浅埋大跨小净距桃花峪黄土隧道系统锚杆作用效果研究

刘 洋，谭忠盛

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100088;2.北京交通大学，北京 100044)

0 引言

锚杆支护是喷锚支护的主要组成部分，实践表明，在硬岩和软岩中，锚杆有着良好的适用性，可以取得良好的效果。国内外在这方面研究很多，形成了悬吊效应、组合拱效应、减跨效应和挤压加固效应等诸多支护机制，相关的研究成果已归纳成相应的公式列入我国部分规范中［1］。与局部锚杆相比，系统锚杆是指在隧道的周边按一定规律统一布置的径向锚杆。然而，系统锚杆在黄土隧道中的作用一直是学术界和工程界争论的热点。谭忠盛等［2］采用现场监测方法对浅埋黄土隧道和深埋黄土隧道有无系统锚杆的监控量测数据进行了对比分析研究，得出了拱部锚杆支护效果不明显这一重要结论。路军富等［3］对大断面深埋黄土隧道围岩内变形模式发展规律进行了研究，认为拱部锚杆支护效果较差。陈建勋等［4］针对浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用进行了数值模拟和现场监测，结果表明，系统锚杆对控制围岩变形的作用不显著。虽然目前关于黄土隧道的工程特征、设计与施工技术以及黄土地层的锚固机制都已经有了较深入的研究［5－8］，但针对浅埋大跨小净距黄土隧道，国内外研究比较少［9－10］，特别是系统锚杆的作用还有待进一步研究。以武西高速公路桃花峪隧道工程为依托，开展有无锚杆的现场对比试验研究，监测了先行洞开挖过程中每个开挖步的位移和应力，进而检测后行洞开挖到交汇断面时后行洞每个开挖步的位移和应力，得到了大量的监测数据。通过对监测数据的统计分析，得出有无锚杆试验段的变形、应力和围岩压力随各个施工步的变化规律;通过对试验段的各监测项目数据进行对比分析，最终确定浅埋大跨小净距黄土隧道在现场试验条件下有无锚杆的作用效果。

1 工程概况及地质情况

武西高速公路北接焦作至郑州高速公路，南接国道主干线连霍高速公路，在ZK36+680～ZK37+260处穿越邙山，设置桃花峪隧道。隧道位于河南省武西高速公路桃花峪黄河特大桥主桥以南约250 m处。隧道北口接大桥南引桥，洞身穿越邙山风景区，终点位于桃花峪景区大门停车场附近，行政区域隶属于郑州荥阳市。隧道总长575 m，位于邙山黄土丘陵区，地形起伏大，地面标高157.6～206.3 m，设计为独立双洞形式，洞室间最小净距4.45 m，洞体覆盖层厚0.8～55.5 m，最小覆盖层不足1 m，为双向6车道，单洞最大开挖跨度15.288 m，开挖高度12.07 m(含仰拱)，顶板厚5～50 m，为目前国内间距最小的浅埋、大跨、小净距黄土隧道公路隧道。

桃花峪隧道地处黄河南岸的邙山黄土台塬区，呈北高南低，向南部倾斜，侵蚀地貌发育，地形起伏不平，沟壑纵横，形成众多的黄土梁、峁南。位于浅埋偏压段，且为大断面黄土隧道，是设计领域公认的复杂类隧道，隧道设计、施工难度大。隧道为具有一定湿陷性的新黄土，土质较松散，稳定性差，承载力低。黄土湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级。隧道围岩涉及地层为第四系上更新统风积形成的马兰黄土(Q3eol)，结构松散，强度较弱，工程性质差，Ⅴ级围岩。在雨季施工时，土体稳定性更差。桃花峪隧道地质情况如表1所示。

2 试验内容及结果分析

2.1 试验内容

本项目共进行了2段隧道有无锚杆施工对比试验，其中有锚杆段长度40 m(ZK36+920～+960)，无锚杆段长度30 m(ZK37+000～+030)，试验内容如下:

1)检测断面各设4个位移监测断面，进行了拱顶绝对下沉监测、拱脚绝对下沉监测和水平收敛监测。

2)检测断面各设2个围岩压力监测断面，进行了围岩和初期支护间接触压力的监测。

3)检测断面各设2个应力监测断面，进行了初期支护钢格栅应力监测。

表1 桃花峪隧道地质情况汇总表Table 1 Geological conditions of Taohuayu tunnel

4)桃花峪隧道潮喷喷射混凝土早期强度发展较快、较平稳，24 h抗压强度达到6.5 MPa左右，48 h可达11.5 MPa，在软弱围岩中提高喷混凝土的早期强度十分重要，是控制围岩变形和稳定的关键。喷射混凝土可以满足钢拱架采用钢格栅时对早期强度的需要，能够起到早期支护的作用。

