王新東，王秀英(.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安　70043;.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京　00044)

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預(yù)切槽法黃土隧道鎖腳微型樁合理布置方式研究

王新東1，王秀英2
(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043;2.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京100044)

摘要:預(yù)切槽法開(kāi)挖隧道能夠很好地控制地表沉降，適用于包括黃土在內(nèi)的軟土地層，但如何約束預(yù)襯砌的墻腳是預(yù)切槽法亟待解決的問(wèn)題。本文依托洪亮營(yíng)隧道，首先通過(guò)數(shù)值模擬方法，論證了約束墻腳可以提高預(yù)襯砌結(jié)構(gòu)安全度，并選擇鎖腳微型樁來(lái)加固墻腳;之后基于樁基承載機(jī)理，提出剛度分配法，確定了樁的受力、最佳打設(shè)角度和最優(yōu)間距。研究表明:加強(qiáng)墻腳的約束，可以提高預(yù)筑拱結(jié)構(gòu)在拱腰和拱頂?shù)陌踩禂?shù)，減小拱頂?shù)某两?T76S樁能夠滿足鎖腳要求，鎖腳樁與豎直方向之間的角度在20° ～50°時(shí)樁的受力最為合理。

關(guān)鍵詞:預(yù)切槽法黃土隧道鎖腳微型樁剛度分配

我國(guó)隧道建設(shè)面臨著越來(lái)越多復(fù)雜的地層情況，軟弱圍巖中開(kāi)挖隧道是隧道建設(shè)的難題。黃土作為我國(guó)極具特色的一種特殊軟土，具有顯著的垂直節(jié)理，土質(zhì)疏松，基底承載力低，隧道開(kāi)挖時(shí)沉降大，易產(chǎn)生裂縫，是隧道建設(shè)的難題之一［1］。預(yù)切槽法在維護(hù)隧道掌子面穩(wěn)定以及限制拱頂變形和地層沉降方面作用顯著，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，指出墻腳穩(wěn)定是預(yù)切槽法能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一［2-3］。盡管我國(guó)還未成功運(yùn)用預(yù)切槽法進(jìn)行隧道的開(kāi)挖實(shí)踐，但是在隧道建設(shè)中對(duì)保護(hù)墻腳穩(wěn)定總結(jié)了大量的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)寶樹(shù)、趙勇分析研究了拱腳失穩(wěn)的原因，總結(jié)了控制拱腳穩(wěn)定的方法［4-5］，并且發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大拱腳和增加臨時(shí)仰拱2種方法對(duì)限制拱腳的變形有著顯著效果，同時(shí)結(jié)合分部施工法提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。目前中鐵重工集團(tuán)研制成功國(guó)內(nèi)第一代軸心式預(yù)切槽機(jī)械，計(jì)劃在寶蘭客專洪亮營(yíng)隧道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，急需確定穩(wěn)定墻腳的措施和方案。根據(jù)國(guó)內(nèi)隧道施工技術(shù)水平和設(shè)備條件，可供選擇的墻腳穩(wěn)定性控制措施主要有設(shè)置鎖腳錨桿(或鎖腳錨管)、墻腳圍巖補(bǔ)強(qiáng)注漿、擴(kuò)大墻腳的支護(hù)、增設(shè)臨時(shí)仰拱等方法［6］。由于預(yù)切槽法中，預(yù)筑拱是全環(huán)施作的，鎖腳僅適合在墻腳部位施作，為了提供強(qiáng)有力的鎖腳方式，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，并結(jié)合黃土土質(zhì)特性，計(jì)劃選擇鎖腳微型樁穩(wěn)定墻腳。微型樁具有輕便、摩阻力大等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于邊坡治理。本文基于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)單孔灌注樁樁基承載力計(jì)算方法，對(duì)鎖腳微型樁進(jìn)行受力計(jì)算，并給出樁的長(zhǎng)度和間距設(shè)計(jì)方案，為試驗(yàn)段隧道的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1　工程概況

洪亮營(yíng)隧道地處黃土高原梁峁區(qū)，地面高程1 880 ～2 008 m，相對(duì)高差100～150 m，在水流切割侵蝕作用下進(jìn)口端沖溝、黃土陷穴發(fā)育。隧道進(jìn)口端位于龍王溝左岸黃土斜坡，出口端位于洪亮營(yíng)村附近的洪積平原上。隧道地層主要為砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土，隧道最大埋深約120 m，隧道全長(zhǎng)961 m。其中試驗(yàn)得到的砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)

