鎖腳錨桿在軟弱地層隧道中圍巖變形控制的研究

王允偲，黃曉東，張 軒，兀 森，曹 宇

(1.西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西路橋集團第一工程有限公司，陜西 西安 710000)

1 引言

我國山嶺眾多，隨著公共交通事業的快速發展，隧道成為了節約施工成本的重要手段。由于地質條件復雜，隧道往往是交通建設項目中的控制性工程[1]。新奧法是我國隧道施工中最常用的方法，利用初期支護結構與圍巖自身共同承擔圍巖壓力。當隧道在圍巖性質較好的地層中開挖時，系統錨桿能夠發揮巨大的作用。但是，近年來越來越多的隧道在圍巖性質較差的地層中開挖，特別是在軟弱圍巖地層中開挖，系統錨桿的作用變得不明顯，導致隧道發生侵限、塌方等工程事故，威脅人身及財產安全。

鄒育麟[2]等發現在破碎千枚巖中開挖隧道時，系統錨桿的作用大大減弱。認為在破碎千枚巖地層中安裝系統錨桿會加深對圍巖的擾動，同時會延誤噴射混凝土和架設鋼支撐，導致圍巖發生大變形。孫鈞等[3]認為在軟弱圍巖隧道發生大變形時，系統錨桿無法有效控制圍巖變形，采用讓壓錨桿替代系統錨桿，更有利于隧道的穩定性。陳建勛等[4]發現在黃土隧道中，系統錨桿的作用可以忽略不計，因而提出了取消系統錨桿，增設鎖腳錨桿來維護隧道的結構穩定。郭小紅[5]和鄧斌等[6]發現系統錨桿的作用隨著地質條件的變差而逐漸降低，提出了“弱化”系統錨桿，加強支護剛度，增設鎖腳錨桿等措施。綜上可知，隧道在圍巖性質較差的巖層中開挖時，系統錨桿的作用隨著圍巖性質的降低而逐漸降低。

本文基于系統錨桿與鎖腳錨桿的作用機理，利用數值模擬軟件，探究使用系統錨桿與鎖腳錨桿的初期支護體系在軟弱圍巖隧道中的作用，分析相同施工條件下兩種錨桿對隧道穩定性的影響。

2 初期支護形式

2.1 鋼拱架+噴砼+系統錨桿支護體系

在軟弱圍巖地層中開挖隧道時，常見的初期支護體系為鋼拱架+噴砼+系統錨桿，即軟弱地層隧道開挖，立即噴射砼，避免圍巖暴露在空氣中，然后按照設計圖鉆孔并安裝系統錨桿，之后架設鋼拱架，最后噴射砼至設計厚度。在圍巖性質較好的地層中開挖隧道時，系統錨桿在初期支護中起到改善圍巖受力狀態和控制圍巖變形的作用。通常認為，錨桿在安裝后會與巖體融為一體，改善圍巖的受力狀態，進而實現保證隧道穩定性的目的。其中，系統錨桿的加固效應主要體現在懸吊效應、增強效應、成拱效應和內壓效應四個方面[7]。在不同的環境下，系統錨桿的作用并不完全相同。但隧道在圍巖性質較好的地層中開挖時，錨桿對維護隧道穩定起到了重要的作用。

但近年來，隨著公共交通事業的不斷發展，越來越多的隧道需要在軟弱圍巖中開挖。軟弱圍巖性質較差，開挖后的松動圈范圍較大，常常超過系統錨桿的長度，使得系統錨桿的支護作用并不明顯，導致隧道在初期支護后仍有較大的變形。