5)本次试验段采用CD开挖法施工。永久初期支护采用格栅钢拱架，截面28 cm×28 cm，纵向净距50 cm;φ8 cm双层钢筋网@10 cm×10 cm;喷射37 cm厚C25混凝土;每榀钢架均设置锁脚锚管，φ50×4 mm，L=3.5 m。临时支护:I18型钢钢架+φ22药卷锚杆，L=300 cm，间距100 cm ×100 cm，φ8@25 cm ×25 cm钢筋网，22 cm厚C25喷射混凝土。具体施工流程如图1所示。

图1 CD法开挖步骤图Fig.1 Excavation process of CD method

试验段位于桃花峪隧道中段，试验从2012年4月10日开始，有锚杆试验段选取ZK36+955断面为研究对象，拱、墙设3.5 m长锚杆，监测项目包括位移、围岩－初期支护接触压力、钢格栅应力和锚杆轴力;无锚杆试验段选取ZK37+020断面为研究对象，拱、墙均不设置锚杆，监测项目包括位移、围岩－初期支护接触压力和钢格栅应力。

2.2 监测断面测点布置

1)隧道先开挖右侧，即1号点位置，为隧道先行导洞，拱顶沉降测点“GD1”，左右侧拱顶测点“1号点、2号点”，左右侧拱肩测点“3号点、4号点”，见图2。

图2 初期支护位移测点布置图Fig.2 Layout of monitoring points for primary support displacement

2)围岩－初期支护接触压力采用双模压力盒监测，双模压力盒以隧道中线对称布置，Y1～Y9表示9个压力测点，见图3。

图3 围岩－初期支护压力测点布置图Fig.3 Layout of monitoring points for contact pressure between surrounding rock and primary support

3)钢格栅应力采用应变计监测，应变计以隧道中线对称布置，“WE”表示格栅拱架的外测应变测点，“NE”表示格栅拱架的内测应变测点，整个断面埋设9对应变计，见图4。

4)锚杆轴力采用锚杆轴力计，“MZ”表示锚杆轴力测点，每根锚杆上布置4个锚杆轴力计，见图5。

2.3 无锚杆试验段结果分析

1)无锚杆试验段选取ZK37+020断面进行了监测分析。“左侧拱顶”表示隧道开挖左导洞上拱顶位置布置的监控量测点位，“右侧拱顶”表示隧道开挖右导洞上拱顶位置布置的监控量测点位，“仰拱封闭”表示研究断面仰拱开挖、初期支护封闭成环。由于隧道各个导洞交替开挖，开挖各导洞沉降无突变影响。拱顶下沉及拱肩、拱脚收敛关系曲线见图6和图7。

图4 钢格栅应力测点布置图Fig.4 Layout of monitoring points for stress of lattice girder

图5 锚杆轴力的测点布置图(单位:cm)Fig.5 Layout of monitoring points for axial force of anchor bolt(cm)

图6 ZK37+020拱顶沉降－时间关系曲线图Fig.6 Time-dependent curves of crown settlement at ZK37+020

图7 ZK37+020先行洞断面拱肩、拱脚收敛－时间关系曲线图Fig.7 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK37+020

2)格栅钢架应力分布规律。格栅拱架的应变值，乘以格栅拱架的弹性模量得到其应力值，根据格栅拱架的抗拉、抗压极限强度判断格栅拱架的受力安全性。格栅拱架的应力时程曲线见图8。

图8 ZK37+020断面格栅钢架外侧应力时程曲线图Fig.8 Time-dependent curves of stress on outside of lattice girder at ZK37+020

3)土压力分布规律。围岩－初期支护接触压力时程曲线图以及断面基本稳定后的围岩－初期支护接触压力分布图，如图9和图10所示。

图9 ZK37+020断面围岩－初期支护接触压力时程曲线图Fig.9 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020

图10 ZK37+020研究断面围岩－初期支护压力分布图(单位:kPa)Fig.10 Distribution of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK37+020(kPa)

2.4 有锚杆试验段结果分析

1)拱顶下沉及拱肩、拱脚收敛。对ZK36+955断面的左右侧拱顶下沉监测如图11所示，拱肩、拱脚收敛如图12和图13所示。

2)钢格栅钢架应力分布规律。断面ZK36+955的钢格栅表面应力时态曲线如图14和图15所示，图中系列1－系列9表示拱架外侧或者内侧测点。量测时间持续2个多月。

图11 ZK36+955拱顶沉降－时间关系曲线图Fig.11 Crown settlement Vs time at ZK36+955

图12 ZK36+955先行洞断面拱肩、拱脚收敛－时间关系曲线图Fig.12 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of proceding tunnel at ZK36+955

图13 ZK36+955后行洞断面拱肩、拱脚收敛－时间关系曲线图Fig.13 Time-dependent curves of convergence at arch shoulder and arch foot of following tunnel at ZK36+955

图14 ZK36+955钢格栅外侧应力监测时态曲线Fig.14 Time-dependent curves of stresse on outside of lattice girder at ZK36+955

图15 ZK36+955钢格栅内侧应力监测时态曲线Fig.15 Time-dependent curves of stress on inside of lattice girder at ZK36+955