2　不同墻腳加固方式下預(yù)筑拱受力分析

2.1計(jì)算模型及工況

試驗(yàn)段隧道埋深38 m，切槽長(zhǎng)度5 m，切槽厚度35 cm，采用C30混凝土進(jìn)行灌注。根據(jù)試驗(yàn)段情況，采用荷載—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，預(yù)筑拱荷載分布如圖1所示。

取Q3砂質(zhì)黃土進(jìn)行計(jì)算，采用文獻(xiàn)［1］中的淺埋隧道計(jì)算理論分析預(yù)筑拱在豎向和橫向的受力情況。計(jì)算得到當(dāng)埋深為38 m時(shí)，豎向均布?jí)毫?89 759.23 Pa，切槽上緣水平荷載為309 386.88 Pa，切槽底部水平荷載為394 142.60 Pa。運(yùn)用ANSYS建模進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1　預(yù)筑拱荷載分布

計(jì)算出各單元內(nèi)力后，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》分析結(jié)構(gòu)安全性。為了分析墻腳穩(wěn)固方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，此次計(jì)算分別對(duì)2種不同墻腳支座工況進(jìn)行對(duì)比。其中鉸支座對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中對(duì)墻腳進(jìn)行強(qiáng)有力約束，彈簧支座對(duì)應(yīng)沒(méi)有對(duì)墻腳進(jìn)行約束，或約束較弱，同時(shí)對(duì)2種支座進(jìn)行了不同地層彈性抗力系數(shù)結(jié)構(gòu)安全性的對(duì)比。

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

圖2和圖3給出了不同工況下的計(jì)算結(jié)果。鉸接時(shí)，預(yù)筑拱安全系數(shù)受基底抗力系數(shù)變化的影響不大，墻腳安全系數(shù)最小，但都能滿足安全系數(shù)的要求;彈簧連接時(shí)，基底抗力系數(shù)對(duì)預(yù)筑拱安全系數(shù)影響較大，尤其是拱腰和拱頂?shù)陌踩禂?shù)波動(dòng)較大?；卓沽ο禂?shù)為300 MPa/m時(shí)，預(yù)筑拱安全系數(shù)可以滿足規(guī)范要求，基底抗力系數(shù)為55及150 MPa/m時(shí)，拱腰和拱頂?shù)念A(yù)筑拱安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。

圖2　鉸支座不同基底抗力系數(shù)時(shí)預(yù)筑拱安全系數(shù)變化曲線

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在固定支護(hù)下，拱頂?shù)某两抵禐?.05 cm，比彈簧支護(hù)下拱頂沉降值(4.38 cm)減小了3/4。

根據(jù)以上分析，采用機(jī)械預(yù)切槽工法開(kāi)挖隧道，加強(qiáng)墻腳支護(hù)不僅可以提高預(yù)襯砌結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)可以減小拱頂沉降，有利于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖3　彈簧支座不同基底抗力系數(shù)時(shí)預(yù)筑拱安全系數(shù)變化曲線

3　墻腳微型樁受力分析

在工程建設(shè)中，尤其在軟土工程中，樁基礎(chǔ)得到了廣泛的應(yīng)用。在黃土隧道實(shí)際工程中，為了更好地提高墻腳穩(wěn)定性，限制地層沉降，我們選擇在墻腳處安裝邁式微型樁。邁式微型樁具有小型、輕便、經(jīng)濟(jì)、安裝迅速、空間要求低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也可以用作承壓樁或者承拉樁。本節(jié)將著重對(duì)在隧道墻腳安裝的微型樁進(jìn)行受力分析和設(shè)計(jì)參數(shù)研究。

3.1微型樁受力機(jī)理

微型樁主要通過(guò)作用于樁尖層的阻力和樁周土的摩擦阻力來(lái)支撐軸向荷載，也可利用樁側(cè)土的側(cè)向阻力抵抗水平荷載［7-8］。微型樁的受力見(jiàn)圖4。

