋計(jì)，其量測(cè)原理為:在鋼筋計(jì)中有一根張緊的鋼弦，當(dāng)傳感器受外力作用時(shí)，弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，隨著弦的內(nèi)應(yīng)力改變，自振頻率也發(fā)生變化，弦的張力越大，自振頻率越高，反之，自振頻率越低。因此利用鋼弦張力不同其自振頻率也相應(yīng)發(fā)生變化的原理，可由測(cè)得鋼弦頻率變化而得到引起鋼弦應(yīng)力變化的應(yīng)變式鋼筋計(jì)薄膜所受應(yīng)力的變化，其關(guān)系為:

式中:f為應(yīng)變式鋼筋計(jì)受力后鋼弦的頻率（Hz）；f0為應(yīng)變式鋼筋計(jì)未受力時(shí)鋼弦的初頻（Hz）；F為應(yīng)變式鋼筋計(jì)薄膜所受的力（kN）；K為鋼筋計(jì)標(biāo)定系數(shù)。

邢汾高速邢臺(tái)段賀坪峽隧道與黃巖子隧道Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)一般質(zhì)量圍巖深埋段原設(shè)計(jì)系統(tǒng)錨桿的桿體材料均為Φ22的螺紋鋼。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］（JTGD70-2004）知該鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為188 MPa，則單根錨桿鋼筋可承受的最大設(shè)計(jì)拉力約為71 kN。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

4.1 錨桿受力隨時(shí)間變化情況

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，有3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂處的原設(shè)計(jì)測(cè)力錨桿未能安裝。圖7（注:圖中負(fù)值為壓，正值為拉，下同）為Ⅲ級(jí)圍巖賀坪峽隧道出口左幅ZK77+613.5監(jiān)測(cè)斷面兩根測(cè)力錨桿上全部測(cè)點(diǎn)受力變化曲線。

圖7 賀坪峽隧道出口左幅ZK77+613.5錨桿受力變化隨時(shí)間變化曲線

可見，1#測(cè)力錨桿獲得了較為完整的數(shù)據(jù)，其中1026測(cè)點(diǎn)一直處于受拉狀態(tài)，最大拉力接近6 kN；其余兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在安裝后初期處于受壓狀態(tài)，后期逐漸向受拉狀態(tài)過(guò)渡，1027測(cè)點(diǎn)后期的最大拉力達(dá)到約6 kN。

圖8為Ⅲ級(jí)圍巖黃巖子隧道進(jìn)口左幅ZK79+ 160監(jiān)測(cè)斷面兩根測(cè)力錨桿上全部測(cè)點(diǎn)受力變化曲線?？梢姡搏@得了三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中1#測(cè)力錨桿的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在安裝初期處于受壓狀態(tài)，之后逐漸向受拉狀態(tài)過(guò)渡，995測(cè)點(diǎn)最后的拉力達(dá)到約5 kN；2#測(cè)量錨桿的994測(cè)點(diǎn)也呈現(xiàn)出由受壓向受拉過(guò)渡的趨勢(shì)，最后最大拉力約為3 kN。

圖9為Ⅳ級(jí)圍巖黃巖子隧道進(jìn)口右幅YK79+ 521監(jiān)測(cè)斷面兩根測(cè)力錨桿上全部測(cè)點(diǎn)受力變化曲線?？梢?，1#測(cè)力錨桿和2#測(cè)力錨桿的全部測(cè)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)。其中，1#測(cè)力錨桿中間測(cè)點(diǎn)（5938測(cè)點(diǎn)）所受壓力值較大約為5 kN。2#測(cè)力錨桿中間測(cè)點(diǎn)（5924測(cè)點(diǎn)、5954測(cè)點(diǎn)）所受壓力值的波動(dòng)較大，主要下導(dǎo)坑開挖面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面影響所致。

圖10為Ⅳ級(jí)圍巖黃巖子隧道出口右幅YK80+ 383監(jiān)測(cè)斷面三根測(cè)力錨桿上全部測(cè)點(diǎn)受力變化曲線。可見，1#測(cè)力錨桿的1172測(cè)點(diǎn)在安裝初期處于受壓狀態(tài)，后期過(guò)渡為受拉狀態(tài)，最后最大拉力達(dá)到約7 kN，其余三個(gè)測(cè)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)，最大壓力達(dá)到約90 kN；2#測(cè)量錨桿兩個(gè)測(cè)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)，最大壓力達(dá)到約27 kN；3#測(cè)力錨桿除1155測(cè)點(diǎn)受壓外，其余測(cè)點(diǎn)均屬于受拉狀態(tài)，最大拉力接近6 kN。

圖8黃巖子隧道進(jìn)口左幅錨桿受力變化隨時(shí)間變化曲線

圖9 黃巖子隧道進(jìn)口右幅錨桿受力變化隨時(shí)間變化曲線

綜合可見，大部分測(cè)點(diǎn)在隧道開挖10 d內(nèi)軸力變化幅度較大，之后在很長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)處于相對(duì)平穩(wěn)變化，直到下導(dǎo)坑開挖接近監(jiān)測(cè)斷面處受力曲線出現(xiàn)明顯跳躍，而后受力趨于穩(wěn)定。

