某引水隧洞格柵支護(hù)體力學(xué)特性及應(yīng)用效果研究

全永威

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

地下工程的快速發(fā)展推動著支護(hù)理念及技術(shù)的進(jìn)步[1]，“新奧法”施工以其在地下工程支護(hù)中的優(yōu)異性能成為我國地下工程的主要支護(hù)理念[2]。“格柵拱架+噴射混凝土” 與圍巖有著良好的接觸，在圍巖表面形成穩(wěn)固殼結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，是一種新型的符合“新奧法”支護(hù)理念的初期支護(hù)形式，被工程界廣泛應(yīng)用[3-5]。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對格柵支護(hù)在隧道初期支護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[6-8]。如譚忠盛[9]對比分析了高強(qiáng)鋼筋格柵與I20b 型鋼拱架的支護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)“格柵+噴混凝土”的最終承載能力更大，鋼材用量更少。李樹忱等[10]建立了“格柵拱架+噴射混凝土”的力學(xué)分析模型，結(jié)合工程實(shí)例得到“格柵拱架+噴射混凝土”初期支護(hù)的彈性解，分析了初期支護(hù)的力學(xué)特性。李東勇等[11]采用數(shù)值模擬分析了暗挖隧道施工過程及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，發(fā)現(xiàn)格柵鋼架在施工過程中承受著主要的圍巖荷載。于富才等[12]分別采用普通鋼筋和高強(qiáng)鋼筋澆筑3組格柵混凝土復(fù)合支護(hù)構(gòu)件，研究了3組構(gòu)件的力學(xué)特性、隧道工程適用性和復(fù)合支護(hù)特性。

本文依托某淺埋軟巖隧洞，通過在格柵拱架及錨桿上粘貼應(yīng)變片的方式，來測試分析格柵拱架及錨桿應(yīng)力的沿程分布情況，分析“格柵拱架+系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土”在隧洞開挖過程中的支護(hù)效果，進(jìn)一步評價其性能，為類似工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

某隧洞為極軟巖隧洞，洞深段長1 825 m，為無壓明流隧洞，開挖分進(jìn)出口同時進(jìn)行。隧洞開挖型式為圓拱直墻形，最大開挖斷面尺寸為6.3 m×6.3 m，襯砌斷面型式為馬蹄形，設(shè)計(jì)流量48 m3/s，隧洞縱坡1/1 000。

隧洞穿越的地層為第三系半膠結(jié)狀態(tài)的砂巖、砂礫巖和泥巖互層，巖體軟弱，工程地質(zhì)條件較差。天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度為0.42～0.45 MPa，縱波波速為1 000～2 080 m/s，洞體一般埋深30～40 m，最大埋深43 m，黏土質(zhì)泥巖，地下水不發(fā)育，局部地段含上層滯水。

隧洞開挖采用上下臺階法。先起拱點(diǎn)以上人工開挖，預(yù)留核心土，長度控制在1～2 m；后起拱點(diǎn)以下機(jī)械開挖為主，局部欠挖地段使用風(fēng)鎬鑿除。開挖后圍巖面干凈、平整，無松動巖石。

按設(shè)計(jì)要求，Ⅳ類及Ⅳ類以下圍巖分為兩次支護(hù)。初次支護(hù)為格柵拱架+錨桿+噴混凝土，二次支護(hù)為厚度40～45 cm的混凝土襯砌。初次支護(hù)中，格柵拱架由φ28 mm螺紋鋼焊接組成，螺紋鋼型號為HRB335，即屈服強(qiáng)度為335 MPa，格柵拱架間距為1.0 m；系統(tǒng)錨桿φ20 mm，長度2.5 m，間距1.0 m，掛鋼筋網(wǎng)噴20 cm厚C20混凝土。見圖1。

圖1 某隧道初次支護(hù)方式(單位：mm)

2 格柵支護(hù)力學(xué)性能測試

2.1 試驗(yàn)方案

為分析隧道開挖過程中，格柵拱架與錨桿應(yīng)力沿程分布情況及隨隧道開挖的變化特征，布置3個測試斷面，采用應(yīng)變片測試斷面內(nèi)的格柵拱架與錨桿應(yīng)力變化情況，試驗(yàn)持續(xù)至圍巖變形及應(yīng)力不再變化。3個監(jiān)測斷面分別位于1+004.5、0+997.5和0+994 m。本次測試選用大小為5 mm×3 mm的TST120-5AA型電阻應(yīng)變片，阻值為119.8±0.1 Ω，靈敏系數(shù)2.08±1。

