下承式锚杆在大断面富水隧道施工中的应用研究

1、 .下承式锚杆在大断面富水隧道施工中的应用研究摘要:包家山特长隧道为国家规划的包头至茂名公路大通道的控制性工程，隧道全长11.2公里，分离式双向4车道，是全国第三长公路隧道，也是公路行业目前施工难度最大的隧道之一。隧道工程地质以千枚岩为主，断层破碎带多，地下水丰富。目前国内关于富水千枚岩地层隧道施工的经验还不多，如何快速、安全的完成本工程面临的主要问题。关键词：千枚岩，下承式，大断面，富水一、工程概况隧道按分离式单向行车双线隧道设计，设计行车速度80km/h，洞门采用1：1削竹式洞门。包家山特长隧道设计断面98m2。隧道通过地段属于南秦岭留坝-白河褶皱带，地处南羊山断裂和石泉安康断裂之间，受区

2、域构造的影响，隧道通过地段断层、褶皱发育，中生代来，本区新构造运动受秦岭构造带总体活动格局的制约，主要表现为断裂构造的继承性活动和山盆耦合的震荡性不均匀升降以及地震的多发性。影响全隧道的较大规模断层有37条断层,断层影响带宽度多为310m，个别断层宽度达到40m。断层带周边常见强构造混杂带，强糜棱岩化，片理化等，断层两侧裂隙发育岩石破碎，围岩稳定性差。褶皱共有3处，影响宽度300800m，褶皱轴部节理发育，岩体破碎，围岩稳定性差。富水段工程地质以粉砂质绢云母千枚岩夹炭质板岩为主，千枚岩含量占45左右，其饱和单轴抗压强度Rc为2.98MPa。富水段区域断层、褶皱发育，断裂带内不仅岩石破碎，而且节

3、理裂隙发育，是地下水贮存的场所和运动的通道，因此是影响围岩稳定性的主要因素。施工实际现场涌水情况，富水段单掌子面涌水量最小为31m3/h，最大为210m3/h。千枚岩是一种具千枚状构造的岩石，属于区域变质浅变质带岩之一。由粘土岩或火山凝灰岩等变质而成，其原岩类型与板岩相似，重结晶程度比板岩高，基本已重结晶。矿物成分以绢云母为主，多呈微粒状或片状；有时含有绿泥石、黑云母、石榴石或十字石等。主要特征是能被剥成叶片状的薄片，表面呈显著的丝绢光泽，质地软，遇水易软化。围岩节理、裂隙发育-很发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构充填泥质物，面光滑，稳定性差；千枚岩岩质软，开挖后呈泥状，稳

4、定性差，拱部易出现掉块、坍塌现象。地下水在隧道施工中，对围岩的稳定性起着很大的影响，特别是在软弱的千枚岩区，更是起着控制作用。富水千枚岩地层隧道施工，最重要的一点就是减少水对围岩的作用，控制围岩的大变形，通过监控量测掌握围岩变形规律，动态施工。我合同段富水千枚岩段长度占我标段隧道总长的25左右，如何安全、快速的通过富水段对本项目的工期要求具有决定性意义。为了确保施工安全，使施工能按计划顺利进行，中铁十二局集团小康高速N10合同段项目部联合长安大学、陕西省公路勘察设计院等单位参考乌鞘岭隧道千枚岩地段的施工经验，决定在包家山特长隧道右线选取按“三台级七步流水法”施工方案和设计支护参数施工的30m试

5、验段进行监控量测，以评估施工方案和支护参数的安全性、合理性。二、工程特点1、工期紧张，水文地质条件复杂，断层破碎带多，地下水丰富，施工难度大；2、富水千枚岩地段施工隧道，围岩的变形较大。通过本课题的研究，确定富水千枚岩地段隧道施工方法，支护参数。找出解决富水千枚岩隧道围岩变形和快速施工的方法。1.监控量测项目、方法及范围1.1监控量测的目的及要求1.1.1监控量测的目的隧道施工过程中，通过监控量测要达到以下3个目的：1.及时掌握围岩和支护结构工作状态，为隧道施工日常管理提供安全信息；2.通过对量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以便对原设计和施工方案的合理性进行评估，以确保

