黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制_陳建勛

1、第 30卷 第 8期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 V ol.30 No.8 2011年 8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringAug . , 2011黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制陳建勛 1, 喬 雄 1, 2, 王夢恕 3(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044摘要:為探討黃土隧道錨桿作用效果及機(jī)制, 對陜西省吳堡子洲高速公路上 3座黃土隧道中的 48根錨桿應(yīng)力進(jìn) 行現(xiàn)場測試和統(tǒng)計分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):黃土隧道在鋼

2、架支護(hù)條件下,拱部系統(tǒng)錨桿受壓且應(yīng)力值較小;拱腳處鎖腳 錨桿以受拉為主,鎖腳錨桿應(yīng)力普遍大于拱部錨桿應(yīng)力。從土體的變形和錨桿與土體的錨固效果 2方面分析黃土 隧道拱部系統(tǒng)錨桿的力學(xué)狀態(tài),分析認(rèn)為隧道開挖后,淺埋黃土隧道拱部發(fā)生整體沉降,錨桿并不存在錨固段; 深埋黃土隧道開挖后土體產(chǎn)生較大塑性區(qū),目前以“短而密”原則設(shè)計的系統(tǒng)錨桿也不存在錨固段;錨桿與土體 采用水泥砂漿或藥卷式錨固劑黏結(jié)效果差,因而黃土隧道錨桿錨固力不大;錨桿錨固于初期支護(hù)上,并伸入土體 中,從內(nèi)部約束土體變形,在初期支護(hù)施作后,相對于土體的后續(xù)變形,拱部系統(tǒng)錨桿受到土體向下的摩阻力, 相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力,因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓

3、。綜合以上分析表明,在黃土隧道中,鋼架支護(hù)條件下的系統(tǒng)錨 桿支護(hù)效果不明顯,可以取消。工程實(shí)踐證明,鋼架支護(hù)條件下黃土隧道取消系統(tǒng)錨桿,可減少施工環(huán)節(jié),更有 利于隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可縮短工期和降低工程造價,有著特別顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞:隧道工程;黃土;系統(tǒng)錨桿;現(xiàn)場測試;作用機(jī)制中圖分類號:U 45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000 6915(201108 1690 08 STRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNEL CHEN Jianxun1, QIAO Xiong1, 2, WANG Mengshu3(1.

4、School of Highway, Chang an University, Xi an , Shaanxi 710064, China ; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou , Gansu 730050, China ; 3. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China Abstract :In order to study th

5、e action effect and mechanism of rock bolt in loess tunnel, the stresses of 48 rock bolts in 3 loess tunnels in WubaoZizhou Expressway in Shaanxi Province are measured by in-situ tests and statistically analyzed. It is shown that under the condition of steel arch support, the arch systematic rock bo

6、lts in loess tunnel are compressed and the stress is very small; the feet-lock bolts in arch foot are mainly subjected to tension and the stresses of feet-lock rock bolts are larger than those of arch systematic rock bolts. The mechanical state of arch systematic rock bolts in loess tunnel is analyz

7、ed from the deformation of soil and anchoring effect of rock bolt and soil. It is revealed as follows:(1 After tunnel excavation, the arch of shallow loess tunnel settles entirely ; and there is no anchoring section in systematic rock bolts. (2 After tunnel excavation, there is a large part of plast

8、ic area in deep loess tunnel; and there is no anchoring section in systematic rock bolts. (3 The anchoring effect of rock bolt and soil by cement mortar and anchor agent is not very well; so the anchoring force of rock bolt in loess tunnel is small. (4 Rock bolt is anchored in the first lining and i

9、nserted into the soil, which can constrain the soil inside. After the construction of the first lining, the arch systematic rock bolts are subjected to downward frictional resistance from soil, corresponding to negative friction in pile; so the arch systematic rock bolts in loess tunnel are compress

