預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿軟巖大變形控制效果試驗(yàn)研究

張敏銀 馬建華 王眾樂

[摘? 要]：軟巖大變形問題一直是隧道工程界的頭號難題，為了研究預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿對于隧道軟巖大變形控制效果，文章依托白石頭隧道工程開展現(xiàn)場對比試驗(yàn)。為了減小其他變量干擾，選取試驗(yàn)條件基本相同的大變形里程段開展試驗(yàn)，試驗(yàn)段揭示巖性基本為薄層絹云片巖、炭質(zhì)片巖。試驗(yàn)段基本設(shè)置為無樹脂錨桿段100 m，有樹脂錨桿鋼架不同段442 m。試驗(yàn)段對選定斷面的拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、鋼架應(yīng)力和錨桿軸力等進(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果表明：施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿對于降低鋼拱架應(yīng)力、拱頂沉降變形速率與變形值均有明顯作用;在鋼架強(qiáng)度較弱工況下，對于水平收斂變形的控制效果很差。預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿施作3 h后即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，整體受拉，在17～20天內(nèi)能起到很好的變形控制作用，之后存在失效現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿在薄層絹云片巖、炭質(zhì)片巖地層條件下的適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。

[關(guān)鍵詞]：預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿; 鐵路隧道; 軟巖大變形; 三臺階法; 對比試驗(yàn)

U455.7+1B

預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)較早應(yīng)用在煤炭巷道中，因其施工快捷、支護(hù)效果好、成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為國內(nèi)外礦井開采的主要支護(hù)方式。而由于變形控制效果不明確、施工工藝不成熟等原因，隧道工程中樹脂錨桿的使用率較低，傳統(tǒng)的砂漿錨桿往往成為主導(dǎo)錨桿支護(hù)方式。一方面，大量的工程經(jīng)驗(yàn)證明，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)[1-3]效果要明顯優(yōu)于非預(yù)應(yīng)力錨桿，傳統(tǒng)砂漿錨桿需要較長的硬化時(shí)間才能施加預(yù)應(yīng)力，很大程度上阻礙了施工的快速展開，不利于圍巖變形的控制，影響施工安全。另外，隨著我國鐵路公路網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展擴(kuò)張，工程建設(shè)遇到的地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜多變，加之設(shè)計(jì)觀念由被動支護(hù)向主動支護(hù)轉(zhuǎn)變[4-5]，隧道工程對于錨桿支護(hù)要求日益嚴(yán)格，尤其是時(shí)效性。

開展現(xiàn)場試驗(yàn)是檢驗(yàn)錨桿作用效果最有說服力的方式之一。南昆鐵路家竹箐隧道[6]DIK579+429～+450段，在施作錨桿15天后，圍巖收斂速度由原來的4.36～7.00 mm/d降低到了0.27～1.27 mm/d，變形控制效果十分明顯。日本惠娜山隧道[7]為雙洞公路隧道全長8.3 km，受軟弱變質(zhì)角頁巖影響，隧道收斂變形速度快且變形量大，通過9～13.5 m長砂漿錨桿，鋼纖維噴混凝土等支護(hù)措施，將初期支護(hù)位移總體控制在較低水平。奧地利Arlberg隧道[8]在增加9～12 m長錨桿支護(hù)后，通過了巖層走向與隧道平行的富存地下水段落。王志堅(jiān)在研究烏鞘嶺隧道軟巖大變形問題時(shí)，認(rèn)為柔性（管式）錨桿在圍巖極其破碎軟弱條件下，主要起對初支的補(bǔ)強(qiáng)作用，有利于抑制局部變形和側(cè)向變形，解決快速施工問題。譚忠盛等[9]依托鄭西客運(yùn)專線大斷面深埋黃土隧道開展有無系統(tǒng)錨桿對比試驗(yàn)，認(rèn)為該工況下錨桿施工增加了隧道斷面的封閉時(shí)間，且拱部錨桿受力較小，作用不大。周躍峰[10]在成蘭線茂縣隧道1號斜井（地應(yīng)力15～35MPa）進(jìn)行了長短錨桿與不同型號鋼架對擠壓性軟巖大變形控制效果試驗(yàn)，結(jié)果表明采用全環(huán)HW175鋼架，拱部樹脂錨桿（3 m）和邊墻自進(jìn)式錨桿（8 m）變形控制效果最佳。廣州地鐵6號線東湖車站存車線渡線段隧道[11]，采用了懸臂掘進(jìn)機(jī)加高強(qiáng)度樹脂錨桿的施工措施，控制沉降要求的前提下提升了成隧效率和施工空間。

