成子橋， 張廣海， 詹朝敬， 趙金鵬， 王秀英*

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

錨桿支護(hù)是隧道與地下工程施工中一種常用的支護(hù)措施，最早應(yīng)用于20世紀(jì)初的礦業(yè)施工，并且隨著新奧法在隧道工程中的推廣普及，中外學(xué)者對(duì)錨桿在隧道工程中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，并且已廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程[1-5]。彭寧波等[6]利用錨桿荷載分布解析解，分析了不同響應(yīng)地震動(dòng)、圍巖屬性等參數(shù)對(duì)錨桿受力的影響，闡述了錨桿的抗震錨固機(jī)理；劉文娟[7]以圓形隧道開(kāi)挖過(guò)程為例，對(duì)錨桿陣列布置、錨桿有效長(zhǎng)度等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；Liu等[8]通過(guò)系統(tǒng)可靠性分析方法，討論了黏聚力與摩擦角的相關(guān)系數(shù)以及錨桿安裝位置對(duì)隧道系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。以上文獻(xiàn)均從理論角度研究錨桿的作用效果，且未考慮地層因素的影響。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)錨桿在巖質(zhì)較好的隧道支護(hù)中，具有懸吊效應(yīng)、成拱效應(yīng)、增強(qiáng)效應(yīng)和內(nèi)壓效應(yīng)等諸多支護(hù)機(jī)制，能夠加固圍巖土體，控制圍巖變形，防止坍塌。但是，在軟弱地層中錨桿支護(hù)效果有待進(jìn)一步研究。

目前，就系統(tǒng)錨桿對(duì)隧道支護(hù)所起的作用還沒(méi)有準(zhǔn)確定量的分析結(jié)果。因此，部分學(xué)者認(rèn)為系統(tǒng)錨桿在特定的情況下沒(méi)有太大的支護(hù)效用，取消系統(tǒng)錨桿節(jié)約了錨桿施做時(shí)間，使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)更早的封閉，有利于隧道的穩(wěn)定，并且能夠縮短工期，節(jié)約成本。譚忠盛等[9-10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)方法研究了鄭西客運(yùn)專(zhuān)線黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的受力，結(jié)果表明，拱部系統(tǒng)錨桿對(duì)深、淺埋黃土隧道的支護(hù)作用都不大；陳建勛等[11]依托哈爾濱天恒山隧道對(duì)高含水量土層中隧道支護(hù)有無(wú)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在高含水量土層中系統(tǒng)錨桿的支護(hù)效果比在一般土層隧道中更加不佳；楊旸等[12]依托東天山特長(zhǎng)公路隧道，針對(duì)新疆天山山脈洪積黏土夾碎石地層對(duì)系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果進(jìn)行研究，建議在天山地區(qū)洪積黏土夾碎石圍巖條件下取消系統(tǒng)錨桿。以上研究針對(duì)黃土地層、高含水量土層以及洪積黏土層，對(duì)于泥質(zhì)粉砂巖地層中系統(tǒng)錨桿作用效果未曾涉及。

圖2 蘆霞隧道地質(zhì)縱斷面圖

現(xiàn)依托廣東省江門(mén)市蘆霞聯(lián)拱隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地層淺埋聯(lián)拱隧道系統(tǒng)錨桿作用效果進(jìn)行研究，分析有無(wú)系統(tǒng)錨桿支護(hù)方案下圍巖壓力、拱架內(nèi)力、拱頂沉降、周邊收斂等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出泥質(zhì)粉砂巖地層中系統(tǒng)錨桿作用效果。

1 工程概況

蘆霞隧道為聯(lián)拱隧道，起訖里程K13+856～K14+051，長(zhǎng)度為195 m，隧道最大埋深約為43 m。隧道位于中低山地貌區(qū)，地形起伏較大，地面標(biāo)高24.0～69.0 m。進(jìn)洞端坡形較緩，山體自然坡角約20°～35°，泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)-中風(fēng)化層零星出露，隧道左線、右線走向與地形等高線近垂直相交；出洞端坡形較緩，山體自然坡角為15°～25°，未見(jiàn)基巖出露，隧道走向與地形等高線近垂直相交，不存在偏壓的問(wèn)題。隧道洞身圍巖主要由強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖組成，隧道圍巖均劃分為Ⅴ級(jí)，工程地質(zhì)條件較差，隧道開(kāi)挖揭示圍巖現(xiàn)狀如圖1所示，隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。隧道地表水總體不發(fā)育，地下水類(lèi)型主要為孔隙水及塊狀基巖裂隙水，地下水位標(biāo)高在12.9～32.3 m。

隧道洞身襯砌按照新奧法原理采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)鋼拱架采用I22b，縱向布設(shè)間距為50 cm；噴射混凝土型號(hào)采用C25，厚28 cm；錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)400 cm，徑向布設(shè)間距為100 cm，沿隧道軸向布設(shè)間距為50 cm；中隔墻采用C25混凝土，厚280 cm；二次襯砌為C30模筑混凝土襯砌，厚度為60 cm，襯砌采用曲墻式襯砌。隧道開(kāi)挖方法為中導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖工序如圖3所示。右洞施工步序與左洞相同。