圖4　微型樁的受力

圖中Fn，F(xiàn)q分別為墻腳受到上覆土層的豎向和橫向力，F(xiàn)a和Fb分別為襯砌傳遞給樁端的剪切方向和軸向的力，F(xiàn)t為樁側(cè)向土體提供的垂直支撐力，f為樁側(cè)土體提供的軸向摩擦力，β為樁與豎直方向的夾角。

襯砌受到的力Fn，F(xiàn)q由樁和土體共同承擔(dān)，由于樁和土體存在剛度差異，對(duì)二者荷載的分擔(dān)有較大影響［9］。對(duì)此在共同變形的基礎(chǔ)上，提出剛度分配法，按照剛度分配的原則計(jì)算出樁承擔(dān)荷載的比例，具體計(jì)算內(nèi)容如下。

1)剪力方向

樁的抗彎剛度為E1I1，樁周?chē)炷恋目箯潉偠葹镋2I2，剪力方向土體的軸向剛度為E3A3，則樁承擔(dān)的剪力所占比例為

2)軸力方向

樁的軸向剛度為E1A1，樁周?chē)炷恋妮S向剛度為E2A2，考慮土體的軸向剛度為E3A4，則樁承擔(dān)的軸力所占比例為

當(dāng)Fb＞0時(shí)，樁受拉;當(dāng)Fb＜0時(shí)，樁受壓。

3.2分析思路

樁的受力計(jì)算思路如下:①利用ANASYS建模，計(jì)算出墻腳的豎向力Fn和橫向力Fq;②通過(guò)公式(1)，(2)和(3)計(jì)算出剪切方向力Fa和軸向力Fb;③通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算樁的長(zhǎng)度。

3.3計(jì)算工況

本次計(jì)算以洪亮營(yíng)隧道為背景，土層選擇Q3砂質(zhì)黃土。由于洪亮營(yíng)隧道最大埋深達(dá)到120 m，因此本次計(jì)算淺埋38 m和深埋80 m 2種工況，采用文獻(xiàn)［1］中方法進(jìn)行荷載計(jì)算。

3.4計(jì)算參數(shù)

邁式微型樁不同型號(hào)參數(shù)見(jiàn)表2。

式中:A1為樁的橫截面積;A2為包裹混凝土的橫截面積;A3為剪力方向考慮土體的面積，A3= 2n×h(n為樁間距;h為襯砌厚度，取0.35 m);A4為軸力方向考慮土體的面積，A4= 2n×d(d為樁軸向移動(dòng)時(shí)襯砌影響土體的估算寬度，取2.5 m);E1為樁的彈性模量;E2為混凝土的彈性模量;E3為土體的彈性模量。另外在土體承擔(dān)壓力的精度考慮到0.2P(P為初砌垂直施加到土體上的力)時(shí)，土的受力范圍為2b(b為初砌施加力與土體接觸的寬度)［10］，A3，A4在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大2倍。Fa，F(xiàn)b分別為

表2　邁式微型樁不同型號(hào)參數(shù)

3.5計(jì)算結(jié)果及分析

以洪亮營(yíng)隧道工程為依托，結(jié)合上述參數(shù)，初步選擇T76S樁，設(shè)定間距為3 m。研究表明，鎖腳錨桿與豎直方向之間的角度在20°～50°時(shí)，鎖腳錨桿的受力是最優(yōu)的［11］。本次計(jì)算表明，角度增大到60°時(shí)樁開(kāi)始受拉，不合理。因此計(jì)算中β取30°，45°兩種情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　38 m淺埋情況樁受力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，剪切方向力Fa和微型樁軸向力Fb都在T76S樁的屈服荷載范圍之內(nèi)，因此選擇T76S樁是安全的。其次，軸向力Fb很大，剪切方向力Fa?Fb，因此軸向力是樁設(shè)計(jì)方案的主要考核對(duì)象。

4　微型樁長(zhǎng)度的計(jì)算

在樁受力時(shí)，樁主要承受軸力和剪力，由于樁的剪力非常小，本文計(jì)算主要考慮通過(guò)樁的軸力限制墻腳收斂，來(lái)改善襯砌單元的受力狀態(tài)。當(dāng)樁承受軸向力時(shí)，樁的側(cè)摩擦阻力隨著荷載的增大而增大，然后達(dá)到最大，之后隨荷載的增大趨于穩(wěn)定或減小，且各土層的最大側(cè)摩擦阻力發(fā)揮不同步［7］。為了計(jì)算方便，假設(shè)各層土體的側(cè)摩擦阻力相等。邁式微型樁生產(chǎn)廠家給出如下方法計(jì)算樁長(zhǎng)。

