隧道三台阶开挖锁脚锚管倾角优化研究

隧道三台阶开挖锁脚锚管倾角优化研究

杨 志 刚1，肖 伯 强1，陈 培 帅1,2，杨 钊1，田 洪 铭3

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 3.中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

摘要：跨度大、扁平率高的隧道在施工过程中拱顶沉降等控制要求十分严格，台阶法因其施工效率高、控制隧道变形能力较强等优点而被广泛采用。工程实际中若支护结构封闭较晚，隧道变形则较难控制，打设锁脚锚管是控制隧道变形的有效手段，然而目前关于锁脚锚管施工和设计方面的研究较少。以新疆石人子沟隧道为例，开展了锁脚锚管倾角优化分析。分析认为，上台阶锁脚锚管是施工控制的关键，锁脚锚管最优倾角范围为上台阶0°～45°、中台阶0°～56°、下台阶10°～60°；且从控制隧道变形的角度考虑，倾角在所述范围内应尽可能大，这与诸多现场经验结论较为吻合，相关成果可以为类似工程提供参考。

关 键 词：锁脚锚管； 三台阶工法； 钢拱架； 倾角； 隧道施工

1 研究背景

隧道施工过程中，由于初支封闭较晚，极易导致隧道变形过大，造成严重的工程事故[1-2]。CD法、CRD法等是实现隧道临时封闭成环的有效施工手段，然而由于施工效率等方面的影响，施工过程中更多采用三台阶法，为预防隧道发生较大变形，一般采用打设锁脚锚管等方法实现初支临时半闭合，锁脚钢管具有刚度大、效果好、施工速度快等优点，在工程中得到了广泛应用[3-4]。然而关于锁脚锚管适用条件、长度、外径、壁厚和下插角等参数的选择，几乎是研究空白，完全依靠施工经验确定。

大量学者通过理论和计算分析，认为从控制隧道变形角度出发，锁脚锚管下插角应尽可能小。伍毅敏忽略钢拱架与锁脚锚管的整体结构效应，将拱架对锁脚锚管的荷载简化为锚管端部的竖向集中力，通过有限元计算，认为锁脚钢管的合理下插角应小于5°[5]。张涛通过数值计算，也得出隧道拱顶下沉和净空收敛均随锁脚锚管下插角度的增大而增大的结论[6]。雷权有认为从限制围岩变形的角度的出发，打入角度宜取0°，从支护结构内力的发挥角度出发，打入角度宜取30°[7]。然而大量隧道工程实践表明，锁脚锚管倾角越大，其控制隧道变形尤其是拱顶沉降的效果越显著[8-9]。

综上所述，研究学者对于锁脚锚管倾角看法不一，甚至较多研究成果与施工实践经验背离。本文拟基于有限元数值分析手段，通过锁脚锚管多倾角工况模拟，研究隧道变形随锁脚锚管倾角调整的变化规律，提出设计与施工中锁脚锚管倾角设置的原则，推动行业对锁脚锚管倾角的认识。

2 工程概况

新疆石人子沟隧道设计为双洞分离式隧道，左右测设线间距为35 m，为双线6车道隧道，隧道围岩为V级。初期支护体系为工字钢拱架，径向系统锚管，钢筋网及喷射混凝土。钢拱架之间用纵向钢筋连接，并与径向锚管及钢筋网焊为一体，与围岩密贴，形成承载结构[10-11]。

本文以左洞为研究对象，对锁脚锚管倾角进行优化，左洞地层分布情况如图1所示。施工过程中，洞口浅埋段采用双侧壁导坑法施工，后续转为CD法施工，施工方在后续标段掘进时，拟逐渐由CD法向三台阶法过渡。锁脚锚管在稳定钢拱架、控制隧道变形方面非常重要，设计施工图中锁脚锚管打设角度统一为45°，为方便施工，实际施工过程中拟对锁脚锚管角度进行调整，由45°倾角改为25°。本文依托该工程，对锁脚锚管倾角设置原则进行探讨。

图1 左洞地层分布

3 锁脚锚管倾角优化分析

以左洞ZK30+740为例进行优化分析计算，该标段埋深45 m。计算模型中上覆岩层厚度为10 m，同时上部施加35 m的土重力荷载，线荷载取770 kN/m。掘进岩层为砾岩，弹性模量取反演值0.76 GPa。采用Midas-GTS软件进行计算分析，岩体采用摩尔库伦本构模型，考虑较为理想的施工条件，注浆锁脚锚管与岩体接触采用嵌入式单元，考虑拱架与锚管牢固焊接，取锚杆与钢拱架节点共用。

对上中下3个台阶锁脚锚管倾角进行优化，如图2～3所示，计算工况分别选取11个锁脚锚管倾角，其中最小倾角取0°(见表1)，最大倾角为锚杆与钢拱架拱脚相切。

图2 计算模型

图3 锁脚锚管倾角工况

表1 上台阶锚管倾角计算分析

角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm023.8696.2823023.4396.524523.8216.3103523.3456.5881023.7566.3464023.2716.6401523.6826.3904523.2136.6602023.6056.4325023.1156.5942523.5326.470

3.1 上台阶锁脚锚管倾角优化

上台阶分析时，不考虑中台阶和下台阶的锁脚锚管。计算结果如图4～5所示，随着锚管倾角的增大，拱顶沉降逐渐减小，水平收敛值先增大后减小(转折点为45°)；隧道拱顶沉降极差为0.754 mm，水平收敛极差为0.318 mm；从隧道沉降和水平收敛角度综合考虑，锚管角度在0°～45°范围内应尽可能大。