圖1 隧道開(kāi)挖揭示圍巖

① 開(kāi)挖中導(dǎo)洞；② 布設(shè)中導(dǎo)洞初支；③ 澆筑中隔墻；④ 左洞上臺(tái)階開(kāi)挖并拆除相應(yīng)部分中導(dǎo)洞初支；⑤ 布設(shè)左洞上臺(tái)階錨桿、初支；⑥ 開(kāi)挖左洞下臺(tái)階并拆除相應(yīng)部分中導(dǎo)洞初支；⑦ 布設(shè)左洞下臺(tái)階錨桿、初支；⑧ 澆筑左洞二襯

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)斷面

選取地質(zhì)條件相似、埋深相差不大以及支護(hù)條件相同的4組斷面作為研究斷面，具體研究斷面信息郵表1。取消錨桿試驗(yàn)段里程為K13+910～K13+940，總長(zhǎng)30 m。

表1 監(jiān)測(cè)斷面信息

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了明確泥質(zhì)粉砂巖地層系統(tǒng)錨桿的支護(hù)效果及系統(tǒng)錨桿的施作對(duì)圍巖壓力、鋼拱架內(nèi)力、初支變形的影響，分別對(duì)每個(gè)研究斷面進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)斷面具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表2，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4和圖5所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置采用首字母大寫(xiě)表示。

表2 各監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

注：“√”代表監(jiān)測(cè)；“×”代表未監(jiān)測(cè)。

圖4 試驗(yàn)段初支變形測(cè)點(diǎn)布設(shè)

圖5 試驗(yàn)段隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降

隧道拱頂沉降采用非接觸量測(cè)方法，在測(cè)點(diǎn)處埋設(shè)反光片，如圖6所示，采用全站儀進(jìn)行量測(cè)，如圖7所示。為了對(duì)比分析有無(wú)系統(tǒng)錨桿兩種支護(hù)狀態(tài)下初支位移的變化，繪制各監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線如圖8所示，拱頂沉降最終值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖6 測(cè)點(diǎn)反光片

表3 試驗(yàn)段拱頂沉降最終值統(tǒng)計(jì)

由圖8可知，由于蘆霞聯(lián)拱隧道左洞施作二次襯砌后才進(jìn)行右洞的開(kāi)挖，因此左洞拱頂沉降并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的“臺(tái)階”狀[13]，各斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線趨勢(shì)為先增大后趨于平緩，這與已有研究隧道變形規(guī)律相符[14]；各斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線數(shù)值發(fā)展相近，差別不大；結(jié)合表3可知，布設(shè)系統(tǒng)錨桿監(jiān)測(cè)斷面左右洞拱頂沉降最終值平均為-27.72 mm、-27.78 mm，取消系統(tǒng)錨桿監(jiān)測(cè)斷面左右洞拱頂沉降最終值平均為-27.68 mm、-29.19 mm，兩種支護(hù)狀態(tài)下拱頂沉降最終值相差不大；綜上，系統(tǒng)錨桿的布設(shè)對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地層隧道初支拱頂沉降控制效果不明顯。

圖7 初支變形量測(cè)

圖8 試驗(yàn)段拱頂沉降歷時(shí)曲線

3.2 水平收斂

隧道初支水平收斂量測(cè)方法與拱頂沉降量測(cè)方法相同。繪制各監(jiān)測(cè)斷面水平收斂歷時(shí)曲線如圖9所示，各斷面水平收斂最終值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

圖9 試驗(yàn)段水平收斂歷時(shí)曲線

表4 試驗(yàn)段水平收斂最終值統(tǒng)計(jì)

由圖9及表4可知，布設(shè)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段水平收斂最終值范圍為28.42～33.63 mm，取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段水平收斂最終值范圍為27.09～31.59 mm，取消錨桿試驗(yàn)段水平收斂相對(duì)較小，但與布設(shè)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段水平收斂相差不超過(guò)3 mm，這其中還摻雜地質(zhì)因素、施工因素等不確定因素的影響。綜合來(lái)看，布設(shè)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段與取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段水平收斂相差不大，進(jìn)而說(shuō)明在泥質(zhì)粉砂巖地層中系統(tǒng)錨桿對(duì)控制隧道水平收斂的貢獻(xiàn)不明顯。

3.3 圍巖壓力

圍巖壓力采用振弦式壓力盒量測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)如圖10所示，正值代表受壓。監(jiān)測(cè)斷面K13+985、K13+920圍巖壓力歷時(shí)曲線如圖11所示，有無(wú)系統(tǒng)錨桿監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力沿隧道斷面分布如圖12所示，虛線(外側(cè)數(shù)值)代表取消錨桿支護(hù)方案下圍巖壓力分布。