綜上，錨桿支護(hù)[12-14]是應(yīng)對軟巖大變形問題的一種有效方式，人們對于樹脂錨桿在隧道與地下工程中的應(yīng)用逐漸重視[15-17]。為完善預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿在高地應(yīng)力軟巖大變形隧道應(yīng)用技術(shù)，本文依托大臨鐵路白石頭隧道工程，對比砂漿錨桿支護(hù)段與預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿支護(hù)段隧道洞周收斂變形與初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力等，綜合分析預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿的作用效果。

1 試驗(yàn)工點(diǎn)概況

1.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

選取大臨鐵路白石頭隧道為試驗(yàn)工點(diǎn)，本隧位于云縣站—頭道水站區(qū)間，進(jìn)口里程為DK157+680，出口里程為DK167+055，全長9 375 m。隧道線路縱坡為單面上坡。頭道水車站伸入隧道出口端，結(jié)合救援站設(shè)371 m雙線車站襯砌。隧道洞身最大埋深約310 m，最小埋深約8 m。

隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕低中山地貌，沖溝發(fā)育，隧道洞身分布長坡嶺河、頭道水河及其支流山間溝槽，為常年流水溝谷。穿越瀾滄江與怒江水系地表水分水嶺。主要圍巖為沖洪積（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、卵石土、漂石土，坡洪積（Q4dl+pl）粉質(zhì)黏土;第四系更新統(tǒng)（Qp）粗、細(xì)圓礫土、卵石土、漂石土;三疊系印支期（γ51）花崗巖、黑云花崗巖、黑云二長花崗巖;三疊系中統(tǒng)忙懷組（T2m1）凝灰?guī)r、泥質(zhì)板巖;下古生界瀾滄群（Pz1ln）絹云片巖夾炭質(zhì)片巖等。發(fā)育3條斷層，地處臨滄復(fù)式花崗巖基西緣，穿越花崗巖挾持地段，長坡嶺斷層與線路近于平行，距線路400～800 m。隧道圍巖受多期地震作用及構(gòu)造應(yīng)力影響，巖體破碎—極破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育節(jié)理密集帶，巖性極為復(fù)雜，變化頻繁，地層接觸關(guān)系復(fù)雜。其中瀾滄群以薄層極軟巖為主，巖體強(qiáng)度低，耐崩解性差，遇水易軟化，巖體受構(gòu)造影響劇烈，局部揉皺發(fā)育，巖體破碎，局部極破碎，圍巖自穩(wěn)性極差，局部地下水較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)性差。

白石頭隧道分為進(jìn)口、1號斜井、2號斜井、3號斜井（變更增加）、出口五個(gè)工區(qū)組織施工（圖1）。

隧道洞身及進(jìn)出口處均存在斷層，施工過程中易出現(xiàn)塌方，地表塌陷，擠壓變形等問題。隧道大變形段掌子面揭示巖性為薄層絹云片巖、炭質(zhì)片巖，巖體受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，揉皺發(fā)育，巖質(zhì)松軟，耐崩解性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎呈片狀及角礫狀，圍巖整體性差，自穩(wěn)性差，掌子面潮濕，局部有滲水。洞內(nèi)圍巖情況見圖2。

試驗(yàn)段里程位于DK163+058～DK163+600，該段巖性以薄層炭質(zhì)片巖、絹云片巖為主，巖質(zhì)松軟，巖體強(qiáng)度應(yīng)力比0.103～0.176。分為無樹脂錨桿段、樹脂錨桿+I25b鋼架段、樹脂錨桿+Hw175鋼架段，各段主要支護(hù)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)段均采用三臺階預(yù)留核心土法施工（圖3），上臺階高度控制在3 m左右，長度控制在3～5 m，留少量核心土，中、下臺階高度控制在3.5 m左右，長度3～5 m，降低上臺階的高度（即減小矢跨比），可有效控制減小掌子面溜塌范圍或避免溜塌，對上臺階拱腳的變形起到了抑制作用;同時(shí)，短臺階也為仰拱、二襯緊跟提供了條件。各臺階每處鋼架拱腳均設(shè)4根4 m長42 mm鎖腳錨管，每榀共計(jì)設(shè)置24根。超前支護(hù)采用42 mm小導(dǎo)管，縱向間距1.8 m，環(huán)向間距0.3 m，每循環(huán)35根，每根長3.5 m。拱墻縱向22 mm連接筋調(diào)整全環(huán)I25b鋼架，25mm預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿，上臺階采用3.5m長樹脂錨桿，中下臺階采用5m和3.5m長樹脂錨桿交替施工

