软岩隧道底板隆起机理及微型桩防治研究

0 引言

随着我国公路和铁路的大量建设，出现了大量的隧道工程，伴随着隧道工程的出现，其底板隆起现象愈发突出，尤其是软岩隧道底板出现隆起现象更为突出，对此，很多学者对其进行了大量的研究，如：钟祖良等采用现场调查、地质勘察等手段对隧道底鼓的发生机理进行分析，且运用连续介质力学原理对底鼓量计算理论进行了推导，为隧道底鼓量计算提供了理论依据；孔恒等分析了隧道底板隆起的成因、分类和控制技术途径；王明年等通过大型模拟实验有限元模拟研究了隧道仰拱的力学特性；汪洋等分析了隧道底鼓的形式及其发展过程，并推导了由底板压曲引起的隧道底鼓的数学表达式；杨仁树等采用数值模拟和力学分析相结合的方法，对弱胶结软岩巷道层状底板底鼓机理进行了分析研究；孙利辉等以邯矿集团陶二煤矿扩大区南大巷底鼓问题为研究对象，重点研究了深部软岩巷道底鼓机理与治理试验。然隧道底板隆起量计算十分复杂，直接应用较为困难，且多数研究是建立在数值分析和软件程序模拟基础上，为了便于直接软岩隧道底板隆起量计算，进行了合理化假定，并结合结构力学和材料力学相关知识推导了软岩隧道底板隆起理论计算公式。该研究为软岩隧道底板隆起机理研究提供了一种全新的思路，亦为软岩隧道底板隆起量计算提供了更为直观和实用的简化计算公式。

微型桩（micropiles）是来源于20世纪50年代意大利人Lizzi提出的树根桩（rooting piles），一般是指桩径≤300 mm，长径≥30的小直径桩。法国Soletanche公司于1982年来中国介绍了微型柱技术，得到了我国学者的重视，这项技术首先在上海应用于地基加固中。自80年代来国内微型桩技术发展迅速，形成了较多的设计方法与理论，并成功应用于基坑支护、沉陷修复、边坡治理、铁路路堤及路基加固等工程。近些年来，微型桩的应用范围逐渐扩大，也出现了一些新的应用形式，比如微型桩与重力式挡墙、微型桩与普通抗滑桩的结合，这些应用形式是将微型桩群竖向设置在挡墙或普通桩下部，微型桩群与之的复合作用可改善下部土体的稳定性状，同时可以提高普通桩的稳定性，对于上部挡墙能够提升其抗滑能力，及抗倾覆和地基承载能力。微型桩的主要特点是：①施工设备集约化程度较高，适用于复杂的地质环境；②施工机具一般不大，振动和噪音小，对周边的环境影响不大，能够在较小施工作业区工作；③施工迅速便捷，能够根据工程需要，较为灵活地布置桩位。近年来，微型桩逐步发展成为一种兼具抗拔与承载功能的结构。目前对微型桩的研究与应用主要集中在地基处理、基础与边坡加固等领域，而采用微型桩作为软岩隧道底板隆起防治措施的相关研究成果及工程应用鲜有报道，对其防治软岩隧道底板隆起的工作机制尚不明确，缺乏相应的计算理论作为设计支撑。因此，对微型桩防治软岩隧道底板隆起机理及工程应用进行研究，发展符合软岩隧道底板隆起防治特点的微型桩设计理论和施工技术，具有非常重要的理论和现实意义。

1 软岩隧道底板隆起量理论推导

为方便软岩隧道底板隆起机理研究，根据隧道工程特征，作以下基本假定。

1.1 基本假定

①假定软岩隧道底板岩体为均质岩；

②假定软岩隧道底板两侧与软质岩体固定，隧道底板底部与基岩脱离；

③假定软岩隧道底板尺寸满足条形基础，即近似取每延米底板长度为分析对象；

④软岩隧道底板因隧道洞体土体被挖除而发生回弹，可以认为底板隆起是因为其上部所承受的土重卸荷而引起的，进而假定底板隆起是因卸荷而附加向上的土的自重而产生。

1.2 理论推导

假定软岩隧道底板长度b沿0A方向，根据基本假定③假定软岩隧道底板尺寸满足条形基础，即近似取每延米底板长度为分析对象，所以取b=1m，假定软岩隧道底板覆土厚度（简化为软岩隧道围岩松动高度）为H，土的比重为γ，则隧道底板承受的土体自重为γ·H，因隧道开挖导致底板回弹，可以认为在隧道开挖后，隧道底板因间接承受向上的均布荷载q=γ·H·b=γ·H，根据基本假定，隧道底板可以简化为两端固定梁，底板（梁）的宽度为1m，底板（梁）的高度h可以借鉴可参考文献[11]推导的式（3.91）求得。经过上述分析，可建立图1所示的软岩隧道底板隆起机理分析图。软岩隧道底板隆起机理分析从量来说就是底板隆起量W的推算。依据软岩隧道底板隆起机理分析图，可知该结构为对称结构，在均布荷载作用下，跨中绕度即底板回弹量最大。

