淺埋大跨小凈距桃花峪黃土隧道系統錨桿作用效果研究

劉 洋，譚忠盛

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100088;2.北京交通大學，北京 100044)

0 引言

錨桿支護是噴錨支護的主要組成部分，實踐表明，在硬巖和軟巖中，錨桿有著良好的適用性，可以取得良好的效果。國內外在這方面研究很多，形成了懸吊效應、組合拱效應、減跨效應和擠壓加固效應等諸多支護機制，相關的研究成果已歸納成相應的公式列入我國部分規范中［1］。與局部錨桿相比，系統錨桿是指在隧道的周邊按一定規律統一布置的徑向錨桿。然而，系統錨桿在黃土隧道中的作用一直是學術界和工程界爭論的熱點。譚忠盛等［2］采用現場監測方法對淺埋黃土隧道和深埋黃土隧道有無系統錨桿的監控量測數據進行了對比分析研究，得出了拱部錨桿支護效果不明顯這一重要結論。路軍富等［3］對大斷面深埋黃土隧道圍巖內變形模式發展規律進行了研究，認為拱部錨桿支護效果較差。陳建勛等［4］針對淺埋黃土隧道中系統錨桿支護作用進行了數值模擬和現場監測，結果表明，系統錨桿對控制圍巖變形的作用不顯著。雖然目前關于黃土隧道的工程特征、設計與施工技術以及黃土地層的錨固機制都已經有了較深入的研究［5－8］，但針對淺埋大跨小凈距黃土隧道，國內外研究比較少［9－10］，特別是系統錨桿的作用還有待進一步研究。以武西高速公路桃花峪隧道工程為依托，開展有無錨桿的現場對比試驗研究，監測了先行洞開挖過程中每個開挖步的位移和應力，進而檢測后行洞開挖到交匯斷面時后行洞每個開挖步的位移和應力，得到了大量的監測數據。通過對監測數據的統計分析，得出有無錨桿試驗段的變形、應力和圍巖壓力隨各個施工步的變化規律;通過對試驗段的各監測項目數據進行對比分析，最終確定淺埋大跨小凈距黃土隧道在現場試驗條件下有無錨桿的作用效果。

1 工程概況及地質情況

武西高速公路北接焦作至鄭州高速公路，南接國道主干線連霍高速公路，在ZK36+680～ZK37+260處穿越邙山，設置桃花峪隧道。隧道位于河南省武西高速公路桃花峪黃河特大橋主橋以南約250 m處。隧道北口接大橋南引橋，洞身穿越邙山風景區，終點位于桃花峪景區大門停車場附近，行政區域隸屬于鄭州滎陽市。隧道總長575 m，位于邙山黃土丘陵區，地形起伏大，地面標高157.6～206.3 m，設計為獨立雙洞形式，洞室間最小凈距4.45 m，洞體覆蓋層厚0.8～55.5 m，最小覆蓋層不足1 m，為雙向6車道，單洞最大開挖跨度15.288 m，開挖高度12.07 m(含仰拱)，頂板厚5～50 m，為目前國內間距最小的淺埋、大跨、小凈距黃土隧道公路隧道。

桃花峪隧道地處黃河南岸的邙山黃土臺塬區，呈北高南低，向南部傾斜，侵蝕地貌發育，地形起伏不平，溝壑縱橫，形成眾多的黃土梁、峁南。位于淺埋偏壓段，且為大斷面黃土隧道，是設計領域公認的復雜類隧道，隧道設計、施工難度大。隧道為具有一定濕陷性的新黃土，土質較松散，穩定性差，承載力低。黃土濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級。隧道圍巖涉及地層為第四系上更新統風積形成的馬蘭黃土(Q3eol)，結構松散，強度較弱，工程性質差，Ⅴ級圍巖。在雨季施工時，土體穩定性更差。桃花峪隧道地質情況如表1所示。

2 試驗內容及結果分析

2.1 試驗內容

本項目共進行了2段隧道有無錨桿施工對比試驗，其中有錨桿段長度40 m(ZK36+920～+960)，無錨桿段長度30 m(ZK37+000～+030)，試驗內容如下:

1)檢測斷面各設4個位移監測斷面，進行了拱頂絕對下沉監測、拱腳絕對下沉監測和水平收斂監測。

2)檢測斷面各設2個圍巖壓力監測斷面，進行了圍巖和初期支護間接觸壓力的監測。

3)檢測斷面各設2個應力監測斷面，進行了初期支護鋼格柵應力監測。

表1 桃花峪隧道地質情況匯總表Table 1 Geological conditions of Taohuayu tunnel

4)桃花峪隧道潮噴噴射混凝土早期強度發展較快、較平穩，24 h抗壓強度達到6.5 MPa左右，48 h可達11.5 MPa，在軟弱圍巖中提高噴混凝土的早期強度十分重要，是控制圍巖變形和穩定的關鍵。噴射混凝土可以滿足鋼拱架采用鋼格柵時對早期強度的需要，能夠起到早期支護的作用。