4.2 錨桿受力穩(wěn)定后的情況

圖11～圖14為測(cè)力錨桿各測(cè)點(diǎn)在受力基本穩(wěn)定后的受力分布情況。

圖10黃巖子隧道出口右幅錨桿受力變化隨時(shí)間變化曲線

圖12 黃巖子隧道進(jìn)口左幅YK79+160錨桿受力分布

由圖11～圖14可以看出:錨桿各測(cè)點(diǎn)受力基本穩(wěn)定后 ，所有測(cè)力錨桿在其內(nèi)部的大部分測(cè)點(diǎn)均承受壓力 ，而承受壓力的錨桿是不能發(fā)揮其錨固作用的。即使部分測(cè)點(diǎn)承受拉力，但最大實(shí)測(cè)拉力為7 kN，該值僅僅占到鋼筋最大設(shè)計(jì)拉力 92 kN的7.6%。由此可見，隧道在這四監(jiān)測(cè)斷面處的系統(tǒng)錨桿幾乎起不到應(yīng)有的錨固作用。

圖13 黃巖子隧道進(jìn)口右幅YK79+521錨桿受力分布

圖14 黃巖子隧道出口右幅YK80+383錨桿受力分布

5 錨桿工作性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)錨桿發(fā)揮的功效 ，將所有錨桿全部測(cè)點(diǎn)鋼筋計(jì)的受力情況匯總于表2。其中“實(shí)際承受拉力”一列為每一測(cè)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程當(dāng)中的實(shí)測(cè)最大拉力值，若該測(cè)點(diǎn)受壓，則表明其不發(fā)揮作用，在表中用“受壓”標(biāo)出；“理論承載力”一列為《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］（JTGD70-2004）當(dāng)中規(guī)定的錨桿最大設(shè)計(jì)拉力；“發(fā)揮功效”一列為每一測(cè)點(diǎn)實(shí)際承受拉力占理論承載力的比例，若該測(cè)點(diǎn)實(shí)際受壓，則發(fā)揮功效為零。

由表2可見，安裝于四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)力錨桿共9根，錨桿上所有測(cè)點(diǎn)均受壓的錨桿有5根，占總錨桿數(shù)的44.4%。獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效鋼筋計(jì)共24個(gè)（共安裝29個(gè)鋼筋計(jì)，其余5個(gè)疑遭損壞），應(yīng)力狀態(tài)為受壓的有15個(gè)，比例高達(dá)51.7%。由錨桿的作用機(jī)理可知，錨桿的錨固作用是通過(guò)發(fā)揮桿體材料的抗拉強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此若桿體處于受壓狀態(tài)，則錨桿是起不到錨固作用的。在應(yīng)力狀態(tài)為受拉的測(cè)點(diǎn)當(dāng)中，所有測(cè)點(diǎn)發(fā)揮的功效均在10%以內(nèi)。所以，通過(guò)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為實(shí)際當(dāng)中，絕大部分系統(tǒng)錨桿發(fā)揮的作用非常有限 ，或者說(shuō)完全沒有發(fā)揮作用。至于在此監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)錨桿起不到應(yīng)有錨固作用的原因，還需要做進(jìn)一步的研究工作。

表2各監(jiān)測(cè)斷面基本概況

6 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)邢汾高速公路隧道Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)一般質(zhì)量圍巖深埋段系統(tǒng)錨桿的受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示9根測(cè)力錨桿在其內(nèi)部的大部分測(cè)點(diǎn)均承受壓力，錨桿承受壓力是不能發(fā)揮支護(hù)作用的。其余少數(shù)錨桿測(cè)點(diǎn)雖承受拉力，最大實(shí)測(cè)拉力約為7 kN，但該值僅僅占到鋼筋設(shè)計(jì)拉力71 kN 的10%。由此可見，隧道Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)一般質(zhì)量圍巖深埋段系統(tǒng)錨桿在其監(jiān)測(cè)斷面處發(fā)揮的承載性能非常有限，幾乎起不到應(yīng)有的錨固作用，可以考慮在今后類似工程當(dāng)中將系統(tǒng)錨桿進(jìn)行必要地優(yōu)化，如取消或部分取消，以降低工程造價(jià)。

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Investigation on Efficiency of Rock Bolts for the Surrounding Rockmass with General Quality

WU Hai-wei，HOU Zhe-sheng，JIANG Lei
（School of Civil Engineering，Yantai University，Yantai，Shandong 264000，China）

The engineering analogy method is widely used in the design of supporting parameters for expressway tunnels. However，it is difficult to determine whether the supporting system designed according to this method can maximize its function due to the lack of adequate experimental data.In order to better understand the actual working performance of the bolts in the surrounding rockmass with general quality in highway tunnels，they were installed in four selected sections and the actual stress characteristics of the sections were monitored in Hepingxia and Huangyanzi tunnels of Xingtai section，Xingfen highway.It was found that the internal measurement points of some bolts were under pressure，which deviated from the mechanism that only in tension would the bolts play a supporting role.For the rest of the measurement points in tension，the values of the maximum tension were merely 10%of that in the specification.The results indicate that the rock bolts can not achieve its supporting role in the actual construction.Consequently，optimizing the system rock bolts can be considered in similar projects or under similar circumstances of surrounding rockmass with general quality. Keywords:highway tunnel；rock bolts；on-site monitoring；bearing capacity

U455.48+2

A

1672—1144（2015）02—0152—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.032

2014-10-01

2014-12-30

吳海衛(wèi)（1989—），男，山東威海人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail:whwxsyx@126.com