應(yīng)變片布置方案見圖2。

圖2 應(yīng)變片布置方案

2.1.1 格柵拱架應(yīng)力測試方案

沿格柵拱架的外層鋼筋內(nèi)側(cè)環(huán)向布置40枚應(yīng)變片，平均間距為40 cm(圖2)。粘貼前，將格柵拱架上的鋼筋貼片處用手持砂輪機(jī)或鋼銼打平，經(jīng)細(xì)砂紙進(jìn)一步磨平后，采用丙酮將粘貼面擦洗干凈，采用502膠水將應(yīng)變片粘貼牢固。為保證測試效果，每個格柵拱架受力研究斷面內(nèi)布置2枚溫度補(bǔ)償片，分別布置在頂拱和邊墻處。3個監(jiān)測斷面分別為GSY1、GSY2和GSY3，共計(jì)安裝126枚應(yīng)變片。

2.1.2 錨桿應(yīng)力測試方案

結(jié)合圍巖內(nèi)系統(tǒng)錨桿的設(shè)計(jì)方案，每個觀測斷面內(nèi)布置9根錨桿(圖2)，直徑20 mm。其中，兩側(cè)邊墻各布置2根2.0 m錨桿(編號①、②、⑧、⑨)；左右拱腳各布置1根錨桿(編號③、⑦)；左右拱肩各布置1根45°斜向錨桿(編號④、⑥)；頂拱布置1根錨桿(編號⑤)。編號③-⑦錨桿長度1.5 m。采取同樣的方式安裝應(yīng)變片，每個斷面內(nèi)安裝54枚應(yīng)變片，每根錨桿安裝6枚應(yīng)變片。其中，2.0 m錨桿安裝應(yīng)變片分別位于20、50、80、110、140和180 cm圍巖深度處；1.5 m錨桿安裝應(yīng)變片分別位于20、40、60、80、100和120 cm圍巖深度處。從孔口向孔內(nèi)依次編號，孔口為1，至孔底則為6。

選擇相同直徑的10 cm鋼筋，安裝1個應(yīng)變片，作為溫度補(bǔ)償，將該鋼筋(含應(yīng)變片)放置在錨桿附近且不受力圍巖內(nèi)，當(dāng)噴混凝土施工時，與錨桿同時固定于圍巖。每個錨桿受力研究斷面內(nèi)布置2枚溫度補(bǔ)償片，一枚布置于頂拱，另一枚布置于邊墻。3個監(jiān)測斷面分別為MGY1、MGY2和MGY3，共計(jì)安裝168枚應(yīng)變片。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 格柵拱架應(yīng)力分析

圖3為3個格柵拱架左側(cè)邊墻測點(diǎn)和頂拱測點(diǎn)的應(yīng)力變化過程曲線。

圖3 格柵拱架監(jiān)測斷面測點(diǎn)應(yīng)力變化過程曲線

圖3中，應(yīng)力的正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。由圖3可知，在邊墻部位，由于初次支護(hù)時間相對晚于頂拱，且在邊墻底腳處未形成有效約束，格柵的受力在支護(hù)初期并未出現(xiàn)明顯的受壓或受拉趨勢，且應(yīng)力量值水平也不高，隨著開挖進(jìn)尺距離的增加，應(yīng)力增大，呈現(xiàn)明顯的受拉狀態(tài)。頂拱部位的格柵鋼筋在支護(hù)初期明顯隨開挖進(jìn)尺呈壓力增加趨勢,一般在2～3倍的洞徑以前壓力值增加速率較大，后期隨著圍巖自承拱的形成，減小了圍巖對格柵拱架的壓力，增加速率則相對較緩。

3個格柵拱架斷面的應(yīng)力測試結(jié)果及其平均值見圖4。由圖4可知，3個監(jiān)測斷面格柵鋼筋的應(yīng)力測試結(jié)果較為接近，數(shù)值大體相近。兩側(cè)邊墻以拉應(yīng)力居多，而頂拱則以壓應(yīng)力為主，且呈現(xiàn)頂拱中部受力較大而兩側(cè)拱腳受力較小的特點(diǎn)。

