【摘" " 要】：目前針對歐標(biāo)體系的隧道邊仰坡防護(hù)，特別是針對微型樁-錨索的邊仰坡防護(hù)形式研究還很少。以格魯吉亞E60高速公路TUN2009隧道為工程背景，對歐標(biāo)體系隧道采用微型樁錨索邊仰坡防護(hù)進(jìn)行設(shè)計和變形受力分析，獲得了歐標(biāo)體系微型樁錨索邊仰坡防護(hù)設(shè)計和計算方法；同時采用數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場實測，分析了歐標(biāo)體系下隧道采用微型樁錨索邊仰坡防護(hù)變形和受力特性。研究結(jié)果表明：采用設(shè)計的微型樁-錨索防護(hù)形式的微型樁的變形和承載力、錨索和連接鋼架的承載力以及邊仰坡整體穩(wěn)定性均滿足要求。

【關(guān)鍵詞】：歐標(biāo)體系；微型樁-錨索防護(hù)結(jié)構(gòu)；邊仰坡設(shè)計；隧道

Research on Protection Design of Tunnel Micropile-Anchor Rope on Slope

under European Standard

WAN Zhiwen， WANG Hailin， YANG Xiong， JING Huaijun

（Hunan ProvincialCommunications Planning， Survey amp; Design Institute Co. Ltd.， Changsha 410008， China）

【Abstract】：At present， there is little research on the protection types of tunnel slope in European standard， especially for micro-pile-anchor cable on slope protection. Based on E60 high speed TUN2009 tunnel in Georgia， the design and deformation and stress analysis in European standard with micro-pile anchor cable on slope protection are carried out， and the design and calculation method of micro-pile anchor cable on slope protection are obtained. At the same time， numerical simulation method and field measurement are used to analyze the deformation and stress characteristics of the slope in European standard by using micropile anchor rope slope protection. The results show that the deformation and bearing capacity of micropile， the bearing capacity of the anchor cable and connecting steel frame and the overall stability of the slope meet the requirements.

【Key words】：european standard; micropile-anchor cable protection structure; slope design; tunnel

保證洞口邊仰坡穩(wěn)定是隧道洞口段安全施工的關(guān)鍵[1～3]。蔡元成等[4]對既有隧道邊坡采用數(shù)值計算進(jìn)行分析，對抗滑樁-錨桿防護(hù)形式的受力及變形特性進(jìn)行對比，提出了合理的支護(hù)方案；譚昌榮[5]依托雅康高速日地１號隧道，根據(jù)數(shù)值計算評價不同邊仰坡支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道不同開挖階段的支護(hù)效果；張曉榮[6]依托龍頭山隧道工程邊仰坡變形進(jìn)行監(jiān)測，通過對監(jiān)測曲線進(jìn)行分析擬合，研究了該隧道邊仰坡變形的基本特點與規(guī)律，對邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。以上研究都是基于國內(nèi)的工程項目；近年來，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，我國在國外的基礎(chǔ)設(shè)施項目逐漸增加，針對歐標(biāo)體系的隧道[7～8]邊仰坡防護(hù)研究不多，特別是針對微型樁-錨索的邊仰坡防護(hù)形式研究還很少。

本文結(jié)合格魯吉亞E60高速公路TUN2009隧道微型樁-錨索邊仰坡防護(hù)形式進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，研究歐標(biāo)體系下微型樁和錨索結(jié)構(gòu)邊仰坡防護(hù)的受力特點及穩(wěn)定性，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

格魯吉亞 E60 高速公路作為“一帶一路”項目，是連接格魯吉亞東西部的國家重點工程，雙向4車道，設(shè)計速度100 km/h。其中TUN2009隧道長度為1 325.9 m，最小埋深18 m，采用新意法[9～11]進(jìn)行施工。隧道洞口全風(fēng)化層較厚，主要為粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖為軟質(zhì)巖，較破碎。見圖1。

1.2 邊仰坡設(shè)計

洞口邊仰坡范圍全風(fēng)化巖層較厚且邊仰坡最大開挖高度23 m，邊仰坡防護(hù)設(shè)計方案采取微樁+多道預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)型式。微樁直徑240 mm、距離0.50 m，內(nèi)插直徑168.3 mm、厚10 mm的鋼管加固；采用7道預(yù)應(yīng)力錨索，通過工字鋼進(jìn)行連接。見圖2。

2 微樁-錨索支護(hù)分析

2.1 歐標(biāo)體系計算理論

TUN2009隧道邊仰坡采用微型樁+錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)，需要對邊仰坡整體穩(wěn)定性、樁身結(jié)構(gòu)承載力及錨索和連接鋼架承載力進(jìn)行驗算，保證結(jié)構(gòu)的安全。

2.1.1 設(shè)計方法

微樁和錨索結(jié)構(gòu)應(yīng)驗證極限破裂狀態(tài)或采用以下任意一組荷載組合均不會發(fā)生過大變形

（1）

（2）

式中：A1、A2分別表示荷載組合1和荷載組合2作用的分項系數(shù)；M1、M2分別表示荷載組合1和荷載組合2材料性能的分項系數(shù)；R1表示抗力的分項系數(shù)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)驗算