由圖11和圖12可知，布設(shè)錨桿支護(hù)狀態(tài)下，圍巖壓力最大值為0.13 MPa，位于左洞右拱腰處；取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段圍巖壓力最大值為0.19 MPa，位于左洞右拱腰處；取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段圍巖壓力相對(duì)較大，差別最大位置位于左洞左拱腰，取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段左洞左拱腰圍巖壓力為0.13 MPa，布設(shè)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段左洞左拱腰圍巖壓力為0.05 MPa，較取消錨桿試驗(yàn)段左洞左拱腰圍巖壓力小61.54%，但取消系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段圍巖壓力分布相對(duì)較為均勻。根據(jù)文獻(xiàn)[15]計(jì)算，試驗(yàn)斷面理論上圍巖壓力范圍為0.45～0.54 MPa，實(shí)測(cè)圍巖壓力為0.02～0.19 MPa，占比4.01%～38.38%，說(shuō)明按照理論方法計(jì)算圍巖壓力較為保守，同時(shí)也說(shuō)明取消錨桿試驗(yàn)段圍巖壓力在隧道結(jié)構(gòu)可承受合理范圍之內(nèi)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)壓力盒布設(shè)

圖12 試驗(yàn)段圍巖壓力分布

3.4 鋼拱架內(nèi)力

鋼拱架內(nèi)力采用振弦式鋼筋計(jì)進(jìn)行測(cè)量，如圖13所示。鋼拱架外側(cè)及內(nèi)側(cè)應(yīng)力歷時(shí)曲線及分布如圖14、圖15所示。虛線(外側(cè)數(shù)值)代表取消錨桿支護(hù)方案下鋼拱架應(yīng)力分布。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)振弦式鋼筋計(jì)焊接

由圖14、圖15可知，不管鋼拱架外側(cè)應(yīng)力還是鋼拱架內(nèi)側(cè)應(yīng)力，蘆霞聯(lián)拱隧道左洞(先開(kāi)挖洞)初支鋼拱架受力明顯大于右洞；左洞鋼拱架應(yīng)力最大值均在右拱腰處，右洞鋼拱架應(yīng)力最大值均在左拱腰處，這可能是因?yàn)槁?lián)拱隧道中隔墻上方圍巖受擾動(dòng)次數(shù)較多，圍巖穩(wěn)定性差，導(dǎo)致作用在初支上的力較大；取消錨桿試驗(yàn)段鋼拱架內(nèi)力大于布設(shè)錨桿試驗(yàn)段鋼拱架內(nèi)力，這可能是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)經(jīng)常將錨桿與鋼拱架焊接在一起，錨桿的約束作用影響了鋼拱架的受力狀態(tài)。

圖14 試驗(yàn)段鋼拱架應(yīng)力歷時(shí)曲線

圖15 試驗(yàn)段鋼拱架應(yīng)力分布

3.5 錨桿軸力

錨桿軸力采用4點(diǎn)錨桿軸力計(jì)進(jìn)行量測(cè)，試驗(yàn)段系統(tǒng)錨桿軸力最終值分布如圖16所示。

圖16 試驗(yàn)段錨桿軸力分布

由圖16可知，除左洞左邊墻、右洞右邊墻以及右洞拱頂?shù)任恢猛?，錨桿軸力均為受壓，邊墻位置錨桿受拉除系統(tǒng)錨桿的效用外，還起著穩(wěn)定拱架、減小拱架下沉的作用，因此錨桿受力為拉力；總體來(lái)看，監(jiān)測(cè)斷面錨桿軸力范圍為-4.45～4.23 kN，受力相對(duì)較小且受壓狀態(tài)對(duì)錨桿來(lái)說(shuō)意義不大，最大拉力占桿體極限拉力值的2.35%，無(wú)法較好地發(fā)揮錨桿的抗拉效用[16]。因此，從錨桿的受力角度來(lái)說(shuō)，泥質(zhì)粉砂巖中系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果不明顯。

4 結(jié)論

依托廣東省江門(mén)市蘆霞聯(lián)拱隧道對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地層錨桿作用效果進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降、水平收斂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)錨桿的布設(shè)對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地層隧道初支拱頂沉降、水平收斂控制效果不明顯。

(2)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出取消錨桿試驗(yàn)段圍巖壓力略大，但分布較為均勻；試驗(yàn)段圍巖壓力均小于理論計(jì)算值。

(3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面鋼拱架內(nèi)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出聯(lián)拱隧道先開(kāi)挖洞拱架內(nèi)力大于后開(kāi)挖洞；布設(shè)錨桿試驗(yàn)段由于錨桿約束拱架的作用導(dǎo)致拱架受力較小。

(4)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面鋼拱架內(nèi)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出隧道大部分位置錨桿受壓；錨桿受力較小，軸力范圍為-4.45～4.23 kN，最大拉力占桿體極限拉力值的2.35%，錨桿抗拉效用無(wú)法得到充分發(fā)揮。

(5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，分析泥質(zhì)粉砂巖地層隧道錨桿的支護(hù)效果，結(jié)果表明，該地層中錨桿作用效果較弱，建議取消系統(tǒng)錨桿，降低工程造價(jià)，同時(shí)為該種地層中形成“取消錨桿”的新型支護(hù)體系提供數(shù)據(jù)支撐及思路。