天津关隧道软岩大变形段锁脚锚杆支护技术研究*

佟晓冬，郭金冀，谭贤君

(1.中交一公局第五工程有限公司，北京 100024； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

0 引言

目前，通过长期的理论研究和工程实践，总结出一些预防和处治软岩隧道大变形的方法,如高早强喷射混凝土、高强钢拱架、超前管棚/小导管、预应力锚杆、注浆加固、临时仰拱长锚杆及锁脚锚杆等[1-6]。其中锁脚锚杆支护技术近年来应用较多，其效果得到业界一致认可，众多学者也开展大量研究，取得一定成果，如罗彦斌等[7]以包茂线西康高速公路包家山特长公路隧道为依托，采用现场试验的方法，对典型断面锚杆轴向应力进行测试，结果表明，拱部锚杆受力较小，锁脚锚杆受力较大。邓国华等、王晨昭[8-9]对比分析锚杆和锁脚锚杆的异同点,提出锁脚锚杆的数值模拟方法，并通过三维有限元分析,研究锁脚锚杆对支护结构变形和内力的影响规律。陈丽俊等[10-11]采用结构力学和弹性地基梁理论推导锁脚锚杆挠度、剪力、弯矩和地基反力的解析表达式。彭正中等[13]采用有限元分析软件对锁脚锚杆与初支钢架连接结构的力学特性进行模拟分析，结合理论分析与现场试验结果，提出合理的锁脚锚杆与初支钢架连接结构，并优化偏压侧锚杆设置参数。

但总体来说，目前针对锁脚锚杆支护的理论、设计及施工方法研究还较少,不能很好地指导实际工程,导致隧道现场施工存在一定盲目性,不仅给施工带来诸多困难、延误工期和增加造价,甚至造成人员伤亡。因此,对软弱围岩隧道中控制过大变形的锁脚锚杆支护特性进行研究[14-15],最大限度降低软岩大变形所带来的危害,具有重要的理论和实践意义。

鉴于此，本文结合双大路二期(柏峪—斋幽路)天津关软岩隧道工程，研究了锁脚锚杆的支护效果，提出进一步优化措施，并研究锚杆直径和长度对支护效果的影响等。

1 工程概况

双大路二期(柏峪—斋幽路)道路工程位于北京市门头沟区西部斋堂镇，路线起点位于柏峪村西北口双大路一期柏峪隧道北侧，终点位于沿河城南侧，与斋幽路(S211) 相交。起点桩号为 K0+000，终点桩号为 K17+909，路线全长 17.91km。

天津关隧道起止里程桩号为K1+287—K2+283,总长996m，属中长隧道。隧道宽10.0m，高5.0m，为双向行车单洞三级公路隧道，隧道进口路面高程987.160m，隧道出口路面高程992.520m。洞身主要穿越碎石土、强风化白云岩、中等风化白云岩、强风化闪长岩及中等风化闪长岩。强风化白云岩岩体破碎，节理裂隙极发育，结构类型为碎裂状结构；中等风化白云岩岩体较破碎，节理裂隙发育，结构类型为裂隙块状结构；强风化闪长岩岩体破碎，节理裂隙极发育，结构类型为碎裂状结构；中等风化闪长岩岩体较破碎，节理裂隙较发育，结构类型为裂隙块状结构；碎石土呈中密～密实状态，仅隧道进口段崩积碎石土呈松散～稍密状态。

2 锁脚锚杆支护方案设计与优化

2.1 原支护设计方案

隧道根据围岩条件，共选用上下台阶法、环形开挖预留核心土法和三台阶法施工，为消除施工工法对隧道围岩变形的影响，以同一工法大变形段(K1+890—K2+010)为对象进行研究。原锁脚支护方案如图1所示，中台阶开挖完成后立拱架，同时施作3m长φ22早强砂浆锁脚锚杆。现场实施桩号为K1+890—K1+920，共40m。

