黃土隧道錨桿作用機理

1、1 1 問題的提出問題的提出2 2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗3 3 錨桿作用機制錨桿作用機制4 4 經(jīng)濟效益分析經(jīng)濟效益分析 5 5 工程應用工程應用1 問題的提出問題的提出1 問題的提出問題的提出 20世紀世紀70年代至年代至80年代年代末，主要為單線鐵路隧道。末，主要為單線鐵路隧道。 大量的試驗研究結果表明，錨桿大量的試驗研究結果表明，錨桿在噴錨支護結構中起著重要作用。在噴錨支護結構中起著重要作用?？缍刃?，斷面小跨度小，斷面小初期支護：初期支護：錨桿錨桿+噴射混凝土噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)鋼筋網(wǎng)1 問題的提出問題的提出 20世紀世紀90年代以來，大斷面隧道和復雜地質(zhì)情況增多，在軟年代以來，大斷面隧道和復

2、雜地質(zhì)情況增多，在軟弱地層中的隧道初期支護結構必須增設鋼架。弱地層中的隧道初期支護結構必須增設鋼架。 在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護效果如何？在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護效果如何？ 有兩種觀點：有兩種觀點：作用不大，可以取消；有重要作用，理應設置。系統(tǒng)研究很少。作用不大，可以取消；有重要作用，理應設置。系統(tǒng)研究很少。 目前，在學術界和工程界存在很大爭議。目前，在學術界和工程界存在很大爭議。1 問題的提出問題的提出 本人認為黃土隧道結構采用由鋼架、噴射混凝土、本人認為黃土隧道結構采用由鋼架、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿共同組成的聯(lián)合支護結構不盡合理。鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿共同組成的聯(lián)合支護結構不盡合理。系統(tǒng)錨桿

3、在黃土隧道中的作用不大，理由如下：系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的作用不大，理由如下： 二次襯砌防水層鋼架鋼筋網(wǎng)噴射混凝土系統(tǒng)錨桿錨桿作用機理錨桿作用機理懸吊作用懸吊作用加固圍巖加固圍巖支承圍巖支承圍巖組合梁組合梁剛架作用機理剛架作用機理加強限制圍巖變形加強限制圍巖變形作為超前支護的后支點作為超前支護的后支點承受部分松弛荷載承受部分松弛荷載 錨桿是伸入到圍巖錨桿是伸入到圍巖內(nèi)部內(nèi)部，產(chǎn)，產(chǎn)生相對位移，利用圍巖自承能力。生相對位移，利用圍巖自承能力。主動加固圍巖主動加固圍巖鋼架架設在圍巖鋼架架設在圍巖外側外側被動支撐作用被動支撐作用兩者對隧道支護的機理兩者對隧道支護的機理截然不同截然不同1 問題的提出問題

4、的提出（1）兩者）兩者支護的機理不同支護的機理不同1 問題的提出問題的提出 （2） 錨桿發(fā)揮作用的兩個前提：錨桿發(fā)揮作用的兩個前提：u錨桿錨固材料與圍巖要有足夠的黏結力錨桿錨固材料與圍巖要有足夠的黏結力u要有足夠的錨固段。要有足夠的錨固段。 錨固段自由段錨桿作用示意圖 黃土隧道中錨桿的拉拔力只有黃土隧道中錨桿的拉拔力只有2030 kN，粘結力??；，粘結力??； 大斷面黃土隧道圍巖的松弛區(qū)往往變大，目前以大斷面黃土隧道圍巖的松弛區(qū)往往變大，目前以“短而密短而密”原則設置的系統(tǒng)錨桿，錨桿的長度往往未穿過松弛區(qū)，即根本原則設置的系統(tǒng)錨桿，錨桿的長度往往未穿過松弛區(qū)，即根本沒有錨固段。沒有錨固段。1 問

