泥質粉砂巖地層淺埋聯拱隧道錨桿支護效果

成子橋， 張廣海， 詹朝敬， 趙金鵬， 王秀英*

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

錨桿支護是隧道與地下工程施工中一種常用的支護措施，最早應用于20世紀初的礦業施工，并且隨著新奧法在隧道工程中的推廣普及，中外學者對錨桿在隧道工程中的應用進行了大量的研究，并且已廣泛地應用于實際工程[1-5]。彭寧波等[6]利用錨桿荷載分布解析解，分析了不同響應地震動、圍巖屬性等參數對錨桿受力的影響，闡述了錨桿的抗震錨固機理；劉文娟[7]以圓形隧道開挖過程為例，對錨桿陣列布置、錨桿有效長度等進行了優化設計；Liu等[8]通過系統可靠性分析方法，討論了黏聚力與摩擦角的相關系數以及錨桿安裝位置對隧道系統性能系數的影響。以上文獻均從理論角度研究錨桿的作用效果，且未考慮地層因素的影響。一般來說，系統錨桿在巖質較好的隧道支護中，具有懸吊效應、成拱效應、增強效應和內壓效應等諸多支護機制，能夠加固圍巖土體，控制圍巖變形，防止坍塌。但是，在軟弱地層中錨桿支護效果有待進一步研究。

目前，就系統錨桿對隧道支護所起的作用還沒有準確定量的分析結果。因此，部分學者認為系統錨桿在特定的情況下沒有太大的支護效用，取消系統錨桿節約了錨桿施做時間，使得隧道支護結構更早的封閉，有利于隧道的穩定，并且能夠縮短工期，節約成本。譚忠盛等[9-10]通過現場對比試驗方法研究了鄭西客運專線黃土隧道中系統錨桿的受力，結果表明，拱部系統錨桿對深、淺埋黃土隧道的支護作用都不大；陳建勛等[11]依托哈爾濱天恒山隧道對高含水量土層中隧道支護有無系統錨桿進行了研究，結果表明，在高含水量土層中系統錨桿的支護效果比在一般土層隧道中更加不佳；楊旸等[12]依托東天山特長公路隧道，針對新疆天山山脈洪積黏土夾碎石地層對系統錨桿支護效果進行研究，建議在天山地區洪積黏土夾碎石圍巖條件下取消系統錨桿。以上研究針對黃土地層、高含水量土層以及洪積黏土層，對于泥質粉砂巖地層中系統錨桿作用效果未曾涉及。

圖2 蘆霞隧道地質縱斷面圖

現依托廣東省江門市蘆霞聯拱隧道工程，采用現場監測方法對泥質粉砂巖地層淺埋聯拱隧道系統錨桿作用效果進行研究，分析有無系統錨桿支護方案下圍巖壓力、拱架內力、拱頂沉降、周邊收斂等監測數據，得出泥質粉砂巖地層中系統錨桿作用效果。

1 工程概況

蘆霞隧道為聯拱隧道，起訖里程K13+856～K14+051，長度為195 m，隧道最大埋深約為43 m。隧道位于中低山地貌區，地形起伏較大，地面標高24.0～69.0 m。進洞端坡形較緩，山體自然坡角約20°～35°，泥質粉砂巖強-中風化層零星出露，隧道左線、右線走向與地形等高線近垂直相交；出洞端坡形較緩，山體自然坡角為15°～25°，未見基巖出露，隧道走向與地形等高線近垂直相交，不存在偏壓的問題。隧道洞身圍巖主要由強-中風化泥質粉砂巖、粉砂巖組成，隧道圍巖均劃分為Ⅴ級，工程地質條件較差，隧道開挖揭示圍巖現狀如圖1所示，隧道地質縱斷面如圖2所示。隧道地表水總體不發育，地下水類型主要為孔隙水及塊狀基巖裂隙水，地下水位標高在12.9～32.3 m。

隧道洞身襯砌按照新奧法原理采用復合式襯砌。初期支護鋼拱架采用I22b，縱向布設間距為50 cm；噴射混凝土型號采用C25，厚28 cm；錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿，長400 cm，徑向布設間距為100 cm，沿隧道軸向布設間距為50 cm；中隔墻采用C25混凝土，厚280 cm；二次襯砌為C30模筑混凝土襯砌，厚度為60 cm，襯砌采用曲墻式襯砌。隧道開挖方法為中導洞臺階法開挖，開挖工序如圖3所示。右洞施工步序與左洞相同。