10、ed. From the above analysis, it is shown that under the condition of steel arch support, the收稿日期:2011 02 24; 修回日期:2011 04 30基金項(xiàng)目:國家西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目 (200731881268;陜西省交通科技項(xiàng)目 (08 06K作者簡介:陳建勛 (1969 , 男, 1992年畢業(yè)于西安公路學(xué)院地下工程與隧道工程專業(yè), 現(xiàn)任教授, 主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作。 E-mail :chenjx1969第 30卷 第 8期 陳建勛等:黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制 169

11、1 support effect of systematic rock bolts in loess tunnel is not obvious, which can be ignored. Engineering practice shows that ignoring systematic bolts under the condition of steel arch support can reduce construction procedure, making construction safe and improving the safety of support structur

12、e; it also can reduce the engineering cost and shorten the construction period. It will achieve obvious economic and social benefits.Key words:tunnel engineering; loess ; systematic rock bolts; in-situ test; action mechanism1 引 言以往我國在黃土地區(qū)修筑了大量單、 雙線鐵路 和兩車道公路隧道,在修建過程中,就曾出現(xiàn)過嚴(yán) 重的地表開裂、拱部沉降、襯砌變形,甚至塌方等 問題

13、1-2。經(jīng)過眾多科研、設(shè)計和施工單位聯(lián)合攻關(guān), 在黃土隧道建設(shè)方面,積累了一些經(jīng)驗(yàn),取得了一 些科研成果,有效地指導(dǎo)了工程建設(shè)。但仍有許多 技術(shù)難題懸而未解,如錨桿在黃土隧道中的作用問 題,一直是學(xué)術(shù)界和工程界爭論的熱點(diǎn)。目前存在 2種觀點(diǎn):一種認(rèn)為,鋼架支護(hù)條件下黃土隧道中 系統(tǒng)錨桿作用不大,可以取消 3-7;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為, 系統(tǒng)錨桿對黃土隧道有著重要作用,理應(yīng)設(shè)置 8-10。 筆者認(rèn)為錨桿在黃土隧道中的作用不大,理由如 下:(1 目前,黃土隧道采用由鋼架、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(hù)結(jié)構(gòu)不盡合 理,鋼架架設(shè)在圍巖外側(cè),發(fā)揮被動支撐作用來維 持圍巖穩(wěn)定,而錨桿伸入到圍巖

14、內(nèi)部,具有主動加 固圍巖、充分利用圍巖承載力的特點(diǎn)。二者對隧道 支護(hù)的機(jī)制截然不同。(2 錨桿發(fā)揮作用的前提:一是錨桿錨固材料 與圍巖要有足夠的黏結(jié)力;二是要有足夠的錨固 段。 但在黃土隧道中錨桿的拉拔力只有 2030 kN, 極大地影響了它的支護(hù)效果。此外,對大斷面黃土 隧道,圍巖的松弛區(qū)往往變大,但目前設(shè)計規(guī)范仍 規(guī)定以“短而密”原則進(jìn)行系統(tǒng)錨桿設(shè)計,其錨桿 的長度往往未穿過松弛區(qū),更未伸入到穩(wěn)定巖體, 即根本沒有錨固段。(3 錨桿受力的計算分析難度很大,往往人為 地假定錨桿支護(hù)的效果提高了圍巖的彈性模量 E , 黏聚力 c 和內(nèi)摩擦角 。這在黃土中并不是很合理, 打入錨桿反而破壞了黃土的

15、結(jié)構(gòu),降低了圍巖的強(qiáng) 度和穩(wěn)定性。(4 目前在黃土隧道施工過程中,通常采用的 支護(hù)順序是:開挖初噴射混凝土立鋼架掛設(shè) 鋼筋網(wǎng)片安設(shè)錨桿噴射混凝土達(dá)到設(shè)計厚度, 由于安設(shè)錨桿在架立鋼架之后,因此鋼架對圍巖變 形的制約必然會影響到錨桿作用的發(fā)揮。(5 黃土隧道施工多采用分部開挖,施工場地 狹小,錨桿施工難度較大,特別是拱部錨桿,往往 不能及時徑向施作。因此,在圍巖已松動、強(qiáng)度已 降低的情況下, 再安設(shè)錨桿根本發(fā)揮不了錨固作用。 此外,當(dāng)錨桿鉆孔上仰,特別是垂直向上時,錨桿 孔很難注滿錨固材料,這樣也會使錨桿在圍巖中的 抗拔力大大降低。(6 在黃土中錨桿施工成孔困難,加之注漿不 易,這些都會影響到工

