軟巖隧道底板隆起機(jī)理及微型樁防治研究

0 引言

隨著我國公路和鐵路的大量建設(shè)，出現(xiàn)了大量的隧道工程，伴隨著隧道工程的出現(xiàn)，其底板隆起現(xiàn)象愈發(fā)突出，尤其是軟巖隧道底板出現(xiàn)隆起現(xiàn)象更為突出，對(duì)此，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，如：鐘祖良等采用現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)勘察等手段對(duì)隧道底鼓的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，且運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理對(duì)底鼓量計(jì)算理論進(jìn)行了推導(dǎo)，為隧道底鼓量計(jì)算提供了理論依據(jù)；孔恒等分析了隧道底板隆起的成因、分類和控制技術(shù)途徑；王明年等通過大型模擬實(shí)驗(yàn)有限元模擬研究了隧道仰拱的力學(xué)特性；汪洋等分析了隧道底鼓的形式及其發(fā)展過程，并推導(dǎo)了由底板壓曲引起的隧道底鼓的數(shù)學(xué)表達(dá)式；楊仁樹等采用數(shù)值模擬和力學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道層狀底板底鼓機(jī)理進(jìn)行了分析研究；孫利輝等以邯礦集團(tuán)陶二煤礦擴(kuò)大區(qū)南大巷底鼓問題為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了深部軟巖巷道底鼓機(jī)理與治理試驗(yàn)。然隧道底板隆起量計(jì)算十分復(fù)雜，直接應(yīng)用較為困難，且多數(shù)研究是建立在數(shù)值分析和軟件程序模擬基礎(chǔ)上，為了便于直接軟巖隧道底板隆起量計(jì)算，進(jìn)行了合理化假定，并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)推導(dǎo)了軟巖隧道底板隆起理論計(jì)算公式。該研究為軟巖隧道底板隆起機(jī)理研究提供了一種全新的思路，亦為軟巖隧道底板隆起量計(jì)算提供了更為直觀和實(shí)用的簡化計(jì)算公式。

微型樁（micropiles）是來源于20世紀(jì)50年代意大利人Lizzi提出的樹根樁（rooting piles），一般是指樁徑≤300 mm，長徑≥30的小直徑樁。法國Soletanche公司于1982年來中國介紹了微型柱技術(shù)，得到了我國學(xué)者的重視，這項(xiàng)技術(shù)首先在上海應(yīng)用于地基加固中。自80年代來國內(nèi)微型樁技術(shù)發(fā)展迅速，形成了較多的設(shè)計(jì)方法與理論，并成功應(yīng)用于基坑支護(hù)、沉陷修復(fù)、邊坡治理、鐵路路堤及路基加固等工程。近些年來，微型樁的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，也出現(xiàn)了一些新的應(yīng)用形式，比如微型樁與重力式擋墻、微型樁與普通抗滑樁的結(jié)合，這些應(yīng)用形式是將微型樁群豎向設(shè)置在擋墻或普通樁下部，微型樁群與之的復(fù)合作用可改善下部土體的穩(wěn)定性狀，同時(shí)可以提高普通樁的穩(wěn)定性，對(duì)于上部擋墻能夠提升其抗滑能力，及抗傾覆和地基承載能力。微型樁的主要特點(diǎn)是：①施工設(shè)備集約化程度較高，適用于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境；②施工機(jī)具一般不大，振動(dòng)和噪音小，對(duì)周邊的環(huán)境影響不大，能夠在較小施工作業(yè)區(qū)工作；③施工迅速便捷，能夠根據(jù)工程需要，較為靈活地布置樁位。近年來，微型樁逐步發(fā)展成為一種兼具抗拔與承載功能的結(jié)構(gòu)。目前對(duì)微型樁的研究與應(yīng)用主要集中在地基處理、基礎(chǔ)與邊坡加固等領(lǐng)域，而采用微型樁作為軟巖隧道底板隆起防治措施的相關(guān)研究成果及工程應(yīng)用鮮有報(bào)道，對(duì)其防治軟巖隧道底板隆起的工作機(jī)制尚不明確，缺乏相應(yīng)的計(jì)算理論作為設(shè)計(jì)支撐。因此，對(duì)微型樁防治軟巖隧道底板隆起機(jī)理及工程應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)展符合軟巖隧道底板隆起防治特點(diǎn)的微型樁設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 軟巖隧道底板隆起量理論推導(dǎo)

