山岭高速公路隧道施工的设计理念多以新奥法为主, 系统锚杆作为连接围岩与初期支护的重要载体和手段而被广泛采用。现阶段隧道工程中系统锚杆的设计多以经验和工程类比为主, 围岩越差系统锚杆布置范围和密度越大。锚杆的布设不仅会对围岩造成更大扰动, 也会延长初支封闭的时间, 而系统锚杆又难以达到预期的作用效果。因此, 在较差围岩中是否有必要设计系统锚杆受到越来越多学者和工程师的质疑。例如, 谭忠盛等^[1]依据现场试验研究深浅埋黄土隧道中系统锚杆的作用效果, 结果表明, 拱部系统锚杆作用效果不明显可取消;陈建勋等^[2]对实际工程进行监控量测, 结果表明, 在高含水率土质隧道中取消系统锚杆, 仅采用锁脚锚杆的情况下隧道初支的结构变形和受力均在允许范围内, 初支工作状态良好;邹育麟等^[3]根据现场试验对强震区软弱破碎千枚岩隧道中的系统锚杆的作用效果进行研究, 结果表明锚杆的支护效果不明显。

目前, 系统锚杆作用效果的研究主要集中在断面较小的软弱围岩隧道或断面较大的黄土隧道^[4,5,6,7,8], 而系统锚杆在浅埋大断面砂质黏土的高速公路隧道中的作用效果研究较少。本文依托广东南昆山隧道, 根据现场有无系统锚杆试验段, 对系统锚杆在V级浅埋大断面残积砂质黏土高速公路隧道中的作用效果进行了较系统的研究, 不仅指导南昆山高速公路隧道的施工, 还丰富发展了高速公路隧道的支护理论并为类似工程提供借鉴和参考。

南昆山隧道为特长隧道, 穿越丘陵地貌区, 地处九连山山脉支脉, 位于龙门断陷盆地西北边缘, 属亚热带季风性湿润气候, 年平均降雨量1 500mm以上, 地下水类型主要为第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。试验段选于隧道出口浅埋段, 围岩以残积砂质黏土 (土质不均, 含大量石英颗粒等) 和强风化砂岩 (岩芯呈半岩半土状夹碎块状, 岩质较软) 为主, 土体松散呈硬塑状, 岩体破碎, 强度及稳定性差, 围岩等级为V级。该隧道为分离式小净距3车道高速公路隧道, 试验段开挖方法为双侧壁导坑法, 具体如图1所示。

隧道初支类型为锚喷支护, 主洞断面支护参数为纵向间距0.5m的I22b型钢拱架;喷射厚度为28cm、强度等级为C25的早强混凝土;挂设8且间距为20cm×20cm双层钢筋网;系统锚杆采用25中空注浆锚杆, 长4.0m, 间距100cm×50cm, 梅花形布设;拱脚及边墙位置各设置2根3.5m长22药卷锁脚锚杆, 每环8根。导洞主要支护参数为纵向间距0.5m的I18型钢拱架;2.5m长22药卷锁脚锚杆, 每环4根;喷射厚度为22cm的C25早强混凝土;挂设8且间距为20cm×20cm双层钢筋网;2.5m长22药卷锚杆, 间距150cm×50cm (纵向间距为0.5m) , 每环6根。

2现场对比试验段方案

试验段尽可能选取地质条件、围岩级别、开挖参数、支护参数相同的地段, 使有无系统锚杆成为唯一变量。基于此, 本次对比试验选取有系统锚杆试验段桩号为ZK77+330—ZK77+355, 共计25m, 埋深14.5～22.2m, 监测断面为ZK77+341, ZK77+347;无锚杆试验段桩号为ZK77+355—ZK77+380, 共计25m, 埋深6.2～14.5m, 监测断面为ZK77+363, ZK77+370。

监测断面布设方案为:有系统锚杆段和无系统锚杆段的4个断面布设7个监测点, 监测内容为围岩-初支接触压力和钢拱架内外边缘应力;其中, 有系统锚杆段的2个断面还需增加布设4个监测点, 监测内容为锚杆轴力。此外, 位移监测断面间隔5m布设, 监测内容为拱顶沉降和净空收敛, 如图2所示。

数据采集采用ZX-16T型振弦式频率仪, 无系统锚杆段数据采集时长为127d, 有系统锚杆试验段数据采集时长为97d, 当采集的数据基本稳定后停止监测采集, 具体数据对比分析如下。

本次试验围岩-初支接触压力 (以下简称围岩压力) 监测采用XYJ-6型双膜压力盒, 监测时间内围岩压力的变化规律复杂, 整体呈现上升趋势, 掌子面在监测断面1倍洞径范围内围岩压力变化明显, 然后各点基本都在缓慢增长 (除个别监测点压力会出现下降) , 在初支封闭后基本稳定。测点压力下降分析原因可能是施工为雨季降水量较大, 加之隧道埋深较浅, 有较多的地表水渗入, 在初支背后聚集, 使土体软化所致。

根据监测最终数据, 绘制围岩压力对比包络图, 其中虚线代表无系统锚杆段, 实线代表系统锚杆段, 如图3所示。从围岩压力包络图的量值上看, 有无系统锚杆段围岩压力较小, 只有几十千帕, 最大也只达到58.22kPa;从分布位置上看, 拱部围岩压力大于下部, 左侧围岩压力大于右侧, 隧道存在偏压现象。