式中:L為樁的長(zhǎng)度;P'為要求允許設(shè)計(jì)值;S為安全系數(shù);FK為注漿體的表面單位摩擦力，F(xiàn)K=πDμ，其中μ為邁式微型樁和土的摩擦強(qiáng)度，取150 kN/m2。由以上公式，得出樁的間距為3 m時(shí)，樁的最小長(zhǎng)度見(jiàn)表4。

表4　樁間距3 m時(shí)樁的最小長(zhǎng)度　m

為了分析不同樁間距對(duì)樁的長(zhǎng)度要求，計(jì)算了淺埋38 m工況時(shí)，樁間距分別為1，2，3 m時(shí)所需要的樁的最小長(zhǎng)度，見(jiàn)表5。

表5　不同樁間距情況下所需樁的最小長(zhǎng)度　m

由表5可知，為確保墻腳穩(wěn)定，隨著樁間距的增大，樁的長(zhǎng)度也要增大;β取45°時(shí)所需的樁長(zhǎng)要比β 取30°時(shí)所需的小，減小比例為40%。

結(jié)合本工程洞內(nèi)場(chǎng)地實(shí)際情況及微型樁施工情況，洪亮營(yíng)隧道鎖腳可以選擇T76S樁。由于預(yù)切槽法隧道鋼架僅能在臨近搭接部位的三角區(qū)布設(shè)［2］，以一環(huán)5 m長(zhǎng)預(yù)襯砌下部集中布設(shè)2環(huán)鋼架計(jì)(相當(dāng)于鋼架間距平均2 m)，對(duì)應(yīng)的樁間距為2 m時(shí)，與豎向的打設(shè)夾角按45°考慮，在淺埋試驗(yàn)段微型樁長(zhǎng)度不宜小于4 m。在深埋試驗(yàn)段微型樁長(zhǎng)度不宜小于2 m。

5　結(jié)論

本文依托洪亮營(yíng)隧道，基于單孔灌注樁極限承載力的計(jì)算，提出了按剛度分配法確定樁的受力，判別樁的安全性，計(jì)算了樁的受力，得到以下主要結(jié)論:

1)加強(qiáng)墻腳的約束，可以提高預(yù)筑拱結(jié)構(gòu)在拱腰和拱頂?shù)陌踩禂?shù)，減小拱頂?shù)某两怠?/p>

2)T76S樁能夠滿足鎖腳要求，是安全的。

3)隨著樁間距的增加，所需的樁長(zhǎng)也在增加。鎖腳樁與豎直方向的角度在20°～50°時(shí)樁的受力最為合理，在45°打設(shè)角度、2 m樁間距情況下，淺埋段微型樁的長(zhǎng)度不宜小于4 m。深埋段微型樁長(zhǎng)度不宜小于2 m。

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(責(zé)任審編趙其文)

Research on Reasonable Layout of Lock Foot Mini-piles of Loess Tunnel by Pre-cutting Method

WANG Xindong1，WANG Xiuying2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:T he precutting methods of tunnel excavation can effectively control the ground settlement，suitable for soft soil layer，including loess.But how to constrain the basement of pre-lining is a urgent problem.T aking Hongliangying tunnel as the study subject，first of all，the constraints of the basement could improve the pre-lining structure safety degree，it was verified by numerical simulation method，and the lock foot mini-piles were selected for strengthening the basement.T hen based on the bearing mechanism of piles foundation，the force of pile was identified by stiffness distribution method，and the optimum setting angle of mini-piles and spacing of piles were determined.T he research results show that strengthen the constraints of the basement can improve the pre-built arch structure security coefficient of the arch waist and crown，reduce the arch crown settlement.T76S pile can meet the requirements.W hen the angle between the piles and the vertical direction in the range of 20°～45°，the force of pile is the most reasonable.

Key words:Precutting method;Loess tunnel;Lock foot;M ini-piles;Stiffness distribution method

作者簡(jiǎn)介:王新東(1979—)，男，高級(jí)工程師。

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAF078B06)

收稿日期:2015-09-29;修回日期:2015-12-10

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0075-04

中圖分類(lèi)號(hào):U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.18