某引水隧洞格柵支護體力學特性及應用效果研究

全永威

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

地下工程的快速發展推動著支護理念及技術的進步[1]，“新奧法”施工以其在地下工程支護中的優異性能成為我國地下工程的主要支護理念[2]。“格柵拱架+噴射混凝土” 與圍巖有著良好的接觸，在圍巖表面形成穩固殼結構，充分發揮圍巖的自承載能力，是一種新型的符合“新奧法”支護理念的初期支護形式，被工程界廣泛應用[3-5]。

近年來，國內外許多學者對格柵支護在隧道初期支護中的應用進行了研究[6-8]。如譚忠盛[9]對比分析了高強鋼筋格柵與I20b 型鋼拱架的支護性能，發現“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”的力學分析模型，結合工程實例得到“格柵拱架+噴射混凝土”初期支護的彈性解，分析了初期支護的力學特性。李東勇等[11]采用數值模擬分析了暗挖隧道施工過程及支護結構受力情況，發現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鋼筋澆筑3組格柵混凝土復合支護構件，研究了3組構件的力學特性、隧道工程適用性和復合支護特性。

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變片的方式，來測試分析格柵拱架及錨桿應力的沿程分布情況，分析“格柵拱架+系統錨桿+噴射混凝土”在隧洞開挖過程中的支護效果，進一步評價其性能，為類似工程支護設計提供參考。

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，開挖分進出口同時進行。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，設計流量48 m3/s，隧洞縱坡1/1 000。

隧洞穿越的地層為第三系半膠結狀態的砂巖、砂礫巖和泥巖互層，巖體軟弱，工程地質條件較差。天然狀態抗壓強度為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，黏土質泥巖，地下水不發育，局部地段含上層滯水。

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

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

圖1 某隧道初次支護方式(單位：mm)

2 格柵支護力學性能測試

2.1 試驗方案

為分析隧道開挖過程中，格柵拱架與錨桿應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，采用應變片測試斷面內的格柵拱架與錨桿應力變化情況，試驗持續至圍巖變形及應力不再變化。3個監測斷面分別位于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型電阻應變片，阻值為119.8±0.1 Ω，靈敏系數2.08±1。

應變片布置方案見圖2。

圖2 應變片布置方案

2.1.1 格柵拱架應力測試方案

沿格柵拱架的外層鋼筋內側環向布置40枚應變片，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或鋼銼打平，經細砂紙進一步磨平后，采用丙酮將粘貼面擦洗干凈，采用502膠水將應變片粘貼牢固。為保證測試效果，每個格柵拱架受力研究斷面內布置2枚溫度補償片，分別布置在頂拱和邊墻處。3個監測斷面分別為GSY1、GSY2和GSY3，共計安裝126枚應變片。

2.1.2 錨桿應力測試方案

結合圍巖內系統錨桿的設計方案，每個觀測斷面內布置9根錨桿(圖2)，直徑20 mm。其中，兩側邊墻各布置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變片，每個斷面內安裝54枚應變片，每根錨桿安裝6枚應變片。其中，2.0 m錨桿安裝應變片分別位于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個應變片，作為溫度補償，將該鋼筋(含應變片)放置在錨桿附近且不受力圍巖內，當噴混凝土施工時，與錨桿同時固定于圍巖。每個錨桿受力研究斷面內布置2枚溫度補償片，一枚布置于頂拱，另一枚布置于邊墻。3個監測斷面分別為MGY1、MGY2和MGY3，共計安裝168枚應變片。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 格柵拱架應力分析

圖3為3個格柵拱架左側邊墻測點和頂拱測點的應力變化過程曲線。

圖3 格柵拱架監測斷面測點應力變化過程曲線

圖3中，應力的正值為拉應力，負值為壓應力。由圖3可知，在邊墻部位，由于初次支護時間相對晚于頂拱，且在邊墻底腳處未形成有效約束，格柵的受力在支護初期并未出現明顯的受壓或受拉趨勢，且應力量值水平也不高，隨著開挖進尺距離的增加，應力增大，呈現明顯的受拉狀態。頂拱部位的格柵鋼筋在支護初期明顯隨開挖進尺呈壓力增加趨勢,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力測試結果及其平均值見圖4。由圖4可知，3個監測斷面格柵鋼筋的應力測試結果較為接近，數值大體相近。兩側邊墻以拉應力居多，而頂拱則以壓應力為主，且呈現頂拱中部受力較大而兩側拱腳受力較小的特點。

