隧道软弱围岩支护中热轧无缝钢管锁脚的应用

隧道软弱围岩支护中热轧无缝钢管锁脚的应用

罗刚

中交一公局集团第五工程有限公司 河北省 廊坊市 065000

摘要：隧道开挖过程中可能会发生突泥、突水等事故，这会引起安全事故，对工程施工进度、施工安全造成直接影响。因此，要合理应用热轧无缝钢管锁脚，提高围岩支撑能力，确保围岩稳定。

关键词：隧道；突水事故；热轧无缝钢管；工程质量

隧道工程地质条件复杂，实际施工开展时会受到不同影响因素，因此施工难度大。一旦发生事故，将会造成巨大危害，支护工作难以开展，因此，必须要加强对该项内容的探讨。

1 工程概况

某隧道工程全长3301.9m，隧道中的主要成分为粘土、黄粘土、砂岩等，实际风华程度为中、强风化，对隧道工程中岩层进行分析，可以确定岩层具有富水、软弱等特点，一旦遇到水不仅容易发生软化，而且易坍塌，如果不采取相应措施进行处理，容易发生坍塌等各种事故，不仅会导致工程无法在工期内竣工，而且会造成人员伤亡，危害巨大。

通过对隧道工程所在区域情况进行分析，隧道地下水十分丰富，地质差，水侵蚀软泥岩之后，松动和塑性区范围大，尤其是在当遇到持续降雨时，隧道区域内将会发生突水、突泥等不良现象，这会导致原设计初期支护参数无法确保围岩稳固性，会引起拱架锁脚沉降、锚杆部分发生变形等各种不同类型问题，甚至在隧道工程的部分区域内，发生严重侵限等各项问题，此时，需要投入大量物力、人力处理。

2 隧道工程沉降变形受锁脚锚管的影响

隧道工程施工作业开展期间，设计人员逐步调整不同段支护参数，在实际施工开展时，通过增加预沉降值、缩短工字钢间距、加大工字钢型号等各种措施，减少隧道中M单元锁脚锚管位置变形情况的发生，但是并未实现对变形情况的完全控制。这一结果说明，在加大拱架紧密度后，围岩传递给锁脚锚管和工字钢的压力不断减小，但锁脚锚管处地基应力不足，仍然存在较为严重沉降问题，对这一现象进行分析，可以确定导致该项问题出现的原因有以下几点：

1. 隧道开挖之后，松动范围大，一旦遇到水害，将会发生软化、崩解等各项问题，在N单元开挖后，M单元锁脚锚管被布置在隧道脚部偏上区域，具体布置与岩体临空面成46°夹角，下部岩体在发生软化之后，其承载力降低，无法满足工程需求，原设计4.4m长的锁脚锚管相形成了悬臂结构，从整体情况来看，其刚度无法满足钢拱架传递的压力，受压力影响，锚管端头处将会发生刚变形现象^[1]。

2. 发生突水、突泥事故后，围岩将会发生软，这会降低围岩自稳定性和强度，而承载力将会降低，这将会导致围岩无法承受锁脚锚管传递给隧道基础荷载，在开挖N单元后，拱脚围岩的承载力在160kPa-300kPa之间，原设计方案无法对初期支护后的结构下沉进行合理限制，这将会导致应用在隧道工程中的工字钢在应用期间出现变形，以及浸入到隧道界面内等问题。

3. 在工程施工作业开展之后，隧道围岩应力将会被传递给工字钢，然后被传递给隧道围岩和锁脚锚管，由于原设计钢管与工字钢之间的焊接面积较小，这也就会导致焊接部位受力出现异常，一旦焊接作业达不到要求，这可能会指使两根锁脚锚管只有其中一根处于受力状态，这将会指使采用的锁脚锚管抗弯、抗剪强度都无法达到要求标准，从而使锁脚锚管端部由于受力问题而发生变形。如果设计的两根锁脚锚管都处于不受力状态，整个支撑拱架受力影响，将会发生下沉问题。