圖4 格柵拱架鋼筋受力綜合應(yīng)力計(jì)算分布圖

綜合計(jì)算結(jié)果顯示，兩側(cè)邊墻2/3高度以下以拉應(yīng)力為主，量值水平一般不超過30 MPa；2/3高度以上部位總體上以較小量值水平的壓應(yīng)力為主。其原因應(yīng)與邊墻初次支護(hù)時間滯后于頂拱，且邊墻底腳處格柵所受約束不明顯有關(guān)。在頂拱處，中部均為壓應(yīng)力，量值在100 MPa左右，GSY1斷面壓應(yīng)力最大為132.4 MPa；向兩側(cè)則逐漸減少，至拱腳時達(dá)到較低水平的壓應(yīng)力，量值一般不超過50 MPa。最大受力為屈服強(qiáng)度的40%，格柵拱架可以保證其穩(wěn)定性，同時支護(hù)性能得到充分發(fā)揮，不至于造成支護(hù)浪費(fèi)。

2.2.2 錨桿受力分析

圖5為3個錨桿應(yīng)力監(jiān)測斷面頂拱測點(diǎn)和邊墻測點(diǎn)的應(yīng)力變化過程曲線。選擇MGY1斷面，分析其斷面不同部位、不同深度位置的應(yīng)力情況，見圖6。

圖5 錨桿監(jiān)測斷面測點(diǎn)應(yīng)力變化過程曲線

由圖6可知，各錨桿點(diǎn)應(yīng)力沿程分布均是孔口處應(yīng)力大，向孔內(nèi)逐漸減小。邊墻部位的錨桿應(yīng)力變化是先受壓應(yīng)力，洞室開挖到3倍洞徑左右時壓應(yīng)力達(dá)到最大，之后隨著開挖距離的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。另外，邊墻部位錨桿各外部測點(diǎn)大多受拉應(yīng)力，頂拱和左右拱肩錨桿的各外部測點(diǎn)則多數(shù)受壓應(yīng)力作用；但各錨桿的孔內(nèi)深部測點(diǎn)則都比較小，其測值一般在±4.0 MPa以內(nèi)。這種頂拱部位錨桿受壓、而邊墻部位受拉的應(yīng)力分布方式，應(yīng)與洞室開挖型式有關(guān)。同時，3個斷面內(nèi)拱腳處錨桿上各測點(diǎn)的應(yīng)力值拉壓應(yīng)力交替且量值較小，這種現(xiàn)象說明拱腳處的錨桿應(yīng)力處于邊墻和頂拱之間的過渡階段。

圖6 MGY1斷面各部位錨桿沿程應(yīng)力分布

綜合以上測試結(jié)果可知，各測點(diǎn)的應(yīng)力大小絕大多數(shù)在±10 MPa以內(nèi)，僅個別測點(diǎn)超過該范圍，表明錨桿所受的拉/壓應(yīng)力總體上不大。

3 圍巖變形測試

在格柵受力研究斷面GSY1附近布置圍巖5測點(diǎn)收斂觀測斷面，即頂拱布置1點(diǎn)，兩側(cè)拱腳各1點(diǎn)，兩側(cè)邊墻各1點(diǎn)。其中，頂拱點(diǎn)與兩側(cè)拱腳點(diǎn)組成上三角形，頂拱點(diǎn)與兩側(cè)邊墻點(diǎn)組成下三角形，見圖7。圖8為收斂觀測斷面上下兩個三角形的累計(jì)變形過程曲線。

圖8 收斂斷面測點(diǎn)累計(jì)變形

由圖7、圖8可知，收斂斷面內(nèi)上三角形兩條斜測線(1-2和1-3)的變化量約為10 mm左右，而水平測線(2-3，連接兩個拱腳)的收斂值為35 mm；下三角形中兩條斜測線(1-4和1-5)的累計(jì)變形均在20 mm以內(nèi)，水平測線(4-5，連接兩側(cè)邊墻)的變形值達(dá)65 mm，這均表明兩側(cè)墻間(或水平向)收斂變形明顯大于頂拱部位的豎向變形。從變形過程看，收斂變形速率較大階段，也是出現(xiàn)距離掌子面在2～3倍洞徑以內(nèi)，以后變形趨緩，這與本次實(shí)測的應(yīng)力變化過程線基本一致(圖3和圖5)。

