某引水隧洞格栅支护体力学特性及应用效果研究

全永威

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

地下工程的快速发展推动着支护理念及技术的进步[1]，“新奥法”施工以其在地下工程支护中的优异性能成为我国地下工程的主要支护理念[2]。“格栅拱架+喷射混凝土” 与围岩有着良好的接触，在围岩表面形成稳固壳结构，充分发挥围岩的自承载能力，是一种新型的符合“新奥法”支护理念的初期支护形式，被工程界广泛应用[3-5]。

近年来，国内外许多学者对格栅支护在隧道初期支护中的应用进行了研究[6-8]。如谭忠盛[9]对比分析了高强钢筋格栅与I20b 型钢拱架的支护性能，发现“格栅+喷混凝土”的最终承载能力更大，钢材用量更少。李树忱等[10]建立了“格栅拱架+喷射混凝土”的力学分析模型，结合工程实例得到“格栅拱架+喷射混凝土”初期支护的弹性解，分析了初期支护的力学特性。李东勇等[11]采用数值模拟分析了暗挖隧道施工过程及支护结构受力情况，发现格栅钢架在施工过程中承受着主要的围岩荷载。于富才等[12]分别采用普通钢筋和高强钢筋浇筑3组格栅混凝土复合支护构件，研究了3组构件的力学特性、隧道工程适用性和复合支护特性。

本文依托某浅埋软岩隧洞，通过在格栅拱架及锚杆上粘贴应变片的方式，来测试分析格栅拱架及锚杆应力的沿程分布情况，分析“格栅拱架+系统锚杆+喷射混凝土”在隧洞开挖过程中的支护效果，进一步评价其性能，为类似工程支护设计提供参考。

1 工程背景

某隧洞为极软岩隧洞，洞深段长1 825 m，为无压明流隧洞，开挖分进出口同时进行。隧洞开挖型式为圆拱直墙形，最大开挖断面尺寸为6.3 m×6.3 m，衬砌断面型式为马蹄形，设计流量48 m3/s，隧洞纵坡1/1 000。

隧洞穿越的地层为第三系半胶结状态的砂岩、砂砾岩和泥岩互层，岩体软弱，工程地质条件较差。天然状态抗压强度为0.42～0.45 MPa，纵波波速为1 000～2 080 m/s，洞体一般埋深30～40 m，最大埋深43 m，黏土质泥岩，地下水不发育，局部地段含上层滞水。

隧洞开挖采用上下台阶法。先起拱点以上人工开挖，预留核心土，长度控制在1～2 m；后起拱点以下机械开挖为主，局部欠挖地段使用风镐凿除。开挖后围岩面干净、平整，无松动岩石。

按设计要求，Ⅳ类及Ⅳ类以下围岩分为两次支护。初次支护为格栅拱架+锚杆+喷混凝土，二次支护为厚度40～45 cm的混凝土衬砌。初次支护中，格栅拱架由φ28 mm螺纹钢焊接组成，螺纹钢型号为HRB335，即屈服强度为335 MPa，格栅拱架间距为1.0 m；系统锚杆φ20 mm，长度2.5 m，间距1.0 m，挂钢筋网喷20 cm厚C20混凝土。见图1。

图1 某隧道初次支护方式(单位：mm)

2 格栅支护力学性能测试

2.1 试验方案

为分析隧道开挖过程中，格栅拱架与锚杆应力沿程分布情况及随隧道开挖的变化特征，布置3个测试断面，采用应变片测试断面内的格栅拱架与锚杆应力变化情况，试验持续至围岩变形及应力不再变化。3个监测断面分别位于1+004.5、0+997.5和0+994 m。本次测试选用大小为5 mm×3 mm的TST120-5AA型电阻应变片，阻值为119.8±0.1 Ω，灵敏系数2.08±1。

应变片布置方案见图2。

图2 应变片布置方案

2.1.1 格栅拱架应力测试方案

沿格栅拱架的外层钢筋内侧环向布置40枚应变片，平均间距为40 cm(图2)。粘贴前，将格栅拱架上的钢筋贴片处用手持砂轮机或钢锉打平，经细砂纸进一步磨平后，采用丙酮将粘贴面擦洗干净，采用502胶水将应变片粘贴牢固。为保证测试效果，每个格栅拱架受力研究断面内布置2枚温度补偿片，分别布置在顶拱和边墙处。3个监测断面分别为GSY1、GSY2和GSY3，共计安装126枚应变片。

