預應力樹脂錨桿軟巖大變形控制效果試驗研究

張敏銀 馬建華 王眾樂

[摘? 要]：軟巖大變形問題一直是隧道工程界的頭號難題，為了研究預應力樹脂錨桿對于隧道軟巖大變形控制效果，文章依托白石頭隧道工程開展現場對比試驗。為了減小其他變量干擾，選取試驗條件基本相同的大變形里程段開展試驗，試驗段揭示巖性基本為薄層絹云片巖、炭質片巖。試驗段基本設置為無樹脂錨桿段100 m，有樹脂錨桿鋼架不同段442 m。試驗段對選定斷面的拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、鋼架應力和錨桿軸力等進行監測。試驗結果表明：施作預應力樹脂錨桿對于降低鋼拱架應力、拱頂沉降變形速率與變形值均有明顯作用;在鋼架強度較弱工況下，對于水平收斂變形的控制效果很差。預應力樹脂錨桿施作3 h后即可達到設計強度要求，整體受拉，在17～20天內能起到很好的變形控制作用，之后存在失效現象。預應力樹脂錨桿在薄層絹云片巖、炭質片巖地層條件下的適應性有待進一步研究。

[關鍵詞]：預應力樹脂錨桿; 鐵路隧道; 軟巖大變形; 三臺階法; 對比試驗

U455.7+1B

預應力樹脂錨桿支護技術較早應用在煤炭巷道中，因其施工快捷、支護效果好、成本低等特點，已經成為國內外礦井開采的主要支護方式。而由于變形控制效果不明確、施工工藝不成熟等原因，隧道工程中樹脂錨桿的使用率較低，傳統的砂漿錨桿往往成為主導錨桿支護方式。一方面，大量的工程經驗證明，預應力錨桿支護[1-3]效果要明顯優于非預應力錨桿，傳統砂漿錨桿需要較長的硬化時間才能施加預應力，很大程度上阻礙了施工的快速展開，不利于圍巖變形的控制，影響施工安全。另外，隨著我國鐵路公路網絡的不斷發展擴張，工程建設遇到的地質條件愈發復雜多變，加之設計觀念由被動支護向主動支護轉變[4-5]，隧道工程對于錨桿支護要求日益嚴格，尤其是時效性。

開展現場試驗是檢驗錨桿作用效果最有說服力的方式之一。南昆鐵路家竹箐隧道[6]DIK579+429～+450段，在施作錨桿15天后，圍巖收斂速度由原來的4.36～7.00 mm/d降低到了0.27～1.27 mm/d，變形控制效果十分明顯。日本惠娜山隧道[7]為雙洞公路隧道全長8.3 km，受軟弱變質角頁巖影響，隧道收斂變形速度快且變形量大，通過9～13.5 m長砂漿錨桿，鋼纖維噴混凝土等支護措施，將初期支護位移總體控制在較低水平。奧地利Arlberg隧道[8]在增加9～12 m長錨桿支護后，通過了巖層走向與隧道平行的富存地下水段落。王志堅在研究烏鞘嶺隧道軟巖大變形問題時，認為柔性（管式）錨桿在圍巖極其破碎軟弱條件下，主要起對初支的補強作用，有利于抑制局部變形和側向變形，解決快速施工問題。譚忠盛等[9]依托鄭西客運專線大斷面深埋黃土隧道開展有無系統錨桿對比試驗，認為該工況下錨桿施工增加了隧道斷面的封閉時間，且拱部錨桿受力較小，作用不大。周躍峰[10]在成蘭線茂縣隧道1號斜井（地應力15～35MPa）進行了長短錨桿與不同型號鋼架對擠壓性軟巖大變形控制效果試驗，結果表明采用全環HW175鋼架，拱部樹脂錨桿（3 m）和邊墻自進式錨桿（8 m）變形控制效果最佳。廣州地鐵6號線東湖車站存車線渡線段隧道[11]，采用了懸臂掘進機加高強度樹脂錨桿的施工措施，控制沉降要求的前提下提升了成隧效率和施工空間。