16、程進(jìn)度。顯然,在黃土隧道中若能取消系統(tǒng)錨桿,不僅 可以大幅度節(jié)省工程造價, 節(jié)省施作錨桿的時間, 減 少施工工序, 縮短工期, 還可以及時封閉支護(hù)結(jié)構(gòu), 有利于隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此,為對上述 問題給出明確解答, 以國道主干線 GZ(35青島銀 川陜西境內(nèi)的吳堡子洲高速公路 3座黃土隧道為 依托,對錨桿應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場測試,分析錨桿在黃土 隧道中的支護(hù)效果及機(jī)制。2 工程概況對國道主干線 GZ(35青島銀川陜西境內(nèi)吳 堡子洲高速公路上 3座黃土隧道 (均為單洞兩車 道分離式隧道 進(jìn)行了錨桿受力現(xiàn)場測試。該段地貌 形態(tài)屬黃土梁峁區(qū)的峁?fàn)钚绷? 隧址區(qū)出露地層表部 為馬蘭組新黃土 (Qcol 3

17、 ,中部為離石組老黃土 (Qcol 2 , 底部為三疊系上統(tǒng)胡家村組褐黃灰綠色厚層狀中 細(xì)粒長石砂巖類,地下水主要為賦存于第四系黃土 層中的孔隙水,隧道埋深 35135 m,地層結(jié)構(gòu)較 為簡單。劉家坪 2號隧道內(nèi)全新統(tǒng)坡積次生黃土土質(zhì)疏 松,結(jié)構(gòu)松軟,垂直節(jié)理發(fā)育,成洞性能較差。馬 蘭組新黃土土質(zhì)均勻, 大孔、 蟲孔發(fā)育, 結(jié)構(gòu)松散, 穩(wěn)定性較差,易坍塌。離石組老黃土土質(zhì)較均勻, 結(jié)構(gòu)緊密,含少量鈣質(zhì)結(jié)核,柱狀節(jié)理發(fā)育,呈塊 狀整體結(jié)構(gòu)。劉家坪 3號隧道內(nèi)離石組老黃土結(jié)構(gòu)緊密,孔 隙退化,成洞性能較好,但柱狀節(jié)理發(fā)育,洞口開 挖時土體易沿節(jié)理面坍塌掉塊,處理不當(dāng)會出現(xiàn)較 大范圍坍塌,穩(wěn)定性較差

18、。 1692 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2011年 劉家坪 5號隧道進(jìn)出口上部均為馬蘭組新黃 土, 土質(zhì)均勻, 結(jié)構(gòu)疏松; 下部均為離石組老黃土, 表層有少量坡積物,土質(zhì)疏松,結(jié)構(gòu)雜亂,穩(wěn)定性 差,洞口開挖時易坍塌,處理不當(dāng)會出現(xiàn)較大范圍 坍塌。洞身圍巖為馬蘭組新黃土,結(jié)構(gòu)松散,穩(wěn)定 性較差,洞室開挖易坍塌,雨季施工有降水滴入、 滲入;洞室開挖時土體易沿節(jié)理面、風(fēng)化裂隙坍塌 掉塊,拱部無支護(hù)時會出現(xiàn)較大范圍的坍塌。各隧道工程概況見表 1。表 1 隧道工程概況Table 1 General engineering situations of tunnels襯砌長度 /m隧道名稱線位 長度 /mV 級淺

19、埋 V 級深埋 IV級明洞 左線350 7026020劉家坪 2號隧道右線 340 90 23020 左線10339401014劉家坪 3號隧道右線187 28 14514劉家坪 5號隧道 左線180 152- 283座黃土隧道均為復(fù)合式襯砌,采用拱部預(yù)留 核心土環(huán)形開挖法施工。 VI 級圍巖段最大開挖寬度 12.52 m。 隧道初期支護(hù)參數(shù)為:噴射 C25強(qiáng)度等級 混凝土,厚 28 cm; I22a 型鋼鋼架,間距 60cm ; 6 mm 鋼筋網(wǎng),間距 15 cm×15 cm; 22 mm藥卷式系 統(tǒng)錨桿,長 4 m,間距 100 cm×60 cm。初期支護(hù)與 二次襯砌之