與拱架內(nèi)側(cè)，間距加密為0.5 m/根，“Z”字型布置。各臺階拱腳處增加一道I14（試驗(yàn)段1為I18）工字鋼縱向連接，每榀共計(jì)6處。樹脂錨桿桿體采用R25L中空自鉆式錨桿，公稱直徑25 mm，錨固劑類型為中速Z（白色，凝膠時(shí)間91-180 s，等待安裝時(shí)間480 s，攪拌應(yīng)在錨固劑凝膠之前完成），采用端頭錨固，錨固長度1.8 m（錨固劑規(guī)格：鉆孔為35 mm，采用錨固劑直徑28 mm）;錨桿托盤尺寸為250 mm×250 mm×12 mm。襯砌斷面見圖4。

3 監(jiān)測斷面及測點(diǎn)布置

3.1 監(jiān)測斷面布置

試驗(yàn)段共布設(shè)有7個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行拱頂沉降及水平收斂變形監(jiān)測，無樹脂錨桿段在DK163+600和DK163+550斷面布設(shè)，樹脂錨桿段分別在DK163+110、DK163+060、DK163+050和DK163+040布設(shè)。并在DK163+600、DK163+060及DK163+050斷面埋設(shè)壓力盒、鋼筋計(jì)等對圍巖與初期支護(hù)接觸壓力、拱架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2.1 拱頂沉降和水平收斂測點(diǎn)布置

共監(jiān)測上、中、下臺階水平收斂變形與拱頂沉降4處，測點(diǎn)布置見圖5。

3.2.2 初支結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置

應(yīng)力監(jiān)測斷面分別在拱頂、拱腳、邊墻布置共5處測點(diǎn)，每處測點(diǎn)布設(shè)1個(gè)壓力盒、2個(gè)鋼架應(yīng)變計(jì)（在拱架兩側(cè)各布置一個(gè)）及1個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)，詳見圖 6 。

3.2.3 錨桿軸力測點(diǎn)布置

測量錨桿選用6.5 m長錨桿，每根錨桿上等距離（距孔口1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m處）布置4個(gè)鋼筋計(jì)，如圖7所示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

各試驗(yàn)段的7個(gè)監(jiān)測斷面結(jié)果見表 2 ，表中數(shù)據(jù)為收集日期截止時(shí)各斷面施工過程中最大值。

4.2 拱頂沉降對比分析

I25鋼架斷面、I25（b）鋼架+預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面、Hw175鋼架+預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面拱頂沉降時(shí)程曲線見圖8。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿對于拱頂沉降變形速率與變形最終穩(wěn)定值均有明顯降低，最終拱頂沉降值約降低25.4%～63.5%。

（2）同為預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿條件下，施作I25（b）鋼架較Hw175型鋼架對拱頂沉降變形速率與變形最終穩(wěn)定值有明顯降低。

4.3 水平收斂對比分析

I25鋼架斷面、I25（b）鋼架+預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面、Hw175鋼架+預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面水平收斂時(shí)程曲線見圖 8 。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿較只施作鋼架洞室兩側(cè)水平收斂并未降低，相反，上中下3個(gè)臺階均存在變形過大侵限情況，說明預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿在此工況下起到的變形控制作用有限。

（2）同為施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿工況下，呈現(xiàn)隨著鋼架強(qiáng)度的增加洞周水平收斂變形速率和變形值減小規(guī)律（圖9）。

