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，對此，很多學(xué)者對其進(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)原理對底鼓量計算理論進(jìn)行了推導(dǎo)，為隧道底鼓量計算提供了理論依據(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驗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象，重點(diǎn)研究了深部軟巖巷道底鼓機(jī)理與治理試驗。然隧道底板隆起量計算十分復(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)知識推導(dǎo)了軟巖隧道底板隆起理論計算公式。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算提供了更為直觀和實用的簡化計算公式。

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，同時可以提高普通樁的穩(wěn)定性，對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，振動和噪音小，對周邊的環(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)用鮮有報道，對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)的計算理論作為設(shè)計支撐。因此，對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)計理論和施工技術(shù)，具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。

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)為底板隆起是因為其上部所承受的土重卸荷而引起的，進(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6、7、8，在等效簡圖中均布荷載及兩端力矩作用下分別對等效簡支梁繞度進(jìn)行計算。

故軟巖隧道底板最大隆起量為：

當(dāng)通過式（4）計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，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，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)為底板隆起是因為其上部所承受的土重卸荷而引起的，進(jìn)而假定底板隆起是因為因卸荷而附加向上的土的自重而產(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，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時則底板可保持穩(wěn)定，不會發(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)驗系數(shù)，可按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）取值，永久性結(jié)構(gòu)可取0.8，臨時性結(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

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，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，且通過案例驗證理論公式的適用情況，驗證結(jié)果顯示本文推導(dǎo)的理論公式具有一定的可行性。但因為未考慮到隧道兩幫位置應(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?；谲泿r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，對微型樁防治軟巖隧道底板橫梁進(jìn)行了設(shè)計。

④在不考慮圍巖內(nèi)粘聚力的情況下，對橫梁、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)行了對比。有限元數(shù)值模擬計算表明采用橫梁、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。