20、間鋪設(shè)防水板與土工布。二次襯砌采用 C25強(qiáng)度等級模筑鋼筋混凝土,厚 55 cm;仰拱采 用現(xiàn)澆 C25強(qiáng)度等級混凝土,厚 55 cm。V 級圍巖段最大開挖寬度 12.36 m。隧道初期 支護(hù)參數(shù)為:噴射 C25強(qiáng)度等級混凝土, 厚 25 cm; I20a 型鋼鋼架,間距 60 cm; 6 mm鋼筋網(wǎng),間距 15 cm×15 cm; 22 mm藥卷式系統(tǒng)錨桿,長 3.5 m, 間距 100 cm×60 cm。 初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè) 防水板與土工布。二次襯砌采用 C25強(qiáng)度等級模筑 鋼筋混凝土,厚 50 cm;仰拱采用現(xiàn)澆 C25強(qiáng)度等 級混凝土,厚 50 cm。IV

21、級圍巖段最大開挖寬度 12.16 m。隧道初期 支護(hù)參數(shù)為:噴射 C25強(qiáng)度等級混凝土,厚 20cm ; 格柵鋼架 15 cm×15 cm, 間距 90cm ; 6 mm鋼筋網(wǎng),間距 15 cm×15 cm;22 mm藥卷式系統(tǒng)錨桿, 長 3 m, 間距 100 cm×100 cm。初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪 設(shè)防水板與土工布。二次襯砌采用 C25強(qiáng)度等級 模筑混凝土,厚 45 cm;仰拱采用現(xiàn)澆 C25強(qiáng)度等 級混凝土,厚 45 cm。3 測試方案在劉家坪 2號隧道的 2個測試斷面、 3號隧道 的 2個測試斷面以及 5號隧道的 3個測試斷面共埋 設(shè)了 48根測力錨

22、桿。使用自主研發(fā)的 CD 型鋼弦 式測力錨桿 11測試錨桿應(yīng)力。原計劃按設(shè)計角度埋設(shè)測力錨桿,但由于隧道 施工采用拱部預(yù)留核心土環(huán)形開挖法,作業(yè)空間很 小,無法將 3或 4 m長的錨桿按設(shè)計角度徑向打 入,為了確保試驗(yàn)?zāi)芊从彻こ虒?shí)際情況,對測力錨 桿的埋設(shè)角度做了調(diào)整,即按施工實(shí)際打設(shè)角度布 設(shè)測力錨桿。測力錨桿在橫斷面上的布置見圖 1。(a IV級圍巖段(b V級圍巖段(c 洞口段圖 1 各橫斷面測力錨桿布置圖Fig.1 Layout of measuring rock bolts in sections4 測試結(jié)果及分析將 48根錨桿應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行匯總分析,按 不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況見

23、表 2;按不同圍巖級 別統(tǒng)計錨桿受力情況見表 3。典型錨桿受力橫斷面 分布如圖 2所示 (圖中,以壓為正,拉為負(fù) 。第 30卷 第 8期 陳建勛等:黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制 1693 表 2 按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況Table 2 Statistics of rock bolt force at different positions斷面樁號圍巖 級別位置最大應(yīng)力 /MPa最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計強(qiáng) 度的百分比 /%YK50+104.2 38 11 YK50+110.5 IV 11 3 K52+296.0 6 2 K52+350.0 K52+360.0 V111 33YK49+670.0 29

