浅埋偏压隧道锁脚锚管施工优化研究

彭正中，童 昌

(中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117)

0 引 言

隧道工程支护结构受力体系复杂，在不同等级的围岩段，土压力对支护结构的荷载作用形式都有所不同，尤其是浅埋偏压隧道，支护体系受力情况更为复杂。隧道支护体系一般包括超前支护、初期支护及二次衬砌，初期支护作为隧道工程最重要的一道受力结构，其承载能力直接决定了隧道施工及运营过程中的安全程度。锁脚锚管能有效抑制钢架的位移及变形，锚管的设置参数及它与钢架的连接形式对支护体系的整体稳定性有着重要的影响[1-5]。

1 工程概况

青海省花石峡至久治高速公路久治2号隧道全长3 930 m，平均海拔超过4 000 m。隧道埋深浅并局部偏压，全隧均为Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩，地质条件极为复杂，是花久高速公路施工风险最高和难度最大的控制性工程。久治2号隧道右洞YK143+600～+680段整体右侧偏压、埋深在20～60 m之间。开挖暴露出的围岩为深灰色碳质泥岩，呈散体状结构，岩层极破碎、软弱，节理裂隙极发育，裂隙内充填泥砂。岩体完整性极差，无自稳能力，成洞条件极差，初支大变形风险很高。

2 原设计支护参数及施工效果

2.1 原设计参数

久治2号隧道YK143+600～+680段为Ⅴ级围岩，设计超前支护参数为Φ42 mm×4 mm超前小导管(长370 cm，外插角为15° ，环向间距为40 cm，纵向排距为240 cm)；初期支护参数为Φ25 mm中空注浆锚杆(长300 cm，纵环向间距为120 cm×100 cm，梅花形布置)、双层Φ8 mm钢筋网(纵横向间距为20 cm×20 cm)、I20b型钢拱架(纵向间距为60 cm)、26 cm厚C25喷射聚丙烯纤维混凝土、4根Φ42 mm×4 mm锁脚锚管(长400 cm，纵向间距为60 cm，与横向水平方向呈45°，下插设置)、设计预留变形量为15 cm。Ⅴ级围岩锁脚锚管安装设计如图1所示，锁脚锚管现场施工如图2所示。

图1 Ⅴ级围岩锁脚锚管安装设计图

2.2 支护施工效果

YK143+600～+680段山体向右侧偏压，设计为Ⅴ级围岩衬砌结构，锁脚锚杆采用7字形Φ22 mm螺纹钢将钢架翼板与锚管端头焊接牢固。通过监控量测发现，YK143+638～+639.2段上台阶初支施作后1 d拱腰水平收敛值为19 mm，拱顶下沉值为9 mm；第2天拱腰水平收敛值和拱顶下沉值均有所放大，分别为25、13 mm，累计变形值分别为44、22 mm；第3天2个值均继续放大，水平收敛值和拱顶下沉值分别达33、24 mm，累计变形值达77、46 mm；由于该段设计预留变形量为150 mm，第4 d在拱脚处补打2根Φ42 mm×4 mm锁脚锚管，补打锚管后水平收敛值和拱顶下沉值均显著减小，当日水平收敛值和拱顶下沉值为18、8 mm，前4天累计变形值为95、54 mm；补打锁脚锚管第2天(即总监测第5天)变形基本收敛，当日变形值为3、2 mm，数据表明补打锁脚锚管后，对初支钢架的水平变形和拱顶下沉均有很好的约束效果。该段监控量测结果见表1。考虑围岩本身变形收敛因素后，初步判定补打锁脚锚管对初支变形第4天快速收敛起决定性作用。

表1 YK143+638～+639.2段监控量测数据统计

为了验证这个判断，在YK143+646.4～+647.6段偏压侧钢架拱脚处施打6根锁脚锚管(现场实施情况见图3)、非偏压侧打4根锁脚锚管。

图3 YK143+646.4～+647.6段偏压侧锁脚锚管施工

施作完成后5 d监控量测当日水平收敛和拱顶下沉值为别为19.11 mm；14.8 mm；8.7 mm；3.2 mm；2.2 mm，该段监控量测数据见表2。从监测结果可以看出，初支施作后第4天，变形基本就已经趋于收敛，累计变形值较YK143+638～+639.2段显著减小。由于YK143+646.4～+647.6段和YK143+638～+639.2段均属于Ⅴ级围岩偏压段，掌子面里程相差无几，且开挖揭露围岩状况及地质条件都很接近。监测数据表明，锁脚锚管对支护结构变形有非常好的抑制作用。