图4 拱顶沉降随锁脚锚管倾角变化

图5 水平收敛随锁脚锚管倾角变化

3.2 中台阶锁脚锚管倾角优化

中台阶分析时，上台阶锁脚锚管采用30°倾角，不考虑下台阶的锁脚锚管。计算结果如表2所示，施加中部锁脚锚管后，隧道位移减小；随着锚管倾角的增大，拱顶沉降逐渐减小，水平收敛值先减小后增大(转折点为56°)；拱顶沉降极差为0.365 mm，隧道水平收敛极差为0.38 mm；锚管角度在0°～56°范围内应尽可能大。

表2 中台阶锚管倾角计算分析

角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm023.4096.2504823.1725.874823.3846.1545623.1345.8701623.3516.0606423.0845.8822423.3075.9667223.0555.9503223.2655.9128023.0446.1024023.2175.882

3.3 下台阶锁脚锚管角度优化

下台阶分析时，上台阶锁脚锚管采用30°倾角，中台阶锁脚锚管采用48°倾角。

计算结果如表3所示，随着锚管倾角的增大，隧道拱顶沉降逐渐减小，隧道水平收敛先减小后增大(转折点60°)；相对于不设置下台阶锁脚锚管，锚管角度大于60°时，锁脚锚管增加了水平收敛；相对于不设置下台阶锁脚锚管，锚管角度小于10°时，锁脚锚管增加了拱顶沉降；隧道拱顶沉降值极差为0.152 mm，水平收敛极差为0.008 mm；从安全角度分析，锁脚锚管角度应设置为10°～60°，且倾角应尽可能大。

表3 下台阶锚管角度计算分析

角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm角度/(°)拱顶沉降/mm水平收敛/mm023.1835.8646023.0935.8561023.1755.8587023.0705.8782023.1635.8528023.0555.9103023.1495.8469023.0425.9464023.1345.84410023.0315.9845023.1135.856

4 锁脚锚管倾角分析结果

由极差分析结果可知：上台阶锁脚锚管倾角对拱顶沉降影响最大，中台阶其次，下台阶最小；中台阶锁脚锚管倾角对水平收敛影响最大，上台阶其次，下台阶最小。考虑到公路隧道跨度较大，拱顶沉降控制为隧道变形控制的关键，且上台阶对拱顶沉降影响最大(见表4)。因而认为，在施工中应严格保证上台阶45°倾角，中台阶和下台阶可以考虑施工方便，适当减小。

表4 锁脚锚管度计算分析

台阶拱顶沉降极差/mm水平收敛极差/mm建议倾角上台阶0.7540.318严格保证45°倾角,大致与拱架相切中台阶0.3650.380可考虑施工方便程度,在0°～56°范围取合理值下台阶0.1520.008可考虑施工方便程度,在0°～60°范围取合理值

如图6～7所示，采用锁脚锚管倾角优化值，得出左洞ZK30+740计算结果为：拱顶沉降值为23.099 mm，水平收敛值为6.044 mm。

图6 ZK30+710竖向位移云图(单位：m)

图7 ZK30+710水平位移云图(单位：m)

5 结 论

采用有限元计算分析手段，通过多工况数值计算分析，开展三台阶开挖工法的锁脚锚管倾角优化分析，得出了隧道变形随锁脚锚管倾角调整的变化规律。

(1) 上台阶锁脚锚管角度对拱顶沉降影响最大，中台阶其次，下台阶最小；中台阶锁脚锚管对水平收敛影响最大，上台阶其次，下台阶最小。

(2) 大跨度公路隧道变形控制的关键为拱顶沉降，隧道拱顶沉降随倾角的增大而减小，最优倾角为与拱架相切，但从钻机施工空间角度考虑，可适当减小倾角。

(3) 上台阶锁脚锚管倾角对拱顶沉降影响最大，因而应重点保证上台阶锚管倾角为最优角度，一般应取45°或与拱架相切。

参考文献：

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[5] 伍毅敏，吕康成，徐岳.软弱地基隧道锁脚钢管承载特性研究[J].岩土工程学报,2009(12):71-79.

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(编辑：胡旭东)

Dip angle optimization of feet-lock bolt in tunnel constructed by three steps excavation

YANG Zhigang1, XIAO Boqiang1, CHEN Peishuai1,2, YANG Zhao2, TIAN Hongming3

(1. Technology Center of CCCC Second Harbour Engineering Co., Wuhan 430040, China; 2. School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: Highway tunnel has the characteristics of large span and flat rate, so the crown settlement control is demanding in the construction process. The three-step excavation is widely used in tunnel construction because of its high construction efficiency and strong tunnel deformation control capability. If the supporting structure closed late in construction, the tunnel deformation would be difficult to control, and the feet-lock bolt is an effective way to restrain the deformation. However the research on feet-lock bolt is almost blank at present. Taking the Shirenzigou tunnel in Xinjiang as a case, the optimization of dip angle of feet-lock bolt was carried out. The analysis results indicate that the key of construction control is the feet-lock bolt construction in upper step, and the optimal angle range is 0～45° for the upper step, 0～56° for the second step, and 0～60°for the bottom step. In the above angle range, the angle should be as large as possible in view of controlling tunnel deformation, which is in good agreement with many field experiences.

Key words: feet-lock bolt; three steps excavation; steel arch; dip angle; tunnel excavation

收稿日期：2016-10-17

基金项目：国家重点基础研究发展“973”计划项目(2015CB057906)

作者简介：杨志刚，男，高级工程师，主要从事隧道桥梁工程施工及管理工作。E-mail: [e-mail]

文章编号：1001-4179(2017)16-0060-03

中图法分类号：U455

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.16.013