本次试验钢拱架应力监测采用XJG-2型钢筋应力传感器, 试验段每个钢拱架应力监测点分为内、外两侧, 根据最终监测结果绘制钢拱架应力对比包络图, 其中虚线代表无系统锚杆段, 实线代表系统锚杆段;负数表示受压, 正数表示受拉, 如图4, 5所示。

1) 有无系统锚杆试验段型钢内、外侧应力值均较小, 有系统锚杆段最大应力值产生在拱顶, 最大达22.65MPa, 无系统锚杆段最大应力值产生在右拱肩, 最大达24.22MPa, 两者拱架应力都远小于钢材的抗拉、抗压极限强度375MPa。

2) 有无系统锚杆试验段的钢拱架拱部内、外两侧均受压, 边墙部分受拉。拉应力较小, 不会对结构稳定性造成太大影响。分析原因: (1) 拱顶沉降较大, 水平收敛较小, 使钢拱架边墙位置外鼓; (2) 导洞封闭后回填高度不够, 仰拱处的钢拱架产生上移。

3) 有无系统锚杆试验段的钢拱架应力分布明显具有不均匀性。无论是否布设系统锚杆, 整个型钢支护结构均表现为拱部应力值大于边墙部位应力值。分析其原因有: (1) 上下台阶开挖间隔时间长导致拱部支护时间长于边墙部位; (2) 受地质条件影响, 拱部围岩相对于边墙部位较差, 拱部为砂质黏土和强风化砂岩, 边墙为中风化砂岩; (3) 受地应力影响, 隧道拱部受重力和水平构造应力相互作用, 隧道边墙位置则主要为水平构造应力。

由此可知, 有无系统锚杆试验段钢拱架受力差别不大, 系统锚杆对减少钢拱架受力效果不明显。

将有无系统锚杆试验段位移监测结果汇总整理, 如表1, 2所示, 具体分析如下。

1) 有无系统锚杆试验段沉降值较小, 有系统锚杆段略小于无系统锚杆段, 平均约小6.5%。有无系统锚杆拱顶沉降值在21.60～31.90mm, 左拱肩沉降值在24.80～34.70mm, 右拱肩沉降值在20.70～34.80mm。

2) 有无系统锚杆试验段净空收敛值较小且相差不大。左导洞净空收敛在7.40～13.20mm, 右导洞净空收敛在7.10～15.40mm, 中导洞净空收敛在6.10～11.10mm。三者之和有无系统锚杆试验段分别为28.68, 29.00mm。

有系统锚杆段锚杆轴力监测采用四节点XJG-3型钢弦式锚杆测力计, 主要布置在拱肩和拱脚位置, 具体监测数据如图6～8所示, 其中受拉为正, 受压为负。分析图6～8及表1和表2的统计数据可得以下几点规律。

1) 拱肩位置锚杆轴力均表现为受压, 拱脚部位的锚杆轴力除1点为压力外, 其余均表现为拉力。

拱肩处锚杆轴力在埋设后8d内增长较快 (即0.5倍洞径内) , 随后增长缓慢, 在初支封闭后基本稳定。拱脚处锚杆轴力变化较复杂, 规律性不强。

2) 测点锚杆轴力值较小, 均在4.01kN以下。最大值产生在ZK77+341右侧拱腰位置的第4测点, 轴力4.01kN;最小值产生在ZK77+341的左侧拱肩位置的第1测点, 轴力0.17kN。最大值与最小值差值3.84kN。

3) 每根锚杆的最大轴力大多数都出现在距离隧道开挖面40, 130cm的点。

1) 围岩压力方面试验段围岩压力均较小 (最大只有58.22kPa) 且差值不大;拱部围岩压力大于下部, 左侧围岩压力大于右侧, 隧道呈偏压状态;有无系统锚杆对围岩压力的影响不大。

2) 钢拱架应力方面有无系统锚杆试验段钢拱架受力较小 (最大只有24.22MPa) 且差别不大;钢拱架应力分布不均匀, 拱部较大、边墙较小;钢拱架应力都远小于钢材的抗拉、抗压极限强度, 结构较稳定;系统锚杆对减少钢拱架受力效果不明显。

3) 沉降和水平收敛方面有无系统锚杆试验段沉降值和净空收敛值较小, 有系统锚杆试验段沉降值略小于无系统锚杆段 (小6.5%) , 但有无系统锚杆试验段净空收敛值相差不大。由此可知, 系统锚杆对减少沉降和收敛效果不明显。

4) 锚杆轴力方面试验段锚杆轴力较小 (最大只有4.01kN) , 拱肩处锚杆受压, 拱脚处受拉。拱部系统锚杆不能发挥自身的作用效果, 拱脚处系统锚杆作用效果不明显。这是因为试验段拱部围岩为砂质黏土, 土质不均, 土体松散, 含大量石英颗粒, 遇水易软化。在这种地质条件下, 系统锚杆的锚固力较低, 松散埋深较浅的土体难以产生较大相对位移, 加之双侧壁导坑法施工工作空间狭小, 难以使拱部系统锚杆垂直于岩面布设, 这都严重影响了系统锚杆的作用效果。

综上所述, 系统锚杆对大断面浅埋砂质黏土隧道整体结构的稳定性影响不大。拱部系统锚杆不能发挥自身的作用效果, 反而会因自身施工对围岩造成较大扰动, 使土体更加松散, 围岩塑性区变大, 增加围岩掉块可能。取消拱部的系统锚杆, 既减少施工工序使初支更早封闭, 又不影响隧道结构的整体稳定性, 同时还能减少工程造价带来经济效益。