鎖腳錨桿在軟弱圍巖隧道中的應用

宋秉元

（張家口市城市快速路管理處，河北 張家口075000）

1 錨桿的作用

在修建大斷面的軟弱圍巖隧道時，尤其是土質隧道，采用鎖腳錨桿能顯著減小隧道的拱頂下沉及凈空收斂值。鎖腳錨桿與普通系統錨桿不同。所謂土質隧道中的鎖腳，即隧道在上臺階開挖完成且鋼拱架架設之后，將其鋼拱架腳部固定而進行的工序。也就是說，鎖腳錨桿是通過限制鋼拱架位移來抑制圍巖的變形。鎖腳錨桿抑制隧道支護結構下沉的抵抗力主要來源于3個方面：圍巖與錨桿側壁相互擠壓產生的法向壓力、圍巖與錨桿側壁相對滑移產生的摩擦阻力和圍巖在錨桿低端產生的支撐力[1-2]。

2 鎖腳錨桿在中山中路隧道中的應用

2.1 中山中路隧道概況

中山中路隧道圍巖為V級圍巖，淺埋暗挖法施工。行車隧道為雙向六車道，支護的砌筑方法采用復合式襯砌，開挖半徑為7.8m，整個施工采用三臺階環形開挖法進行。上臺階的開挖，采用頂留核心土環形法；中下臺階的開挖，采用左右交錯法。此時，施工方應當注意，部分斷面拱頂較易下沉過大，根據以往的經驗，施工單位在開挖過程中可采用打入鎖腳錨桿的方法進行輔助施工。此過程中，在每片鋼腳架距離仰拱、臨時仰拱和下臺階拱腳1m 高處，宜分別打入2 根、4 根、2 根型號為Φ22mm，L=4m 的錨桿。鎖腳錨桿安裝如圖1所示。

圖1 鎖腳錨桿安裝示意圖

2.2 計算模型及參數的選取

本文在計算中進行了如下假設：

（1）采用平面應用模型；

（2）主體部分采用摩爾-庫侖準則，結構部分采用彈性模型；

（3）假設地表和各土層均成層勻質水平分布；

（4）地層和材料的應力-應變均在彈性范圍內變動，地應場力由重力自動產生。

2.3 支護結構參數

隧道斷面支護結構參數如表1所示。根據設計圖紙及現場試驗數據，并結合相關研究資料，得出的圍巖的物理力學參數取值如表2所示。在數值模擬中，鎖腳錨桿采用彈塑性彈簧單元進行模擬。

表1 隧道斷面支護結構參數

表2 圍巖參數

2.4 工況

本文在模擬計算中，分別考慮如下幾種工況：

工況1：在V 級圍護條件下，考慮不同角度（0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°）對隧道拱頂下沉的影響。

工況2：在V 級圍護條件下，考慮不同角度（0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°）對隧道凈空收斂的影響。

工況3：在V 級圍護條件下，考慮不同長度（0m、1.5m、2.5m、3.0m、3.5m）對隧道拱頂下沉的影響。

大型起重作業必須編制《三措兩案》，并逐級審批。嚴格審核起重機械檢驗證明及作業人員的《特種作業操作證》，吊裝作業必須設專人指揮，指揮人員不得兼做其他工作，應認真觀察起重作業周圍環境，確保信號正確無誤，嚴禁吊裝物體從人的頭上越過或停留，遇大雨、雷電、大霧、風力6級以上等惡劣天氣，嚴禁露天起重作業。

工況4：在V 級圍護條件下，考慮不同長度（0m、1.5m、2.5m、3.0m、3.5m）對隧道凈空收斂的影響。

2.5 計算結果及分析

2.5.1 鎖腳錨桿角度對拱頂下沉、凈空收斂的影響

隧道拱頂下沉的程度，就是對于拱部圍巖的穩定性及支護結構安全性的反映，其是隧道洞內位移監測的重點內容。經數據統計，打入鎖腳錨桿不同角度時的拱頂下沉值如圖2所示。

圖2 拱頂下沉與鎖腳錨桿角度關系圖

分析圖2可得出以下結論。

（1）鎖腳錨桿打入角度的不同，圍巖的變形規律也有較大差異。當鎖腳錨桿在角度為0～30°范圍內打入時，拱頂下沉量一般隨鎖腳錨桿打入角度的增加而逐漸增大；當鎖腳錨桿在角度為30～60°范圍內打入時，拱頂下沉量一般隨鎖腳錨桿打入角度的增加而逐漸減小。

（2）對比不同的打入角度，當鎖腳錨桿在斜向下30°打入時，拱頂下沉量最大；當鎖腳錨桿0°打入時，拱頂下沉量最小。這是因為，角度為0°的鎖腳錨桿垂直于鋼拱架根部，不僅有利于發揮鋼拱架的承載能力，而且有利于約束圍巖變形的程度。

