预切槽法黄土隧道锁脚微型桩合理布置方式研究

王新东，王秀英(.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　70043;.北京交通大学土建学院，北京　00044)



预切槽法黄土隧道锁脚微型桩合理布置方式研究

王新东1，王秀英2
(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043;2.北京交通大学土建学院，北京100044)

摘要:预切槽法开挖隧道能够很好地控制地表沉降，适用于包括黄土在内的软土地层，但如何约束预衬砌的墙脚是预切槽法亟待解决的问题。本文依托洪亮营隧道，首先通过数值模拟方法，论证了约束墙脚可以提高预衬砌结构安全度，并选择锁脚微型桩来加固墙脚;之后基于桩基承载机理，提出刚度分配法，确定了桩的受力、最佳打设角度和最优间距。研究表明:加强墙脚的约束，可以提高预筑拱结构在拱腰和拱顶的安全系数，减小拱顶的沉降;T76S桩能够满足锁脚要求，锁脚桩与竖直方向之间的角度在20° ～50°时桩的受力最为合理。

关键词:预切槽法黄土隧道锁脚微型桩刚度分配

我国隧道建设面临着越来越多复杂的地层情况，软弱围岩中开挖隧道是隧道建设的难题。黄土作为我国极具特色的一种特殊软土，具有显著的垂直节理，土质疏松，基底承载力低，隧道开挖时沉降大，易产生裂缝，是隧道建设的难题之一［1］。预切槽法在维护隧道掌子面稳定以及限制拱顶变形和地层沉降方面作用显著，近年来国内外学者进行了大量研究，指出墙脚稳定是预切槽法能否成功应用的关键问题之一［2-3］。尽管我国还未成功运用预切槽法进行隧道的开挖实践，但是在隧道建设中对保护墙脚稳定总结了大量的经验。关宝树、赵勇分析研究了拱脚失稳的原因，总结了控制拱脚稳定的方法［4-5］，并且发现扩大拱脚和增加临时仰拱2种方法对限制拱脚的变形有着显著效果，同时结合分部施工法提出了指导意见。目前中铁重工集团研制成功国内第一代轴心式预切槽机械，计划在宝兰客专洪亮营隧道开展现场试验，急需确定稳定墙脚的措施和方案。根据国内隧道施工技术水平和设备条件，可供选择的墙脚稳定性控制措施主要有设置锁脚锚杆(或锁脚锚管)、墙脚围岩补强注浆、扩大墙脚的支护、增设临时仰拱等方法［6］。由于预切槽法中，预筑拱是全环施作的，锁脚仅适合在墙脚部位施作，为了提供强有力的锁脚方式，经过对比分析，并结合黄土土质特性，计划选择锁脚微型桩稳定墙脚。微型桩具有轻便、摩阻力大等特点，已成功应用于边坡治理。本文基于《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)单孔灌注桩桩基承载力计算方法，对锁脚微型桩进行受力计算，并给出桩的长度和间距设计方案，为试验段隧道的设计施工提供指导意见。

1　工程概况

洪亮营隧道地处黄土高原梁峁区，地面高程1 880 ～2 008 m，相对高差100～150 m，在水流切割侵蚀作用下进口端冲沟、黄土陷穴发育。隧道进口端位于龙王沟左岸黄土斜坡，出口端位于洪亮营村附近的洪积平原上。隧道地层主要为砂质黄土、黏质黄土，隧道最大埋深约120 m，隧道全长961 m。其中试验得到的砂质黄土物理力学参数见表1。

表1　砂质黄土物理力学参数

2　不同墙脚加固方式下预筑拱受力分析

2.1计算模型及工况

试验段隧道埋深38 m，切槽长度5 m，切槽厚度35 cm，采用C30混凝土进行灌注。根据试验段情况，采用荷载—结构模型进行结构内力计算，预筑拱荷载分布如图1所示。

取Q3砂质黄土进行计算，采用文献［1］中的浅埋隧道计算理论分析预筑拱在竖向和横向的受力情况。计算得到当埋深为38 m时，竖向均布压力为389 759.23 Pa，切槽上缘水平荷载为309 386.88 Pa，切槽底部水平荷载为394 142.60 Pa。运用ANSYS建模进行分析计算。

图1　预筑拱荷载分布

计算出各单元内力后，依据《铁路隧道设计规范》分析结构安全性。为了分析墙脚稳固方式对结构受力的影响，此次计算分别对2种不同墙脚支座工况进行对比。其中铰支座对应实际工程中对墙脚进行强有力约束，弹簧支座对应没有对墙脚进行约束，或约束较弱，同时对2种支座进行了不同地层弹性抗力系数结构安全性的对比。