綜上，錨桿支護[12-14]是應對軟巖大變形問題的一種有效方式，人們對于樹脂錨桿在隧道與地下工程中的應用逐漸重視[15-17]。為完善預應力樹脂錨桿在高地應力軟巖大變形隧道應用技術，本文依托大臨鐵路白石頭隧道工程，對比砂漿錨桿支護段與預應力樹脂錨桿支護段隧道洞周收斂變形與初支結構內力等，綜合分析預應力樹脂錨桿的作用效果。

1 試驗工點概況

1.1 試驗段設計

選取大臨鐵路白石頭隧道為試驗工點，本隧位于云縣站—頭道水站區間，進口里程為DK157+680，出口里程為DK167+055，全長9 375 m。隧道線路縱坡為單面上坡。頭道水車站伸入隧道出口端，結合救援站設371 m雙線車站襯砌。隧道洞身最大埋深約310 m，最小埋深約8 m。

隧址區屬構造侵蝕、剝蝕低中山地貌，沖溝發育，隧道洞身分布長坡嶺河、頭道水河及其支流山間溝槽，為常年流水溝谷。穿越瀾滄江與怒江水系地表水分水嶺。主要圍巖為沖洪積（Q4al+pl）粉質黏土、卵石土、漂石土，坡洪積（Q4dl+pl）粉質黏土;第四系更新統（Qp）粗、細圓礫土、卵石土、漂石土;三疊系印支期（γ51）花崗巖、黑云花崗巖、黑云二長花崗巖;三疊系中統忙懷組（T2m1）凝灰巖、泥質板巖;下古生界瀾滄群（Pz1ln）絹云片巖夾炭質片巖等。發育3條斷層，地處臨滄復式花崗巖基西緣，穿越花崗巖挾持地段，長坡嶺斷層與線路近于平行，距線路400～800 m。隧道圍巖受多期地震作用及構造應力影響，巖體破碎—極破碎，節理裂隙較發育，局部發育節理密集帶，巖性極為復雜，變化頻繁，地層接觸關系復雜。其中瀾滄群以薄層極軟巖為主，巖體強度低，耐崩解性差，遇水易軟化，巖體受構造影響劇烈，局部揉皺發育，巖體破碎，局部極破碎，圍巖自穩性極差，局部地下水較發育，圍巖自穩性差。

白石頭隧道分為進口、1號斜井、2號斜井、3號斜井（變更增加）、出口五個工區組織施工（圖1）。

隧道洞身及進出口處均存在斷層，施工過程中易出現塌方，地表塌陷，擠壓變形等問題。隧道大變形段掌子面揭示巖性為薄層絹云片巖、炭質片巖，巖體受構造影響強烈，揉皺發育，巖質松軟，耐崩解性差，節理裂隙發育，巖體破碎呈片狀及角礫狀，圍巖整體性差，自穩性差，掌子面潮濕，局部有滲水。洞內圍巖情況見圖2。

試驗段里程位于DK163+058～DK163+600，該段巖性以薄層炭質片巖、絹云片巖為主，巖質松軟，巖體強度應力比0.103～0.176。分為無樹脂錨桿段、樹脂錨桿+I25b鋼架段、樹脂錨桿+Hw175鋼架段，各段主要支護參數見表1。

試驗段均采用三臺階預留核心土法施工（圖3），上臺階高度控制在3 m左右，長度控制在3～5 m，留少量核心土，中、下臺階高度控制在3.5 m左右，長度3～5 m，降低上臺階的高度（即減小矢跨比），可有效控制減小掌子面溜塌范圍或避免溜塌，對上臺階拱腳的變形起到了抑制作用;同時，短臺階也為仰拱、二襯緊跟提供了條件。各臺階每處鋼架拱腳均設4根4 m長42 mm鎖腳錨管，每榀共計設置24根。超前支護采用42 mm小導管，縱向間距1.8 m，環向間距0.3 m，每循環35根，每根長3.5 m。拱墻縱向22 mm連接筋調整全環I25b鋼架，25mm預應力樹脂錨桿，上臺階采用3.5m長樹脂錨桿，中下臺階采用5m和3.5m長樹脂錨桿交替施工

