王利明， 張 兵， 李鳳遠， 白 亮， 馬 利

（1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司，廣州 511458；3.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001）

硬巖全斷面掘進機（TBM）工法施工因其掘進速度快，成洞時間短等優(yōu)勢，越來越多地應用到長大隧道工程建設中，如大瑞鐵路高黎貢山隧道用TBM系我國自主研發(fā)，開挖直徑為9.03 m［1-2］；滇中引水工程香爐山隧洞采用直徑為9.83 m的“云嶺號”，是目前國內最大直徑TBM［3-4］；北疆供水工程全線總長為540 km，隧洞占比為95.6%，正洞采用18臺TBM集群施工［5-6］. 因TBM施工速度快、初期支護施工時間短，這就要求初期支護結構能夠快速起作用，有效地抑制隧洞圍巖松弛及塑性區(qū)的擴大.

隧道支護體系中錨桿結構將圍巖與穩(wěn)定的巖體黏結在一起具有懸吊、組合梁及補強等作用效果. 譚忠盛等［7-8］通過現(xiàn)場試驗研究了大斷面黃土隧道錨桿作用效果，獲得了錨桿力學特征，得出隧道拱部錨桿支護作用效果并不明顯，可以取消隧道拱部錨桿支護；黃明利等［9］采用現(xiàn)場監(jiān)測手段，研究拱頂沉降、圍巖深部位移、錨桿軸力、鋼拱架內力及圍巖接觸應力的分布特性及變化規(guī)律，并通過數(shù)值模擬對錨桿支護參數(shù)優(yōu)化.陳耕野等［10］通過韓家?guī)X隧道現(xiàn)場支護結構應力測試，研究了噴射混凝土和錨桿結構在初期支護中的作用.鮑先凱等［11］從全長黏結式錨桿和圍巖相互作用機理入手，深入研究了錨桿錨固機理及受力特征，推導出了全長黏結式錨桿的徑向及切向錨固力計算公式. 趙勇等［12］通過對天平山隧道錨桿軸力現(xiàn)場試驗研究得出，錨桿軸力多呈中間大、兩端小的分布形式，且軸力變化歷時長，不易穩(wěn)定. TANIMOTO C［13］、尤春安［14］、楊雙鎖［15］等研究了錨桿軸力峰值的位置與圍巖塑性松動圈的范圍之間的關系，確定根據(jù)錨桿軸力峰值的位置大致推斷圍巖松動圈的范圍.

為研究全斷面開挖隧道初期支護結構參數(shù)，本文依托北疆供水二期KS隧洞開展TBM隧洞傾斜黏結錨桿軸力現(xiàn)場監(jiān)測，對錨桿軸力受力特征及分布規(guī)律進行研究，并對支護參數(shù)進行優(yōu)化，為全斷面開挖隧洞傾斜黏結錨桿支護設計提供參考.

1 工程概況

北疆供水二期輸水工程KS隧洞單洞長283.3 km，建成后將是世界上最長的輸水隧洞，隧洞最大埋深達774 m，平均埋深為428 m，隧洞巖性主要為凝灰質砂巖、凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖及花崗巖等，巖石強度最大為200 MPa，多在50～140 MPa之間. 巖石多為中堅硬強度，巖石完整性較好. 隧洞Ⅱ、Ⅲ級圍巖超過84%，Ⅳ～Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性差，主要以糜棱巖及碎裂巖為主. 隧洞區(qū)域內地表水貧乏，地下水主要類型為基巖裂隙水，主要賦存于裂隙密集帶、斷層破碎帶等，大部分以滲滴形式，少量局部存在流水成線的情況，水量大多較小，無連續(xù)地下水面.