圖1 隧道開挖揭示圍巖

① 開挖中導洞；② 布設中導洞初支；③ 澆筑中隔墻；④ 左洞上臺階開挖并拆除相應部分中導洞初支；⑤ 布設左洞上臺階錨桿、初支；⑥ 開挖左洞下臺階并拆除相應部分中導洞初支；⑦ 布設左洞下臺階錨桿、初支；⑧ 澆筑左洞二襯

2 現場監測方案

2.1 監測斷面

選取地質條件相似、埋深相差不大以及支護條件相同的4組斷面作為研究斷面，具體研究斷面信息郵表1。取消錨桿試驗段里程為K13+910～K13+940，總長30 m。

表1 監測斷面信息

2.2 監測項目及測點布設

為了明確泥質粉砂巖地層系統錨桿的支護效果及系統錨桿的施作對圍巖壓力、鋼拱架內力、初支變形的影響，分別對每個研究斷面進行針對性的監測，各監測斷面具體監測項目見表2，各監測項目測點布設如圖4和圖5所示，監測點位置采用首字母大寫表示。

表2 各監測斷面監測項目

注：“√”代表監測；“×”代表未監測。

圖4 試驗段初支變形測點布設

圖5 試驗段隧道結構力學測點布設

3 監測結果分析

3.1 拱頂沉降

隧道拱頂沉降采用非接觸量測方法，在測點處埋設反光片，如圖6所示，采用全站儀進行量測，如圖7所示。為了對比分析有無系統錨桿兩種支護狀態下初支位移的變化，繪制各監測斷面拱頂沉降歷時曲線如圖8所示，拱頂沉降最終值統計見表3。

圖6 測點反光片

表3 試驗段拱頂沉降最終值統計

由圖8可知，由于蘆霞聯拱隧道左洞施作二次襯砌后才進行右洞的開挖，因此左洞拱頂沉降并沒有出現明顯的“臺階”狀[13]，各斷面拱頂沉降歷時曲線趨勢為先增大后趨于平緩，這與已有研究隧道變形規律相符[14]；各斷面拱頂沉降歷時曲線數值發展相近，差別不大；結合表3可知，布設系統錨桿監測斷面左右洞拱頂沉降最終值平均為-27.72 mm、-27.78 mm，取消系統錨桿監測斷面左右洞拱頂沉降最終值平均為-27.68 mm、-29.19 mm，兩種支護狀態下拱頂沉降最終值相差不大；綜上，系統錨桿的布設對泥質粉砂巖地層隧道初支拱頂沉降控制效果不明顯。

圖7 初支變形量測

圖8 試驗段拱頂沉降歷時曲線

3.2 水平收斂

隧道初支水平收斂量測方法與拱頂沉降量測方法相同。繪制各監測斷面水平收斂歷時曲線如圖9所示，各斷面水平收斂最終值統計見表4。

圖9 試驗段水平收斂歷時曲線

表4 試驗段水平收斂最終值統計

由圖9及表4可知，布設系統錨桿試驗段水平收斂最終值范圍為28.42～33.63 mm，取消系統錨桿試驗段水平收斂最終值范圍為27.09～31.59 mm，取消錨桿試驗段水平收斂相對較小，但與布設系統錨桿試驗段水平收斂相差不超過3 mm，這其中還摻雜地質因素、施工因素等不確定因素的影響。綜合來看，布設系統錨桿試驗段與取消系統錨桿試驗段水平收斂相差不大，進而說明在泥質粉砂巖地層中系統錨桿對控制隧道水平收斂的貢獻不明顯。

3.3 圍巖壓力

圍巖壓力采用振弦式壓力盒量測，現場埋設如圖10所示，正值代表受壓。監測斷面K13+985、K13+920圍巖壓力歷時曲線如圖11所示，有無系統錨桿監測斷面圍巖壓力沿隧道斷面分布如圖12所示，虛線(外側數值)代表取消錨桿支護方案下圍巖壓力分布。