5、題的提出問題的提出 （3） 錨桿受力的計算分析難度很大，往往人為地假定錨桿錨桿受力的計算分析難度很大，往往人為地假定錨桿支護的效果提高了圍巖的彈性模量支護的效果提高了圍巖的彈性模量E，黏聚力，黏聚力c和內(nèi)摩擦角和內(nèi)摩擦角 。這在。這在黃土中并不是很合理，相反往往由于打入了錨桿反而破壞了黃土黃土中并不是很合理，相反往往由于打入了錨桿反而破壞了黃土的結構，降低了圍巖的強度和穩(wěn)定性。的結構，降低了圍巖的強度和穩(wěn)定性。（與巖石是有區(qū)別的）（與巖石是有區(qū)別的）1 問題的提出問題的提出 （4） 黃土隧道支護施工工序黃土隧道支護施工工序開挖開挖初噴射混凝土初噴射混凝土立鋼架立鋼架掛設鋼筋網(wǎng)片掛設鋼筋網(wǎng)片安設

6、錨桿安設錨桿噴射混凝土達到設計厚度噴射混凝土達到設計厚度 安設錨桿在架立鋼架安設錨桿在架立鋼架之后，所以鋼架對圍巖變之后，所以鋼架對圍巖變形的制約，必然會影響到形的制約，必然會影響到錨桿作用的發(fā)揮。錨桿作用的發(fā)揮。 1 問題的提出問題的提出錨桿不能及時徑向施作，發(fā)揮不了錨固作用。錨桿不能及時徑向施作，發(fā)揮不了錨固作用。 （5） 黃土隧道施工多采用分部開挖，施工場地狹小。黃土隧道施工多采用分部開挖，施工場地狹小。1 問題的提出問題的提出 （6） 在黃土中錨桿施工成孔困難，注漿不易，影響在黃土中錨桿施工成孔困難，注漿不易，影響工程進度。工程進度。1 問題的提出問題的提出 為了解答上述問題，采用現(xiàn)場

7、試驗和理論分析的方法，為了解答上述問題，采用現(xiàn)場試驗和理論分析的方法，研究錨桿在黃土隧道中的支護效果與機制。研究錨桿在黃土隧道中的支護效果與機制。縮短工期縮短工期減少施工工序減少施工工序及時封閉支護結構及時封閉支護結構節(jié)省工程造價節(jié)省工程造價黃黃土土隧隧道道取取消消系系統(tǒng)統(tǒng)錨錨桿桿有利于施工安全有利于施工安全2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 以吳堡至子洲高速公路多座單洞兩車道黃土隧道為依托，開展以吳堡至子洲高速公路多座單洞兩車道黃土隧道為依托，開展黃土隧道錨桿支護效果現(xiàn)場試驗，其中包括：黃土隧道錨桿支護效果現(xiàn)場試驗，其中包括： （1）黃土隧道變形現(xiàn)場測試；）黃土隧道變形現(xiàn)場測試； （2

8、）黃土隧道錨桿軸力測試；）黃土隧道錨桿軸力測試； （3）有、無系統(tǒng)錨桿黃土隧道圍巖穩(wěn)定性及支護效果現(xiàn)場對）有、無系統(tǒng)錨桿黃土隧道圍巖穩(wěn)定性及支護效果現(xiàn)場對比試驗。比試驗。 通過現(xiàn)場試驗結果分析，評價錨桿在黃土隧道中的作用效果，通過現(xiàn)場試驗結果分析，評價錨桿在黃土隧道中的作用效果，探討錨桿在黃土隧道中的作用機理。探討錨桿在黃土隧道中的作用機理。2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 在劉家坪隧道群的在劉家坪隧道群的IV、V、VI級級圍巖條件下開圍巖條件下開展有無系統(tǒng)錨桿的試驗，分別在展有無系統(tǒng)錨桿的試驗，分別在IV、V級圍巖條件級圍巖條件下開展了下開展了30米打設系統(tǒng)錨桿和米打設系統(tǒng)錨桿和30米不打設系統(tǒng)錨桿隧米