24、9 YK49+676.0 VI 拱頂29 9 K52+350.0 K52+360.0V左拱腰 30°處59 17YK50+104.2 57 17YK50+110.5 IV53 16 K52+296.0 V 13 4YK49+670.0 88 26YK49+676.0 VI左拱腰 45°處K52+350.0 50 15 K52+360.0 V右拱腰30°處 42 12YK50+104.2 53 16YK50+110.5 IV42 12K52+296.0 V 5 1YK49+670.0 17 5YK49+676.0 VI右拱腰45°處 36 11 K52+3

25、50.0 9 3 K52+360.0 V 左拱腰60°處 -20 6K52+350.0 11 3 K52+360.0 V右拱腰60°處 15 4 YK50+104.2 -YK50+110.5IV-32 9K52+296.0 7 2 K52+350.0 -8 2 K52+360.0 V22 6 YK49+670.0 -130 38 YK49+676.0 VI左拱腳處鎖 腳錨桿 -115 34 YK50+104.2 -36 11 YK50+110.5IV-35 10K52+296.0 2 1K52+350.0 12 4 K52+360.0 V -5 1 YK49+670.0 -

26、10 3 YK49+676.0VI右拱腳處鎖 腳錨桿 -37 11K52+350.0 77 23 K52+360.0 V左墻腳處鎖腳錨桿 16 5 YK50+104.2 84 25 YK50+110.5IV8 2K52+296.0 2 1 K52+350.0 8 2K52+360.0 V -11 3 YK49+670.0 -5215YK49+676.0VI右墻腳處鎖 腳錨桿-46 14表 3 按不同圍巖級別統(tǒng)計錨桿受力情況 Table 3 Statistics of rock bolt force at different levels ofsurrounding rock隧道 名稱 斷面 樁

27、號 圍巖 級別位置最大應(yīng)力 /MPa 最大應(yīng)力占鋼材設(shè) 計強(qiáng)度的百分比 /%拱頂 29 9 左拱腰 45°處 8826右拱腰 45°處 17 5 左拱腳處鎖腳 -130 38 右拱腳處鎖腳 -10 3 YK49+670.0右墻腳處鎖腳-5215拱頂 29 9 左拱腰 45°處 12 4 右拱腰 45°處 36 11左拱腳處鎖腳 -115 34 右拱腳處鎖腳 -37 11 劉家坪2號隧道YK49+676.0VI右墻腳處鎖腳-46 14拱頂 38 11 左拱腰 45°處 57 20 右拱腰 45°處 53 16 左拱腳處鎖腳 -23 7

28、右拱腳處鎖腳 -36 11 YK50+104.2右墻腳處鎖腳84 25拱頂 11 3 左拱腰 45°處 53 16 右拱腰 45°處 42 12左拱腳處鎖腳 -32 9 右拱腳處鎖腳-35 10劉家坪3號隧道 YK50+110.5IV右墻腳處鎖腳 8 2 拱頂 6 2左拱腰 45°處 13 4 右拱腰 45°處 5 1 左拱腳處鎖腳 7 2 右拱腳處鎖腳 2 1 K52+296.0右墻腳處鎖腳 21 拱頂 左拱腰 30° 右拱腰 30° 50 15 左拱腰 60° 9 3 右拱腰 60° 11 3 左拱腳鎖腳-8

29、2右拱腳鎖腳 12 4 左墻腳鎖腳 77 23 K52+350.0右墻腳鎖腳 8 2 拱頂 111 33 左拱腰 30° 59 17 右拱腰 30° 42 12 左拱腰 60° -20 6右拱腰 60° 15 4 左拱腳鎖腳 22 6 右拱腳鎖腳 -5 1 左墻腳鎖腳 165劉家坪 5號隧道 K52+360.0V右墻腳鎖腳-11 3 1694 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2011年 (aYK50+104.2斷面錨桿受力分布(b YK50+110.5斷面錨桿受力分布圖 2 典型斷面錨桿受力分布 (單位:MPaFig.2 Stress distributions o