6、施工安全和隧道的支护衬砌结构的可靠度；3.为信息反馈技术和其他类似工程积累监控量测数据和经验。1.1.2监控量测的要求1.能快速埋设测点，且开挖后不超过24h，下次开挖前应测取初读数；2.能快速量测数据；3.测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力；4.测试元件数据应准确可靠；5.直接测读物理量，无需通过复杂计算即可直接应用；6.测试元件在埋设后能长期有效地工作；7.测试元件应有足够的精度与可靠性，且在现场各种变化条件的干扰下“零飘小”。1.2监控量测的内容与方法依据公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）的要求，根据隧道的结构特点、施工工艺以及地质情况，拟定包家山隧道试验段的监测的内容和方法

7、，其中包括围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力、初期支护和二次衬砌之间的接触压力，二次衬砌混凝土内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛等方面的量测。旨在采取国内较成熟的快速、准确、可靠测试手段，对隧道施工中的关键部位进行跟踪监测。各项监测内容所采用的仪器设备和元件如表1.1所列。为减小各种因素的影响，每天尽量在同一时间段内采集数据。现场采集到的数据记录在专用表格上，原始记录表格应存档，以备日后查用。所有数据均输入到电子计算机中，使用专用的程序对数据进行计算和处理，以求全面分析围岩和衬砌的变形与受力情况。监测一段时间后，用专用软件进行中期预报以及位移反分析，

8、为下一阶段的围岩参数和衬砌支护提出具体建议，并按阶段提出监测报告。待全部监控量测完成后，对数据、资料进行进一步的系统整理、计算、分析，提出总的监测研究报告。其流程如图1.1所示。隧道现场监控量测项目及方法表1.1序号项目名称仪器测读频率115d15d1个月13个月3个月1净空收敛SWJ-IV收敛计12次/d1次/d12次/周12次/月2拱顶下沉精密水准仪12次/d1次/d12次/周12次/月3围岩压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月5型钢拱架应力钢弦式表面应变计12次/d1次/d12次/周12次/月6纵向连

9、接筋钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月8围岩内部位移多点位移计12次/d1次/d12次/周12次/月9接触压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月存档详细整理、计算、分析提交报告异常甲方单位监理单位设计单位现场数据采集表 格 记 录输入电子计算机稳定性分析确定正 常图1.1数据处理流程图1.3监控量测断面及测点布置1.3.1监测段的选取按照设计，右线在YK152+170进入富水段，根据超前地质预报及现场实际施工情况，YK152

10、+200涌水量达到80m3/h，围岩极为破碎，初步确定YK152+202向前30m即YK152+202YK152+232作为监测段，该段埋深约680m，监测断面里程为YK152+210和YK152+225。支护措施为50×5超前小导管，L5m，每3m施工一环，每环33根；I20工字钢架；42×4周壁注浆小导管；喷射C25混凝土26cm；50cm厚二次模筑防水钢筋混凝土衬砌，抗渗标号S8。其中YK152+202+217拱架间距采用50cm，152+217+232拱架间距采用75cm。该监测段监测项目包括：围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴

11、力、初期支护和二次衬砌之间的接触压力、二次衬砌内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛量测。1.3.2监测断面测点及元件布置情况初期支护阶段监测项目主要包括：围岩压力、净空收敛、喷射混凝土应力、型钢钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力，其元件布置见图1.2。二次衬砌阶段监测项目主要包括：初期支护和二次衬砌之间的接触压力、二次衬砌内、外侧混凝土应力及二次衬砌的净空收敛量测，其元件布置见图1.3。（1）围岩压力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30°和60°）、两侧拱脚（90°）、两侧墙底等九个部位的围岩与钢架间埋设钢弦式压力盒，用以监测隧道开挖过程中围岩压力的变化。（2）净空收

12、敛监测根据现场的施工方法，分别在上导（距地面约5m）、中导（隧道最大开挖线处）、下导（距地面约1m）埋设净空收敛监测测点，采用SWJ-收敛计监测隧道开挖过程中隧道内净空的变化。（3）喷混凝土应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30°和60°）、两侧拱脚（90°）、两侧墙底等九个部位埋设钢弦式混凝土应变计，用以监测隧道开挖过程中喷射混凝土力学状态的变化。（4）型钢拱架应力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30°和60°）、两侧拱脚（90°）、两侧墙底等九个部位埋设钢弦式表面应变计，用以监测隧道开挖过程中钢架力学状态的变化。（5）纵向连接筋应力监测分别