9、不打設系統(tǒng)錨桿隧道圍巖穩(wěn)定性和支護效果的現(xiàn)場對比試驗，共布設了道圍巖穩(wěn)定性和支護效果的現(xiàn)場對比試驗，共布設了14個測試斷面，埋設個測試斷面，埋設了了1237個測試元件，獲得數(shù)萬個測試元件，獲得數(shù)萬組測試數(shù)據(jù)。組測試數(shù)據(jù)。2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗序號項目名稱儀 器測 讀 頻 率115d15d1個月13個月3個月1凈空收斂SWJ-IV收斂計12次/d1次/d12次/周12次/月2拱頂下沉精密水準儀12次/d1次/d12次/周12次/月3圍巖壓力鋼弦式土壓力盒12次/d1次/d12次/周12次/月4噴射混凝土應力鋼弦式砼應變計12次/d1次/d12次/周12次/月5型鋼拱架應力鋼弦式表面應變計12次/d

10、1次/d12次/周12次/月6縱向連接筋鋼弦式鋼筋應力計12次/d1次/d12次/周12次/月7錨桿軸力鋼弦式鋼筋應力計12次/d1次/d12次/周12次/月8圍巖內(nèi)部位移多點位移計12次/d1次/d12次/周12次/月9接觸壓力鋼弦式土壓力盒12次/d1次/d12次/周12次/月10二襯混凝土應力鋼弦式砼應變計12次/d1次/d12次/周12次/月11二襯鋼筋應力鋼弦式鋼筋應力計12次/d1次/d12次/周12次/月隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及方法隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及方法 劉家坪劉家坪3號隧道號隧道IV級圍巖有無錨桿試驗段縱斷面圖級圍巖有無錨桿試驗段縱斷面圖劉家坪劉家坪5號隧道號隧道V級圍巖有無

11、錨桿試驗段縱斷面圖級圍巖有無錨桿試驗段縱斷面圖無系統(tǒng)錨桿試驗段有系統(tǒng)錨桿試驗段YK50+110.5YK50+104.2YK50+134YK50+142馬蘭組新黃土離石組老黃土YK50+025YK50+212YK50+090.5YK50+120.5YK50+150.561.5m30m30m65.5m地面線馬蘭組新黃土無錨桿試驗段有錨桿試驗段YK52+435YK52+255YK52+350YK52+360YK52+385YK52+390YK52+340YK52+370YK52+40085m30m30m35m子洲吳堡2.1 試驗方案試驗方案1） 斷面布置斷面布置2.1 試驗方案試驗方案壓力盒混凝土應

12、變計表面應變計三點位移計收斂基線測力錨桿測力錨桿測力錨桿25鋼筋應力計25鋼筋應力計測力錨桿測力錨桿測力錨桿拱頂下沉測點級圍巖初期支護階段測試元件布置圖級圍巖初期支護階段測試元件布置圖級圍巖初期支護階段測力錨桿布置圖級圍巖初期支護階段測力錨桿布置圖2） 測點布置測點布置2.1 試驗方案試驗方案壓力盒混凝土應變計表面應變計三點位移計收斂基線測力錨桿測力錨桿測力錨桿25鋼筋應力計25鋼筋應力計測力錨桿測力錨桿測力錨桿拱頂下沉測點級圍巖初期支護階段測試元件布置圖級圍巖初期支護階段測試元件布置圖級圍巖初期支護階段測力錨桿布置圖級圍巖初期支護階段測力錨桿布置圖2） 測點布置測點布置測試元件及現(xiàn)場埋設情況

13、測試元件及現(xiàn)場埋設情況 測試元件及現(xiàn)場埋設情況測試元件及現(xiàn)場埋設情況 2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2.2 試驗結果試驗結果2.2.1 對比試驗對比試驗試驗項目試驗項目有系統(tǒng)錨桿試驗段有系統(tǒng)錨桿試驗段無系統(tǒng)錨桿試驗段無系統(tǒng)錨桿試驗段監(jiān)測斷面監(jiān)測斷面最大值最大值/mm平均值平均值/mm監(jiān)測斷面監(jiān)測斷面最大值最大值/mm平均值平均值/mm凈空收斂凈空收斂/mmYK50+104.212.2314.68YK50+13414.9315.11YK50+110.59.85YK50+13612.12YK50+116.521.95YK50+14218.28土體內(nèi)部位移土體內(nèi)部位移/mmYK50+104.20.78(左左)

