黃土隧道錨桿作用機(jī)理

1、1 1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出2 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3 3 錨桿作用機(jī)制錨桿作用機(jī)制4 4 經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)濟(jì)效益分析 5 5 工程應(yīng)用工程應(yīng)用1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 20世紀(jì)世紀(jì)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(yàn)研究結(jié)果表明，錨桿大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，錨桿在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。跨度小，斷面小跨度小，斷面小初期支護(hù)：初期支護(hù)：錨桿錨桿+噴射混凝土噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)鋼筋網(wǎng)1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 20世紀(jì)世紀(jì)90年代以來(lái)，大斷面隧道和復(fù)雜地質(zhì)情況增多，在軟年代以來(lái)，大斷面隧道和復(fù)

2、雜地質(zhì)情況增多，在軟弱地層中的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)必須增設(shè)鋼架。弱地層中的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)必須增設(shè)鋼架。 在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果如何？在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果如何？ 有兩種觀點(diǎn)：有兩種觀點(diǎn)：作用不大，可以取消；有重要作用，理應(yīng)設(shè)置。系統(tǒng)研究很少。作用不大，可以取消；有重要作用，理應(yīng)設(shè)置。系統(tǒng)研究很少。 目前，在學(xué)術(shù)界和工程界存在很大爭(zhēng)議。目前，在學(xué)術(shù)界和工程界存在很大爭(zhēng)議。1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 本人認(rèn)為黃土隧道結(jié)構(gòu)采用由鋼架、噴射混凝土、本人認(rèn)為黃土隧道結(jié)構(gòu)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。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(jī)理錨桿作用機(jī)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(jī)理剛架作用機(jī)理加強(qiáng)限制圍巖變形加強(qiáng)限制圍巖變形作為超前支護(hù)的后支點(diǎn)作為超前支護(hù)的后支點(diǎn)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?jī)?nèi)部，產(chǎn)，產(chǎn)生相對(duì)位移，利用圍巖自承能力。生相對(duì)位移，利用圍巖自承能力。主動(dòng)加固圍巖主動(dòng)加固圍巖鋼架架設(shè)在圍巖鋼架架設(shè)在圍巖外側(cè)外側(cè)被動(dòng)支撐作用被動(dòng)支撐作用兩者對(duì)隧道支護(hù)的機(jī)理兩者對(duì)隧道支護(hù)的機(jī)理截然不同截然不同1 問(wèn)題的提出問(wèn)題

4、的提出（1）兩者）兩者支護(hù)的機(jī)理不同支護(hù)的機(jī)理不同1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 （2） 錨桿發(fā)揮作用的兩個(gè)前提：錨桿發(fā)揮作用的兩個(gè)前提：u錨桿錨固材料與圍巖要有足夠的黏結(jié)力錨桿錨固材料與圍巖要有足夠的黏結(jié)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(jié)力小；，粘結(jié)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(shè)置的系統(tǒng)錨桿，錨桿的長(zhǎng)度往往未穿過(guò)松弛區(qū)，即根本原則設(shè)置的系統(tǒng)錨桿，錨桿的長(zhǎng)度往往未穿過(guò)松弛區(qū)，即根本沒(méi)有錨固段。沒(méi)有錨固段。1 問(wèn)

5、題的提出問(wèn)題的提出 （3） 錨桿受力的計(jì)算分析難度很大，往往人為地假定錨桿錨桿受力的計(jì)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支護(hù)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(jié)構(gòu)，降低了圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。的結(jié)構(gòu)，降低了圍巖的強(qiáng)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(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 （4） 黃土隧道支護(hù)施工工序黃土隧道支護(hù)施工工序開(kāi)挖開(kāi)挖初噴射混凝土初噴射混凝土立鋼架立鋼架掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片安設(shè)

