黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋

1、黄土隧道锚杆作用效果与机制 STRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNEL1 问题的提出2 现场试验3 锚杆作用机制4 经济效益分析 5 工程应用1 问题的提出1 问题的提出 20世纪70年代至80年代末，主要为单线铁路隧道。 大量的试验研究结果表明，锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用。跨度小，断面小初期支护：锚杆+喷射混凝土+钢筋网41 问题的提出 20世纪90年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，在软弱地层中的隧道初期支护结构必须增设钢架。 在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？ 有两种观点：作用不大，可以取消；有重要作用，理应

2、设置。系统研究很少。 目前，在学术界和工程界存在很大争议。51 问题的提出 本人认为黄土隧道结构采用由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护结构不尽合理。系统锚杆在黄土隧道中的作用不大，理由如下： 二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆6锚杆作用机理悬吊作用加固围岩支承围岩组合梁刚架作用机理加强限制围岩变形作为超前支护的后支点承受部分松弛荷载 锚杆是伸入到围岩内部，产生相对位移，利用围岩自承能力。主动加固围岩钢架架设在围岩外侧被动支撑作用两者对隧道支护的机理截然不同1 问题的提出（1）两者支护的机理不同71 问题的提出 （2） 锚杆发挥作用的两个前提：锚杆锚固材料与围岩要有足

3、够的黏结力要有足够的锚固段。 锚杆作用示意图 黄土隧道中锚杆的拉拔力只有2030 kN，粘结力小； 大断面黄土隧道围岩的松弛区往往变大，目前以“短而密”原则设置的系统锚杆，锚杆的长度往往未穿过松弛区，即根本没有锚固段。81 问题的提出 （3） 锚杆受力的计算分析难度很大，往往人为地假定锚杆支护的效果提高了围岩的弹性模量E，黏聚力c和内摩擦角。这在黄土中并不是很合理，相反往往由于打入了锚杆反而破坏了黄土的结构，降低了围岩的强度和稳定性。（与岩石是有区别的）91 问题的提出 （4） 黄土隧道支护施工工序开挖初喷射混凝土立钢架挂设钢筋网片安设锚杆喷射混凝土达到设计厚度 安设锚杆在架立钢架之后，所以钢

4、架对围岩变形的制约，必然会影响到锚杆作用的发挥。 101 问题的提出锚杆不能及时径向施作，发挥不了锚固作用。 （5） 黄土隧道施工多采用分部开挖，施工场地狭小。111 问题的提出 （6） 在黄土中锚杆施工成孔困难，注浆不易，影响工程进度。121 问题的提出 为了解答上述问题，采用现场试验和理论分析的方法，研究锚杆在黄土隧道中的支护效果与机制。缩短工期减少施工工序及时封闭支护结构节省工程造价黄土隧道取消系统锚杆有利于施工安全132 现场试验2 现场试验 以吴堡至子洲高速公路多座单洞两车道黄土隧道为依托，开展黄土隧道锚杆支护效果现场试验，其中包括： （1）黄土隧道变形现场测试； （2）黄土隧道锚杆

5、轴力测试； （3）有、无系统锚杆黄土隧道围岩稳定性及支护效果现场对比试验。 通过现场试验结果分析，评价锚杆在黄土隧道中的作用效果，探讨锚杆在黄土隧道中的作用机理。152 现场试验 在刘家坪隧道群的IV、V、VI级围岩条件下开展有无系统锚杆的试验，分别在IV、V级围岩条件下开展了30米打设系统锚杆和30米不打设系统锚杆隧道围岩稳定性和支护效果的现场对比试验，共布设了14个测试断面，埋设了1237个测试元件，获得数万组测试数据。162 现场试验序号项目名称仪 器测 读 频 率115d15d1个月13个月3个月1净空收敛SWJ-IV收敛计12次/d1次/d12次/周12次/月2拱顶下沉精密水准仪12

6、次/d1次/d12次/周12次/月3围岩压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月5型钢拱架应力钢弦式表面应变计12次/d1次/d12次/周12次/月6纵向连接筋钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月8围岩内部位移多点位移计12次/d1次/d12次/周12次/月9接触压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月11二衬钢筋应力钢弦式钢筋应力计12次/d1

7、次/d12次/周12次/月隧道现场监控量测项目及方法 17刘家坪3号隧道IV级围岩有无锚杆试验段纵断面图刘家坪5号隧道V级围岩有无锚杆试验段纵断面图2.1 试验方案1） 断面布置182.1 试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2） 测点布置192.1 试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2） 测点布置20测试元件及现场埋设情况 21测试元件及现场埋设情况 222 现场试验2.2 试验结果2.2.1 对比试验有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比23格栅钢架内侧应力/MPaYK50+104.291.860.4YK50+1341