14、YK50+1344.10(左左)3.77(右右)5.00(右右)YK50+110.53.92(左左)YK50+1367.09(左左)7.02(右右)4.61(右右)YK50+1420.06(左左)9.48(右右)拱頂沉降拱頂沉降/mmYK50+104.211.021.50YK50+1342017.50YK50+110.532YK50+14215噴射混凝土噴射混凝土應力應力/MPaYK50+104.27.23.35YK50+1345.32.95YK50+110.56.0YK50+1424.5有、無系統(tǒng)錨桿試驗段各項監(jiān)測數(shù)據(jù)對比格柵鋼架格柵鋼架內(nèi)側應力內(nèi)側應力/MPaYK50+104.291.86

15、0.4YK50+134104.353.5YK50+110.5134.6YK50+14297.8格柵鋼架格柵鋼架外側應力外側應力/MPaYK50+104.299.0 60.3YK50+13487.453.1YK50+110.5105.8YK50+14272.6縱向連接筋縱向連接筋應力應力/MPaYK50+104.243.634.2YK50+13467.745.9YK50+110.536.7YK50+14274.1接觸壓力接觸壓力/MPaYK50+104.20.050.011YK50+1340.0200.007YK50+110.50.02YK50+1420.008二次襯砌二次襯砌混凝土內(nèi)側混凝土內(nèi)

16、側應力應力/MPaYK50+104.21.880.68YK50+1340.920.64YK50+110.50.95YK50+1421.28二次襯砌二次襯砌混凝土外側混凝土外側應力應力/MPaYK50+104.21.060.60YK50+1341.130.66YK50+110.51.01YK50+1421.182 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2.2 試驗結果試驗結果2.2.1 對比試驗對比試驗有、無系統(tǒng)錨桿試驗段各項監(jiān)測數(shù)據(jù)對比2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2.2 試驗結果試驗結果2.2.1 對比試驗對比試驗 在黃土隧道的在黃土隧道的IV級圍巖中，從變形上講，有系統(tǒng)錨桿級圍巖中，從變形上講，有系統(tǒng)錨桿試驗段的凈空收斂

17、均值與無系統(tǒng)錨桿試驗段的凈空收斂均試驗段的凈空收斂均值與無系統(tǒng)錨桿試驗段的凈空收斂均值相差不大，二者相差僅為值相差不大，二者相差僅為0.47mm；有系統(tǒng)錨桿試驗段的；有系統(tǒng)錨桿試驗段的拱部沉降均值大于無系統(tǒng)錨桿試驗段的拱部沉降均值，二拱部沉降均值大于無系統(tǒng)錨桿試驗段的拱部沉降均值，二者相差者相差4mm。 從從2個試驗段的應力測試數(shù)據(jù)上看，相同項目的監(jiān)測個試驗段的應力測試數(shù)據(jù)上看，相同項目的監(jiān)測值相對來說相差不大。值相對來說相差不大。2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2.2 試驗結果試驗結果2.2.2 錨桿應力錨桿應力 在劉家坪在劉家坪2號隧道的號隧道的2個測試斷面、劉家坪個測試斷面、劉家坪3號隧道的號隧道的

18、2個測試斷面以及劉家坪個測試斷面以及劉家坪5號隧道的號隧道的3個個測試斷面共埋設了測試斷面共埋設了48根測力錨桿。按不同位置根測力錨桿。按不同位置統(tǒng)計結果如下表所列。統(tǒng)計結果如下表所列。按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況2.2.2 錨桿應力錨桿應力里程里程圍巖級別圍巖級別位置位置最大應力最大應力/MPa最大應力占鋼材設計強度最大應力占鋼材設計強度的百分比的百分比/%YK50+104.2IV拱頂拱頂3811YK50+110.5113K52+296V62K52+350損壞損壞K52+36011133YK49+670299YK49+676299K52+350V左拱腰左拱腰30度處度處損壞損壞K52+3605