6、錨桿安設(shè)錨桿噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度 安設(shè)錨桿在架立鋼架安設(shè)錨桿在架立鋼架之后，所以鋼架對(duì)圍巖變之后，所以鋼架對(duì)圍巖變形的制約，必然會(huì)影響到形的制約，必然會(huì)影響到錨桿作用的發(fā)揮。錨桿作用的發(fā)揮。 1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出錨桿不能及時(shí)徑向施作，發(fā)揮不了錨固作用。錨桿不能及時(shí)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(kāi)挖，施工場(chǎng)地狹小。黃土隧道施工多采用分部開(kāi)挖，施工場(chǎng)地狹小。1 問(wèn)題的提出問(wèn)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(jìn)度。工程進(jìn)度。1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 為了解答上述問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)

7、試驗(yàn)和理論分析的方法，為了解答上述問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析的方法，研究錨桿在黃土隧道中的支護(hù)效果與機(jī)制。研究錨桿在黃土隧道中的支護(hù)效果與機(jī)制?？s短工期縮短工期減少施工工序減少施工工序及時(shí)封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)省工程造價(jià)節(jié)省工程造價(jià)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(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 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(kāi)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(kāi)展黃土隧道錨桿支護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中包括：黃土隧道錨桿支護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中包括： （1）黃土隧道變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；）黃土隧道變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試； （2

8、）黃土隧道錨桿軸力測(cè)試；）黃土隧道錨桿軸力測(cè)試； （3）有、無(wú)系統(tǒng)錨桿黃土隧道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)對(duì)）有、無(wú)系統(tǒng)錨桿黃土隧道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。比試驗(yàn)。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，評(píng)價(jià)錨桿在黃土隧道中的作用效果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，評(píng)價(jià)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(jī)理。探討錨桿在黃土隧道中的作用機(jī)理。2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 在劉家坪隧道群的在劉家坪隧道群的IV、V、VI級(jí)級(jí)圍巖條件下開(kāi)圍巖條件下開(kāi)展有無(wú)系統(tǒng)錨桿的試驗(yàn)，分別在展有無(wú)系統(tǒng)錨桿的試驗(yàn)，分別在IV、V級(jí)圍巖條件級(jí)圍巖條件下開(kāi)展了下開(kāi)展了30米打設(shè)系統(tǒng)錨桿和米打設(shè)系統(tǒng)錨桿和30米不打設(shè)系統(tǒng)錨桿隧米

9、不打設(shè)系統(tǒng)錨桿隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，共布設(shè)了道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，共布設(shè)了14個(gè)測(cè)試斷面，埋設(shè)個(gè)測(cè)試斷面，埋設(shè)了了1237個(gè)測(cè)試元件，獲得數(shù)萬(wàn)個(gè)測(cè)試元件，獲得數(shù)萬(wàn)組測(cè)試數(shù)據(jù)。組測(cè)試數(shù)據(jù)。2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)序號(hào)項(xiàng)目名稱儀 器測(cè) 讀 頻 率115d15d1個(gè)月13個(gè)月3個(gè)月1凈空收斂SWJ-IV收斂計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月2拱頂下沉精密水準(zhǔn)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(yīng)力鋼弦式砼應(yīng)變計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月5型鋼拱架應(yīng)力鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)12次/d

10、1次/d12次/周12次/月6縱向連接筋鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月7錨桿軸力鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月8圍巖內(nèi)部位移多點(diǎn)位移計(jì)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(yīng)力鋼弦式砼應(yīng)變計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月11二襯鋼筋應(yīng)力鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)12次/d1次/d12次/周12次/月隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及方法隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及方法 劉家坪劉家坪3號(hào)隧道號(hào)隧道IV級(jí)圍巖有無(wú)錨桿試驗(yàn)段縱斷面圖級(jí)圍巖有無(wú)錨桿試驗(yàn)段縱斷面圖劉家坪劉家坪5號(hào)隧道號(hào)隧道V級(jí)圍巖有無(wú)