30、f rock bolts in typical cross-sections(unit:MPa從表 2, 3可以看出:(1 拱部共埋設(shè)了 25根錨桿,除去 2個因元 件損壞的無效數(shù)據(jù), 有效數(shù)據(jù)共 23個。 對有效數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析, 其中最大應(yīng)力處于受壓的有 22個, 占測 試數(shù)據(jù)的 96%,最大壓應(yīng)力值為 111 MPa,占錨桿 設(shè)計強(qiáng)度的 33%。 1個拉應(yīng)力值較小,為 -20 MPa。 因此,拱部錨桿以受壓為主。(2 拱腳處共埋設(shè)了 14根錨桿,其中最大應(yīng) 力處于受拉的有 10個,占測試數(shù)據(jù)的 71%,最大 拉應(yīng)力值為 -130 MPa, 占錨桿設(shè)計強(qiáng)度的 38%; 最 大壓應(yīng)力值僅為 2

31、2 MPa,占錨桿設(shè)計強(qiáng)度的 6%, 因此,拱腳處鎖腳錨桿以受拉為主。(3 墻腳處共埋設(shè)了 9根錨桿,其中最大應(yīng)力 處于受拉的有 3個,最大拉應(yīng)力值為 -52 MPa,占 錨桿設(shè)計強(qiáng)度的 15%。最大應(yīng)力處于受壓的有 6個,最大壓應(yīng)力值為 84 MPa,占錨桿設(shè)計強(qiáng)度的 25%, 因此, 墻腳處鎖腳錨桿有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力。(4 鎖腳錨桿應(yīng)力普遍大于拱部錨桿應(yīng)力。 從圖 2可以看出,絕大部分錨桿的應(yīng)力最大值 發(fā)生在入土 1.4 m以內(nèi)的淺層,隨著入土深度的增 加應(yīng)力減小。由此可見,黃土隧道在鋼架支護(hù)條件下,拱部 系統(tǒng)錨桿以受壓為主,且受力較小;拱腳處鎖腳錨 桿以受拉為主,且受力較大;墻腳處鎖腳錨

32、桿有受m4 m. 4 m-84.44m. 8 m6-7. 8-5. 5-1. 0-1. 5第 30 卷 第8期 陳建勛等：黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制 1695 拉也有受壓。因此，在黃土隧道鋼架支護(hù)條件下， 建議取消系統(tǒng)錨桿，采用鎖腳錨桿或鎖腳錨管代 替。 5 黃土隧道中錨桿受力機(jī)制分析 5.1 黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制 眾所周知，錨桿對不穩(wěn)定巖體有很好的加固效 果。在巖石隧道中，錨桿一端要錨固在穩(wěn)定的巖體 中，即要有錨固段，而另一端與不穩(wěn)定的圍巖黏結(jié) 在一起可產(chǎn)生共同變形，起到錨固作用，如圖 3 所 示。這里有 2 個前提條件：一是要有錨固段，二是 錨桿與圍巖要有良好的相互黏結(jié)。 錨固段

33、圖4 Fig.4 淺埋黃土隧道地表產(chǎn)生沉降 Surface settlement of shallow loess tunnel 松動巖體 自由段 彈性區(qū) 塑性區(qū) 松動區(qū) 圖3 Fig.3 巖石隧道錨桿作用示意圖 圖5 Fig.5 深埋黃土隧道產(chǎn)生塑性區(qū) Plastic zone of deep loess tunnel Sketch of rock bolt action in rock tunnel 對于淺埋兩車道黃土隧道，大量的現(xiàn)場調(diào)查發(fā) 現(xiàn)， 即使是在埋深 40 m 情況下， 地表也會產(chǎn)生沉降 或裂縫。以上工程現(xiàn)象說明淺埋黃土隧道拱部發(fā)生 了整體沉降，如圖 4 所示?，F(xiàn)場隧道變形測試也

34、已 證明了這一點(diǎn)。顯然，在這種情況下，對拱部系統(tǒng) 錨桿而言， 并不存在錨固段。 對深埋黃土隧道而言， 現(xiàn)場位移實(shí)測數(shù)據(jù)表明，兩車道黃土隧道 IV 級圍 巖條件下，僅邊墻部位的塑性區(qū)均大于 3 m，說明 開挖后土體產(chǎn)生了較大塑性區(qū)。而目前以“短而密” 為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿(IV 級圍巖錨桿長 3 m， 顯然并未穿過塑性區(qū)，如圖 5 所示。因此，對深埋黃 土隧道來講，也不存在錨固段。此外，錨桿與土體采 用水泥砂漿或卷式錨固劑黏結(jié)效果差，大量的現(xiàn)場 錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土隧道中錨桿拉拔力很 小，往往只有 2030 kN，根本達(dá)不到設(shè)計要求。 總之，無論從必須有錨固段，還是從黏結(jié)效果 的要求來