19、917YK50+104.2IV左拱腰左拱腰45度處度處 5717YK50+110.55316K52+296V134YK49+6708826YK49+6761242.2.2 錨桿應力錨桿應力里程里程圍巖級別圍巖級別位置位置最大應力最大應力/MPa最大應力占鋼材設計最大應力占鋼材設計強度的百分比強度的百分比/%K52+350V右拱腰右拱腰30度處度處5015K52+3604212YK50+104.2IV右拱腰右拱腰45度處度處5316YK50+110.54212K52+296V51YK49+670175YK49+6763611K52+350V左拱腰左拱腰60度處度處93K52+360-206K52

20、+350V右拱腰右拱腰60度處度處113K52+360154按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況2.2.2 錨桿應力錨桿應力里程里程圍巖級別圍巖級別位置位置最大應力最大應力/MPa最大應力占鋼材設計強最大應力占鋼材設計強度的百分比度的百分比/%YK50+104.2IV左拱腳處鎖左拱腳處鎖腳錨桿腳錨桿-237YK50+110.5-329K52+296V72K52+350-82K52+360226YK49+670-13038YK49+676-11534YK50+104.2IV右拱腳處鎖右拱腳處鎖腳錨桿腳錨桿-3611YK50+110.5-3510K52+296V21K52+3501

21、24K52+360-51YK49+670-103YK49+676-37112.2.2 錨桿應力錨桿應力按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況里程里程圍巖級別圍巖級別位置位置最大應力最大應力/MPa最大應力占鋼材設計最大應力占鋼材設計強度的百分比強度的百分比/%K52+350V左墻腳處鎖腳錨桿左墻腳處鎖腳錨桿7723K52+360165YK50+104.2IV右墻腳處鎖腳錨桿右墻腳處鎖腳錨桿8425YK50+110.582K52+296V21K52+35082K52+360-113YK49+670-5215YK49+676-4614典型斷面錨桿受力分布(單位：MPa)(單位：MPa

22、)1.019.2-23.10.4m1.4m2.4m3.4m-9.731.452.866.73.4m2.4m1.4m0.4m2.926.036.037.80.4m1.4m2.4m3.4m15.457.625.90.4m1.4m2.4m3.4m33.910.3-15.7-33.0-35.53.00.4m1.4m2.4m3.4m-23.567.690.98.00.4m1.4m2.4m3.4m（a） 劉家坪3號隧道YK50+104.2錨桿受力分布圖（“+”為受壓，“-”為受拉）2.2.2 錨桿應力錨桿應力典型斷面錨桿受力分布(單位：MPa)2.2.2 錨桿應力錨桿應力8.50.4m1.4m2.4m3.

23、4m-0.8-7.2-19.61.614.70.4m1.4m2.4m 3.4m0.4m1.4m2.4m3.4m-0.51.6-4.7-1.00.4m1.4m2.4m3.4m-1.7-2.90.60.81.422.31.13.615.71.90.4m1.4m2.4m3.4m2.37.8-10.92.70.4m1.4m2.4m3.4m(單位：MPa)o1.4m2.4m 3.4m111.14.12.83.10.4m1.4m2.4m3.4m4.23.128.530.341.50.4m1.4m2.4m 3.4m21.459.34.80.4m（b） 劉家坪5號隧道K52+360錨桿受力分布 （1）拱部共埋

24、設了）拱部共埋設了25根錨桿，除去根錨桿，除去2個因元件損壞的無效數(shù)個因元件損壞的無效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)23個。對有效數(shù)據(jù)進行分析，其中最大應力處于個。對有效數(shù)據(jù)進行分析，其中最大應力處于受壓的有受壓的有22個，占測試數(shù)據(jù)的個，占測試數(shù)據(jù)的96%，最大壓應力值為，最大壓應力值為111MPa，占錨桿設計強度的占錨桿設計強度的33%。1個拉應力值較小，為個拉應力值較小，為-20MPa。因此，。因此，拱部錨桿以受壓為主。拱部錨桿以受壓為主。 （2）拱腳處共埋設了）拱腳處共埋設了14根錨桿，其中最大應力處于受拉的根錨桿，其中最大應力處于受拉的有有10個，占測試數(shù)據(jù)的個，占測試數(shù)據(jù)的71%，最大