圖4 格柵拱架鋼筋受力綜合應力計算分布圖

綜合計算結果顯示，兩側邊墻2/3高度以下以拉應力為主，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力為主。其原因應與邊墻初次支護時間滯后于頂拱，且邊墻底腳處格柵所受約束不明顯有關。在頂拱處，中部均為壓應力，量值在100 MPa左右，GSY1斷面壓應力最大為132.4 MPa；向兩側則逐漸減少，至拱腳時達到較低水平的壓應力，量值一般不超過50 MPa。最大受力為屈服強度的40%，格柵拱架可以保證其穩定性，同時支護性能得到充分發揮，不至于造成支護浪費。

2.2.2 錨桿受力分析

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

圖5 錨桿監測斷面測點應力變化過程曲線

由圖6可知，各錨桿點應力沿程分布均是孔口處應力大，向孔內逐漸減小。邊墻部位的錨桿應力變化是先受壓應力，洞室開挖到3倍洞徑左右時壓應力達到最大，之后隨著開挖距離的增加，壓應力逐漸減小，最后轉變為拉應力。另外，邊墻部位錨桿各外部測點大多受拉應力，頂拱和左右拱肩錨桿的各外部測點則多數受壓應力作用；但各錨桿的孔內深部測點則都比較小，其測值一般在±4.0 MPa以內。這種頂拱部位錨桿受壓、而邊墻部位受拉的應力分布方式，應與洞室開挖型式有關。同時，3個斷面內拱腳處錨桿上各測點的應力值拉壓應力交替且量值較小，這種現象說明拱腳處的錨桿應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力分布

綜合以上測試結果可知，各測點的應力大小絕大多數在±10 MPa以內，僅個別測點超過該范圍，表明錨桿所受的拉/壓應力總體上不大。

3 圍巖變形測試

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

圖8 收斂斷面測點累計變形

由圖7、圖8可知，收斂斷面內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)的累計變形均在20 mm以內，水平測線(4-5，連接兩側邊墻)的變形值達65 mm，這均表明兩側墻間(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，也是出現距離掌子面在2～3倍洞徑以內，以后變形趨緩，這與本次實測的應力變化過程線基本一致(圖3和圖5)。

收斂斷面內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較早，并且為圓弧形支護結構，增加了初次支護對軟弱圍巖的承載能力，有效地減緩了頂拱的垂直向變形，利于圍巖穩定。相應地，邊墻的初次支護時間晚于頂拱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又有利于抑制頂拱圍巖的豎向變形。

正是基于上述支護結構及變形影響，導致頂拱部位的格柵拱架內鋼筋受到較大的壓應力，并且頂拱中部因圍巖較大的水平向收斂變形而導致壓應力最大。而兩側邊墻圍巖的水平向位移對包括格柵拱架在內的初次支護形成擠壓，導致格柵內鋼筋產生向臨空面側彎或側彎趨勢，從而使得邊墻部位的應變片出現拉應力。但是，邊墻格柵在底腳處并未形成強有力的約束，存在或多或少的臨空面側的位移，使得邊墻處應變片的拉應力測值不大。

結合應力與收斂觀測，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”的支護形式，充分發揮了支護能力，既實現了控制圍巖變形的目的，又不至于造成支護的浪費，保證隧道支護的經濟性。

4 結 論

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

1) 格柵拱架兩側邊墻2/3高度以下以拉應力為主，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力。頂拱中部為壓應力，量值在100 MPa左右；向兩側逐漸減小，至拱腳時達到較低水平的壓應力，量值一般不超過50 MPa。支護初期，格柵鋼筋壓力隨開挖進尺呈明顯增加趨勢，2～3倍的洞徑以后增加速率相對較緩。

2) 錨桿所受的拉/壓應力絕大多數在±10 MPa以內，總體上受力不大。頂拱部位，錨桿主要受壓應力；邊墻部位，錨桿先受壓應力，洞室開挖至3倍洞徑左右時壓應力達到最大，之后隨著開挖距離的增加，壓應力逐漸減小，最后轉變為拉應力。

3) 收斂斷面兩側邊墻變形值最大為65 mm。距離掌子面在2～3倍洞徑以內，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”的支護形式，包括格柵拱架的設計、支護間距和隧洞的開挖方式是合理的，其充分發揮了支護能力，既實現了控制圍巖變形的目的，又不至于造成支護的浪費，保證了隧道支護的經濟性。本試驗分析了格柵拱架在軟巖隧洞中應力的分布規律及大小，可為同類型隧道支護設計提供參考。