隧道排水管阻塞狀態下的襯砌錨桿軸力分析

（山西路橋集團長臨高速公路有限公司，山西 太原 030006）

隧道整體本身屬于非常復雜的工程結構物，以功能性定位不同可以將公路隧道大體劃分為原始圍巖體系、襯砌支護體系、排水體系、路面體系及機電通風配套體系，公路隧道的正常運營通行是以上不同系統密切協調配合的結果，一旦其中一套體系出現病害或者異常，將不同程度影響公路隧道的正常通行。

一、隧道排水管未阻塞狀態下的襯砌錨桿軸力分析

錨桿支護是公路隧道襯砌首層支護施工中常用的一種圍巖加固措施，由于錨桿需要打入隧道圍巖內一定深度，錨桿支護適用于埋深值較大且圍巖強度等級較高的隧道中。隧道襯砌支護錨桿的軸力變化情況與錨桿支護位置存在相關關系。本文擬選定三個具有代表性的位置進行研究，即：拱頂、拱腰及拱底。圖1為隧道錨桿軸力采集點位分布情況。

圖1.隧道錨桿軸力采集點位分布情況

選取相同襯砌截面內的三個對應位置錨桿作為研究對象，保證三個錨桿在同一襯砌截面內的目的是剔除沿隧道長度范圍內的水位變化因素的干擾，在隧道襯砌排水系統正常工作的基礎上，分析三個錨桿沿錨桿長度范圍內的軸力變化情況。圖2為三個錨桿在襯砌排水系統正常工作條件下的軸力變化圖。

圖2.襯砌排水系統正常工作條件下的錨桿軸力變化

分析上圖可知，位于隧道拱頂部的1號錨桿軸向應力值與錨桿遠離隧道襯砌距離值呈非線性正相關關系，由于1號錨桿位于隧道圍巖頂部，在絕大多數的公路隧道中，圍巖滲透水位一般不超過隧道拱肋高度，位于拱頂位置的錨桿軸力基本不受到襯砌圍巖滲透水的影響。采用單元分析法選取不同位置的錨桿進行軸力分析可知，錨桿打入圍巖段的軸力與打入圍巖段深度呈正相關關系。因此，襯砌錨桿徑向長度介于1m～1.5m范圍內時，其軸力不斷增長，在襯砌結構和圍巖結構的交界位置。由于邊界材料出現改變，錨桿周圍應力作用水平和方向被重分布，在交界位置錨桿軸力出現轉折，但總體的變化趨勢沒有改變。由于襯砌噴射混凝土的剛度水平低于隧道圍巖，對應的軸力增長率有所下降。

2號錨桿和3號錨桿分別位于隧道襯砌腰部和隧道拱底，由于襯砌腰部和底部受到隧道圍巖及襯砌滲透水分的影響，二者的軸力變化趨勢呈現出類似的特征。在滲透水滲流作用影響下，隨著襯砌錨桿徑向長度的增加，軸力呈現出先增長、再下降、最終再增長的基本趨勢，其主要原因是錨桿靠近襯砌一側受到滲透水滲流場變化的影響。錨桿軸力的變化幅度較大的主要原因是靠近襯砌一側的錨桿需要克服較大的因水流沖刷引起的隧道圍巖漂移效應，為了抵抗水流沖刷應力，錨桿軸力增長較為明顯。隨著距離的增加，滲透水分的影響程度逐步下降，由于滲透水分的存在，導致襯砌結構與隧道圍巖結構的協調變形能力下降，襯砌內普遍存在襯砌脫空現象。錨桿軸力在襯砌段的應力松弛效應更加明顯，呈現出逐步下降的基本趨勢，錨桿端部在襯砌約束作用下，軸力有所增加。綜上分析可知，對于穿越富水層的公路隧道而言，為了保證隧道襯砌結構不同位置的承載可靠性、穩定性，提高錨桿結構在透水狀態下，對襯砌和隧道圍巖結構的緊固效應，提高兩者的協調變形能力，必須加強隧道襯砌腰部和拱底的錨桿加固水平。

二、隧道排水管阻塞狀態下的襯砌錨桿軸力分析

為了分析在隧道排水系統處于阻塞狀態下的隧道圍巖襯砌錨桿軸力變化規律，擬選定隧道襯砌排水系統60%阻塞狀態為案例進行分析，滲透水位工況與上文研究內容一致。

圖3為隧道襯砌排水系統阻塞程度為60%狀態下的不同位置錨桿軸力變化情況，選定錨桿位置與上文圖1中的分布情況相同。

圖3.隧道襯砌排水系統阻塞程度為60%狀態下的不同位置錨桿軸力變化情況

分析圖中隧道圍巖襯砌不同位置的錨桿軸力變化情況可知，隧道圍巖襯砌滲水外排系統阻塞對錨桿軸力的影響尤其顯著。其中，與隧道襯砌排水系統完全通暢狀態下相比，位于隧道圍巖襯砌頂部的1號錨桿，由于襯砌滲透水分水位尚未達到隧道圍巖襯砌頂部。因此，滲透水外排情況對頂部圍巖襯砌錨桿的軸力影響幾乎為零，故在兩種工況下的1號圍巖襯砌錨桿軸力響應情況基本一致。在工程實際中，正常水位影響條件下可以不考慮滲透水對頂部圍巖襯砌錨桿的影響。2號錨桿的軸力變化基本趨勢與圖1中對應2號錨桿的變化基本一致。可知，隧道圍巖襯砌滲水及滲透水外排工況不會改變錨桿的軸力變化規律，但由于排水系統阻塞嚴重，滲水外排不利，大量滲透水集聚在隧道圍巖及襯砌結構內，削弱了錨桿與圍巖及襯砌的相互作用力，導致錨桿軸力水平整體下降，由于錨桿軸力下降，進而影響錨桿對襯砌和圍巖之間的緊固作用，嚴重情況下，大量滲透水在水動力效應作用下，將誘發圍巖襯砌大變形，造成嚴重的錨桿錨固失效病害。3號錨桿的在排水系統阻塞狀態下的軸力工況變化與2號錨桿基本一致。在工程實踐中，為了保證隧道圍巖襯砌結構在滲透水影響下的整體性，保證兩者的協調變形性能及要求，必須加強2號和3號位置錨桿的錨固能力，在滿足隧道圍巖強度及破碎性要求的基礎上，盡量延長錨桿的實際作用長度，采用高性能襯砌混凝土整體噴射，提高錨桿與圍巖及錨桿與襯砌之間的相互握裹力和彼此之間的密封性，以抵御排水系統阻塞狀態下的圍巖襯砌軟化和大變形病害。

三、結語

襯砌錨桿的軸力變化能夠較為靈敏地反饋出隧道圍巖襯砌內的水分外排情況。在排水系統正常工作條件下，圍巖襯砌錨桿受滲透水影響的程度較小，錨桿的緊固效應較為可靠；一旦排水管道出現阻塞，由于滲透水無法及時排出，其對錨桿軸力的削弱效應逐步明顯，且不同位置的錨桿軸力變化存在差異；在工程實踐中，必須強化滲透水影響范圍內的錨桿施工質量，增加接觸長度，提高襯砌混凝土的密實度和強度。