5)本次試驗段采用CD開挖法施工。永久初期支護采用格柵鋼拱架，截面28 cm×28 cm，縱向凈距50 cm;φ8 cm雙層鋼筋網@10 cm×10 cm;噴射37 cm厚C25混凝土;每榀鋼架均設置鎖腳錨管，φ50×4 mm，L=3.5 m。臨時支護:I18型鋼鋼架+φ22藥卷錨桿，L=300 cm，間距100 cm ×100 cm，φ8@25 cm ×25 cm鋼筋網，22 cm厚C25噴射混凝土。具體施工流程如圖1所示。

圖1 CD法開挖步驟圖Fig.1 Excavation process of CD method

試驗段位于桃花峪隧道中段，試驗從2012年4月10日開始，有錨桿試驗段選取ZK36+955斷面為研究對象，拱、墻設3.5 m長錨桿，監測項目包括位移、圍巖－初期支護接觸壓力、鋼格柵應力和錨桿軸力;無錨桿試驗段選取ZK37+020斷面為研究對象，拱、墻均不設置錨桿，監測項目包括位移、圍巖－初期支護接觸壓力和鋼格柵應力。

2.2 監測斷面測點布置

1)隧道先開挖右側，即1號點位置，為隧道先行導洞，拱頂沉降測點“GD1”，左右側拱頂測點“1號點、2號點”，左右側拱肩測點“3號點、4號點”，見圖2。

圖2 初期支護位移測點布置圖Fig.2 Layout of monitoring points for primary support displacement

2)圍巖－初期支護接觸壓力采用雙模壓力盒監測，雙模壓力盒以隧道中線對稱布置，Y1～Y9表示9個壓力測點，見圖3。

圖3 圍巖－初期支護壓力測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for contact pressure between surrounding rock and primary support

3)鋼格柵應力采用應變計監測，應變計以隧道中線對稱布置，“WE”表示格柵拱架的外測應變測點，“NE”表示格柵拱架的內測應變測點，整個斷面埋設9對應變計，見圖4。

4)錨桿軸力采用錨桿軸力計，“MZ”表示錨桿軸力測點，每根錨桿上布置4個錨桿軸力計，見圖5。

2.3 無錨桿試驗段結果分析

1)無錨桿試驗段選取ZK37+020斷面進行了監測分析。“左側拱頂”表示隧道開挖左導洞上拱頂位置布置的監控量測點位，“右側拱頂”表示隧道開挖右導洞上拱頂位置布置的監控量測點位，“仰拱封閉”表示研究斷面仰拱開挖、初期支護封閉成環。由于隧道各個導洞交替開挖，開挖各導洞沉降無突變影響。拱頂下沉及拱肩、拱腳收斂關系曲線見圖6和圖7。

圖4 鋼格柵應力測點布置圖Fig.4 Layout of monitoring points for stress of lattice girder

圖5 錨桿軸力的測點布置圖(單位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points for axial force of anchor bolt(cm)

圖6 ZK37+020拱頂沉降－時間關系曲線圖Fig.6 Time-dependent curves of crown settlement at ZK37+020

圖7 ZK37+020先行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時間關系曲線圖Fig.7 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK37+020

2)格柵鋼架應力分布規律。格柵拱架的應變值，乘以格柵拱架的彈性模量得到其應力值，根據格柵拱架的抗拉、抗壓極限強度判斷格柵拱架的受力安全性。格柵拱架的應力時程曲線見圖8。

圖8 ZK37+020斷面格柵鋼架外側應力時程曲線圖Fig.8 Time-dependent curves of stress on outside of lattice girder at ZK37+020

3)土壓力分布規律。圍巖－初期支護接觸壓力時程曲線圖以及斷面基本穩定后的圍巖－初期支護接觸壓力分布圖，如圖9和圖10所示。

圖9 ZK37+020斷面圍巖－初期支護接觸壓力時程曲線圖Fig.9 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020

圖10 ZK37+020研究斷面圍巖－初期支護壓力分布圖(單位:kPa)Fig.10 Distribution of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020(kPa)

2.4 有錨桿試驗段結果分析

1)拱頂下沉及拱肩、拱腳收斂。對ZK36+955斷面的左右側拱頂下沉監測如圖11所示，拱肩、拱腳收斂如圖12和圖13所示。

2)鋼格柵鋼架應力分布規律。斷面ZK36+955的鋼格柵表面應力時態曲線如圖14和圖15所示，圖中系列1－系列9表示拱架外側或者內側測點。量測時間持續2個多月。

圖11 ZK36+955拱頂沉降－時間關系曲線圖Fig.11 Crown settlement Vs time at ZK36+955

圖12 ZK36+955先行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時間關系曲線圖Fig.12 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK36+955

圖13 ZK36+955后行洞斷面拱肩、拱腳收斂－時間關系曲線圖Fig.13 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of following tunnel at ZK36+955

圖14 ZK36+955鋼格柵外側應力監測時態曲線Fig.14 Time-dependent curves of stresse on outside of lattice girder at ZK36+955

圖15 ZK36+955鋼格柵內側應力監測時態曲線Fig.15 Time-dependent curves of stress on inside of lattice girder at ZK36+955