8、04.353.5YK50+110.5134.6YK50+14297.8格栅钢架外侧应力/MPaYK50+104.299.0 60.3YK50+13487.453.1YK50+110.5105.8YK50+14272.6纵向连接筋应力/MPaYK50+104.243.634.2YK50+13467.745.9YK50+110.536.7YK50+14274.1接触压力/MPaYK50+104.20.050.011YK50+1340.0200.007YK50+110.50.02YK50+1420.008二次衬砌混凝土内侧应力/MPaYK50+104.21.880.68YK50+1340.920.6

9、4YK50+110.50.95YK50+1421.28二次衬砌混凝土外侧应力/MPaYK50+104.21.060.60YK50+1341.130.66YK50+110.51.01YK50+1421.182 现场试验2.2 试验结果2.2.1 对比试验有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比242 现场试验2.2 试验结果2.2.1 对比试验 在黄土隧道的IV级围岩中，从变形上讲，有系统锚杆试验段的净空收敛均值与无系统锚杆试验段的净空收敛均值相差不大，二者相差仅为0.47mm；有系统锚杆试验段的拱部沉降均值大于无系统锚杆试验段的拱部沉降均值，二者相差4mm。 从2个试验段的应力测试数据上看，相同项

10、目的监测值相对来说相差不大。252 现场试验2.2 试验结果2.2.2 锚杆应力 在刘家坪2号隧道的2个测试断面、刘家坪3号隧道的2个测试断面以及刘家坪5号隧道的3个测试断面共埋设了48根测力锚杆。按不同位置统计结果如下表所列。26按不同位置统计锚杆受力情况2.2.2 锚杆应力里程围岩级别位置最大应力/MPa最大应力占钢材设计强度的百分比/%YK50+104.2IV拱顶3811YK50+110.5113K52+296V62K52+350损坏K52+36011133YK49+670299YK49+676299K52+350V左拱腰30度处损坏K52+3605917YK50+104.2IV左拱腰4

11、5度处 5717YK50+110.55316K52+296V134YK49+6708826YK49+676124272.2.2 锚杆应力里程围岩级别位置最大应力/MPa最大应力占钢材设计强度的百分比/%K52+350V右拱腰30度处5015K52+3604212YK50+104.2IV右拱腰45度处5316YK50+110.54212K52+296V51YK49+670175YK49+6763611K52+350V左拱腰60度处93K52+360-206K52+350V右拱腰60度处113K52+360154按不同位置统计锚杆受力情况282.2.2 锚杆应力里程围岩级别位置最大应力/MPa最大

12、应力占钢材设计强度的百分比/%YK50+104.2IV左拱脚处锁脚锚杆-237YK50+110.5-329K52+296V72K52+350-82K52+360226YK49+670-13038YK49+676-11534YK50+104.2IV右拱脚处锁脚锚杆-3611YK50+110.5-3510K52+296V21K52+350124K52+360-51YK49+670-103YK49+676-3711292.2.2 锚杆应力按不同位置统计锚杆受力情况里程围岩级别位置最大应力/MPa最大应力占钢材设计强度的百分比/%K52+350V左墙脚处锁脚锚杆7723K52+360165YK50+1

13、04.2IV右墙脚处锁脚锚杆8425YK50+110.582K52+296V21K52+35082K52+360-113YK49+670-5215YK49+676-461430典型断面锚杆受力分布(单位：MPa)（a） 刘家坪3号隧道YK50+104.2锚杆受力分布图（“+”为受压，“-”为受拉）2.2.2 锚杆应力31典型断面锚杆受力分布(单位：MPa)2.2.2 锚杆应力（b） 刘家坪5号隧道K52+360锚杆受力分布32 （1）拱部共埋设了25根锚杆，除去2个因元件损坏的无效数据，有效数据23个。对有效数据进行分析，其中最大应力处于受压的有22个，占测试数据的96%，最大压应力值为111

14、MPa，占锚杆设计强度的33%。1个拉应力值较小，为-20MPa。因此，拱部锚杆以受压为主。 （2）拱脚处共埋设了14根锚杆，其中最大应力处于受拉的有10个，占测试数据的71%，最大拉应力值为130MPa，占锚杆设计强度的38%，最大压应力值仅为22MPa，占锚杆设计强度的6%，因此，拱脚处锁脚锚杆以受拉为主。 2 现场试验33 （3）墙脚处共埋设了9根锚杆，其中最大应力处于受拉的有3个，最大拉应力值为52MPa，占锚杆设计强度的15%，最大应力处于受压的有6个，最大压应力值为84MPa，占锚杆设计强度的25%，因此，墙脚处锁脚锚杆有拉应力也有压应力。 （4）锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。