2.2计算结果及分析

图2和图3给出了不同工况下的计算结果。铰接时，预筑拱安全系数受基底抗力系数变化的影响不大，墙脚安全系数最小，但都能满足安全系数的要求;弹簧连接时，基底抗力系数对预筑拱安全系数影响较大，尤其是拱腰和拱顶的安全系数波动较大。基底抗力系数为300 MPa/m时，预筑拱安全系数可以满足规范要求，基底抗力系数为55及150 MPa/m时，拱腰和拱顶的预筑拱安全系数不能满足规范要求。

图2　铰支座不同基底抗力系数时预筑拱安全系数变化曲线

计算发现，在固定支护下，拱顶的沉降值为1.05 cm，比弹簧支护下拱顶沉降值(4.38 cm)减小了3/4。

根据以上分析，采用机械预切槽工法开挖隧道，加强墙脚支护不仅可以提高预衬砌结构安全性，同时可以减小拱顶沉降，有利于隧道结构稳定。

图3　弹簧支座不同基底抗力系数时预筑拱安全系数变化曲线

3　墙脚微型桩受力分析

在工程建设中，尤其在软土工程中，桩基础得到了广泛的应用。在黄土隧道实际工程中，为了更好地提高墙脚稳定性，限制地层沉降，我们选择在墙脚处安装迈式微型桩。迈式微型桩具有小型、轻便、经济、安装迅速、空间要求低等优点，同时它也可以用作承压桩或者承拉桩。本节将着重对在隧道墙脚安装的微型桩进行受力分析和设计参数研究。

3.1微型桩受力机理

微型桩主要通过作用于桩尖层的阻力和桩周土的摩擦阻力来支撑轴向荷载，也可利用桩侧土的侧向阻力抵抗水平荷载［7-8］。微型桩的受力见图4。

图4　微型桩的受力

图中Fn，Fq分别为墙脚受到上覆土层的竖向和横向力，Fa和Fb分别为衬砌传递给桩端的剪切方向和轴向的力，Ft为桩侧向土体提供的垂直支撑力，f为桩侧土体提供的轴向摩擦力，β为桩与竖直方向的夹角。

衬砌受到的力Fn，Fq由桩和土体共同承担，由于桩和土体存在刚度差异，对二者荷载的分担有较大影响［9］。对此在共同变形的基础上，提出刚度分配法，按照刚度分配的原则计算出桩承担荷载的比例，具体计算内容如下。

1)剪力方向

桩的抗弯刚度为E1I1，桩周围混凝土的抗弯刚度为E2I2，剪力方向土体的轴向刚度为E3A3，则桩承担的剪力所占比例为

2)轴力方向

桩的轴向刚度为E1A1，桩周围混凝土的轴向刚度为E2A2，考虑土体的轴向刚度为E3A4，则桩承担的轴力所占比例为

当Fb＞0时，桩受拉;当Fb＜0时，桩受压。

3.2分析思路

桩的受力计算思路如下:①利用ANASYS建模，计算出墙脚的竖向力Fn和横向力Fq;②通过公式(1)，(2)和(3)计算出剪切方向力Fa和轴向力Fb;③通过相关公式计算桩的长度。

3.3计算工况

本次计算以洪亮营隧道为背景，土层选择Q3砂质黄土。由于洪亮营隧道最大埋深达到120 m，因此本次计算浅埋38 m和深埋80 m 2种工况，采用文献［1］中方法进行荷载计算。

3.4计算参数

迈式微型桩不同型号参数见表2。

式中:A1为桩的横截面积;A2为包裹混凝土的横截面积;A3为剪力方向考虑土体的面积，A3= 2n×h(n为桩间距;h为衬砌厚度，取0.35 m);A4为轴力方向考虑土体的面积，A4= 2n×d(d为桩轴向移动时衬砌影响土体的估算宽度，取2.5 m);E1为桩的弹性模量;E2为混凝土的弹性模量;E3为土体的弹性模量。另外在土体承担压力的精度考虑到0.2P(P为初砌垂直施加到土体上的力)时，土的受力范围为2b(b为初砌施加力与土体接触的宽度)［10］，A3，A4在原基础上扩大2倍。Fa，Fb分别为

表2　迈式微型桩不同型号参数

3.5计算结果及分析

以洪亮营隧道工程为依托，结合上述参数，初步选择T76S桩，设定间距为3 m。研究表明，锁脚锚杆与竖直方向之间的角度在20°～50°时，锁脚锚杆的受力是最优的［11］。本次计算表明，角度增大到60°时桩开始受拉，不合理。因此计算中β取30°，45°两种情况，计算结果见表3。

表3　38 m浅埋情况桩受力计算结果

由计算结果可知，剪切方向力Fa和微型桩轴向力Fb都在T76S桩的屈服荷载范围之内，因此选择T76S桩是安全的。其次，轴向力Fb很大，剪切方向力Fa≪Fb，因此轴向力是桩设计方案的主要考核对象。

