黄土隧道中的锚杆作用机制

黄土隧道中的锚杆作用机制STRESSANDACTIONMECHANISMOFROCKBOLTINLOESSTUNNEL1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工程应用目录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1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，理应设置。系统研究很少。

目前，在学术界和工程界存在很大争议。1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①加强限制围岩变形②作为超前支护的后支点③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1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20～30kN，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。1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）1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，所以钢架对围岩变形的制约，必然会影响到锚杆作用的发挥。

1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。1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。1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2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。2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。2现场试验序号项目名称仪器测读频率1～15d15d～1个月1～3个月＞3个月1净空收敛SWJ-IV收敛计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月2拱顶下沉精密水准仪1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月3围岩压力钢弦式土压力盒1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月5型钢拱架应力钢弦式表面应变计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月6纵向连接筋钢弦式钢筋应力计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月8围岩内部位移多点位移计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月9接触压力钢弦式土压力盒1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月11二衬钢筋应力钢弦式钢筋应力计1～2次/d1次/d1～2次/周1～2次/月隧道现场监控量测项目及方法

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2.1试验方案Ⅳ级围岩初期支护阶段测试元件布置图Ⅳ级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2）测点布置2.三1试验三方案Ⅴ级围三岩初三期支三护阶三段测三试元三件布三置图Ⅴ级围三岩初三期支三护阶三段测三力锚三杆布三置图2）三测点三布置测试三元件三及现三场埋三设情三况测试三元件三及现三场埋三设情三况2现场三试验2.三2试验三结果2.三2.三1对比三试验试验项目有系统锚杆试验段无系统锚杆试验段监测断面最大值/mm平均值/mm监测断面最大值/mm平均值/mm净空收敛/mmYK50+104.212.2314.68YK50+13414.9315.11YK50+110.59.85YK50+13612.12YK50+116.521.95YK50+14218.28土体内部位移/mmYK50+104.20.78(左)­—YK50+1344.10(左)—3.77(右)5.00(右)YK50+110.53.92(左)—YK50+1367.09(左)—7.02(右)4.61(右)YK50+1420.06(左)—9.48(右)拱顶沉降/mmYK50+104.211.021.50YK50+1342017.50YK50+110.532YK50+14215喷射混凝土应力/MPaYK50+104.27.23.35YK50+1345.32.95YK50+110.56.0YK50+1424.5有、三无系三统锚三杆试三验段三各项三监测三数据三对比格栅钢架内侧应力/MPaYK50+104.291.860.4YK50+134104.353.5YK50+110.5134.6YK50+14297.8格栅钢架外侧应力/MPaYK50+104.299.060.3YK50+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+1340.920.64YK50+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现场三试验2.三2试验三结果2.三2.三1对比三试验有、三无系三统锚三杆试三验段三各项三监测三数据三对比2现场三试验2.三2试验三结果2.三2.三1对比三试验在黄三土隧三道的IV级围三岩中三，从三变形三上讲三，有三系统三锚杆三试验三段的三净空三收敛三均值三与无三系统三锚杆三试验三段的三净空三收敛三均值三相差三不大三，二三者相三差仅三为0.三47三mm；有三系统三锚杆三试验三段的三拱部三沉降三均值三大于三无系三统锚三杆试三验段三的拱三部沉三降均三值，三二者三相差4m三m。从2个试三验段三的应三力测三试数三据上三看，三相同三项目三的监三测值三相对三来说三相差三不大三。2现场三试验2.三2试验三结果2.三2.三2锚杆三应力在刘三家坪2号隧三道的2个测三试断三面、三刘家三坪3号隧三道的2个测三试断三面以三及刘三家坪5号隧三道的3个测三试断三面共三埋设三了48根测三力锚三杆。三按不三同位三置统三计结三果如三下表三所列三。按不三同位三置统三计锚三杆受三力情三况2.三2.三2锚杆三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+670Ⅵ299YK49+676299K52+350V左拱腰30度处损坏—K52+3605917YK50+104.2IV左拱腰45度处5717YK50+110.55316K52+296V134YK49+670Ⅵ8826YK49+6761242.三2.三2锚杆三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+670Ⅵ175YK49+6763611K52+350V左拱腰60度处93K52+360-206K52+350V右拱腰60度处113K52+360154按不三同位三置统三计锚三杆受三力情三况2.三2.三2锚杆三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左拱脚处锁脚锚杆-237YK50+110.5-329K52+296V72K52+350-82K52+360226YK49+670Ⅵ-13038YK49+676-11534YK50+104.2IV右拱脚处锁脚锚杆-3611YK50+110.5-3510K52+296V21K52+350124K52+360-51YK49+670Ⅵ-103YK49+676-37112.三2.三2锚杆三应力按不三同位三置统三计锚三杆受三力情三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+104.2IV右墙脚处锁脚锚杆8425YK50+110.582K52+296V21K52+35082K52+360-113YK49+670Ⅵ-5215YK49+676-4614典型三断面三锚杆三受力三分布(单位三：MP三a)（a）三刘三家坪3号隧三道YK三50三+1三04三.2锚杆三受力三分布三图（三“+”为受三压，三“-”为受三拉）2.三2.三2锚杆三应力典型三断面三锚杆三受力三分布(单位三：MP三a)2.三2.三2锚杆三应力（b）三刘三家坪5号隧三道K5三2+三36三0锚杆三受力三分布（1）拱三部共三埋设三了25根锚三杆，三除去2个因三元件三损坏三的无三效数三据，三有效三数据23个。三对有三效数三据进三行分三析，三其中三最大三应力三处于三受压三的有22个，三占测三试数三据的96三%，最三大压三应力三值为11三1M三Pa，占三锚杆三设计三强度三的33三%。1个拉三应力三值较三小，三为-2三0M三Pa。因三此，三拱部三锚杆三以受三压为三主。（2）拱三脚处三共埋三设了14根锚三杆，三其中三最大三应力三处于三受拉三的有10个，三占测三试数三据的71三%，最三大拉三应力三值为13三0M三Pa，占三锚杆三设计三强度三的38三%，最三大压三应力三值仅三为22三MP三a，占三锚杆三设计三强度三的6%，因三此，三拱脚三处锁三脚锚三杆以三受拉三为主三。2现场三试验（3）墙三脚处三共埋三设了9根锚三杆，三其中三最大三应力三处于三受拉三的有3个，三最大三拉应三力值三为52三MP三a，占三锚杆三设计三强度三的15三%，最三大应三力处三于受三压的三有6个，三最大三压应三力值三为84三MP三a，占三锚杆三设计三强度三的25三%，因三此，三墙脚三处锁三脚锚三杆有三拉应三力也三有压三应力三。（4）锁三脚锚三杆应三力普三遍大三于拱三部锚三杆应三力。三绝大三部分三锚杆三的受三力最三大值三发生三在入三土1.三4m以内三的浅三层，三随着三入土三深度三的增三加受三力渐三小。2现场三试验2现场三试验通过三对两三个有三、无2现场三试验2.三2试验三结论2现场三试验（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。2.三2试验三结论2现场三试验（2）钢三架应三力各断2.三2试验三结论2现场三试验（3）锚三杆应三力由于三采用三分部三开挖三法施三工，三施工三空间三狭小三，拱三部锚三杆施三工往三往无三法径三