表2 YK143+646.4～+647.6段监控量测数据统计

3 锁脚锚管优化

软弱围岩隧道偏压侧施作6根锁脚锚管能较为有效地抑制初支变形，但6根锁脚锚管布置间距很小，对钻眼精度要求很高，实施时极易发生串眼，施工质量难以保证。为进一步优化钢架锁脚锚管，采用MIDAS Civil有限元分析软件对锁脚锚管进行模拟分析。

3.1 仿真模拟计算原则

(1)根据现场实测监控量测数据，用MIDAS Civil软件反演推算作用在钢架上的土压力荷载；

(2)本次模拟的是软弱围岩段钢架系统受力，为使计算结果更加精确，锁脚锚管与岩土粘结采用横向弹性连接。

(3)钢架外轮廓面与围岩接触采用仅受压弹性接连来模拟。

(4)钢架根部与隧底使用钢楔块顶紧，故软件模拟钢架根部边界条件选择仅Z方向平动自由度固结。

3.2 MIDAS Civil仿真模拟结果

软弱围岩隧道偏压段左右侧土压力不对称，导致偏压侧水平收敛值更大。根据施工经验及监测数据，决定在偏压侧采用I20a工字钢将相邻钢架根部满焊连接，锁脚锚管穿过I20a工字钢腹板并与之焊接。使用MIDAS Civil建模分析钢架系统整体受力情况，钢架与锁脚锚管均采用梁单元模拟。整体模型如图4、5所示。

图4 MIDAS Civil整体模型

图5 MIDAS Civil模型细部

计算结果显示在同等围岩压力作用下，钢架系统水平收敛值(X方向变形)为31 mm，拱顶下沉值(Z方向变形)为18 mm，详细计算结果如图6、7所示，水平收敛46 mm及拱顶下沉30 mm，均明显较小。

图6 水平收敛计算结果

图7 拱顶下沉计算结果

4 优化后锁脚锚管施工效果

根据MIDAS Civil仿真分析结果，YK143+650～+651.2段按照模型参数在偏压侧采用I20a工字钢将相邻钢架根部满焊连接，锁脚锚管穿过I20a工字钢腹板并与之焊接，现场施工图见图8。施作完成后5 d监控量测当日水平收敛和拱顶下沉值为别为11.7 mm；9.4 mm；5.2 mm；2.1 mm；0.1 mm，监控量测数据如表3所示。第3 d变形基本收敛，且收敛值与MIDAS Civil软件计算结果基本吻合。

图8 优化后锁脚锚管施工图

表3 YK143+650～+651.2段监控量测数据统计

在YK143+656～+657.2段偏压侧同样采用优化后的施工方案，并在锁脚锚管内套Φ22 mm螺纹钢然后注浆锚固。施作完成后5 d监控量测累计数值较YK143+650～+651.2段变形数据又有所下降，监控量测数据如表4所示。

表4 YK143+650～+651.2段监控量测数据统计

通过分析，认为锁脚锚管内套Φ22 mm螺纹钢对锁脚系统抗剪能力有一定程度提高，在软弱破碎围岩偏压段，此方式能有效提高整体支护效果。

5 结论及建议

本文结合花久公路久治2号隧道软弱破碎围岩浅埋偏压段锁脚锚管施工案例，在对锚管锁定效果系统分析的基础上，进一步对锁脚锚管优化方案进行仿真模拟数值分析。总结出以下几点结论，并为同类型工程项目施工提出几点建议。

(1)锁脚锚管能大幅度限制钢架位移，从而抑制初支变形。

(2)对于软弱破碎围岩隧道浅埋偏压段，相邻两榀钢架在根部使用I20a工字钢托梁满焊连接，并将锁脚锚管焊接在托梁上，能有效增加锁脚锚管的抗变形能力和钢架的整体刚度，进而减小整个支护系统变形收敛数值。

(3)偏压侧每榀钢架设置4根锁脚锚管，能显著降低初支变形数值。

(4)围岩破碎且自稳能力极差的情况下，可在锁脚锚管内套Φ22 mm螺纹钢并注浆粘结，能有效提高锁脚锚管抗剪能力。

(5)浅埋隧道围岩破碎段应尽量采用三台阶开挖，每层台阶钢架根部均施作2～4根锁脚锚管，确保钢架系统稳定。

(6)每层台阶底部设置[32a槽钢垫梁，再安装钢架，以增加竖向承载力。

(7)施作完初期支护后，应严格实施监控量测，重点加强拱顶下沉、周边收敛、钢架应力及喷射混凝土内应力监测，以根据监测数据实时调整支护参数。