图1 原锁脚锚杆方案设计

典型断面(K1+900)拱顶和拱腰位置累计变形如图2所示。从图2可以看出，采用该锁脚锚杆支护方案，围岩变形并没有得到有效控制，拱顶和拱腰在支护闭合前变形一直都很大，累计变形分别达到了836.5，784.1mm。原因是该断面临近V2级围岩条件很差，且φ22早强砂浆锁脚锚杆没有起到很好的支护效果。为了进一步分析锁脚锚杆在隧道施工过程中控制围岩的作用，绘制隧道拱顶和拱腰的变形速率，如图3所示。

图2 典型断面(K1+900)拱顶和拱腰位置累计变形量

图3 典型断面(K1+900)拱顶和拱腰位置变形速率

从图3可以看出，围岩变形速率与隧道开挖过程的关系。隧道上台阶开挖后，由于应力得到释放，围岩变形速率较大，达到46mm/d，此后随着喷射混凝土、钢拱架等初次支护的施加，围岩变形速率慢慢变小，直到左中台阶开挖，围岩变形小幅回升，这是因为左中台阶开挖使得上台阶钢拱架临空，无法起到支护作用，导致围岩变形速率增大，此后随着中台阶钢拱架施工以及φ22早强砂浆锁脚锚杆施工完成，变形速率慢慢得到控制，直到右中台阶开挖，围岩变形速率开始变大，并且比之前的左中台阶开挖时变形速率增大更多，这是因为此时隧道的临空面大大增加，导致支护结构受力显著增大，说明三台阶七步开挖法施工时，要特别重视第3步开挖时的支护。右中台阶支护施工完成，围岩变形速率又明显下降，直到左、右下台阶和仰拱开挖时，变形速率又有小幅增加，其原因与中台阶开挖时类似。当第29d初期支护完全闭合后，围岩变形速率开始显著降低，并很快降为0，说明围岩支护结构尽快封闭对减小围岩变形效果显著。

下台阶开挖完成后，初衬已经明显侵限，只能采用换拱方法进行处理。

2.2 设计优化过程与效果分析

上述变形监测数据和现场变形情况表明，原锁脚锚杆支护方案无法很好控制围岩变形，于是提出第1阶段优化方案，如图4所示。

图4 第1阶段优化方案

本次优化支护具体措施为上、中、下台阶开挖完成后，立拱架，同时均施作φ42×4锁脚锚杆，其中上、下台阶位置处的锚杆长3.5m，中台阶位置处的锚杆长4.0m。现场实施桩号为处的K1+920—K1+950，共计30m。此方案拱顶位置累计变形量和变形速率如图5,6所示。从图5可以看出，通过优化后，拱顶围岩变形量比原方案有了较大幅度减小，最大变形量从原来的836.5mm减小到562.3mm，减小32.8%。从图6可以看出，各台阶开挖后由于锁脚锚杆的作用，变形速率增加不是很明显，说明锁脚锚杆起固定钢拱架的作用，但是变形量依然较大，从现场照片来看，局部依然出现了侵限，所以有待进一步优化。该结论与伍毅敏等提出的观点相似，即常用的φ42mm小导管直径过小，横向承载能力有限，不宜用作锁脚钢管。

图5 3种方案拱顶位置累计变形量对比

图6 3种方案拱顶位置变形速率对比

通过上述变形监测数据和现场变形情况表明，第1次锁脚支护优化方案依然无法很好控制围岩变形，于是提出第2阶段优化方案，如图7所示。

图7 第2阶段优化方案

本次锁脚优化支护具体措施为上、中台阶开挖完成后，立拱架，同时施作φ89×6、长5.0m的锁脚锚杆。现场实施桩号为K1+950—K2+010，共计60m。此方案拱顶位置累计变形量和变形速率如图5,6所示。从图5可以看到，通过第2次优化后，拱顶围岩的变形量比原方案有了更大幅度减小，最大变形量从原来的836.5mm减小到342.9mm，比原设计方案减小59.0%。

3 结语

1)虽然φ42×4锁脚锚杆的支护效果好于φ22早强砂浆锁脚锚杆，但依然不能很好控制围岩变形。

2)相比φ42×4锁脚锚杆，φ89×6锁脚锚杆能很好地控制围岩变形，说明锁脚锚杆管径对其支护效果具有重要影响。

3)围岩变形速率与隧道开挖过程有密切的关系，三台阶七步开挖法施工时，要特别重视第3步开挖时的支护。