15、绝大部分锚杆的受力最大值发生在入土1.4m以内的浅层，随着入土深度的增加受力渐小。2 现场试验342 现场试验 通过对两个有、无系统锚杆试验段隧道支护结构变形与受力测试结果进行对比分析，可以得出以下结论：2 现场试验2.2 试验结论2 现场试验 （1）支护结构的变形 总体来说，两个试验段的拱部沉降和净空收敛值相差不大，变形初期增长较快，仰拱施作后，变形趋于稳定，边墙净空收敛量测值均大于土体内部位移量测值，表明边墙处土体松弛范围大于3m，设计中锚杆采用3m长偏短。352.2 试验结论2 现场试验 （2）钢架应力 各断面格栅钢架应力以受压为主，拱部的格栅钢架应力相对较大，边墙处较小。钢架是重要的支

16、护结构，格栅钢架应力初期增长较快，仰拱施作后，格栅钢架应力增长速率减小。应力增长具有较强的规律性，二次衬砌施作后，格栅钢架应力有所减小，且迅速稳定，说明二次衬砌承担了一部分荷载。362.2 试验结论2 现场试验 （3）锚杆应力 由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，拱部锚杆施工往往无法径向施作， 达不到设计的要求。锚杆受力最大值绝大部分发生在最浅处，且随着深度的增加受力减小，拱部系统锚杆处于受压状态。这说明拱部系统锚杆并没有起到支护作用。拱脚处锁脚锚杆处于受拉状态，说明拱脚处锁脚锚杆对限制隧道变形是可以起到一定作用的。 所述结果表明：钢架支护条件下系统锚杆在黄土隧道中的作用不明显，可以取消。黄

17、土隧道初期支护应采用：钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）组合结构37 减少了工序，缩短了初期支护封闭成环时间，加快了施工进度，提高了施工安全性和结构稳定性，降低了工程造价。 公路隧道设计规范（JTG D70-2004）（第14.6.3条）铁路隧道设计规范 （TB10003-2005 J449-2005）（第7.3.1条） 日本、欧美等国家软弱地层隧道中突破了现行国内外设计规范！ 传统衬砌结构型式新的衬砌结构型式二次衬砌防水层锁脚锚杆钢筋网喷射混凝土钢架二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆383 锚杆作用机制3 .1 锚杆作用机制锚杆作用示意图 锚杆起到锚固作用的2个前提条件：有锚固

18、段锚杆与围岩要有良好的相互黏结 锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果都不太理想，锚杆拉拔力很小，往往只有2030kN。403.1 锚杆作用机制 浅埋两车道黄土隧道，地表会产生沉降或裂缝，拱部会发生整体沉降。拱部系统锚杆不存在锚固段。 浅埋黄土隧道地表产生沉降41 深埋黄土隧道，开挖后土体产生了较大塑性区。目前以“短而密”为设置原则采用的系统锚杆（如IV级围岩锚杆长3 m），并未穿过塑性区。锚杆亦不存在锚固段。 3.1 锚杆作用机制深埋黄土隧道产生塑性区423.2 锚杆力学状态分析 黄土隧道开挖后，周围土体要产生变形，主要包括：（1）应力释放和土体扰动引起的弹性、塑性和松动变形；（2）初

19、期支护背部因回填不密实而诱发的土体沉降；（3）采用型钢钢架支护后，其背部因喷射混凝土无法喷到位而诱发的土体沉降；（4）施工扰动土体后期产生的压密沉降；（5）地下水位线以下的隧道，因开挖而引起的水位下降，使部分饱和土体变为非饱和的欠固结土，从而引发次固结沉降。433.2 锚杆力学状态分析 隧道开挖后，由钢架、系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土形成的组合结构共同限制土体的变形。 （1）钢架、钢筋网、喷射混凝土是在围岩（土体）外部约束土体变形。 （2）而系统锚杆则是锚固到初期支护上，伸入到土体中，从土体内部约束变形。44 在初期支护施作后，相对于土体的后续变形，锚杆是固定不动的，所以在浅埋黄土隧道或塑性区大的深埋黄土隧道，拱部系统锚杆受到了土体向下的摩阻力，相当于桩承受负摩阻力，因而拱部系统锚杆受压。3.2 锚杆力学状态分析454 经济效益分析 通过对IV级围岩黄土隧道施工各工序所需时间的统计，在4台电钻同时施工的情况下，施作一个循环的系统锚杆至少需要2h，完成一个循环的初期支护所需总时间约16h。若取消系统锚杆，即可缩短12%的建设工期。在V，VI级围岩情况下节省时间则更加显著。4 经济效益分析474 经济效益分析 可见，取消系统锚杆可明显降低工程造价，有特别显著的经济效益。围岩级别锚杆长度/m锚杆根数锚杆单价锚杆总价节约造价