黄土隧道中取消系统锚杆的现场试验研究

时间：2022-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：取消系统锚杆，可以及时喷射混凝土，有利于围岩稳定，可以大大缩短工期。但在黄土隧道中，系统锚杆是否能在结构中起到作用，这个问题一直备受争论。由监测结果可知，拱部的系统锚杆所受轴力为压应力，锁脚锚杆所受轴力为拉应力。可见，取消系统锚杆可显著降低工程造价。

黄土隧道中取消系统锚杆的现场试验研究

陈建勋^1，2　姜久纯¹　王梦恕²

（1长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室　西安　710064；2北京交通大学土木建筑工程学院　北京　100044）

摘　要　为了检验系统锚杆在黄土隧道中的作用，在某黄土隧道中设置了有系统锚杆和无系统锚杆两个长各为30 m的试验段，对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等进行监控量测。经对比分析，两个试验段无论从变形还是受力上讲，同类数据均处于同一量级，说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大，网络钢架（钢格栅）＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚杆组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构。取消系统锚杆，可以及时喷射混凝土，有利于围岩稳定，可以大大缩短工期。以Ⅳ级围岩为例，取消锚杆可降低工程造价10．6%。

关键词　黄土隧道　网喷支护　锚杆　网络钢架

目前黄土地区隧道的支护结构形式多采用复合式衬砌，它是由初期支护、防水层和二次衬砌组合而成。初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网、型钢拱架或者格栅拱架等支护部件进行适当组合的支护形式。但在黄土隧道中，系统锚杆是否能在结构中起到作用，这个问题一直备受争论。鉴于此，在某黄土隧道中设置了有系统锚杆和无系统锚杆两个长各为30 m的试验段，进行现场施工监控量测，其目的是通过对两个监测段的对比，检验系统锚杆在黄土隧道中能否起到应有的作用。

1　工程概况

该隧道位于国道主干线GZ（35）青岛至银川陕西境吴堡至子洲高速公路第14合同段，隧道左线全长103 m，右线全长187 m，为双洞四车道隧道。隧址区地貌形态属黄土梁茆区的茆状斜梁。洞身段为Ⅳ级围岩，土层为离石组老黄土，土质较均匀，结构紧密，中部夹含多层棕红色古土壤层和少量钙质结合，呈块状整体结构，柱状节理发育。

该隧道采用复合式衬砌，采用分部开挖法施工（拱部留核心土环形开挖法），开挖半径6．08 m，每循环进尺1．8 m。隧道初期支护无仰拱，初期支护采用喷射C25混凝土，厚20 cm；H-15×15格栅拱架，纵向间距90 cm；φ6钢筋网，间距15 cm×15 cm；φ22药卷式锚杆，长3m，间距100 cm×100 cm。初期支护与二次衬砌之间铺设防水板加土工布。二次衬砌采用C25模筑混凝土，厚45 cm；仰拱采用现浇C25混凝土，厚45 cm。

根据该隧道的地质条件和工程条件，选择了两个试验段进行围岩稳定性及支护效果的监测。第1试验段为有系统锚杆段，里程为YK50＋090．4～YK50＋120．4，埋深约44 m，监测断面里程为YK50＋104．2和YK50＋110．5；第2试验段为无系统锚杆段，里程为YK50＋120．4～YK50＋150．4，埋深约36 m，监测断面里程为YK50＋134和YK50＋142。监测项目有净空收敛、拱部下沉、围岩压力、喷射混凝土应力、格栅拱架应力、纵向连接筋应力以及锚杆轴力等。该隧道采用分部开挖法施工（拱部留核心土环形开挖法，如图1所示），故元件埋设也是分步进行。从2006年3月17日开始进行元件的埋设工作，至2006年6月3日，各试验段的元件埋设工作全部结束，并进行了长期观测。

2　监测结果与分析

经过6个月的观测，各项数据已稳定，对量测数据整理分析，总结如下。

2．1　净空收敛

净空收敛监测工作是在图1中第Ⅶ步施工完成后进行的。净空收敛监测结果见表1。从表1可以看出，2个监测段的净空收敛变形数值相差不大，在同一量级。

图1　隧道施工步骤示意图

表1　净空收敛监测结果

2．2　拱部下沉

拱部下沉监测工作是在图1中第3步完成后进行的。拱部下沉监测结果见表2。从表2可以看出，各监测断面的下沉值除YK50＋110．5相对来说稍大外，其他断面下沉值都较为接近。

表2　拱部下沉监测结果

2．3　围岩压力

围岩压力监测结果如图2所示。从中可以看出，断面YK50＋104．2围岩压力较大，且分布形式与其他相比有所不同。而其他3个断面的围岩压力大小相近，分布相对较均匀。

图2　围岩压力分布图

2．4　喷射混凝土应力

喷射混凝土外缘（靠近黄土层）的应力监测结果如图3所示。

从监测结果图可以看出，监测断面YK50＋110．5和YK50＋142喷射混凝土应力出现了拉应力，但从现场的观察来看，对整体的稳定性无影响。其他3个断面的喷射混凝土应力均为压应力，且数值相差不大。

（单位：MPa，“＋”为受压，“－”为受拉）

图3　喷射混凝土应力分布图

2．5　格栅拱架应力

格栅拱架应力监测结果如图4和图5所示。从拱架应力分布图来看，各断面的应力值多为压应力，应力值大小相近，处于同一量级，且分布较均匀。

（单位：MPa，“＋”为受压，“－”为受拉）

图4　拱架内侧应力分布图

2．6　纵向连接筋应力

纵向连接筋应力监测结果见表3。从监测结果表中可知，纵向连接筋应力多为压应力，且数值不大，最大应力值仅为钢材屈服极限的22．1%。

（单位：MPa，“＋”为受压，“－”为受拉）

图5　拱架外侧应力分布图

2．7　锚杆轴力监测

隧道锚杆轴力监测结果见表4及图6、图7。由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，拱部锚杆施工往往无法径向施作，拱部锚杆接近于水平状态，达不到设计要求。从表4可以看出，隧道的拱部系统锚杆和墙脚处锁脚锚杆轴力均为压应力，且受力不大，而拱脚处的锁脚锚杆所受轴力为拉应力，这与拱部的系统锚杆受力有很大区别。同时，相邻的另一座黄土隧道也进行了锚杆轴力监测，监测结果见表4。由监测结果可知，拱部的系统锚杆所受轴力为压应力，锁脚锚杆所受轴力为拉应力。总的来看，锚杆轴力很小，且多数受压，说明锚杆在Ⅳ级围岩（黄土）中支护效果不明显。

表3　纵向连接筋受力监测结果