13、在拱顶、两侧拱腰（45°）、两侧拱脚（90°）五个部位埋设钢筋应力计，以监测隧道开挖过程中纵向连接筋应力状态的变化。（6）锚杆轴力分别在上导拱脚处左右各安装2根测力锚杆。中导、下导拱脚处左右各1根测力锚杆，每个断面共安设8根测力锚杆，以监测隧道开挖过程中锚杆轴力状态的变化。锚杆试验段测力锚杆安装示意图见图1.5。（7）初期支护和二次衬砌之间的接触压力监测分别在拱顶、两侧拱腰（30°和60°）、两侧拱脚（90°）、以及仰拱的5个部位的初期支护和二次衬砌之间埋设钢弦式双膜压力盒，用以监测隧道施工过程中接触压力的变化。（8）二次衬砌混凝土应力监测分别

14、在拱顶、两侧拱腰（30°和60°）、两侧拱脚（90°）、以及仰拱的5个部位的二次衬砌内、外两侧埋设钢弦式混凝土应变计，用以监测隧道施工过程中混凝土力学状态的变化。（9）二次衬砌净空收敛监测在二次衬砌两侧墙中（隧道最大开挖线处）埋设净空收敛监测测点，采用SWJ-收敛计监测隧道施工过程中隧道净空的变化。图1.2初期支护阶段元件布置图图1.3二次衬砌阶段元件布置图图1.4测力锚杆安装示意图1.4监测段元件的埋设情况富水围岩段采用三台阶开挖方法，故元件埋设也是分上导、中导、下导三阶段进行的。开挖示意图见图1.5，实际埋设情况见表1.2，各监测项目的元件数量统计见表1.3。

15、图1.5富水段围岩三台阶开挖示意图测试元件实际埋设情况表1.2监测断面里程施工部位及元件埋设日期上导中导下导仰拱二次衬砌左侧右侧左侧右侧左侧右侧YK152+21012月31日1月1日1月1日1月5日1月4日3月2日2月22日3月28日YK152+2251月4日1月5日1月6日1月8日1月8日3月17日3月10日4月1日监测项目及元件数量统计表1.3监测断面里程初期支护阶段监测项目及元件数量二次衬砌阶段监测项目及元件数量净空收敛拱顶下沉围岩压力型钢钢架应力喷射砼应力纵向连接筋应力锚杆轴力围岩内部位移接触压力混凝土应力净空收敛YK152+2091YK152+21013918958212241YK1

16、52+2152YK152+2191YK152+2201YK152+225339189582122412监测结果与分析2.1围岩压力本试验段围岩压力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其围岩压力分布见图2.29和图2.30，围岩压力时态曲线见图2.31和图2.32。其中图2.31和图2.32中Y0、Y1、Y10的“Y”表示围岩压力，数字表示不同的部位，具体部位如图2.2中元件布置所示。从监测数据来看，YK152+210断面的最大压力发生在拱顶，为0.148MPa，其他位置压力较小。YK152+225断面左、右拱腰30°处压力值较大，分别为0.452MP

17、a和0.155MPa，左、右拱脚处的压力值也相对较大。其他部位围岩压力较小。从时态曲线上看，随着中导及下导的开挖，围岩压力在初期增长较快，随后趋于稳定。图2.29YK152+210围岩压力分布图（单位：MPa）图2.30YK152+225围岩压力分布图（单位：MPa）图2.31YK152+210围岩压力时态曲线图2.32YK152+225围岩压力时态曲线2.2净空收敛本段在隧道的上导埋设了4个收敛监测断面，里程分别为YK152+210、YK152+215、YK152+220和YK152+225；在隧道的中导埋设了3个收敛监测断面，里程分别为YK152+210、YK152+215和YK152+2

18、19；在隧道的下导埋设了2个收敛监测断面，里程分别为YK152+209和YK152+225监测结果见表2.4，收敛时态曲线见图2.33图2.41。由监控数据可以看出，上导和中导收敛值较大，下导收敛最小，这与围岩在开挖过程中受到的扰动次数有关。由图2.33图2.41可以看出，上导收敛曲线在埋设初期约2周左右时间内，随着中导和下导的开挖，收敛变形急剧增长，随后收敛变形缓慢增长并最终趋于稳定；中导收敛曲线在埋设初期约1周左右时间内，随着下导的开挖，收敛变形急剧增长，随后收敛变形缓慢增长最终趋于稳定；下导收敛曲线在埋设初期约1周左右时间内收敛变形增长较快，随后收敛变形很快趋于稳定；在支护施作3周后收敛