與拱架內側，間距加密為0.5 m/根，“Z”字型布置。各臺階拱腳處增加一道I14（試驗段1為I18）工字鋼縱向連接，每榀共計6處。樹脂錨桿桿體采用R25L中空自鉆式錨桿，公稱直徑25 mm，錨固劑類型為中速Z（白色，凝膠時間91-180 s，等待安裝時間480 s，攪拌應在錨固劑凝膠之前完成），采用端頭錨固，錨固長度1.8 m（錨固劑規格：鉆孔為35 mm，采用錨固劑直徑28 mm）;錨桿托盤尺寸為250 mm×250 mm×12 mm。襯砌斷面見圖4。

3 監測斷面及測點布置

3.1 監測斷面布置

試驗段共布設有7個監測斷面進行拱頂沉降及水平收斂變形監測，無樹脂錨桿段在DK163+600和DK163+550斷面布設，樹脂錨桿段分別在DK163+110、DK163+060、DK163+050和DK163+040布設。并在DK163+600、DK163+060及DK163+050斷面埋設壓力盒、鋼筋計等對圍巖與初期支護接觸壓力、拱架應力進行監測。

3.2 監測點布置

3.2.1 拱頂沉降和水平收斂測點布置

共監測上、中、下臺階水平收斂變形與拱頂沉降4處，測點布置見圖5。

3.2.2 初支結構測點布置

應力監測斷面分別在拱頂、拱腳、邊墻布置共5處測點，每處測點布設1個壓力盒、2個鋼架應變計（在拱架兩側各布置一個）及1個混凝土應變計，詳見圖 6 。

3.2.3 錨桿軸力測點布置

測量錨桿選用6.5 m長錨桿，每根錨桿上等距離（距孔口1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m處）布置4個鋼筋計，如圖7所示。

4 試驗數據分析

4.1 監測數據匯總

各試驗段的7個監測斷面結果見表 2 ，表中數據為收集日期截止時各斷面施工過程中最大值。

4.2 拱頂沉降對比分析

I25鋼架斷面、I25（b）鋼架+預應力樹脂錨桿斷面、Hw175鋼架+預應力樹脂錨桿斷面拱頂沉降時程曲線見圖8。由試驗結果可以得到：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預應力樹脂錨桿對于拱頂沉降變形速率與變形最終穩定值均有明顯降低，最終拱頂沉降值約降低25.4%～63.5%。

（2）同為預應力樹脂錨桿條件下，施作I25（b）鋼架較Hw175型鋼架對拱頂沉降變形速率與變形最終穩定值有明顯降低。

4.3 水平收斂對比分析

I25鋼架斷面、I25（b）鋼架+預應力樹脂錨桿斷面、Hw175鋼架+預應力樹脂錨桿斷面水平收斂時程曲線見圖 8 。由試驗結果可以得到：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預應力樹脂錨桿較只施作鋼架洞室兩側水平收斂并未降低，相反，上中下3個臺階均存在變形過大侵限情況，說明預應力樹脂錨桿在此工況下起到的變形控制作用有限。