2.1.2 锚杆应力测试方案

结合围岩内系统锚杆的设计方案，每个观测断面内布置9根锚杆(图2)，直径20 mm。其中，两侧边墙各布置2根2.0 m锚杆(编号①、②、⑧、⑨)；左右拱脚各布置1根锚杆(编号③、⑦)；左右拱肩各布置1根45°斜向锚杆(编号④、⑥)；顶拱布置1根锚杆(编号⑤)。编号③-⑦锚杆长度1.5 m。采取同样的方式安装应变片，每个断面内安装54枚应变片，每根锚杆安装6枚应变片。其中，2.0 m锚杆安装应变片分别位于20、50、80、110、140和180 cm围岩深度处；1.5 m锚杆安装应变片分别位于20、40、60、80、100和120 cm围岩深度处。从孔口向孔内依次编号，孔口为1，至孔底则为6。

选择相同直径的10 cm钢筋，安装1个应变片，作为温度补偿，将该钢筋(含应变片)放置在锚杆附近且不受力围岩内，当喷混凝土施工时，与锚杆同时固定于围岩。每个锚杆受力研究断面内布置2枚温度补偿片，一枚布置于顶拱，另一枚布置于边墙。3个监测断面分别为MGY1、MGY2和MGY3，共计安装168枚应变片。

2.2 试验结果分析

2.2.1 格栅拱架应力分析

图3为3个格栅拱架左侧边墙测点和顶拱测点的应力变化过程曲线。

图3 格栅拱架监测断面测点应力变化过程曲线

图3中，应力的正值为拉应力，负值为压应力。由图3可知，在边墙部位，由于初次支护时间相对晚于顶拱，且在边墙底脚处未形成有效约束，格栅的受力在支护初期并未出现明显的受压或受拉趋势，且应力量值水平也不高，随着开挖进尺距离的增加，应力增大，呈现明显的受拉状态。顶拱部位的格栅钢筋在支护初期明显随开挖进尺呈压力增加趋势,一般在2～3倍的洞径以前压力值增加速率较大，后期随着围岩自承拱的形成，减小了围岩对格栅拱架的压力，增加速率则相对较缓。

3个格栅拱架断面的应力测试结果及其平均值见图4。由图4可知，3个监测断面格栅钢筋的应力测试结果较为接近，数值大体相近。两侧边墙以拉应力居多，而顶拱则以压应力为主，且呈现顶拱中部受力较大而两侧拱脚受力较小的特点。

图4 格栅拱架钢筋受力综合应力计算分布图

综合计算结果显示，两侧边墙2/3高度以下以拉应力为主，量值水平一般不超过30 MPa；2/3高度以上部位总体上以较小量值水平的压应力为主。其原因应与边墙初次支护时间滞后于顶拱，且边墙底脚处格栅所受约束不明显有关。在顶拱处，中部均为压应力，量值在100 MPa左右，GSY1断面压应力最大为132.4 MPa；向两侧则逐渐减少，至拱脚时达到较低水平的压应力，量值一般不超过50 MPa。最大受力为屈服强度的40%，格栅拱架可以保证其稳定性，同时支护性能得到充分发挥，不至于造成支护浪费。

2.2.2 锚杆受力分析

图5为3个锚杆应力监测断面顶拱测点和边墙测点的应力变化过程曲线。选择MGY1断面，分析其断面不同部位、不同深度位置的应力情况，见图6。

图5 锚杆监测断面测点应力变化过程曲线

由图6可知，各锚杆点应力沿程分布均是孔口处应力大，向孔内逐渐减小。边墙部位的锚杆应力变化是先受压应力，洞室开挖到3倍洞径左右时压应力达到最大，之后随着开挖距离的增加，压应力逐渐减小，最后转变为拉应力。另外，边墙部位锚杆各外部测点大多受拉应力，顶拱和左右拱肩锚杆的各外部测点则多数受压应力作用；但各锚杆的孔内深部测点则都比较小，其测值一般在±4.0 MPa以内。这种顶拱部位锚杆受压、而边墙部位受拉的应力分布方式，应与洞室开挖型式有关。同时，3个断面内拱脚处锚杆上各测点的应力值拉压应力交替且量值较小，这种现象说明拱脚处的锚杆应力处于边墙和顶拱之间的过渡阶段。

