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1、下承式锚杆在钢架条件下大断面富水隧道施工中的应用研究一、工程概况 包家山特长隧道为国家规划的包(头)至茂(名)高速公路通道的控制性工程,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,受区域构造的影响,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 本隧道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
2、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,而且节理裂隙发育,开挖后围岩收敛严重。 二、研究的意义及研究的方法 2.1 研究意义 2.1.1 富水千枚岩地段施工隧道,围岩的变形较大; 2.1.2 工期紧张,开挖掘进需要快速施工,保证在一定期限内,初期支护变形量需在控制范围内,确保衬砌质量。 2.1.3 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; 2.1.4 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,以确保施工安全和隧道的支护衬砌结构的可靠度; 2.1.5 为信息反馈技术和
3、其他类似工程积累监控量测数据和经验。 2.2研究方法 决定在包家山隧道右线,选取按“三台级七步流水法” YK152+210断面测试情况为例,说明以研究下承式锚杆在有钢架条件下有锚杆本身和其他支护的受力情况。 2.2.1 监测项目元件布置情况 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、锚杆轴力,其元件布置见图1。 (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。 (2)净空收敛监测 分别在上、中、下导埋设净空收敛监测测点。 (3)喷混凝土应力监测 分别在拱顶、两侧拱腰(30和60)、
4、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。 (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。 (5)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2。 2.2.2 监控量测元件的技术要求 (1)能快速埋设测点,且开挖后不超过6h,并及时取初读数; (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
5、,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; 2.3隧道现场监控量测项目及方法 隧道现场监控量测项目及方法 3 、 监测结果与分析 3.1围岩压力 最大压力发生在拱顶,为0.148MPa。见图3 3.2 净空收敛 净空收敛监测结果 3.3 喷射混凝土应力 工程初期支护采用C25喷射混凝土,喷射混凝土应力主要以压应力为主最大压应力为3MPa。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。见图4、图5 3.4 型钢拱架应力 钢架内侧均处于受压状态,最大压应力发生在右拱腰30处,其应力值为132.5M
6、Pa;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。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。见图6、图7 3.5 锚杆轴力 从监测结果可以看到上导、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137.21 MPa,中导锁脚锚杆最大拉应力为41.22 MPa,下导锁脚锚杆最大拉应力仅为15.65 MPa;从数据可以看到上导锁脚锚杆所受的力最大,因为在施工过程中上导围岩受到
7、的扰动次数最多,上导的围岩变形也最大。见表3、图8 四、结论 通过以上监控数据,可以得出如下结论: 4.1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。 4.2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。 4.3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
8、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。 4.4锚杆轴力 下承式锚杆绝大部分均受拉,最大拉应力为191.03MPa,表明对结构的稳定性起着一定作用。采用三台阶施工,上导围岩在施工中受到的扰动最多,围岩变形量也最大,所受的力往往也最大,故在施工过程中要保证,特别是上导下承式锚杆的安装质量。 五、认识与启发 5.1 对围岩的认识 千枚岩地段围岩变形来势猛,持续时间长,累计变形大。而且千枚岩的含量与变形有极大的关系,特别是在次级构造的作用下表现尤为突出。 试验表明在现有围岩条件下,快速施工需要组合型的刚性支护,其联合作用使得围岩的松动圈在一定范围内起到不再扩大的效果。 5.2 台阶长度、封闭时间与变形的关系 下断面开挖时变形速率达到峰值;下断面开挖前的平均变形速率下断面开挖后的平均变形速率仰拱开挖后的平均变形速率;仰拱施工后变形速率急剧降低。因此,尽早进行仰拱封闭,有利于控制变形。 5.3 试验段下承式锚杆绝大部分均受拉,最大拉应力为137.21 MPa,表明锚杆对结构的稳定性起着很大作用。由于采用三台阶开挖方法,随着中导、下导的开挖,上导围岩在施工中受到的扰动最多,围岩变形量往往最大,上导锁脚锚杆所受的力往往也最大。故在施工过程中要保证锁脚锚杆特别是上导锁脚锚杆的安装质量。