（2）同為施作預應力樹脂錨桿工況下，呈現隨著鋼架強度的增加洞周水平收斂變形速率和變形值減小規律（圖9）。

4.4 圍巖壓力對比分析

不同支護參數試驗段圍巖初支接觸壓力如圖 10所示由試驗結果得到：

（1）圍巖壓力整體均較大，且受近隧道斷層影響，一側壓力明顯高于異側。

（2）圍巖壓力分布較為均勻，支護參數變化對圍巖壓力變化影響不大。

4.5 鋼拱架應力對比分析

不同支護參數鋼拱架應力分布如圖11、圖12所示，由試驗結果得到：

（1）鋼拱架內外側翼緣均受壓，邊墻部位壓力最大，無樹脂錨桿斷面左右拱腳，Hw175型鋼斷面拱頂、拱腳和邊墻鋼拱架壓力均大于抗壓強度設計值。說明應采用Hw175型鋼強度不夠，應提高鋼拱架強度。

（2）同為I25（b）型鋼條件下，施作預應力樹脂錨桿斷面型鋼壓力為較無預應力樹脂錨桿斷面拱頂降低約11.7%～19.6%，拱腰降低約20.4%～32.2%，拱腳降低約10.1%～34.5%。說明預應力樹脂錨桿承擔了一部分荷載，減小了鋼架應力。

（3）同樣施作預應力樹脂錨桿情況下，施作I25（b）型鋼斷面較Hw175型鋼斷面拱頂降低約5.6%～43%，拱腰約降低22.9%～45.1%，拱腳約降低11.9%～ 41.6%。

4.6 錨桿軸力分布

為了解預應力樹脂錨桿拉拔力（錨固力）與齡期關系，在現場打入錨桿30 min后，進行了3根拉拔力測試，打設完成3 h后測試3根，之后在錨桿打設1 d、3 d、5 d、10 d、15 d、17 d后均對同一根錨桿進行了拉拔測試得到錨桿拉拔力與齡期散點關系如圖13所示。試驗結果表明：樹脂錨桿施作后約在第3天拉拔力最大，達到195.2 kN，且錨桿拉拔力在前3個小時提升迅速，并超過了設計錨固力151 kN的要求;但是從5 d后拉拔力明顯下降，第10 d錨桿拉拔力遠低于設計值，幾乎失效。推測可能是由于錨桿鉆孔內水環境改變導致圍巖軟化，或松動圈發育與應力釋放導致圍巖變得松散，以至樹脂錨桿錨固力下降。

錨桿的軸力時程曲線與空間分布分別如圖14、圖15所示，從試驗結果可以看出：

（1）錨桿整體受拉，其中最大軸力位于隧洞近斷層一側，中臺階與下臺階最大錨桿軸力分別為179 MPa、175 MPa。從錨桿的受力情況看，錨桿對增強巖體整體性和承載力、減小圍巖作用在初支結構上的荷載方面有一定效果。

（2）從時程曲線可以看出，樹脂錨桿軸力約在施作5 d后成穩定增長狀態，在施作約17～20天后軸力開始下降，直至基本失去作用，這也解釋了為什么施作預應力樹脂錨桿斷面較未施作斷面變形反而增加。

5 結 論

本文依托大臨鐵路白石頭隧道開展預應力樹脂錨桿軟巖大變形控制效果試驗，分析數據后得到初步結論：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預應力樹脂錨桿對于降低拱頂沉降變形速率與變形值均有明顯作用，本次試驗變形值降低25.4%～63.5%;在鋼架強度較弱工況下，預應力樹脂錨桿對于水平收斂變形的控制能力十分有限。在本次工程背景下與I25b型鋼配合使用的變形控制效果較為理想。

（2）施作預應力樹脂錨桿能降低約10%～30%的鋼拱架應力，有利于提高鋼架安全性。

（3）預應力樹脂錨桿施作3 h后即可達到設計強度要求，有利于后續施工的快速展開，保障施工安全。

（4）預應力樹脂錨桿存在在施作17～20天后軸力下降，直至基本失去作用的現象，推斷其原因是由于錨桿鉆孔內水環境改變導致圍巖軟化，或松動圈發育與應力釋放導致圍巖變得松散，錨固體失效。預應力樹脂錨桿在薄層絹云片巖、炭質片巖地層條件下的適應性有待進一步研究。

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