為方便軟巖隧道底板隆起機(jī)理研究，根據(jù)隧道工程特征，作以下基本假定。

1.1 基本假定

①假定軟巖隧道底板巖體為均質(zhì)巖；

②假定軟巖隧道底板兩側(cè)與軟質(zhì)巖體固定，隧道底板底部與基巖脫離；

③假定軟巖隧道底板尺寸滿足條形基礎(chǔ)，即近似取每延米底板長度為分析對(duì)象；

④軟巖隧道底板因隧道洞體土體被挖除而發(fā)生回彈，可以認(rèn)為底板隆起是因?yàn)槠渖喜克惺艿耐林匦逗啥鸬模M(jìn)而假定底板隆起是因卸荷而附加向上的土的自重而產(chǎn)生。

1.2 理論推導(dǎo)

假定軟巖隧道底板長度b沿0A方向，根據(jù)基本假定③假定軟巖隧道底板尺寸滿足條形基礎(chǔ)，即近似取每延米底板長度為分析對(duì)象，所以取b=1m，假定軟巖隧道底板覆土厚度（簡化為軟巖隧道圍巖松動(dòng)高度）為H，土的比重為γ，則隧道底板承受的土體自重為γ·H，因隧道開挖導(dǎo)致底板回彈，可以認(rèn)為在隧道開挖后，隧道底板因間接承受向上的均布荷載q=γ·H·b=γ·H，根據(jù)基本假定，隧道底板可以簡化為兩端固定梁，底板（梁）的寬度為1m，底板（梁）的高度h可以借鑒可參考文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)的式（3.91）求得。經(jīng)過上述分析，可建立圖1所示的軟巖隧道底板隆起機(jī)理分析圖。軟巖隧道底板隆起機(jī)理分析從量來說就是底板隆起量W的推算。依據(jù)軟巖隧道底板隆起機(jī)理分析圖，可知該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在均布荷載作用下，跨中繞度即底板回彈量最大。

圖1 軟巖隧道底板隆起機(jī)理分析圖

圖2 軟巖隧道底板隆起機(jī)理分析等效簡圖

根據(jù)文獻(xiàn)[13]“附錄Ⅳ簡單荷載作用下梁的繞度和轉(zhuǎn)角”表中序號(hào)6、7、8，在等效簡圖中均布荷載及兩端力矩作用下分別對(duì)等效簡支梁繞度進(jìn)行計(jì)算。

故軟巖隧道底板最大隆起量為：

當(dāng)通過式（4）計(jì)算的軟巖隧道底板最大隆起量大于隧道底板隆起量允許最大值時(shí)，需要進(jìn)行支護(hù)防治。

2 微型樁防治軟巖隧道底板隆起技術(shù)

2.1 微型樁防治軟巖隧道底板作用分析

根據(jù)上文分析底板有向上隆起的趨勢(shì)，在底板采用微型樁進(jìn)行防治從理論上而言是可行的，但在軟巖隧道的底板單一的施作微型樁進(jìn)行防治，未將單個(gè)的微型樁連接在一起形成整體支護(hù)。當(dāng)微型樁在底板塑性區(qū)的長度不夠，微型樁在錨固段產(chǎn)生的錨固力傳遞到塑性區(qū)的力有可能會(huì)小于軟巖隧道底板的支護(hù)荷載，從而達(dá)不到支護(hù)底板的效果。當(dāng)微型樁的樁間距小，產(chǎn)生群樁效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)降低支護(hù)效果。為解決上述問題本文提出一種新型的結(jié)構(gòu)用于支護(hù)軟巖隧道底板，進(jìn)而防治底板隆起現(xiàn)象。工藝流程為：在底板打入穿過底板厚度的豎向微型樁；豎向微型樁用底板上的橫梁相連；將相鄰橫梁用縱梁相連接，橫梁、縱梁、微型樁形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2 微型樁防治軟巖隧道底板參數(shù)確定