35、講，黃土隧道中系統(tǒng)錨桿都達(dá)不到要求， 因而起不到應(yīng)有的支護(hù)效果。 5.2 黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的力學(xué)狀態(tài)分析 下面從土體的變形分析黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿 的力學(xué)狀態(tài)。黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變 形，其中包括： (1 土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了彈性、 塑性、黏性變形。 (2 超挖情況下，初期支護(hù)背部回填不密實(shí)， 存在空洞或空隙，誘發(fā)了土體下沉。 (3 采用型鋼鋼架支護(hù)時，其背部混凝土噴射 不到，存在空隙，誘發(fā)了土體下沉。 (4 施工過程中，土體被擾動后，后期產(chǎn)生壓 密沉降。 (5 地下水位線以下的隧道，開挖后地下水要 向隧道位置遷移，地下水位降低，土體中有效應(yīng)力 增大，土體會產(chǎn)生次固結(jié)沉降

36、。 隧道開挖后，由鋼架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴 射混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)共同抑制土體的變形。相 比之下， 鋼架、 鋼筋網(wǎng)、 噴射混凝土是在圍巖(土體 外部約束土體變形，而系統(tǒng)錨桿則是錨固到初期支 護(hù)上，伸入到土體中，從土體內(nèi)部約束變形。 1696 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2011 年 在初期支護(hù)施作后，相對于土體的后續(xù)變形， 錨桿是固定不動的，因此在淺埋黃土隧道或塑性區(qū) 大的深埋黃土隧道，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下 的摩阻力，如圖 6 所示，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力， 因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。 節(jié)省 10.6%的工程造價。單洞兩車道黃土隧道 V 級 圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)有長 3.5 m/根的系統(tǒng)錨桿共 42

37、根/延米，按錨桿 46 元/m 的單價計，若取消系統(tǒng)錨 桿可節(jié)省工程造價 6 762 元/延米。單洞兩車道黃土 隧道 VI 級圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)有長 4 m/根的系統(tǒng) 錨桿共 42 根/延米，按錨桿 46 元/m 的單價計，若 取消系統(tǒng)錨桿可節(jié)省工程造價 7 728 元/延米?？?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(jì)效益。 7 結(jié) 論 通過對黃土隧道中錨桿應(yīng)力的現(xiàn)場測試及統(tǒng)計 (a 淺埋黃土隧道 分析，研究了黃土隧道中錨桿的支護(hù)效果及機(jī)制， 得到以下主要結(jié)論： (1 通過對錨桿應(yīng)力測試數(shù)據(jù)匯總分析，發(fā)現(xiàn) 拱部錨桿以受壓為主，拱腳處鎖腳錨桿以受拉為 主，墻腳處鎖腳錨桿有拉應(yīng)力也

38、有壓應(yīng)力；鎖腳錨 桿應(yīng)力普遍大于拱部錨桿應(yīng)力。在黃土隧道中系統(tǒng) 彈性區(qū) 塑性區(qū) 錨桿支護(hù)作用不明顯。 (2 分析認(rèn)為隧道開挖后，淺埋黃土隧道拱部 發(fā)生了整體沉降，錨桿并不存在錨固段。深埋黃土 隧道開挖后土體產(chǎn)生了較大塑性區(qū)，而目前以“短 而密” 為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿并未穿過塑性區(qū)， 也不存在錨固段。此外，錨桿與土體采用水泥砂漿 或卷式錨固劑黏結(jié)效果差，因而拱部系統(tǒng)錨桿在黃 土隧道中支護(hù)作用不大。 (3 從土體的變形分析了黃土隧道拱部系統(tǒng)錨 桿的力學(xué)狀態(tài)，分析認(rèn)為由于錨桿是錨固到初期支 護(hù)上并伸入土體中，從土體內(nèi)部約束變形，在初期 支護(hù)施作后，相對于土體的后續(xù)變形，錨桿是固 定不動的，因此在