收斂斷面內(nèi)的水平向收斂值明顯大于豎向變形，其原因主要是頂拱的初次支護(hù)較早，并且為圓弧形支護(hù)結(jié)構(gòu)，增加了初次支護(hù)對軟弱圍巖的承載能力，有效地減緩了頂拱的垂直向變形，利于圍巖穩(wěn)定。相應(yīng)地，邊墻的初次支護(hù)時間晚于頂拱2～3 d，該部位的格柵拱架為直立型式，均不利于抑制邊墻圍巖變形(水平向)。此外，直立型式的初次支護(hù)又有利于抑制頂拱圍巖的豎向變形。

正是基于上述支護(hù)結(jié)構(gòu)及變形影響，導(dǎo)致頂拱部位的格柵拱架內(nèi)鋼筋受到較大的壓應(yīng)力，并且頂拱中部因圍巖較大的水平向收斂變形而導(dǎo)致壓應(yīng)力最大。而兩側(cè)邊墻圍巖的水平向位移對包括格柵拱架在內(nèi)的初次支護(hù)形成擠壓，導(dǎo)致格柵內(nèi)鋼筋產(chǎn)生向臨空面?zhèn)葟澔騻?cè)彎趨勢，從而使得邊墻部位的應(yīng)變片出現(xiàn)拉應(yīng)力。但是，邊墻格柵在底腳處并未形成強(qiáng)有力的約束，存在或多或少的臨空面?zhèn)鹊奈灰疲沟眠厜μ帒?yīng)變片的拉應(yīng)力測值不大。

結(jié)合應(yīng)力與收斂觀測，格柵拱架受壓力最大值為100 MPa；位移值較小，最大位移值為65 mm。說明采用“格柵拱架+錨桿+噴射混凝土”的支護(hù)形式，充分發(fā)揮了支護(hù)能力，既實(shí)現(xiàn)了控制圍巖變形的目的，又不至于造成支護(hù)的浪費(fèi)，保證隧道支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

為分析“格柵拱架+錨桿+噴射混凝土”的支護(hù)形式在某軟巖隧洞的支護(hù)效果，開展了格柵拱架及錨桿受力監(jiān)測試驗(yàn)，并測試了初次支護(hù)下的圍巖收斂變形，結(jié)論如下：

1) 格柵拱架兩側(cè)邊墻2/3高度以下以拉應(yīng)力為主，量值水平一般不超過30 MPa；2/3高度以上部位總體上為較小量值水平的壓應(yīng)力。頂拱中部為壓應(yīng)力，量值在100 MPa左右；向兩側(cè)逐漸減小，至拱腳時達(dá)到較低水平的壓應(yīng)力，量值一般不超過50 MPa。支護(hù)初期，格柵鋼筋壓力隨開挖進(jìn)尺呈明顯增加趨勢，2～3倍的洞徑以后增加速率相對較緩。

2) 錨桿所受的拉/壓應(yīng)力絕大多數(shù)在±10 MPa以內(nèi)，總體上受力不大。頂拱部位，錨桿主要受壓應(yīng)力；邊墻部位，錨桿先受壓應(yīng)力，洞室開挖至3倍洞徑左右時壓應(yīng)力達(dá)到最大，之后隨著開挖距離的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

3) 收斂斷面兩側(cè)邊墻變形值最大為65 mm。距離掌子面在2～3倍洞徑以內(nèi)，收斂變形速率較大，以后變形趨緩。

4) 采用的“格柵拱架+錨桿+噴射混凝土”的支護(hù)形式，包括格柵拱架的設(shè)計(jì)、支護(hù)間距和隧洞的開挖方式是合理的，其充分發(fā)揮了支護(hù)能力，既實(shí)現(xiàn)了控制圍巖變形的目的，又不至于造成支護(hù)的浪費(fèi)，保證了隧道支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。本試驗(yàn)分析了格柵拱架在軟巖隧洞中應(yīng)力的分布規(guī)律及大小，可為同類型隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。