圖3 凈空收斂與鎖腳錨桿角度關系

凈空收斂反映了隧道左右側圍巖的穩定性及支護結構的安全性，其也是隧道洞內位移監控量測的重點內容。計算得到打入鎖腳錨桿不同角度時的凈空收斂值如圖3所示。由圖3可知，在0～50°范圍內，隨著鎖腳錨桿打入角度的增加，隧道凈空收斂量也逐漸增加。當鎖腳錨桿以50°打入時，隧道凈空收斂最大；當鎖腳錨桿以0°打入時，隧道凈空收斂最小。這是因為，在0°時鎖腳錨桿主要起邊墻錨桿的作用，能有效約束對左右兩側圍巖向隧道內的變形程度，對隧道的凈空收斂的控制最為有利[3]。

圖4 拱頂下沉與鎖腳錨桿長度關系

圖4 凈空收斂與鎖腳錨桿長度關系

鎖腳錨桿對圍巖變形的約束作用并非與定性認識的相同。試驗證明，不合理的錨桿長度，不僅不能約束圍巖的變形，還可能使得圍巖的變形程度增大。而圍巖變形的減小和支護內力的增加，也并非呈線性關系，它還與鎖腳錨桿的長度有一定關聯[4]。

由圖4和圖5可知。

（1）當鎖腳錨桿長度為0～1.5m 時，圍巖的拱頂下沉和凈空收斂值，隨著錨桿長度的增加而增加，這是因為鎖腳錨桿還未穿過松動層，其不僅沒有起到對鋼拱架的約束作用，反而還使得圍巖松動圈向外擴展，進而增大了圍巖變形，與預期的目標不符。

（2）當鎖腳錨桿為1.5m 時，拱頂下沉程度和凈空收斂值最大。

（3）當鎖腳錨桿的長度大于1.5m 時，圍巖變形量的降低較快，特別是圍巖的拱頂下沉值降低得最快，鎖腳錨桿長度為3.5m 時，由于錨桿不僅對支護結構的自由變形起到了約束作用，而且在一定程度加固了圍巖，故此時圍巖的變形量最小。施工時建議取3.0。

3 結論與建議

本文結合工程實際，對中山中路隧道的實際情況進行了調查，掌握了隧道的地質情況，在對鎖腳錨桿作用機理分析的基礎上進行系統分析，進一步對施工效果進行數值模擬分析和數據統計。得出鎖腳錨桿在不同的打入角度和不同錨桿長度的作用機理下，對拱頂下沉量的影響也不同的結論。

3.1 結論

（1）通過對不同的施工技術進行分析比較可知，采用鎖腳錨桿的方式最為有效，能顯著降低拱頂的下沉值和凈空的收斂值，前者約減少25%，后者約減少15%。同時，使用鎖腳錨桿，能顯著提高隧道初期支護結構的安全性。

（2）在鎖腳錨桿長度一定的情況下，鎖腳錨桿打入角度以0°時，控制拱頂下沉和凈空收斂效果最佳。這是因為0°角的鎖腳錨桿垂直于鋼拱架根部，不僅有利于發揮鋼拱架的承載能力，而且在一定程度上約束了圍巖的變形程度[5]。

（3）在不同的土質隧道條件下，拱頂下沉值差別比較大。鎖腳錨桿長度為3.5m 時，圍巖變形最小。施工時建議取3.0m。

3.2 建議

（1）上臺階開挖對隧道拱頂下沉影響較大，因此，在隧道施工前應該做好超前支護，確保支護結構的穩定，減少拱頂下沉量。

（2）左右邊墻和中臺階的開挖會影響隧道的凈空收斂值，因此，在隧道施工過程中，要多增設一些邊墻錨桿，減少圍巖的變形。

（3）可通過增大拱腳的受力面積和加設鎖腳注漿錨桿的數量來提高拱腳的承載力。

（4）在每個臺階的底部安裝“托板”后，再安裝鋼拱腳，以增加底部的受力面積，減小直接受壓的沖擊力，從而減少初期支護的下沉量。

[1] 黃明琦.鎖腳錨桿作用機理及其在廈門翔安隧道中的應用研究[J].鐵道建筑技術，2009（7）：108-111，163.

[2] 徐駿. 錨桿接觸問題的有限元解法及其應用[D].成都：西南交通大學，2003.

[3] 黃強，李之達，吳延貞.淺埋隧道施工中圍巖應力分析[J].湘潭大學自然科學學報，2010（1）：29-33.

[4] 張濤. 軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿（管）支護特性研究[D].西安：長安大學，2011.

[5] 徐晨. 軟弱圍巖隧道中鎖腳錨桿支護效果研究[D]. 西安：長安大學，2010.