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）组合结构减少三了工三序，三缩短三了初三期支三护封三闭成三环时三间，三加快三了施三工进三度，三提高三了施三工安三全性三和结三构稳三定性三，降三低了三工程三造价三。公路三隧道三设计三规范三（JT三G三D7三0-三20三04）（三第条三）铁路三隧道三设计三规范三（TB三10三00三3-三20三05三J三44三9-三20三05）（三第条三）日本三、欧三美等三国家三软弱三地层三隧道三中突破三了现三行国三内外三设计三规范三！传统三衬砌三结构三型式新的三衬砌三结构三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3三.1锚杆三作用三机制锚杆三作用三示意三图锚杆三起到三锚固三作用三的2个前三提条三件：有锚三固段锚杆三与围三岩要三有良三好的三相互三黏结锚杆三与土三体采三用水三泥砂三浆或三药卷三式锚三固剂三黏结三效果三都不三太理三想，三锚杆三拉拔三力很三小，三往往三只有20三~3三0k三N。3.三1锚杆三作用三机制浅埋三两车三道黄三土隧三道，三地表三会产三生沉三降或三裂缝三，拱三部会三发生三整体三沉降三。拱三部系三统锚三杆不三存在三锚固三段。浅埋三黄土三隧道三地表三产生三沉降深埋三黄土三隧道三，开三挖后三土体三产生三3.三1锚杆三作用深埋三黄土三隧道三产生三塑性三区3.三2锚杆三力学三状态三分析黄土三隧道三开挖三后，三周围三土体三要产三生变三形，三主要三包括三：（1）应三力释三放和三土体三扰动三引起三的弹三性、三塑性三和松三动变三形；（2）初三期支三护背三部因三回填三不密三实而三诱发三的土三体沉三降；（3）采三用型三钢钢三架支三护后三，其三背部三因喷三射混三凝土三无法三喷到三位而三诱发三的土三体沉三降；（4）施三工扰三动土三体后三期产三生的三压密三沉降三；（5）地三下水三位线三以下三的隧三道，三因开三挖而三引起三的水三位下三降，三使部三分饱三和土三体变三为非三饱和三的欠三固结三土，三从而三引发三次固三结沉三降。3.三2锚杆三力学三状态三分析隧道三开挖三后，三由钢三架、三系统三锚杆三、钢三筋网三、喷三射混三凝土三形成三的组三合结三构共三同限三制土三体的三变形三。（1）钢三架、三钢筋三网、三喷射三混凝三土是三在围三岩（三土体三）外部三约束三土体三变形三。（2）而三系统三锚杆三则是三锚固三到初三期支三护上三，伸三入到三土体三中，从土三体内三部约三束变三形。在初三期支三护施三作后三，相三对于三土体三的后三续变三形，三锚杆三是固三定不三动的三，所三以在三浅埋三黄土三隧道三或塑三性区三大的三深埋三黄土三隧道三，拱三部系三统锚三杆受三到了三土体三向下三的摩三阻力三，相三当于三桩承三受负三摩阻三力，三因而三拱部三系统三锚杆三受压三。3.三2锚杆三力学三状态三分析4经济三效益三分析通过三对IV级围三岩黄三土隧三道施三工各三工序三所需三时间三的统三计，三在4台电三钻同三时施三工的三情况三下，三施作三一个三循环三的系三统锚三杆至三少需三要2h，完三成一三个循三环的三初期三支护三所需三总时三间约16三h。若三取消三系统三锚杆三，即三可缩三短12三%的建三设工三期。三在V，VI级围三岩情三况下三节省三时间三则更三加显三著。4经济三效益三分析4经济三效益三分析可见三，取三消系三统锚三杆可三明显三降低三工程三造价三，有三特别三显著三的经三济效三益。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（占隧道每延米造价）Ⅳ32346元/m3174元/延米10.6%Ⅴ3.5426762元/延米11.3%Ⅵ4427728元/延米11.0%单洞三两车三道隧三道取三消系三统锚三杆的三经济三效益三统计5工程三应用该隧三道为三