KS隧洞主要采用敞開式TBM法施工，隧洞直徑為7.03 m. TBM施工具有硬巖隧洞掘進速度快，隧洞成型時間短的優(yōu)勢，并搭載初期支護主要以錨桿、鋼拱架和噴射混凝土為主，局部破碎地段增加鋼筋網或鋼筋排施工，提高成型隧洞圍巖穩(wěn)定性. 隧洞圍巖Ⅳ級，地層破碎時隧洞初期支護結構如圖1 所示：砂漿錨桿長度為3.0 m、間距為1 m×1 m，型鋼拱架為HW125 型鋼、間距90～180 cm，C30 噴射混凝土厚度為15 cm，C35鋼筋混凝土厚度為40 cm.

圖1 初期支護結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of primary support structure

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗儀器及布設

為獲取施工中隧洞錨桿軸力受力特性，本次監(jiān)測對錨桿軸力進行現(xiàn)場監(jiān)測試驗，選取埋深為316 m的隧洞斷面，凝灰?guī)r地層，Ⅳ級圍巖，錨桿采用直徑為22 mm的全長黏結砂漿錨桿，間距為1 m×1 m，長度為3 m，采用TBM搭載的錨桿鉆機鉆孔施工. 根據(jù)圓形隧洞受力對稱性，傳感器布設在隧洞拱頂、拱肩和拱腰處，每根監(jiān)測錨桿設置3個測點，間距為1 m，最外測測點距隧洞巖面為0.5 m. 傳感器采用MGJ-1030電測錨桿計，測量范圍為-200～400 MPa，分辨率0.05%F.S. 監(jiān)測數(shù)據(jù)采用振弦式采集儀進行實時讀取和存儲，采集范圍為400～5000 Hz，精度為0.1 Hz，內嵌高性能ARM控制器，反應快速，性能穩(wěn)定. 測點布設與安裝如圖2所示.

圖2 傳感器布設與安裝Fig.2 Layout and installation of sensors

2.2 錨桿墊板設計

由于TBM搭載的錨桿鉆機作業(yè)時只能沿著固定的環(huán)形梁行走，無法自行旋轉角度，形成的鉆孔軸線與隧洞巖面呈一定夾角，錨桿軸力無法通過隧洞圓心. 而錨桿與墊板共同作用時，在墊板和錨桿接觸部位產生應力集中，容易導致錨桿剪切破壞，錨桿軸力測試時無法獲得錨桿受力真實情況. 同時電測錨桿導線容易被墊板擠壓磨損破壞，無法讀取傳感器數(shù)據(jù)，導致錨桿軸力監(jiān)測試驗失敗. 因此設計三角形帶孔墊板，如圖3所示. 該墊板不僅使傾斜錨桿軸力與墊板受力面垂直，避免錨桿剪切破壞，而且可以確保傳感器導線不被破壞，確保錨桿軸力測試成功.

圖3 三角形墊板示意圖Fig.3 Schematic diagram of triangular plate

三角形墊板具有一定厚度，內部包括錨桿穿孔和導線穿孔，二者在墊板斜面處入口端相交. 錨桿穿孔出口位于墊板正面，而導線穿孔出口位于側面. 三角形墊板設計尺寸具有如下關系：

式中：H為墊板高度，mm；L為墊板寬度，mm；h為墊板寬度和斜面交界高度，mm；α 為墊板高度和斜面夾角；r為錨桿鉆機行走半徑，m；R為TBM開挖洞半徑，m.

KS隧洞TBM開挖半徑為R=3.515 m，錨桿鉆機行走半徑為r=2.011 m，設計墊板寬度L=100 mm，h=10 mm時，根據(jù)上述公式可知，夾角α=55.10°，墊板高度H=79.76 mm.

3 監(jiān)測結果分析

3.1 錨桿軸力隨時間變化規(guī)律

不同位置處錨桿軸力時程曲線如圖4所示，其中正值表示錨桿受拉，負值表示錨桿受壓. 錨桿軸力不間斷監(jiān)測共計46 d，結束監(jiān)測時監(jiān)測斷面距離隧洞掌子面816 m.