25、拉應力值為，最大拉應力值為130MPa，占錨桿，占錨桿設計強度的設計強度的38%，最大壓應力值僅為，最大壓應力值僅為22MPa，占錨桿設計強度，占錨桿設計強度的的6%，因此，拱腳處鎖腳錨桿以受拉為主。，因此，拱腳處鎖腳錨桿以受拉為主。 2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 （3）墻腳處共埋設了）墻腳處共埋設了9根錨桿，其中最大應力處于受拉的根錨桿，其中最大應力處于受拉的有有3個，最大拉應力值為個，最大拉應力值為52MPa，占錨桿設計強度的，占錨桿設計強度的15%，最，最大應力處于受壓的有大應力處于受壓的有6個，最大壓應力值為個，最大壓應力值為84MPa，占錨桿設，占錨桿設計強度的計強度的25%，因此，墻腳處鎖

26、腳錨桿有拉應力也有壓應力。，因此，墻腳處鎖腳錨桿有拉應力也有壓應力。 （4）鎖腳錨桿應力普遍大于拱部錨桿應力。絕大部分錨桿）鎖腳錨桿應力普遍大于拱部錨桿應力。絕大部分錨桿的受力最大值發(fā)生在入土的受力最大值發(fā)生在入土1.4m以內(nèi)的淺層，隨著入土深度的增以內(nèi)的淺層，隨著入土深度的增加受力漸小。加受力漸小。2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 通過對兩個有、無系統(tǒng)錨桿試驗段隧道支護結構變形與受通過對兩個有、無系統(tǒng)錨桿試驗段隧道支護結構變形與受力測試結果進行對比分析，可以得出以下結論：力測試結果進行對比分析，可以得出以下結論：2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗2.2 試驗結論試驗結論2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 （1

27、 1）支護結構的變形）支護結構的變形 總體來說，兩個試驗段的拱部沉降和凈空收斂值相差不大，總體來說，兩個試驗段的拱部沉降和凈空收斂值相差不大，變形初期增長較快，仰拱施作后，變形趨于穩(wěn)定，邊墻凈空收變形初期增長較快，仰拱施作后，變形趨于穩(wěn)定，邊墻凈空收斂量測值均大于土體內(nèi)部位移量測值，表明邊墻處土體松弛范斂量測值均大于土體內(nèi)部位移量測值，表明邊墻處土體松弛范圍大于圍大于3m3m，設計中錨桿采用，設計中錨桿采用3m3m長偏短。長偏短。2.2 試驗結論試驗結論2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 （2 2）鋼架應力）鋼架應力 各斷面格柵鋼架應力以受壓為主，拱部的格柵鋼架應力相各斷面格柵鋼架應力以受壓為主，拱部的格柵

28、鋼架應力相對較大，邊墻處較小。鋼架是重要的支護結構，格柵鋼架應力對較大，邊墻處較小。鋼架是重要的支護結構，格柵鋼架應力初期增長較快，仰拱施作后，格柵鋼架應力增長速率減小。應初期增長較快，仰拱施作后，格柵鋼架應力增長速率減小。應力增長具有較強的規(guī)律性，二次襯砌施作后，格柵鋼架應力有力增長具有較強的規(guī)律性，二次襯砌施作后，格柵鋼架應力有所減小，且迅速穩(wěn)定，說明二次襯砌承擔了一部分荷載。所減小，且迅速穩(wěn)定，說明二次襯砌承擔了一部分荷載。2.2 試驗結論試驗結論2 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗 （3 3）錨桿應力）錨桿應力 由于采用分部開挖法施工，施工空間狹小，拱部錨桿施工往往無由于采用分部開挖法施工，施工空間狹