由圖11和圖12可知，布設錨桿支護狀態下，圍巖壓力最大值為0.13 MPa，位于左洞右拱腰處；取消系統錨桿試驗段圍巖壓力最大值為0.19 MPa，位于左洞右拱腰處；取消系統錨桿試驗段圍巖壓力相對較大，差別最大位置位于左洞左拱腰，取消系統錨桿試驗段左洞左拱腰圍巖壓力為0.13 MPa，布設系統錨桿試驗段左洞左拱腰圍巖壓力為0.05 MPa，較取消錨桿試驗段左洞左拱腰圍巖壓力小61.54%，但取消系統錨桿試驗段圍巖壓力分布相對較為均勻。根據文獻[15]計算，試驗斷面理論上圍巖壓力范圍為0.45～0.54 MPa，實測圍巖壓力為0.02～0.19 MPa，占比4.01%～38.38%，說明按照理論方法計算圍巖壓力較為保守，同時也說明取消錨桿試驗段圍巖壓力在隧道結構可承受合理范圍之內。

圖10 現場壓力盒布設

圖12 試驗段圍巖壓力分布

3.4 鋼拱架內力

鋼拱架內力采用振弦式鋼筋計進行測量，如圖13所示。鋼拱架外側及內側應力歷時曲線及分布如圖14、圖15所示。虛線(外側數值)代表取消錨桿支護方案下鋼拱架應力分布。

圖13 現場振弦式鋼筋計焊接

由圖14、圖15可知，不管鋼拱架外側應力還是鋼拱架內側應力，蘆霞聯拱隧道左洞(先開挖洞)初支鋼拱架受力明顯大于右洞；左洞鋼拱架應力最大值均在右拱腰處，右洞鋼拱架應力最大值均在左拱腰處，這可能是因為聯拱隧道中隔墻上方圍巖受擾動次數較多，圍巖穩定性差，導致作用在初支上的力較大；取消錨桿試驗段鋼拱架內力大于布設錨桿試驗段鋼拱架內力，這可能是因為現場施工時經常將錨桿與鋼拱架焊接在一起，錨桿的約束作用影響了鋼拱架的受力狀態。

圖14 試驗段鋼拱架應力歷時曲線

圖15 試驗段鋼拱架應力分布

3.5 錨桿軸力

錨桿軸力采用4點錨桿軸力計進行量測，試驗段系統錨桿軸力最終值分布如圖16所示。

圖16 試驗段錨桿軸力分布

由圖16可知，除左洞左邊墻、右洞右邊墻以及右洞拱頂等位置外，錨桿軸力均為受壓，邊墻位置錨桿受拉除系統錨桿的效用外，還起著穩定拱架、減小拱架下沉的作用，因此錨桿受力為拉力；總體來看，監測斷面錨桿軸力范圍為-4.45～4.23 kN，受力相對較小且受壓狀態對錨桿來說意義不大，最大拉力占桿體極限拉力值的2.35%，無法較好地發揮錨桿的抗拉效用[16]。因此，從錨桿的受力角度來說，泥質粉砂巖中系統錨桿支護效果不明顯。

4 結論

依托廣東省江門市蘆霞聯拱隧道對泥質粉砂巖地層錨桿作用效果進行研究，得到以下結論。

(1)通過對試驗段監測斷面拱頂沉降、水平收斂現場監測數據進行分析，得出系統錨桿的布設對泥質粉砂巖地層隧道初支拱頂沉降、水平收斂控制效果不明顯。

(2)通過對試驗段監測斷面圍巖壓力現場監測數據進行分析，得出取消錨桿試驗段圍巖壓力略大，但分布較為均勻；試驗段圍巖壓力均小于理論計算值。

(3)通過對試驗段監測斷面鋼拱架內力現場監測數據進行分析，得出聯拱隧道先開挖洞拱架內力大于后開挖洞；布設錨桿試驗段由于錨桿約束拱架的作用導致拱架受力較小。

(4)通過對試驗段監測斷面鋼拱架內力現場監測數據進行分析，得出隧道大部分位置錨桿受壓；錨桿受力較小，軸力范圍為-4.45～4.23 kN，最大拉力占桿體極限拉力值的2.35%，錨桿抗拉效用無法得到充分發揮。

(5)通過現場監測手段，分析泥質粉砂巖地層隧道錨桿的支護效果，結果表明，該地層中錨桿作用效果較弱，建議取消系統錨桿，降低工程造價，同時為該種地層中形成“取消錨桿”的新型支護體系提供數據支撐及思路。