2.2 鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿支護體系

在軟弱圍巖地層中開挖隧道時，由于巖性較差，開挖后的松動圈范圍較大，系統錨桿的作用變得不明顯，傳統的鋼拱架+噴砼+系統錨桿的初期支護無法有效控制圍巖變形。在軟弱圍巖中開挖隧道時，通常采用臺階法施工，上臺階的斷面開挖后，立即架設鋼拱架，上臺階安裝鋼拱架后，鋼拱架會在下一步的臺階開挖時，處于臨空狀態，沒有支撐受力點，喪失支護能力，無法處于支護圍巖，自行塌落或隨圍巖發生位移，造成施工病害。近年來，鎖腳錨桿在工程中被廣泛使用，在軟弱圍巖地層中開挖隧道采用鋼拱架+噴射混凝土+鎖腳錨桿的初期支護形式。鎖腳錨桿為鋼拱架提供一個支撐點，保證拱架牢牢固定在圍巖上，使鋼架在下一階段開挖時處于穩定狀態。因此，鎖腳錨桿不僅受到徑向力的左右，還因為受到鋼拱架的壓力支撐產生了豎向力和彎矩。

鎖腳錨桿由于其簡單易行、經濟、效果明顯，大大地提高了施工效率，省去了其他輔助施工措施，節約了人力、物力[8]。大量工程實踐表明，大斷面隧道在軟巖隧道中開挖時，架設鎖腳錨桿能夠預防下臺階開挖引起的鋼拱架懸空，能夠有效控制隧道開挖后的圍巖變形。因此，鎖腳錨桿在軟弱圍巖隧道的施工中得到了廣泛的運用。

圖1 鋼拱架+噴砼+系統錨桿支護體系

圖2 鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿支護體系

3 支護受力的分析

3.1 工程概況

某公路隧道為軟弱圍巖隧道，隧道凈寬11.77 m，凈高8.80 m，拱墻部分內半徑R=6.05 m，仰拱部分內半徑R=17.0 m。圍巖的力學參數與支護參數見表1。

表1 圍巖與支護結構力學參數

隧道設計的初期支護為系統錨桿+鋼拱架+噴射混凝土的方式。由于實際施工中的圍巖變形較大，擬采用鎖腳錨桿代替系統錨桿進行初期支護。具體支護參數見表2。

表2 支護形式分析

3.2 數值模擬分析

用Midas GTS軟件分別建立鋼拱架+噴射混凝土+系統錨桿的支護體系(工況1)和鋼拱架+噴射混凝土+鎖腳錨桿的支護體系(工況2)下的數值計算模型。在系統錨桿支護體系中，錨桿采用全斷面布設，每個斷面有21根； 鎖腳錨桿支護體系中，分別在上、中和下臺階鋼拱架拱腳處斜向下45°布置鎖腳錨桿，每個斷面有6根。模型開始運行前，在拱頂處預設沉降關鍵監測點，見圖3。

(a)鋼拱架+噴砼+系統錨桿支護

提取兩種工況下隧道拱頂關鍵點的位移，對圍巖的變形結果進行分析，結果見表3。

表3 圍巖變形數值模擬結果

由表3可以看出，在采用鋼拱架+噴砼+鎖腳錨桿的初期支護中，隧道拱頂的下沉量小于采用系統錨桿時，在圍巖穩定性方面，當用鎖腳錨桿替代系統錨桿后，圍巖的變形量減少。從經濟的角度出發，同一斷面內，鎖腳錨桿的數量遠遠小于系統錨桿，這不僅節省了購買錨桿的費用，還節約了時間，有利于隧道快速開挖。由此可以認為，在軟弱圍巖地層中開挖隧道，利用鎖腳錨桿替代系統錨桿進行初期支護是可行的。

4 結論

通過對兩種初期支護的支護原理進行分析，并依托軟弱圍巖隧道，利用數值模擬，分析了采用不同錨桿的初期支護對隧道穩定性的影響，獲得的主要結論：

(1)從控制圍巖變形的角度來看，在軟弱圍巖地層中開挖隧道時，使用鎖腳錨桿替代系統錨桿，圍巖的變形量減少，隧道的穩定性增強。在軟弱圍巖地層中開挖隧道，利用用鎖腳錨桿替代系統錨桿，有利于維護隧道的穩定性。

(2)從節約施工成本的角度來看，使用鎖腳錨桿替代系統錨桿后，支護效果較好，并且使用的錨桿數量明顯減少，節省了隧道支護的材料成本。同時，由于錨桿數量減少，鉆孔的數量也隨之減少，加快了隧道的施工，降低了施工成本。