综上所述，为了改善锁脚锚管受力情况，实现对其变形情况的合理控制，减少、避免变形问题的发生，相关工作人员要在对隧道情况进行全面分析基础上，不断调整和优化锁脚锚管。

3 热轧无缝钢管锁脚的具体应用分析

锁脚锚管在隧道围岩中受力情况十分复杂，而自通过大量的锁脚锚管在隧道工程中的应用实例可以发现，随着荷载的加大，锁脚锚管与其自身长度、刚度、打设角度等各项内容都会隧道工程的收敛与变形情况造成直接影响，而自身抗弯刚度越大，整体支护效果则越好，随着锁脚锚固的加深加长，其支护效果越好，发生的变形越小。针对打设角度来说，在具体分析上可以分为小角度和大角度两种不同情况探讨，前者可能会造成拱脚由于地基荷载过大而发生失稳问题，但是这种方式有利于发挥钢拱架内力，更好控制围岩收敛现象，而后者则能够实现对沉降情况的合理控制^[2]。针对这一现象，对原设计方案进行了更改，采用大锚管直径，通过增加厚壁和长度方法，从而使材料的刚度和强度都能够得到进一步提高，同时，对隧道中水质的钢管打设角度进行调整，从而转变围岩承载力，实现对锁脚部位沉降变形情况的合理限制。

依据本次隧道工程所在区域的具地质情况，施工中采用的钻机具体性能，以及工程泥岩地质摩擦阻力大小仅为115kPa，并且伴有大量涌水或渗水等问题，上述各项问题的存在，可能会导致隧道工程中布置的锁脚锚管有效长度不足，针对这一情况，需要在对实际问题进行分析基础上，适当延长锁脚锚管长度，采用长度为6.5m的热轧无缝钢管替换原设计方案的4.4m钢管的锁脚，对原方案进行修改之后，对工程的施工情况进行监测，通过监测结果可以确定，在改变了锁脚锚管的长度、规格、刚度、打设角度之后，隧道工程的支护稳定和强度都得到大幅度提高，应用效果明显优于原设计方案。

对原设计方案的14°倾角打入岩体，锚入岩体深度为4.2m进行调整，将锁锚脚锚管长度调整为6.5m，按照倾斜角度为26°方向打入到岩体中，通过该方案进行施工，进入到岩体内的锚长度能够达到5.5m，而随着锚固深度的不断增加，其可以穿越围岩塑性区，有效锚固也会加大，这会加大钢管与塑性区域围岩之间的接触面积，这会减小地基荷载，降低岩体支承力，以免围岩承载力不足，造成隧道稳定性降低，而发生失稳或变形等不良现象。与此同时，因为锁脚锚管打入角度增加了12°，这能够更好的发挥支护结构内力，采用的锚管能够承当围岩变形力，降低了下部围岩支撑荷载，从而实现了对隧道沉降变形的有效控制。

通过对上述理论的应用，在隧道工程中，采取加强锁脚拱脚强度和刚度以及拱脚连接纵向托梁联合方式控制隧道，避免沉降现象的发生。在隧道工程中进行了试验段施工，通过隧道工程的试验段情况进行观察可以发现，采用的钢拱架发生的侵限和下沉情况都得到了控制，这一结果表明，设计的支护参数符合隧道工程实际情况，采用该项施工技术是可行的^[3]。隧道工程初期支护较为稳定，利用隧道工程试验段进行验证，在本工程后期施工作业开展期间，遇到与试验段相似的地质情况，在作业时都可以采取该技术开展施工，隧道工程施工时都并未发生变形沉降等各种不良现象，这一方面确保了工程能够在工期内竣工，另一方面也减少了各种安全事故的发生，提高了工程建设的经济效益。

此外，通过对该项技术的应用，钢拱架一方面可以承担部分地基承载力，可将锁脚锚管作为钢拱架拱脚的扩大或延伸，利用拱脚处荷载传递、扩撒，从而降低地基在竖直方向上的荷载，另一方面该方法应用起来简单易行，应用效果良好。

4结语：

针对隧道开挖后容易出现围岩变形问题进行探讨，合理应用热轧无缝钢管锁脚，使其作用能够得到充分发挥，从而保证隧道稳定性，为人们提供高质量工程，确保其能够满足应用需求。

参考文献：

[1]姜雪松.软弱围岩隧道初期支护施工关键技术[J].工程机械与维修,2021(05):158-159.

[2]李小宏.浅述黄土软弱围岩地质隧道开挖支护技术[J].科技视界,2021(23):109-110.

[3]毕志刚,王凯,王仪宇,梁斌.闽南山区软弱围岩小净距隧道超前支护力学机理与施工技术[J].河南科技大学学报(自然科学版),2021,42(06):46-53+7.