29、小，拱部錨桿施工往往無法徑向施作，法徑向施作， 達不到設計的要求。錨桿受力最大值絕大部分發(fā)生在達不到設計的要求。錨桿受力最大值絕大部分發(fā)生在最淺處，且隨著深度的增加受力減小，拱部系統(tǒng)錨桿處于受壓狀態(tài)。最淺處，且隨著深度的增加受力減小，拱部系統(tǒng)錨桿處于受壓狀態(tài)。這說明拱部系統(tǒng)錨桿并沒有起到支護作用。拱腳處鎖腳錨桿處于受拉這說明拱部系統(tǒng)錨桿并沒有起到支護作用。拱腳處鎖腳錨桿處于受拉狀態(tài)，說明拱腳處鎖腳錨桿對限制隧道變形是可以起到一定作用的。狀態(tài)，說明拱腳處鎖腳錨桿對限制隧道變形是可以起到一定作用的。 所述結果表明：鋼架支護條件下系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的作用不所述結果表明：鋼架支護條件下系統(tǒng)錨桿在黃土

30、隧道中的作用不明顯，可以取消。明顯，可以取消。黃土隧道初期支護應采用：黃土隧道初期支護應采用：鋼架鋼架+ +噴射混凝土噴射混凝土+ +鋼筋網(wǎng)鋼筋網(wǎng)+ +鎖腳錨桿（管）組合結構鎖腳錨桿（管）組合結構 減少了工序，縮短了初期支護封閉成環(huán)時間，加快了施工進度，減少了工序，縮短了初期支護封閉成環(huán)時間，加快了施工進度，提高了施工安全性和結構穩(wěn)定性，降低了工程造價。提高了施工安全性和結構穩(wěn)定性，降低了工程造價。 公路隧道設計規(guī)范（公路隧道設計規(guī)范（JTG D70-2004JTG D70-2004）（第）（第14.6.314.6.3條）條）鐵路隧道設計規(guī)范鐵路隧道設計規(guī)范 （TB10003-2005 J44

31、9-2005TB10003-2005 J449-2005）（第）（第7.3.17.3.1條）條） 日本、歐日本、歐美等國家美等國家軟弱地層軟弱地層隧道中隧道中突破了現(xiàn)行國內(nèi)突破了現(xiàn)行國內(nèi)外設計規(guī)范！外設計規(guī)范！ 傳統(tǒng)襯砌結構型式傳統(tǒng)襯砌結構型式新的襯砌結構型式新的襯砌結構型式二次襯砌防水層鎖腳錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土鋼架二次襯砌防水層鋼架鋼筋網(wǎng)噴射混凝土系統(tǒng)錨桿3 錨桿作用機制錨桿作用機制3 .1 錨桿作用機制錨桿作用機制錨固段自由段錨桿作用示意圖 錨桿起到錨固作用的2個前提條件：u有錨固段u錨桿與圍巖要有良好的相互黏結 錨桿與土體采用水泥砂錨桿與土體采用水泥砂漿或藥卷式錨固劑黏結效果漿或藥卷式錨

32、固劑黏結效果都不太理想，錨桿拉拔力很都不太理想，錨桿拉拔力很小，往往只有小，往往只有2030kN。3.1 錨桿作用機制錨桿作用機制 淺埋兩車道黃土隧道，地表會產(chǎn)生沉降或裂縫，拱部淺埋兩車道黃土隧道，地表會產(chǎn)生沉降或裂縫，拱部會發(fā)生整體沉降。拱部系統(tǒng)錨桿不存在錨固段。會發(fā)生整體沉降。拱部系統(tǒng)錨桿不存在錨固段。 淺埋黃土隧道地表產(chǎn)生沉降淺埋黃土隧道地表產(chǎn)生沉降 深埋黃土隧道，深埋黃土隧道，開挖后土體產(chǎn)生了較開挖后土體產(chǎn)生了較大塑性區(qū)。目前以大塑性區(qū)。目前以“短而密短而密”為設置原為設置原則采用的系統(tǒng)錨桿則采用的系統(tǒng)錨桿（如（如IV級圍巖錨桿長級圍巖錨桿長3 m），并未穿過塑性區(qū)。），并未穿過塑性區(qū)