19、曲线已经基本稳定。净空收敛监测结果表2.4位置里程最大收敛值/cm最终速率/mm·d-1上导YK152+21010.150.01YK152+21512.130.01YK152+22012.210.00YK152+22511.260.03中导YK152+2107.660.01YK152+2158.380.00YK152+2197.550.04下导YK152+2093.840.01YK152+2253.180.00图2.33YK152+210上导净空收敛时态曲线图2.34YK152+215上导净空收敛时态曲线图2.35YK152+220上导净空收敛时态曲线图2.36YK152+225上导

20、净空收敛时态曲线图2.37YK152+210中导净空收敛时态曲线图2.38YK152+215中导净空收敛时态曲线图2.39YK152+219中导净空收敛时态曲线图2.40YK152+209下导净空收敛时态曲线图2.41YK152+225下导净空收敛时态曲线2.3喷射混凝土应力本试验段喷射混凝土应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其喷射混凝土应力分布见图2.42和图2.43，喷射混凝土应力时态曲线见图2.44和图2.45。其中图2.44和图2.45中H0、H1、H10的“H”表示混凝土应力，数字表示不同的部位，具体部位如图2.2中元件布置所示。此工程初期支护

21、采用C25喷射混凝土，其轴心抗压与抗拉设计强度值分别为12.5Mpa和1.3Mpa。从监测数据来看，两个断面的喷射混凝土应力主要以压应力为主，且应力值不大，YK152+210断面最大压应力为3MPa，YK152+225断面最大压应力为3.9MPa；两个断面的最大拉应力值分别为-0.7MPa和-0.4MPa，均远小于喷射混凝土的极限抗拉和抗压强度。总体来看，两个断面的喷射混凝土拱部受力相对较大，其他部位相对较小。从时态曲线上看，混凝土应力在初期应力增长较快，15天左右受力基本稳定。图2.42YK152+210喷射混凝土应力分布（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.43YK152+225喷

22、射混凝土应力分布（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.44YK152+210喷射混凝土应力时态曲线图2.45YK152+225喷射混凝土应力时态曲线2.4型钢拱架应力本试验段钢架应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其钢架应力分布见图2.46图2.49，钢架应力时态曲线见图2.50图2.53。其中图2.50图2.53中B0-1、B1-1、B10-2的“B”表示钢架应力，数字表示“部位-内外侧”，具体部位如图2.2中元件布置所示，内、外侧由数字1、2表示。从监测数据可以看出，YK152+210断面钢架内侧均处于受压状态，最大压应力发生在右拱腰30

23、76;处，其应力值为132.5MPa；钢架外侧有两个部位出现拉应力，其他部位均为压应力，最大压应力发生在左拱脚处，其应力值为218.7MPa，最大拉应力发生在左拱腰30°处，其应力值为68.7MPa。YK152+225断面有多个部位的元件已损坏，拱架外侧最大压应力发生在又拱腰60°处，其应力值为212.5MPa。从时态曲线可看出，钢架应力在初期增长急剧增长，随后钢架应力很快稳定，说明钢架受力及时。从应力的大小和随时间变化的趋势来看，钢架支护作用很明显。图2.46YK152+210钢架内侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.47YK152+210钢架外侧应

24、力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.48YK152+225钢架内侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.49YK152+225钢架外侧应力分布图（单位：MPa，“”为受压，“”为受拉）图2.50YK152+210钢架内侧应力时态曲线图2.51YK152+210钢架外侧应力时态曲线图2.52YK152+225钢架内侧应力时态曲线图2.53YK152+225钢架外侧应力时态曲线2.5纵向连接筋应力本试验段纵向连接筋应力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其监测结果见表2.5、图2.54和图2.55。其中，应力单位为MPa，“”为