軟巖隧道底板因隧道洞體土體被挖除而發(fā)生回彈，可以認(rèn)為底板隆起是因?yàn)槠渖喜克惺艿耐林匦逗啥鸬?，進(jìn)而假定底板隆起是因?yàn)橐蛐逗啥郊酉蛏系耐恋淖灾囟a(chǎn)生，所以認(rèn)為要防治軟巖隧道底板隆起的支護(hù)荷載為q=γ·H。當(dāng)采用如橫梁、縱梁、微型樁形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟巖隧道底板支護(hù)時(shí)，豎直微型樁在錨固段產(chǎn)生的錨固力傳遞給橫梁的向下的力不小于保持底板穩(wěn)定的支護(hù)荷載q時(shí)則底板可保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到防治軟巖隧道底板隆起的效果。

式中：n為微型樁在沿軟巖隧道寬度方向間距；n為錨桿在在沿軟巖隧道軸線方向間距；P為錨桿錨固力。

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）取值，永久性結(jié)構(gòu)可取0.8，臨時(shí)性結(jié)構(gòu)可取1.0；D為微型樁直徑；L為錨固段長度；Q為錨固體表面與錨固段巖體的極限粘結(jié)強(qiáng)度。

綜合式（6）和式（7），可求出微型樁的錨固段長度取值為：

豎直微型樁必須穿過軟巖隧道底板厚度，嵌入到軟巖隧道底板厚度才能起到支護(hù)的效果。所以豎直微型樁的長度L應(yīng)滿足：

2.3 微型樁防治軟巖隧道底板橫梁設(shè)計(jì)

忽略微型樁在塑性區(qū)段的支護(hù)效益，橫梁總長度為隧道寬度，橫梁受力可簡化為多跨等截面連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，跨長l=n，橫向線荷載q=q·n。

根據(jù)材料的強(qiáng)度理論可以計(jì)算出橫梁的彎曲截面系數(shù)W和橫梁的截面面積A：

式中：M為最大彎矩值；M為最小彎矩值；V為最大剪力值；[σ]為材料的允許正應(yīng)力；[τ]為材料的允許切應(yīng)力。上述三個(gè)值可查閱查閱文獻(xiàn)[15]中的《等跨連續(xù)梁的內(nèi)力和撓度系數(shù)表》。

3 案例

在不考慮圍巖粘聚力的情況下，得出底板支護(hù)所需的最小荷載q=γ·H=960kPa，微型樁間距均取1.0m，直徑取0.03m，微型樁表面與錨固段巖體的極限粘結(jié)強(qiáng)度取300kPa。根據(jù)式（8）得出微型樁的錨固段長度L為2.04m。豎直微型樁必須穿過軟巖隧道底板厚度，嵌入到軟巖隧道底板厚度才能起到支護(hù)的效果。所以豎直微型樁的長度L≥9.35m。

采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算，研究了采用本文橫梁、縱梁、微型樁形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[14]提出的底角錨桿支護(hù)，文獻(xiàn)[16]提出的水平錨桿支護(hù)之后的軟巖隧道底板中心的隆起量及底鼓相對(duì)降低率，表明采用橫梁、縱梁、微型樁形成整體結(jié)構(gòu)防治軟巖隧道底板隆起效果最好。

4 結(jié)論

①本文運(yùn)用土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等知識(shí)，從理論上推導(dǎo)了軟巖隧道底板最大隆起量及確定了隆起量最大位置，為判斷軟巖隧道是否處于安全狀態(tài)提供了一種較清晰的方法，且通過案例驗(yàn)證理論公式的適用情況，驗(yàn)證結(jié)果顯示本文推導(dǎo)的理論公式具有一定的可行性。但因?yàn)槲纯紤]到隧道兩幫位置應(yīng)力集中影響，存有不足，可以繼續(xù)再深入研究。

②分析了橫梁、縱梁、微型樁形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)軟巖隧道底板作用。基于軟巖隧道底板隆起機(jī)理及底板隆起量，確定了微型樁的支護(hù)參數(shù)。

③運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等知識(shí)，對(duì)微型樁防治軟巖隧道底板橫梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

④在不考慮圍巖內(nèi)粘聚力的情況下，對(duì)橫梁、縱梁、微型樁形成整體，水平錨桿、底角錨桿防治軟巖隧道底板隆起的效果進(jìn)行了對(duì)比。有限元數(shù)值模擬計(jì)算表明采用橫梁、縱梁、微型樁形成整體結(jié)構(gòu)防治軟巖隧道底板隆起效果最好。