錨桿軸力均為正值，錨桿呈現(xiàn)受拉狀態(tài). 總體上錨桿軸力前7 d初始階段線性增大，達到峰值后出現(xiàn)小幅衰減，12 d后平穩(wěn)發(fā)展最后趨于穩(wěn)定. 根據(jù)錨桿作用機理，隧洞圍巖變形導致錨桿內力增加，錨桿近端到中性點處變形較大，軸力逐漸增加，并在中性點處達到峰值，越往錨桿遠端處圍巖變形繼續(xù)減小，錨桿進入圍巖過渡區(qū)，錨桿軸力逐漸減小.

圖4 不同位置處錨桿軸力隨時間變化曲線Fig.4 Time dependent curves of axial force of bolt at different positions

分析圖4（a）拱頂處錨桿軸力可知，由于隧洞圍巖應力重分布，0.5 m處軸力達到最大值3.48 kN后小幅衰減并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后軸力為2.69 kN，12 d后降幅為22.70%. 1.5 m處軸力達到最大值2.53 kN后小幅衰減并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后軸力為2.22 kN，12 d后降幅為12.25%. 2.5 m處軸力達到最大值2.46 kN后小幅衰減并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后軸力為2.08 kN，12 d后降幅為15.45%. 0.5 m處錨桿軸力隨時間變化降幅較大，而1.5 m處和2.5 m處錨桿軸力降幅相差不大.

表1為不同位置處錨桿內力特征值，軸力最大值為3.48 kN，應力為7.09 MPa，應力比僅為0.030（錨桿實際應力與桿體屈服強度的比值）遠未達到桿體屈服強度的10%，說明錨桿作用并未得到充分發(fā)揮，因此可以考慮優(yōu)化錨桿設計.

表1 不同位置處錨桿內力特征值Tab.1 Characteristic values of internal force of bolts at different positions

3.2 錨桿軸力分布規(guī)律

圖5為穩(wěn)定后錨桿軸力分布圖，錨桿軸力發(fā)展穩(wěn)定后，不同位置處錨桿軸力均表現(xiàn)為0.5 m 處軸力最大，1.5 m 處軸力次之，2.5 m 處軸力最小，即越靠近隧洞輪廓邊緣錨桿軸力越大，而越向圍巖深處錨桿軸力越小. 根據(jù)錨桿作用機理分析可知，該測試斷面處錨桿中性點位于0.5 m 附近，錨桿拉拔長度為0.5 m，錨固長度為2.5 m.

TBM的開挖對圍巖的擾動小，圍巖的整體性較好，隧洞開挖對拱頂處圍巖影響最大，拱腰處圍巖影響最小，總體表現(xiàn)為拱頂處錨桿軸力最大，拱肩處次之，拱腰處錨桿軸力最小，即拱頂＞拱肩＞拱腰.

圖5 穩(wěn)定后錨桿軸力分布圖（單位：kN）Fig.5 Distribution of axial forces of anchor rod after stabilization

4 數(shù)值模擬對比分析

4.1 計算模型

針對KS隧洞施工建立有限元數(shù)值模型，分析錨桿內力變化規(guī)律，計算模型X×Y×Z=87 m×40 m×50 m，即TBM掘進長度為50 m. 錨桿間距為1 m×1 m，即沿隧洞縱向兩排間距為1 m，環(huán)向單根錨桿間距為1 m，呈梅花形布置，如圖6所示. 巖體采用莫爾－庫侖模型，隧道結構采用彈性體模型，錨桿采用植入式桁架單元，模型類型用線彈性模型模擬［16-19］，具體圍巖與支護參數(shù)見表2和表3所示.