39、淺埋黃土隧道或塑性區(qū)大的深 埋黃土隧道，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下的摩阻 力，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受 壓。 (4 黃土隧道施工過程中，由于施工空間狹小， 系統(tǒng)錨桿施工費(fèi)時、費(fèi)力，既不能保證錨桿的施工 質(zhì)量，又延誤了最佳支護(hù)時機(jī)。 (5 經(jīng)濟(jì)效益分析表明，黃土隧道取消系統(tǒng)錨 桿，既減少了施工環(huán)節(jié)，縮短了工期，有利于隧道 施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時又明顯降低了工程造 價，有特別顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。 松動區(qū) (b 深埋黃土隧道 圖6 Fig.6 黃土隧道拱部錨桿受力情況 Stress states of arch systematic rock bolts in loess tunn

40、el 6 經(jīng)濟(jì)效益分析 通過對 IV 級圍巖黃土隧道施工各工序所需時 間的統(tǒng)計，在 4 臺電鉆同時施工的情況下，每循環(huán) 系統(tǒng)錨桿施作至少需要 2 h，完成初期支護(hù)每循環(huán) 所需總時間約 16 h。若取消系統(tǒng)錨桿，省去了錨桿 施工的環(huán)節(jié)，可及時進(jìn)行噴射混凝土施工，盡早封 閉圍巖，限制圍巖的早期變形，有利于隧道施工安 全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并可縮短 12%的建設(shè)工期。在 V， VI 級圍巖情況下節(jié)省時間則更加顯著。 單洞兩車道黃土隧道 IV 級圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu) 設(shè)有長 3 m/根的系統(tǒng)錨桿共 23 根/延米，按錨桿 46 元/m 的單價計，工程造價為 3 174 元/延米，以隧道 工程造價 3 萬元/m 計

41、，若取消系統(tǒng)錨桿每延米可 第 30 卷 第8期 陳建勛等：黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制 1697 綜上所述，在黃土隧道中，鋼架支護(hù)條件下的 系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果不明顯，可以取消。建議黃土隧 道采用“鋼架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿(管” 的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。 參考文獻(xiàn)(References： 1 李國良 . 大跨黃土隧道設(shè)計與安全施工對策 J. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2008，45(1：5362.(LI Guoliang. Design and safety construction measures for large-span loess tunnelsJ. Modern Tunnelling Te

42、chnology， 2008，45(1：5362.(in Chinese 2 袁永新 . 甘肅黃土公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究 碩士學(xué)位論 文D. 西安：長安大學(xué)，2007.(YUAN Yongxin. Research on design and construction technique of the Gansu loess highway tunnelM. S. ThesisD. Xian：Changan University，2007.(in Chinese 3 王夢恕 . 北京地鐵淺埋暗挖施工法 J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 1989， 8(1： 5262.(WANG Mengshu.

43、 The boring excavation method and construction in Beijing MetroJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1989，8(1：5262.(in Chinese 4 陳建勛， 姜久純， 王夢恕. 黃土隧道網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿的作用J. 中國公路學(xué)報， 2007 ， 20(3 ： 71 75.(CHEN Jianxun ， JIANG Jiuchun，WANG Mengshu. Function of rock bolt of lattice girder and shotcr

44、ete support structure in loess tunnelJ. China Journal of Highway and Transport，2007，20(3：7175.(in Chinese 5 陳建勛，姜久純，羅彥斌，等. 黃土隧道洞口段支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特 性分析J. 中國公路學(xué)報，2008，21(5：7580.(CHEN Jianxun， JIANG Jiuchun， LUO Yanbin， et al. Mechanical characteristic analysis of support structure of loess tunnel entranceJ. China Journal of Highway and Transport，2008，21(5：7580.(in Chinese 6 陳建