3)土压力分布规律。针对ZK36+955断面的围岩－初期支护接触压力进行了监测，各测点的围岩－初期支护接触压力时程曲线如图16所示。

图16 ZK36+955断面围岩－初期支护接触压力分布图Fig.16 Time-dependent curves of contact pressure between surrounding rock and primary support at ZK36+955

3 有无锚杆监测结果对比分析

1)拱顶沉降的对比分析。将有无锚杆2试验段的拱顶沉降进行对比分析，各测点的时程曲线见图17和图18。锚杆对沉降控制作用较小，除去塌方段引起的沉降突变，有锚杆试验段各台阶施工引起的沉降比较均匀，相对无锚杆段沉降较小，仰拱封闭时沉降发生的比例两者相差不大。

图17 有无锚杆段研究断面初支拱顶左侧沉降测点对比分析Fig.17 Time-dependent curves of settlement of the left side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

图18 有无锚杆段研究断面初支拱顶右侧沉降测点对比分析Fig.18 Time-dependent curves of settlement of the right side of crown of primary support in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts

2)水平相对收敛。有无锚杆段在水平相对收敛方面差距很小，CD法双侧导洞开挖以及各个台阶的施作隧道整体水平收敛相对不均匀，在滞后一侧导洞下导洞开挖支护完成30～40 m后施作仰拱，收敛值略有增大，同时由于黄土土质特点，隧道以整体性沉降为主，初期支护沉降非常明显，相对于拱顶沉降，收敛值非常小。

3)格栅钢架应力对比分析。为了进一步对有无锚杆试验段的格栅拱架应力进行分析，监测点稳定后取值，在施工过程中部分监测点在隧道开挖过程中有一定突变增长，略大于稳定值，但相差不大，因此取封闭后监测点稳定值来分析，利用2个试验段断面各部的格栅拱架应力最大值进行比较，内侧的格栅拱架应力包络图以及外侧的格栅拱架应力包络图如图19和图20所示。

图19 有无锚杆试验段断面格栅拱架内测应力对比图(单位:MPa)Fig.19 Stress on inside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

图20 有无锚杆试验段断面格栅拱架外测应力对比图(单位:MPa)Fig.20 Stress on outside of lattice girder in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(MPa)

4)土压力对比分析。由于监测断面的围岩－初期支护接触压力离散性较大，对有无锚杆试验段的各测点接触压力利用仰拱封闭后的稳定值进行比较，见图21。从分布形式来看，有无锚杆试验段的围岩－初期支护接触压力分布都是偏压的，拱部受压较小，边墙和仰拱部位受压较大。无锚杆段应力相对不均匀，偏压相对较为严重;从量值来看，无锚杆试验段的围岩－初期支护接触压力在拱部以及仰拱右侧边墙部位与有锚杆段相差不大，左侧边墙最大值为361.8 kPa，比有锚杆段大，其边墙部位受力较大，偏压严重，对于有锚杆段隧道左右侧边墙相差不大，整体受力较好。

图21 有无锚杆试验段断面初期支护－围岩接触压力最大值对比图(单位:kPa)Fig.21 Maximum contact pressure between primary support and surrounding rock in sections with anchor bolts and sections without anchor bolts(kPa)

4 结论与讨论

1)从锚杆对比试验段的初期支护左右侧拱顶的沉降对比来看，有锚杆段沉降略小于锚杆段，试验段隧道的水平收敛值相差不大。

2)隧道在开挖过程中拱部锚杆在上导洞与中导洞施作是轻微受拉，随着隧道各个洞室的开挖，围岩松散，拱部锚杆受压，边墙锚杆从施作后基本受拉，在后行洞开挖过程中有一定量增长，增长较小，锚杆整体受力相对较小;锚杆在黄土中施作后对围岩扰动，在开挖过程中锚杆的施作将延长每个施工循环1 h左右，围岩暴露时间长且施作锚杆使黄土破碎有掉块，使围岩稳定性降低，且造成土体松散，加大了围岩塑性区，锚杆的施作也推迟了初期支护闭合的时间，使围岩变形进一步发生，这对控制黄土隧道的变形和保证快速施工是不利的。

3)对于大跨小净距黄土隧道来说，拱顶到拱脚的锚杆作用效果不明显，且由于黄土松散下沉处于受压状态，因此对于拱部围岩可不采取过多的加固措施，通常减小封闭时间，尽量减少扰动，对于边墙部位的小净距黄土体可采用锚杆支护体系，施作锚杆并注浆，使其有一定的整体性，隧道衬砌形成一个整体，有利于边墙的稳定，减少后行洞对土体的扰动。对于后行洞来说，边墙部位可以不施作锚杆以减少作业时间，加快断面的封闭，尽量减少小净距土体的应力重分布。

4)首次创新性的系统研究了浅埋大断面小净距黄土隧道的锚杆作用效果，这不仅能指导和优化公路浅埋大跨双线黄土隧道工程的设计参数与施工方案，还丰富和发展了浅埋大断面小净距黄土隧道的支护理论和方法，为未来类似大断面黄土隧道工程的设计与施工提供理论和技术参考。

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