4.4 圍巖壓力對比分析

不同支護(hù)參數(shù)試驗(yàn)段圍巖初支接觸壓力如圖 10所示由試驗(yàn)結(jié)果得到：

（1）圍巖壓力整體均較大，且受近隧道斷層影響，一側(cè)壓力明顯高于異側(cè)。

（2）圍巖壓力分布較為均勻，支護(hù)參數(shù)變化對圍巖壓力變化影響不大。

4.5 鋼拱架應(yīng)力對比分析

不同支護(hù)參數(shù)鋼拱架應(yīng)力分布如圖11、圖12所示，由試驗(yàn)結(jié)果得到：

（1）鋼拱架內(nèi)外側(cè)翼緣均受壓，邊墻部位壓力最大，無樹脂錨桿斷面左右拱腳，Hw175型鋼斷面拱頂、拱腳和邊墻鋼拱架壓力均大于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。說明應(yīng)采用Hw175型鋼強(qiáng)度不夠，應(yīng)提高鋼拱架強(qiáng)度。

（2）同為I25（b）型鋼條件下，施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面型鋼壓力為較無預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面拱頂降低約11.7%～19.6%，拱腰降低約20.4%～32.2%，拱腳降低約10.1%～34.5%。說明預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿承擔(dān)了一部分荷載，減小了鋼架應(yīng)力。

（3）同樣施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿情況下，施作I25（b）型鋼斷面較Hw175型鋼斷面拱頂降低約5.6%～43%，拱腰約降低22.9%～45.1%，拱腳約降低11.9%～ 41.6%。

4.6 錨桿軸力分布

為了解預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿拉拔力（錨固力）與齡期關(guān)系，在現(xiàn)場打入錨桿30 min后，進(jìn)行了3根拉拔力測試，打設(shè)完成3 h后測試3根，之后在錨桿打設(shè)1 d、3 d、5 d、10 d、15 d、17 d后均對同一根錨桿進(jìn)行了拉拔測試得到錨桿拉拔力與齡期散點(diǎn)關(guān)系如圖13所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：樹脂錨桿施作后約在第3天拉拔力最大，達(dá)到195.2 kN，且錨桿拉拔力在前3個(gè)小時(shí)提升迅速，并超過了設(shè)計(jì)錨固力151 kN的要求;但是從5 d后拉拔力明顯下降，第10 d錨桿拉拔力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，幾乎失效。推測可能是由于錨桿鉆孔內(nèi)水環(huán)境改變導(dǎo)致圍巖軟化，或松動圈發(fā)育與應(yīng)力釋放導(dǎo)致圍巖變得松散，以至樹脂錨桿錨固力下降。

錨桿的軸力時(shí)程曲線與空間分布分別如圖14、圖15所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）錨桿整體受拉，其中最大軸力位于隧洞近斷層一側(cè)，中臺階與下臺階最大錨桿軸力分別為179 MPa、175 MPa。從錨桿的受力情況看，錨桿對增強(qiáng)巖體整體性和承載力、減小圍巖作用在初支結(jié)構(gòu)上的荷載方面有一定效果。

（2）從時(shí)程曲線可以看出，樹脂錨桿軸力約在施作5 d后成穩(wěn)定增長狀態(tài)，在施作約17～20天后軸力開始下降，直至基本失去作用，這也解釋了為什么施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿斷面較未施作斷面變形反而增加。

5 結(jié) 論

本文依托大臨鐵路白石頭隧道開展預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿軟巖大變形控制效果試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)后得到初步結(jié)論：

（1）同為I25（b）鋼架條件下，施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿對于降低拱頂沉降變形速率與變形值均有明顯作用，本次試驗(yàn)變形值降低25.4%～63.5%;在鋼架強(qiáng)度較弱工況下，預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿對于水平收斂變形的控制能力十分有限。在本次工程背景下與I25b型鋼配合使用的變形控制效果較為理想。

（2）施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿能降低約10%～30%的鋼拱架應(yīng)力，有利于提高鋼架安全性。

（3）預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿施作3 h后即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，有利于后續(xù)施工的快速展開，保障施工安全。

（4）預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿存在在施作17～20天后軸力下降，直至基本失去作用的現(xiàn)象，推斷其原因是由于錨桿鉆孔內(nèi)水環(huán)境改變導(dǎo)致圍巖軟化，或松動圈發(fā)育與應(yīng)力釋放導(dǎo)致圍巖變得松散，錨固體失效。預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿在薄層絹云片巖、炭質(zhì)片巖地層條件下的適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。

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