3)土壓力分布規律。針對ZK36+955斷面的圍巖－初期支護接觸壓力進行了監測，各測點的圍巖－初期支護接觸壓力時程曲線如圖16所示。

圖16 ZK36+955斷面圍巖－初期支護接觸壓力分布圖Fig.16 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK36+955

3 有無錨桿監測結果對比分析

1)拱頂沉降的對比分析。將有無錨桿2試驗段的拱頂沉降進行對比分析，各測點的時程曲線見圖17和圖18。錨桿對沉降控制作用較小，除去塌方段引起的沉降突變，有錨桿試驗段各臺階施工引起的沉降比較均勻，相對無錨桿段沉降較小，仰拱封閉時沉降發生的比例兩者相差不大。

圖17 有無錨桿段研究斷面初支拱頂左側沉降測點對比分析Fig.17 Time-dependent curves of settlement of the left side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

圖18 有無錨桿段研究斷面初支拱頂右側沉降測點對比分析Fig.18 Time-dependent curves of settlement of the right side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

2)水平相對收斂。有無錨桿段在水平相對收斂方面差距很小，CD法雙側導洞開挖以及各個臺階的施作隧道整體水平收斂相對不均勻，在滯后一側導洞下導洞開挖支護完成30～40 m后施作仰拱，收斂值略有增大，同時由于黃土土質特點，隧道以整體性沉降為主，初期支護沉降非常明顯，相對于拱頂沉降，收斂值非常小。

3)格柵鋼架應力對比分析。為了進一步對有無錨桿試驗段的格柵拱架應力進行分析，監測點穩定后取值，在施工過程中部分監測點在隧道開挖過程中有一定突變增長，略大于穩定值，但相差不大，因此取封閉后監測點穩定值來分析，利用2個試驗段斷面各部的格柵拱架應力最大值進行比較，內側的格柵拱架應力包絡圖以及外側的格柵拱架應力包絡圖如圖19和圖20所示。

圖19 有無錨桿試驗段斷面格柵拱架內測應力對比圖(單位:MPa)Fig.19 Stress on inside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

圖20 有無錨桿試驗段斷面格柵拱架外測應力對比圖(單位:MPa)Fig.20 Stress on outside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

4)土壓力對比分析。由于監測斷面的圍巖－初期支護接觸壓力離散性較大，對有無錨桿試驗段的各測點接觸壓力利用仰拱封閉后的穩定值進行比較，見圖21。從分布形式來看，有無錨桿試驗段的圍巖－初期支護接觸壓力分布都是偏壓的，拱部受壓較小，邊墻和仰拱部位受壓較大。無錨桿段應力相對不均勻，偏壓相對較為嚴重;從量值來看，無錨桿試驗段的圍巖－初期支護接觸壓力在拱部以及仰拱右側邊墻部位與有錨桿段相差不大，左側邊墻最大值為361.8 kPa，比有錨桿段大，其邊墻部位受力較大，偏壓嚴重，對于有錨桿段隧道左右側邊墻相差不大，整體受力較好。

圖21 有無錨桿試驗段斷面初期支護－圍巖接觸壓力最大值對比圖(單位:kPa)Fig.21 Maximum contact pressure between primary support and surrounding rock in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(kPa)

4 結論與討論

1)從錨桿對比試驗段的初期支護左右側拱頂的沉降對比來看，有錨桿段沉降略小于錨桿段，試驗段隧道的水平收斂值相差不大。

2)隧道在開挖過程中拱部錨桿在上導洞與中導洞施作是輕微受拉，隨著隧道各個洞室的開挖，圍巖松散，拱部錨桿受壓，邊墻錨桿從施作后基本受拉，在后行洞開挖過程中有一定量增長，增長較小，錨桿整體受力相對較小;錨桿在黃土中施作后對圍巖擾動，在開挖過程中錨桿的施作將延長每個施工循環1 h左右，圍巖暴露時間長且施作錨桿使黃土破碎有掉塊，使圍巖穩定性降低，且造成土體松散，加大了圍巖塑性區，錨桿的施作也推遲了初期支護閉合的時間，使圍巖變形進一步發生，這對控制黃土隧道的變形和保證快速施工是不利的。

3)對于大跨小凈距黃土隧道來說，拱頂到拱腳的錨桿作用效果不明顯，且由于黃土松散下沉處于受壓狀態，因此對于拱部圍巖可不采取過多的加固措施，通常減小封閉時間，盡量減少擾動，對于邊墻部位的小凈距黃土體可采用錨桿支護體系，施作錨桿并注漿，使其有一定的整體性，隧道襯砌形成一個整體，有利于邊墻的穩定，減少后行洞對土體的擾動。對于后行洞來說，邊墻部位可以不施作錨桿以減少作業時間，加快斷面的封閉，盡量減少小凈距土體的應力重分布。

4)首次創新性的系統研究了淺埋大斷面小凈距黃土隧道的錨桿作用效果，這不僅能指導和優化公路淺埋大跨雙線黃土隧道工程的設計參數與施工方案，還豐富和發展了淺埋大斷面小凈距黃土隧道的支護理論和方法，為未來類似大斷面黃土隧道工程的設計與施工提供理論和技術參考。

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