25、受压，“”为受拉，图2.25和图2.26中G0、G1、G4的“G”表示纵向连接筋应力，数字表示部位，具体部位如表2.5中所示。从监测数据可以看出，两个断面的纵向连接筋应力以压应力为主，YK152+210断面的最大压应力仅为14MPa，YK152+225断面的最大压应力为48.5MPa。从时态曲线上可以看出，连接筋受力初期增长较快，约10天左右趋于稳定。纵向连接筋的受力可以说明隧道纵向也有一定的受力和变形，纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。纵向连接筋应力监测结果表2.5里程位置最大值/MPa占钢筋极限强度的百分比/%YK152+210拱顶7.002.1左拱腰45°

26、13.003.9右拱腰45°14.004.2左拱脚-10.503.1右拱脚-6.802.0YK152+225拱顶17.005.1左拱腰45°-5.001.5右拱腰45°48.5014.5左拱脚11.703.5右拱脚38.1011.4图2.54YK152+210纵向连接筋应力时态曲线图2.55YK152+225纵向连接筋应力时态曲线2.6锚杆轴力锚杆轴力监测埋设了2个断面，里程分别为YK152+210和YK152+225。其监测结果见表2.6，锚杆轴力分布见图2.56和图2.57。应力单位为MPa，“”为受压，“”为受拉。从监测结果可以看到YK152+210断面上导

27、、中导、下导的锁脚锚杆大多数受拉。上导锁脚锚杆最大拉应力为137.21MPa，中导锁脚锚杆最大拉应力为41.22MPa，下导锁脚锚杆最大拉应力仅为15.65MPa；YK152+225断面上导、中导、下导的锁脚锚杆绝大多数受拉。上导锁脚锚杆最大拉应力为62.94MPa，中导锁脚锚杆最大拉应力为10.22MPa，下导锁脚锚杆最大拉应力为27.18MPa。从数据对比中可以看到上导锁脚锚杆所受的力最大，这与现场施工方法是相一致的，因为在施工过程中上导围岩受到的扰动次数最多，上导的围岩变形也最大。锚杆轴力监测结果表2.6隧道名称里程位置及分类最大应力/MPa包家山隧道YK152+210左拱腰约49

28、76;（上导锁脚锚杆）-137.21右拱腰约49°（上导锁脚锚杆）7.91左拱腰约53°（上导锁脚锚杆）-114.29右拱腰约53°（上导锁脚锚杆）-2.09左拱脚（中导锁脚锚杆）-21.08右拱脚（中导锁脚锚杆）-41.22左墙脚（下导锁脚锚杆）-4.57右墙脚（下导锁脚锚杆）-15.65YK152+225左拱腰约49°（上导锁脚锚杆）-62.94右拱腰约49°（上导锁脚锚杆）-32.58左拱腰约53°（上导锁脚锚杆）-36.10右拱腰约53°（上导锁脚锚杆）-35.36左拱脚（中导锁脚锚杆）-10.22右拱脚（中导锁脚锚

29、杆）-8.35左墙脚（下导锁脚锚杆）9.91右墙脚（下导锁脚锚杆）-27.18图2.56YK152+210断面锚杆轴力分布图2.57YK152+225断面锚杆轴力分布通过以上监控数据，可以得出如下结论：（1）净空收敛按照三台阶七步流水法施工，初支变形初期增长较快，支护施作3周后变形就基本稳定。（2）喷射混凝土应力各断面喷射混凝土应力主要以压应力为主，少数部位出现了拉应力，但所受拉应力都不大，均未超过喷射混凝土的设计抗拉强度。隧道拱部喷射混凝土应力相对较大，边墙处较小。喷射混凝土应力发展具有一定的规律性,从时态曲线上看，混凝土应力在初期应力增长较快，15天左右受力基本稳定。（3）型钢拱架应力各断面型钢拱架应力以受压为主，且受力很大。应力的增长有很强的规律性。从时态曲线上看，钢架应力在初期增长急剧增长，随后钢架应力很快稳定，说明钢架受力及时，支护作用很明显。（4）纵向连接筋应力纵向连接筋受力主要以压应力为主，少数部位出现拉应力。从时态曲线上可以看出，连接筋受力初期增长较快，约10天左右趋于稳定。纵向连接筋的受力可以说明隧道纵向也有一定的受力和变形，纵向连接筋对加强隧道支护的整体性、稳定性有着一定的作用。（5）