預切槽法黃土隧道鎖腳微型樁合理布置方式研究

王新東，王秀英(.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　70043;.北京交通大學土建學院，北京　00044)

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預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.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043;2.北京交通大學土建學院，北京100044)

摘要:預切槽法開挖隧道能夠很好地控制地表沉降，適用于包括黃土在內的軟土地層，但如何約束預襯砌的墻腳是預切槽法亟待解決的問題。本文依托洪亮營隧道，首先通過數值模擬方法，論證了約束墻腳可以提高預襯砌結構安全度，并選擇鎖腳微型樁來加固墻腳;之后基于樁基承載機理，提出剛度分配法，確定了樁的受力、最佳打設角度和最優間距。研究表明:加強墻腳的約束，可以提高預筑拱結構在拱腰和拱頂的安全系數，減小拱頂的沉降;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°時樁的受力最為合理。

關鍵詞:預切槽法黃土隧道鎖腳微型樁剛度分配

我國隧道建設面臨著越來越多復雜的地層情況，軟弱圍巖中開挖隧道是隧道建設的難題。黃土作為我國極具特色的一種特殊軟土，具有顯著的垂直節理，土質疏松，基底承載力低，隧道開挖時沉降大，易產生裂縫，是隧道建設的難題之一［1］。預切槽法在維護隧道掌子面穩定以及限制拱頂變形和地層沉降方面作用顯著，近年來國內外學者進行了大量研究，指出墻腳穩定是預切槽法能否成功應用的關鍵問題之一［2-3］。盡管我國還未成功運用預切槽法進行隧道的開挖實踐，但是在隧道建設中對保護墻腳穩定總結了大量的經驗。關寶樹、趙勇分析研究了拱腳失穩的原因，總結了控制拱腳穩定的方法［4-5］，并且發現擴大拱腳和增加臨時仰拱2種方法對限制拱腳的變形有著顯著效果，同時結合分部施工法提出了指導意見。目前中鐵重工集團研制成功國內第一代軸心式預切槽機械，計劃在寶蘭客專洪亮營隧道開展現場試驗，急需確定穩定墻腳的措施和方案。根據國內隧道施工技術水平和設備條件，可供選擇的墻腳穩定性控制措施主要有設置鎖腳錨桿(或鎖腳錨管)、墻腳圍巖補強注漿、擴大墻腳的支護、增設臨時仰拱等方法［6］。由于預切槽法中，預筑拱是全環施作的，鎖腳僅適合在墻腳部位施作，為了提供強有力的鎖腳方式，經過對比分析，并結合黃土土質特性，計劃選擇鎖腳微型樁穩定墻腳。微型樁具有輕便、摩阻力大等特點，已成功應用于邊坡治理。本文基于《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)單孔灌注樁樁基承載力計算方法，對鎖腳微型樁進行受力計算，并給出樁的長度和間距設計方案，為試驗段隧道的設計施工提供指導意見。

1　工程概況

洪亮營隧道地處黃土高原梁峁區，地面高程1 880 ～2 008 m，相對高差100～150 m，在水流切割侵蝕作用下進口端沖溝、黃土陷穴發育。隧道進口端位于龍王溝左岸黃土斜坡，出口端位于洪亮營村附近的洪積平原上。隧道地層主要為砂質黃土、黏質黃土，隧道最大埋深約120 m，隧道全長961 m。其中試驗得到的砂質黃土物理力學參數見表1。

表1　砂質黃土物理力學參數

2　不同墻腳加固方式下預筑拱受力分析

2.1計算模型及工況

試驗段隧道埋深38 m，切槽長度5 m，切槽厚度35 cm，采用C30混凝土進行灌注。根據試驗段情況，采用荷載—結構模型進行結構內力計算，預筑拱荷載分布如圖1所示。

取Q3砂質黃土進行計算，采用文獻［1］中的淺埋隧道計算理論分析預筑拱在豎向和橫向的受力情況。計算得到當埋深為38 m時，豎向均布壓力為389 759.23 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。運用ANSYS建模進行分析計算。

圖1　預筑拱荷載分布

計算出各單元內力后，依據《鐵路隧道設計規范》分析結構安全性。為了分析墻腳穩固方式對結構受力的影響，此次計算分別對2種不同墻腳支座工況進行對比。其中鉸支座對應實際工程中對墻腳進行強有力約束，彈簧支座對應沒有對墻腳進行約束，或約束較弱，同時對2種支座進行了不同地層彈性抗力系數結構安全性的對比。

2.2計算結果及分析

圖2和圖3給出了不同工況下的計算結果。鉸接時，預筑拱安全系數受基底抗力系數變化的影響不大，墻腳安全系數最小，但都能滿足安全系數的要求;彈簧連接時，基底抗力系數對預筑拱安全系數影響較大，尤其是拱腰和拱頂的安全系數波動較大。基底抗力系數為300 MPa/m時，預筑拱安全系數可以滿足規范要求，基底抗力系數為55及150 MPa/m時，拱腰和拱頂的預筑拱安全系數不能滿足規范要求。

圖2　鉸支座不同基底抗力系數時預筑拱安全系數變化曲線

計算發現，在固定支護下，拱頂的沉降值為1.05 cm，比彈簧支護下拱頂沉降值(4.38 cm)減小了3/4。

根據以上分析，采用機械預切槽工法開挖隧道，加強墻腳支護不僅可以提高預襯砌結構安全性，同時可以減小拱頂沉降，有利于隧道結構穩定。

圖3　彈簧支座不同基底抗力系數時預筑拱安全系數變化曲線

3　墻腳微型樁受力分析

在工程建設中，尤其在軟土工程中，樁基礎得到了廣泛的應用。在黃土隧道實際工程中，為了更好地提高墻腳穩定性，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、經濟、安裝迅速、空間要求低等優點，同時它也可以用作承壓樁或者承拉樁。本節將著重對在隧道墻腳安裝的微型樁進行受力分析和設計參數研究。