图1 软岩隧道底板隆起机理分析图

图2 软岩隧道底板隆起机理分析等效简图

根据文献[13]“附录Ⅳ简单荷载作用下梁的绕度和转角”表中序号6、7、8，在等效简图中均布荷载及两端力矩作用下分别对等效简支梁绕度进行计算。

故软岩隧道底板最大隆起量为：

当通过式（4）计算的软岩隧道底板最大隆起量大于隧道底板隆起量允许最大值时，需要进行支护防治。

2 微型桩防治软岩隧道底板隆起技术

2.1 微型桩防治软岩隧道底板作用分析

根据上文分析底板有向上隆起的趋势，在底板采用微型桩进行防治从理论上而言是可行的，但在软岩隧道的底板单一的施作微型桩进行防治，未将单个的微型桩连接在一起形成整体支护。当微型桩在底板塑性区的长度不够，微型桩在锚固段产生的锚固力传递到塑性区的力有可能会小于软岩隧道底板的支护荷载，从而达不到支护底板的效果。当微型桩的桩间距小，产生群桩效应，进而会降低支护效果。为解决上述问题本文提出一种新型的结构用于支护软岩隧道底板，进而防治底板隆起现象。工艺流程为：在底板打入穿过底板厚度的竖向微型桩；竖向微型桩用底板上的横梁相连；将相邻横梁用纵梁相连接，横梁、纵梁、微型桩形成整体的支护结构。

2.2 微型桩防治软岩隧道底板参数确定

软岩隧道底板因隧道洞体土体被挖除而发生回弹，可以认为底板隆起是因为其上部所承受的土重卸荷而引起的，进而假定底板隆起是因为因卸荷而附加向上的土的自重而产生，所以认为要防治软岩隧道底板隆起的支护荷载为q=γ·H。当采用如横梁、纵梁、微型桩形成整体的支护结构进行软岩隧道底板支护时，竖直微型桩在锚固段产生的锚固力传递给横梁的向下的力不小于保持底板稳定的支护荷载q时则底板可保持稳定，不会发生塑性变形，从而达到防治软岩隧道底板隆起的效果。

式中：n为微型桩在沿软岩隧道宽度方向间距；n为锚杆在在沿软岩隧道轴线方向间距；P为锚杆锚固力。

式中：k为经验系数，可按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）取值，永久性结构可取0.8，临时性结构可取1.0；D为微型桩直径；L为锚固段长度；Q为锚固体表面与锚固段岩体的极限粘结强度。

综合式（6）和式（7），可求出微型桩的锚固段长度取值为：

竖直微型桩必须穿过软岩隧道底板厚度，嵌入到软岩隧道底板厚度才能起到支护的效果。所以竖直微型桩的长度L应满足：

2.3 微型桩防治软岩隧道底板横梁设计

忽略微型桩在塑性区段的支护效益，横梁总长度为隧道宽度，横梁受力可简化为多跨等截面连续梁进行计算，跨长l=n，横向线荷载q=q·n。

根据材料的强度理论可以计算出横梁的弯曲截面系数W和横梁的截面面积A：

式中：M为最大弯矩值；M为最小弯矩值；V为最大剪力值；[σ]为材料的允许正应力；[τ]为材料的允许切应力。上述三个值可查阅查阅文献[15]中的《等跨连续梁的内力和挠度系数表》。

3 案例

在不考虑围岩粘聚力的情况下，得出底板支护所需的最小荷载q=γ·H=960kPa，微型桩间距均取1.0m，直径取0.03m，微型桩表面与锚固段岩体的极限粘结强度取300kPa。根据式（8）得出微型桩的锚固段长度L为2.04m。竖直微型桩必须穿过软岩隧道底板厚度，嵌入到软岩隧道底板厚度才能起到支护的效果。所以竖直微型桩的长度L≥9.35m。

采用有限元数值模拟计算，研究了采用本文横梁、纵梁、微型桩形成整体的支护结构，文献[14]提出的底角锚杆支护，文献[16]提出的水平锚杆支护之后的软岩隧道底板中心的隆起量及底鼓相对降低率，表明采用横梁、纵梁、微型桩形成整体结构防治软岩隧道底板隆起效果最好。

4 结论

①本文运用土力学、结构力学、材料力学等知识，从理论上推导了软岩隧道底板最大隆起量及确定了隆起量最大位置，为判断软岩隧道是否处于安全状态提供了一种较清晰的方法，且通过案例验证理论公式的适用情况，验证结果显示本文推导的理论公式具有一定的可行性。但因为未考虑到隧道两帮位置应力集中影响，存有不足，可以继续再深入研究。

②分析了横梁、纵梁、微型桩形成整体的支护结构支护软岩隧道底板作用。基于软岩隧道底板隆起机理及底板隆起量，确定了微型桩的支护参数。

③运用结构力学、材料力学等知识，对微型桩防治软岩隧道底板横梁进行了设计。

④在不考虑围岩内粘聚力的情况下，对横梁、纵梁、微型桩形成整体，水平锚杆、底角锚杆防治软岩隧道底板隆起的效果进行了对比。有限元数值模拟计算表明采用横梁、纵梁、微型桩形成整体结构防治软岩隧道底板隆起效果最好。