圖6 計算模型Fig.6 Computational model

表2 地層參數(shù)Tab.2 Stratigraphic parameters

表3 支護參數(shù)Tab.3 Support parameters

4.2 結果與對比分析

錨桿軸力的計算值與實測值對比圖如圖7 所示.計算值與實測值變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為0.5 m處錨桿軸力最大，越向圍巖深處錨桿軸力越小. 計算最大值為4.74 kN，實測最大值為3.48 kN，均未達到桿體屈服強度的5%，具有較大的安全儲備. 整體上看錨桿軸力計算值比實測值較大，主要是由于現(xiàn)場測試時圍巖已經產生了一定的位移變形，作用在錨桿上的荷載比計算中開挖后立即支護時要小. 同時根據(jù)錨桿作用機理，全長黏結錨桿通過桿體與錨固漿體及錨固漿體與圍巖之間的黏結傳遞荷載，但實際中會產生一定的滑移，造成錨桿軸力降低.

4.3 支護參數(shù)優(yōu)化

通過錨桿軸力實測值與計算值分析可知，隧洞錨桿軸力很小，最大應力比為0.041，錨桿應力遠遠沒有達到錨桿桿體材料的屈服強度，錨桿支護結構具有較大的安全儲備，因此可通過數(shù)值計算進行錨桿支護參數(shù)優(yōu)化，適當降低錨桿桿體的長度，在滿足隧洞安全的前提下降低工程成本.

根據(jù)上述錨桿軸力分析選取錨桿長度分別為2.8、2.4、2.2 m，錨桿縱向間距設置為0.8、1.0、1.2 m，梅花形布置. 通過正交設計，計算上述9種工況，錨桿軸力計算結果如表4所示.

圖7 錨桿軸力對比圖Fig.7 Comparison chart of bolt axial forces

表4 不同支護參數(shù)下錨桿軸力Tab.4 Axial forces of bolt under different supporting parameters單位：kN

通過不同支護參數(shù)下錨桿軸力計算結果分析可知，當錨桿長度分別為2.8、2.5、2.2 m時，最大軸力分別為3.20、3.88、4.15 kN. 說明當錨桿長度減少時，最大軸力有所增大，最大增幅為0.95 kN，因此可適當降低隧洞初期支護體系中錨桿長度，建議將錨桿長度降低為2.5 m，減少工程成本. 當錨桿縱向間距分別為0.8、1.0、1.2 m時，最大軸力分別為3.36、3.84、4.15 kN. 說明隨著錨桿縱向間距的增大，錨桿軸力逐漸增大，最大增幅為0.79 kN，因此可適當增大隧洞初期支護體系中錨桿縱向間距，建議將錨桿縱向間距設置為1.2 m，降低工程造價，提高施工速度，較少施工周期. 通過上述分析，在確保隧洞安全的前提下，結合具體施工工序，建議隧洞初期支護錨桿長度為2.5 m，錨桿間距為環(huán)向×縱向=1.0 m×1.2 m.

5 結論與建議

1）設計了三角形帶孔墊板并應用對錨桿軸力進行現(xiàn)場測試，解決了由TBM搭載錨桿鉆機施工的傾斜錨桿軸線無法與隧洞巖面垂直，無法真實反映錨桿受力特征的問題，得到錨桿軸力最大值為3.48 kN，應力為7.09 MPa，應力比僅為0.030，遠未達到桿體屈服強度，具有較大的安全儲備.

2）錨桿軸力計算值與實測值變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為沿錨桿近端軸線方向軸力逐漸增大，在中性點（0.5 m）附近達到峰值，然后逐漸減小. 整體表現(xiàn)為拱頂處錨桿軸力最大，拱肩處次之，拱腰處最小，即拱頂＞拱肩＞拱腰. 計算值比實測值稍大，主要是由于現(xiàn)場測試時圍巖已經發(fā)生位移，而且錨桿實際工作中錨固體部分產生一定滑移，造成實測值較低.

3）通過對現(xiàn)場監(jiān)測及不同支護參數(shù)數(shù)值計算對比分析研究，建議隧洞初期支護錨桿長度從3.0 m減少到2.5 m，縱向間距從1.0 m 增加到1.2 m，環(huán)向間距依然為1.0 m，梅花形布置，可以減少施工周期，降低施工成本，具有較大的經濟效益.