图6 MGY1断面各部位锚杆沿程应力分布

综合以上测试结果可知，各测点的应力大小绝大多数在±10 MPa以内，仅个别测点超过该范围，表明锚杆所受的拉/压应力总体上不大。

3 围岩变形测试

在格栅受力研究断面GSY1附近布置围岩5测点收敛观测断面，即顶拱布置1点，两侧拱脚各1点，两侧边墙各1点。其中，顶拱点与两侧拱脚点组成上三角形，顶拱点与两侧边墙点组成下三角形，见图7。图8为收敛观测断面上下两个三角形的累计变形过程曲线。

图8 收敛断面测点累计变形

由图7、图8可知，收敛断面内上三角形两条斜测线(1-2和1-3)的变化量约为10 mm左右，而水平测线(2-3，连接两个拱脚)的收敛值为35 mm；下三角形中两条斜测线(1-4和1-5)的累计变形均在20 mm以内，水平测线(4-5，连接两侧边墙)的变形值达65 mm，这均表明两侧墙间(或水平向)收敛变形明显大于顶拱部位的竖向变形。从变形过程看，收敛变形速率较大阶段，也是出现距离掌子面在2～3倍洞径以内，以后变形趋缓，这与本次实测的应力变化过程线基本一致(图3和图5)。

收敛断面内的水平向收敛值明显大于竖向变形，其原因主要是顶拱的初次支护较早，并且为圆弧形支护结构，增加了初次支护对软弱围岩的承载能力，有效地减缓了顶拱的垂直向变形，利于围岩稳定。相应地，边墙的初次支护时间晚于顶拱2～3 d，该部位的格栅拱架为直立型式，均不利于抑制边墙围岩变形(水平向)。此外，直立型式的初次支护又有利于抑制顶拱围岩的竖向变形。

正是基于上述支护结构及变形影响，导致顶拱部位的格栅拱架内钢筋受到较大的压应力，并且顶拱中部因围岩较大的水平向收敛变形而导致压应力最大。而两侧边墙围岩的水平向位移对包括格栅拱架在内的初次支护形成挤压，导致格栅内钢筋产生向临空面侧弯或侧弯趋势，从而使得边墙部位的应变片出现拉应力。但是，边墙格栅在底脚处并未形成强有力的约束，存在或多或少的临空面侧的位移，使得边墙处应变片的拉应力测值不大。

结合应力与收敛观测，格栅拱架受压力最大值为100 MPa；位移值较小，最大位移值为65 mm。说明采用“格栅拱架+锚杆+喷射混凝土”的支护形式，充分发挥了支护能力，既实现了控制围岩变形的目的，又不至于造成支护的浪费，保证隧道支护的经济性。

4 结 论

为分析“格栅拱架+锚杆+喷射混凝土”的支护形式在某软岩隧洞的支护效果，开展了格栅拱架及锚杆受力监测试验，并测试了初次支护下的围岩收敛变形，结论如下：

1) 格栅拱架两侧边墙2/3高度以下以拉应力为主，量值水平一般不超过30 MPa；2/3高度以上部位总体上为较小量值水平的压应力。顶拱中部为压应力，量值在100 MPa左右；向两侧逐渐减小，至拱脚时达到较低水平的压应力，量值一般不超过50 MPa。支护初期，格栅钢筋压力随开挖进尺呈明显增加趋势，2～3倍的洞径以后增加速率相对较缓。

2) 锚杆所受的拉/压应力绝大多数在±10 MPa以内，总体上受力不大。顶拱部位，锚杆主要受压应力；边墙部位，锚杆先受压应力，洞室开挖至3倍洞径左右时压应力达到最大，之后随着开挖距离的增加，压应力逐渐减小，最后转变为拉应力。

3) 收敛断面两侧边墙变形值最大为65 mm。距离掌子面在2～3倍洞径以内，收敛变形速率较大，以后变形趋缓。

4) 采用的“格栅拱架+锚杆+喷射混凝土”的支护形式，包括格栅拱架的设计、支护间距和隧洞的开挖方式是合理的，其充分发挥了支护能力，既实现了控制围岩变形的目的，又不至于造成支护的浪费，保证了隧道支护的经济性。本试验分析了格栅拱架在软岩隧洞中应力的分布规律及大小，可为同类型隧道支护设计提供参考。