3.1微型樁受力機理

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

圖4　微型樁的受力

圖中Fn，Fq分別為墻腳受到上覆土層的豎向和橫向力，Fa和Fb分別為襯砌傳遞給樁端的剪切方向和軸向的力，Ft為樁側向土體提供的垂直支撐力，f為樁側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，Fq由樁和土體共同承擔，由于樁和土體存在剛度差異，對二者荷載的分擔有較大影響［9］。對此在共同變形的基礎上，提出剛度分配法，按照剛度分配的原則計算出樁承擔荷載的比例，具體計算內容如下。

1)剪力方向

樁的抗彎剛度為E1I1，樁周圍混凝土的抗彎剛度為E2I2，剪力方向土體的軸向剛度為E3A3，則樁承擔的剪力所占比例為

2)軸力方向

樁的軸向剛度為E1A1，樁周圍混凝土的軸向剛度為E2A2，考慮土體的軸向剛度為E3A4，則樁承擔的軸力所占比例為

當Fb＞0時，樁受拉;當Fb＜0時，樁受壓。

3.2分析思路

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

3.3計算工況

本次計算以洪亮營隧道為背景，土層選擇Q3砂質黃土。由于洪亮營隧道最大埋深達到120 m，因此本次計算淺埋38 m和深埋80 m 2種工況，采用文獻［1］中方法進行荷載計算。

3.4計算參數

邁式微型樁不同型號參數見表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為樁軸向移動時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，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在原基礎上擴大2倍。Fa，Fb分別為

表2　邁式微型樁不同型號參數

3.5計算結果及分析

以洪亮營隧道工程為依托，結合上述參數，初步選擇T76S樁，設定間距為3 m。研究表明，鎖腳錨桿與豎直方向之間的角度在20°～50°時，鎖腳錨桿的受力是最優的［11］。本次計算表明，角度增大到60°時樁開始受拉，不合理。因此計算中β取30°，45°兩種情況，計算結果見表3。

表3　38 m淺埋情況樁受力計算結果

由計算結果可知，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，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，因此軸向力是樁設計方案的主要考核對象。

4　微型樁長度的計算

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

式中:L為樁的長度;P'為要求允許設計值;S為安全系數;FK為注漿體的表面單位摩擦力，FK=πDμ，其中μ為邁式微型樁和土的摩擦強度，取150 kN/m2。由以上公式，得出樁的間距為3 m時，樁的最小長度見表4。

表4　樁間距3 m時樁的最小長度　m

為了分析不同樁間距對樁的長度要求，計算了淺埋38 m工況時，樁間距分別為1，2，3 m時所需要的樁的最小長度，見表5。

表5　不同樁間距情況下所需樁的最小長度　m

由表5可知，為確保墻腳穩定，隨著樁間距的增大，樁的長度也要增大;β取45°時所需的樁長要比β 取30°時所需的小，減小比例為40%。

結合本工程洞內場地實際情況及微型樁施工情況，洪亮營隧道鎖腳可以選擇T76S樁。由于預切槽法隧道鋼架僅能在臨近搭接部位的三角區布設［2］，以一環5 m長預襯砌下部集中布設2環鋼架計(相當于鋼架間距平均2 m)，對應的樁間距為2 m時，與豎向的打設夾角按45°考慮，在淺埋試驗段微型樁長度不宜小于4 m。在深埋試驗段微型樁長度不宜小于2 m。

5　結論

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

1)加強墻腳的約束，可以提高預筑拱結構在拱腰和拱頂的安全系數，減小拱頂的沉降。

2)T76S樁能夠滿足鎖腳要求，是安全的。

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

參考文獻

［1］趙勇，李國良，喻渝.黃土隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［2］王秀英，劉維寧，趙伯明，等.預切槽技術及其應用中的關鍵技術問題［J］.現代隧道技術，2011，48(3):22-27，34.

［3］杜林林，王秀英，劉維寧.預筑拱控制軟弱圍巖變形機理的研究［J］.現代隧道技術，2014，51(1):62-69.

［4］趙勇.隧道圍巖動態變形規律及控制技術研究［J］.北京交通大學學報，2010，34(4):1-5.

［5］關寶樹.軟弱圍巖隧道變形及其控制技術［J］.隧道建設，2011，31(1):1-17.

［6］李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩定性及其控制技術［J］.巖土力學與工程學報，2012，31(增1):2729-2737.

［7］楊愛文，羅麗娟，李偉平.樁土相互作用及單樁承載力確定模擬研究［J］.地質災害與環境保護，2004，15(4):66-69.

［8］田雪飛，盧海筠，閆景俠，等.后壓漿灌注樁基承載力計算方法比較研究［J］.巖土工程學報，2013，35(增1):372-377.

［9］姚燕明，周順華，陳力.鉆孔咬合灌注樁按剛度分配的計算方法［J］.建筑結構，2003，33(11):25-26.

［10］東南大學，浙江大學.土力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［11］陳麗俊，張運良，馬震岳.鎖腳錨管合理打設角度的理論研究［J］.巖石力學與工程學報，2015，34(7):1334-1344.

(責任審編趙其文)

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

作者簡介:王新東(1979—)，男，高級工程師。

基金項目:國家科技支撐計劃(2013BAF078B06)

收稿日期:2015-09-29;修回日期:2015-12-10

文章編號:1003-1995(2016)03-0075-04

中圖分類號:U455.49

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.18