4　微型桩长度的计算

在桩受力时，桩主要承受轴力和剪力，由于桩的剪力非常小，本文计算主要考虑通过桩的轴力限制墙脚收敛，来改善衬砌单元的受力状态。当桩承受轴向力时，桩的侧摩擦阻力随着荷载的增大而增大，然后达到最大，之后随荷载的增大趋于稳定或减小，且各土层的最大侧摩擦阻力发挥不同步［7］。为了计算方便，假设各层土体的侧摩擦阻力相等。迈式微型桩生产厂家给出如下方法计算桩长。

式中:L为桩的长度;P'为要求允许设计值;S为安全系数;FK为注浆体的表面单位摩擦力，FK=πDμ，其中μ为迈式微型桩和土的摩擦强度，取150 kN/m2。由以上公式，得出桩的间距为3 m时，桩的最小长度见表4。

表4　桩间距3 m时桩的最小长度　m

为了分析不同桩间距对桩的长度要求，计算了浅埋38 m工况时，桩间距分别为1，2，3 m时所需要的桩的最小长度，见表5。

表5　不同桩间距情况下所需桩的最小长度　m

由表5可知，为确保墙脚稳定，随着桩间距的增大，桩的长度也要增大;β取45°时所需的桩长要比β 取30°时所需的小，减小比例为40%。

结合本工程洞内场地实际情况及微型桩施工情况，洪亮营隧道锁脚可以选择T76S桩。由于预切槽法隧道钢架仅能在临近搭接部位的三角区布设［2］，以一环5 m长预衬砌下部集中布设2环钢架计(相当于钢架间距平均2 m)，对应的桩间距为2 m时，与竖向的打设夹角按45°考虑，在浅埋试验段微型桩长度不宜小于4 m。在深埋试验段微型桩长度不宜小于2 m。

5　结论

本文依托洪亮营隧道，基于单孔灌注桩极限承载力的计算，提出了按刚度分配法确定桩的受力，判别桩的安全性，计算了桩的受力，得到以下主要结论:

1)加强墙脚的约束，可以提高预筑拱结构在拱腰和拱顶的安全系数，减小拱顶的沉降。

2)T76S桩能够满足锁脚要求，是安全的。

3)随着桩间距的增加，所需的桩长也在增加。锁脚桩与竖直方向的角度在20°～50°时桩的受力最为合理，在45°打设角度、2 m桩间距情况下，浅埋段微型桩的长度不宜小于4 m。深埋段微型桩长度不宜小于2 m。

参考文献

［1］赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［2］王秀英，刘维宁，赵伯明，等.预切槽技术及其应用中的关键技术问题［J］.现代隧道技术，2011，48(3):22-27，34.

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［6］李文江，孙明磊，朱永全，等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术［J］.岩土力学与工程学报，2012，31(增1):2729-2737.

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［9］姚燕明，周顺华，陈力.钻孔咬合灌注桩按刚度分配的计算方法［J］.建筑结构，2003，33(11):25-26.

［10］东南大学，浙江大学.土力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［11］陈丽俊，张运良，马震岳.锁脚锚管合理打设角度的理论研究［J］.岩石力学与工程学报，2015，34(7):1334-1344.

(责任审编赵其文)

Research on Reasonable Layout of Lock Foot Mini-piles of Loess Tunnel by Pre-cutting Method

WANG Xindong1，WANG Xiuying2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:T he precutting methods of tunnel excavation can effectively control the ground settlement，suitable for soft soil layer，including loess.But how to constrain the basement of pre-lining is a urgent problem.T aking Hongliangying tunnel as the study subject，first of all，the constraints of the basement could improve the pre-lining structure safety degree，it was verified by numerical simulation method，and the lock foot mini-piles were selected for strengthening the basement.T hen based on the bearing mechanism of piles foundation，the force of pile was identified by stiffness distribution method，and the optimum setting angle of mini-piles and spacing of piles were determined.T he research results show that strengthen the constraints of the basement can improve the pre-built arch structure security coefficient of the arch waist and crown，reduce the arch crown settlement.T76S pile can meet the requirements.W hen the angle between the piles and the vertical direction in the range of 20°～45°，the force of pile is the most reasonable.

Key words:Precutting method;Loess tunnel;Lock foot;M ini-piles;Stiffness distribution method

作者简介:王新东(1979—)，男，高级工程师。

基金项目:国家科技支撑计划(2013BAF078B06)

收稿日期:2015-09-29;修回日期:2015-12-10

文章编号:1003-1995(2016)03-0075-04

中图分类号:U455.49

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.18