隧道排水管阻塞状态下的衬砌锚杆轴力分析

（山西路桥集团长临高速公路有限公司，山西 太原 030006）

隧道整体本身属于非常复杂的工程结构物，以功能性定位不同可以将公路隧道大体划分为原始围岩体系、衬砌支护体系、排水体系、路面体系及机电通风配套体系，公路隧道的正常运营通行是以上不同系统密切协调配合的结果，一旦其中一套体系出现病害或者异常，将不同程度影响公路隧道的正常通行。

一、隧道排水管未阻塞状态下的衬砌锚杆轴力分析

锚杆支护是公路隧道衬砌首层支护施工中常用的一种围岩加固措施，由于锚杆需要打入隧道围岩内一定深度，锚杆支护适用于埋深值较大且围岩强度等级较高的隧道中。隧道衬砌支护锚杆的轴力变化情况与锚杆支护位置存在相关关系。本文拟选定三个具有代表性的位置进行研究，即：拱顶、拱腰及拱底。图1为隧道锚杆轴力采集点位分布情况。

图1.隧道锚杆轴力采集点位分布情况

选取相同衬砌截面内的三个对应位置锚杆作为研究对象，保证三个锚杆在同一衬砌截面内的目的是剔除沿隧道长度范围内的水位变化因素的干扰，在隧道衬砌排水系统正常工作的基础上，分析三个锚杆沿锚杆长度范围内的轴力变化情况。图2为三个锚杆在衬砌排水系统正常工作条件下的轴力变化图。

图2.衬砌排水系统正常工作条件下的锚杆轴力变化

分析上图可知，位于隧道拱顶部的1号锚杆轴向应力值与锚杆远离隧道衬砌距离值呈非线性正相关关系，由于1号锚杆位于隧道围岩顶部，在绝大多数的公路隧道中，围岩渗透水位一般不超过隧道拱肋高度，位于拱顶位置的锚杆轴力基本不受到衬砌围岩渗透水的影响。采用单元分析法选取不同位置的锚杆进行轴力分析可知，锚杆打入围岩段的轴力与打入围岩段深度呈正相关关系。因此，衬砌锚杆径向长度介于1m～1.5m范围内时，其轴力不断增长，在衬砌结构和围岩结构的交界位置。由于边界材料出现改变，锚杆周围应力作用水平和方向被重分布，在交界位置锚杆轴力出现转折，但总体的变化趋势没有改变。由于衬砌喷射混凝土的刚度水平低于隧道围岩，对应的轴力增长率有所下降。

2号锚杆和3号锚杆分别位于隧道衬砌腰部和隧道拱底，由于衬砌腰部和底部受到隧道围岩及衬砌渗透水分的影响，二者的轴力变化趋势呈现出类似的特征。在渗透水渗流作用影响下，随着衬砌锚杆径向长度的增加，轴力呈现出先增长、再下降、最终再增长的基本趋势，其主要原因是锚杆靠近衬砌一侧受到渗透水渗流场变化的影响。锚杆轴力的变化幅度较大的主要原因是靠近衬砌一侧的锚杆需要克服较大的因水流冲刷引起的隧道围岩漂移效应，为了抵抗水流冲刷应力，锚杆轴力增长较为明显。随着距离的增加，渗透水分的影响程度逐步下降，由于渗透水分的存在，导致衬砌结构与隧道围岩结构的协调变形能力下降，衬砌内普遍存在衬砌脱空现象。锚杆轴力在衬砌段的应力松弛效应更加明显，呈现出逐步下降的基本趋势，锚杆端部在衬砌约束作用下，轴力有所增加。综上分析可知，对于穿越富水层的公路隧道而言，为了保证隧道衬砌结构不同位置的承载可靠性、稳定性，提高锚杆结构在透水状态下，对衬砌和隧道围岩结构的紧固效应，提高两者的协调变形能力，必须加强隧道衬砌腰部和拱底的锚杆加固水平。

二、隧道排水管阻塞状态下的衬砌锚杆轴力分析

为了分析在隧道排水系统处于阻塞状态下的隧道围岩衬砌锚杆轴力变化规律，拟选定隧道衬砌排水系统60%阻塞状态为案例进行分析，渗透水位工况与上文研究内容一致。

图3为隧道衬砌排水系统阻塞程度为60%状态下的不同位置锚杆轴力变化情况，选定锚杆位置与上文图1中的分布情况相同。

图3.隧道衬砌排水系统阻塞程度为60%状态下的不同位置锚杆轴力变化情况

分析图中隧道围岩衬砌不同位置的锚杆轴力变化情况可知，隧道围岩衬砌渗水外排系统阻塞对锚杆轴力的影响尤其显著。其中，与隧道衬砌排水系统完全通畅状态下相比，位于隧道围岩衬砌顶部的1号锚杆，由于衬砌渗透水分水位尚未达到隧道围岩衬砌顶部。因此，渗透水外排情况对顶部围岩衬砌锚杆的轴力影响几乎为零，故在两种工况下的1号围岩衬砌锚杆轴力响应情况基本一致。在工程实际中，正常水位影响条件下可以不考虑渗透水对顶部围岩衬砌锚杆的影响。2号锚杆的轴力变化基本趋势与图1中对应2号锚杆的变化基本一致。可知，隧道围岩衬砌渗水及渗透水外排工况不会改变锚杆的轴力变化规律，但由于排水系统阻塞严重，渗水外排不利，大量渗透水集聚在隧道围岩及衬砌结构内，削弱了锚杆与围岩及衬砌的相互作用力，导致锚杆轴力水平整体下降，由于锚杆轴力下降，进而影响锚杆对衬砌和围岩之间的紧固作用，严重情况下，大量渗透水在水动力效应作用下，将诱发围岩衬砌大变形，造成严重的锚杆锚固失效病害。3号锚杆的在排水系统阻塞状态下的轴力工况变化与2号锚杆基本一致。在工程实践中，为了保证隧道围岩衬砌结构在渗透水影响下的整体性，保证两者的协调变形性能及要求，必须加强2号和3号位置锚杆的锚固能力，在满足隧道围岩强度及破碎性要求的基础上，尽量延长锚杆的实际作用长度，采用高性能衬砌混凝土整体喷射，提高锚杆与围岩及锚杆与衬砌之间的相互握裹力和彼此之间的密封性，以抵御排水系统阻塞状态下的围岩衬砌软化和大变形病害。

三、结语

衬砌锚杆的轴力变化能够较为灵敏地反馈出隧道围岩衬砌内的水分外排情况。在排水系统正常工作条件下，围岩衬砌锚杆受渗透水影响的程度较小，锚杆的紧固效应较为可靠；一旦排水管道出现阻塞，由于渗透水无法及时排出，其对锚杆轴力的削弱效应逐步明显，且不同位置的锚杆轴力变化存在差异；在工程实践中，必须强化渗透水影响范围内的锚杆施工质量，增加接触长度，提高衬砌混凝土的密实度和强度。