對于承載能力極限狀態(tài)，必須驗證

（3）

式中：Ed為設(shè)計荷載值；Rd為設(shè)計承載能力。

2.2 計算模型

根據(jù)TUN2009隧道的基本情況，選取典型微樁-錨索剖面，采用GEO5軟件建立二維模型進(jìn)行計算，本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。該剖面處邊坡開挖高度23 m；微型樁長31 m，為C25混凝土，直徑240 mm，間距0.5 m，內(nèi)插?168.3 mm×10 mm鋼管；錨索采用3束抗拉強(qiáng)度1 860 MPa的DYWIDAG 0.6”St。見表1和見圖3。

2.3 計算工況

微型樁-錨索邊仰坡具體計算工況：初始地應(yīng)力平衡并施作微型樁；開挖邊坡到第1道錨索位置；施作第1道錨索；開挖邊坡到第2道錨索位置；施作第2道錨索；開挖邊坡到第3道錨索位置；施作第3道錨索；施作第4～7道錨索；依次開挖到第4～7道錨索位置；開挖到邊坡底部；上述工序采用式（1）和式（2）驗算；地震工況下承載力驗算。

3 計算結(jié)果

3.1 樁身承載力

3.1.1 樁身變形

隨著邊仰坡開挖，樁身向背土側(cè)位移逐漸增加，變形從樁頂往下逐漸減小，其中樁頂位移最大，樁頂最終累計變形約7.3 cm。見圖4。

3.1.2 內(nèi)力

邊仰坡開挖完成后，微型樁最大彎矩為49.53 kN·m，位于樁頂位置；最大剪力為73.79 kN，位于樁身中部。見圖5和圖6。

最大彎矩截面抗彎Mmax/Mp1，N，Rd=0.537≤0.9，Q/VRd=0.095≤1

式中：Mmax為最大彎矩；Mp1，N，Rd為承載彎矩；Q為最大彎矩截面的剪力；VRd為承載剪力。

最大剪力截面抗彎M/Mp1，N，Rd=0.08≤0.9，Qmax/VRd=0.11≤1

式中：M為最大剪力截面的彎矩；Qmax為最大剪力。

微型樁截面強(qiáng)度均滿足要求。

3.2 錨索

錨索預(yù)應(yīng)力為300 kN或400 kN，具體參數(shù)見表2。

錨索錨固力隨著開挖高度增加逐漸增加，自邊坡頂部往下，錨固力逐漸減小，其中最大錨固力位于第1道錨索，最大錨固力為533.27 kN。

錨桿承載力計算采用安全系數(shù)法，承載力需驗算3種類型：抗拉強(qiáng)度Rt、抗拔強(qiáng)度（巖土與錨固體）Re、抗拔強(qiáng)度（鋼筋與砂漿）Rc。當(dāng)最大錨固力Pmax小于所有承載力時，錨桿承載力滿足要求。

經(jīng)驗算，錨索最大錨固力為533.27 kN，位于第一道錨索，均小于錨索的抗拉強(qiáng)度和抗拔強(qiáng)度，滿足承載力要求。

3.3 整體穩(wěn)定性

采用畢肖普法對邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，選取最不利滑動面進(jìn)行分析，采用微樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗滑力矩大于下滑力矩，邊仰坡利用率為63.1%，仰坡整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 連接鋼架內(nèi)力

連接鋼架采用雙榀S355工字鋼，荷載

（4）

（5）

式中：Nq為錨索的最大錨固力；i為錨索間距。

經(jīng)計算，連接工字鋼最大彎矩為MEd為 200 kN·m、最大剪力VEd為266.7 kN，小于連接鋼架承載力矩Mpl，Rd220 kN·m和承載剪力Vc，Rd 565 kN，連接鋼架承載力滿足要求。

4 現(xiàn)場實測

隧道邊仰坡采用微樁-錨索防護(hù)后，進(jìn)行暗洞開挖；洞內(nèi)采用超前大管棚進(jìn)行支護(hù)，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，開挖進(jìn)尺為0.5 m/d。

對微樁變形進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明：微樁變形隨邊仰坡開挖高度先緩慢后快速增加，微樁最終累計變形約8.3 cm，隧道暗洞開挖過程中邊仰坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與現(xiàn)場實測情況基本一致。見圖7。

5 結(jié)論

1）從樁身位移曲線來看，隨著邊仰坡開挖，樁身向背土側(cè)位移增加，變形從樁頂往下逐漸減小，其中樁頂位移最大；從樁身受力來看，邊仰坡開挖完成后，樁身主要受彎，微型樁最大彎矩位于樁頂；最大剪力位于樁身中部，樁身承載力滿足要求。

2）從錨索承載力來看，錨索錨固力隨著開挖高度增加逐漸增加，自邊坡頂部往下，錨固力逐漸減小，其中最大錨固力位于第一道錨索。錨固力均小于錨索的抗拉強(qiáng)度和抗拔強(qiáng)度，滿足錨索承載力要求；同時錨索間連接鋼架承載力滿足要求。

3）現(xiàn)場監(jiān)測表明，微樁變形隨邊仰坡開挖高度先緩慢后快速增加，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測情況基本一致，隧道暗洞開挖過程中邊仰坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明微樁-錨索結(jié)構(gòu)的合理性和適用性，能夠為類似工程提供參考。

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收稿日期：2023-05-31

作者簡介：萬志文（1992 - ）， 男， 工程師， 從事隧道與地下工程設(shè)計研究工作。