33、。錨桿亦不存在錨固段。錨桿亦不存在錨固段。 3.1 錨桿作用機制錨桿作用機制彈性區(qū)塑性區(qū)松動區(qū)深埋黃土隧道產(chǎn)生塑性區(qū)3.2 錨桿力學狀態(tài)分析錨桿力學狀態(tài)分析 黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括：黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括：（1 1）應力釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松動變形；）應力釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松動變形；（2 2）初期支護背部因回填不密實而誘發(fā)的土體沉降；）初期支護背部因回填不密實而誘發(fā)的土體沉降；（3 3）采用型鋼鋼架支護后，其背部因噴射混凝土無法噴到位而）采用型鋼鋼架支護后，其背部因噴射混凝土無法噴到位而誘發(fā)的土體沉降；誘發(fā)的土體沉降；（4

34、4）施工擾動土體后期產(chǎn)生的壓密沉降；）施工擾動土體后期產(chǎn)生的壓密沉降；（5 5）地下水位線以下的隧道，因開挖而引起的水位下降，使部）地下水位線以下的隧道，因開挖而引起的水位下降，使部分飽和土體變?yōu)榉秋柡偷那饭探Y土，從而引發(fā)次固結沉降。分飽和土體變?yōu)榉秋柡偷那饭探Y土，從而引發(fā)次固結沉降。3.2 錨桿力學狀態(tài)分析錨桿力學狀態(tài)分析 隧道開挖后，由鋼架、系隧道開挖后，由鋼架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土形成的組合結構共同限制土體形成的組合結構共同限制土體的變形。的變形。 （1）鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴）鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土是在圍巖（土體）射混凝土是在圍巖（土體）外外部約束土體變形

35、。部約束土體變形。 （2）而系統(tǒng)錨桿則是錨）而系統(tǒng)錨桿則是錨固到初期支護上，伸入到土體固到初期支護上，伸入到土體中，中，從土體內(nèi)部約束變形從土體內(nèi)部約束變形。 在初期支護施作后，在初期支護施作后，相對于土體的后續(xù)變形，相對于土體的后續(xù)變形，錨桿是固定不動的，所以錨桿是固定不動的，所以在淺埋黃土隧道或塑性區(qū)在淺埋黃土隧道或塑性區(qū)大的深埋黃土隧道，拱部大的深埋黃土隧道，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下系統(tǒng)錨桿受到了土體向下的摩阻力，相當于樁承受的摩阻力，相當于樁承受負摩阻力，因而拱部系統(tǒng)負摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。錨桿受壓。彈性區(qū)塑性區(qū)松動區(qū)3.2 錨桿力學狀態(tài)分析錨桿力學狀態(tài)分析4 經(jīng)濟效益分析經(jīng)

36、濟效益分析 通過對通過對IVIV級圍巖黃土隧道施工各工序所需時間的統(tǒng)計，在級圍巖黃土隧道施工各工序所需時間的統(tǒng)計，在4 4臺電鉆同時施工的情況下，施作一個循環(huán)的系統(tǒng)錨桿至少需要臺電鉆同時施工的情況下，施作一個循環(huán)的系統(tǒng)錨桿至少需要2h2h，完成一個循環(huán)的初期支護所需總時間約，完成一個循環(huán)的初期支護所需總時間約16h16h。若取消系統(tǒng)錨。若取消系統(tǒng)錨桿，即可縮短桿，即可縮短12%12%的建設工期。在的建設工期。在V V，VIVI級圍巖情況下節(jié)省時間級圍巖情況下節(jié)省時間則更加顯著。則更加顯著。4 經(jīng)濟效益分析經(jīng)濟效益分析4 經(jīng)濟效益分析經(jīng)濟效益分析 可見，取消系統(tǒng)錨桿可明顯降低工程造價，有特別顯著的經(jīng)可見，取消系統(tǒng)錨桿可明顯降低工程造價，有特別顯著的經(jīng)濟效益。濟效益。圍巖圍巖級別級別錨桿長度錨桿長度/m錨桿錨桿根數(shù)根數(shù)錨桿單價錨桿單價錨桿總價錨桿總價節(jié)約造價（占隧節(jié)約造價（占隧道每延米造價）道每延米造價）32346元元/m3174元元/延米延米10.6%