11、錨桿試驗(yàn)段縱斷面圖級(jí)圍巖有無(wú)錨桿試驗(yàn)段縱斷面圖無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)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(wú)錨桿試驗(yàn)段有錨桿試驗(yàn)段YK52+435YK52+255YK52+350YK52+360YK52+385YK52+390YK52+340YK52+370YK52+40085m30m30m35m子洲吳堡2.1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案1） 斷面布置斷面布置2.1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案壓力盒混凝土應(yīng)

12、變計(jì)表面應(yīng)變計(jì)三點(diǎn)位移計(jì)收斂基線測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿25鋼筋應(yīng)力計(jì)25鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿拱頂下沉測(cè)點(diǎn)級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)試元件布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)試元件布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)力錨桿布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)力錨桿布置圖2） 測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)布置2.1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案壓力盒混凝土應(yīng)變計(jì)表面應(yīng)變計(jì)三點(diǎn)位移計(jì)收斂基線測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿25鋼筋應(yīng)力計(jì)25鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿測(cè)力錨桿拱頂下沉測(cè)點(diǎn)級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)試元件布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)試元件布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)力錨桿布置圖級(jí)圍巖初期支護(hù)階段測(cè)力錨桿布置圖2） 測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)布置測(cè)試元件及現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況

13、測(cè)試元件及現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況 測(cè)試元件及現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況測(cè)試元件及現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.2 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2.2.1 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)項(xiàng)目有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)斷面最大值最大值/mm平均值平均值/mm監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)斷面最大值最大值/mm平均值平均值/mm凈空收斂?jī)艨帐諗?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(yīng)力應(yīng)力/MPaYK50+104.27.23.35YK50+1345.32.95YK50+110.56.0YK50+1424.5有、無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比格柵鋼架格柵鋼架內(nèi)側(cè)應(yīng)力內(nèi)側(cè)應(yīng)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(cè)應(yīng)力外側(cè)應(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(cè)混凝土內(nèi)

16、側(cè)應(yīng)力應(yīng)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(cè)混凝土外側(cè)應(yīng)力應(yīng)力/MPaYK50+104.21.060.60YK50+1341.130.66YK50+110.51.01YK50+1421.182 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.2 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2.2.1 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)有、無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.2 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2.2.1 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn) 在黃土隧道的在黃土隧道的IV級(jí)圍巖中，從變形上講，有系統(tǒng)錨桿級(jí)圍巖中，從變形上講，有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的凈空收斂

17、均值與無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的凈空收斂均試驗(yàn)段的凈空收斂均值與無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)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(yàn)段的；有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的拱部沉降均值大于無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的拱部沉降均值，二拱部沉降均值大于無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的拱部沉降均值，二者相差者相差4mm。 從從2個(gè)試驗(yàn)段的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)上看，相同項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)個(gè)試驗(yàn)段的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)上看，相同項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)值相對(duì)來(lái)說(shuō)相差不大。值相對(duì)來(lái)說(shuō)相差不大。2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.2 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2.2.2 錨桿應(yīng)力錨桿應(yīng)力 在劉家坪在劉家坪2號(hào)隧道的號(hào)隧道的2個(gè)測(cè)試斷面、劉家坪個(gè)測(cè)試斷面、劉家坪3號(hào)隧道的號(hào)隧道的

18、2個(gè)測(cè)試斷面以及劉家坪個(gè)測(cè)試斷面以及劉家坪5號(hào)隧道的號(hào)隧道的3個(gè)個(gè)測(cè)試斷面共埋設(shè)了測(cè)試斷面共埋設(shè)了48根測(cè)力錨桿。按不同位置根測(cè)力錨桿。按不同位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所列。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所列。按不同位置統(tǒng)計(jì)錨桿受力情況2.2.2 錨桿應(yīng)力錨桿應(yīng)力里程里程圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別位置位置最大應(yīng)力最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yīng)力錨桿應(yīng)力里程里程圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別位置位置最大應(yīng)力最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的百分比強(qiáng)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(jì)錨桿受力情況按不同位置統(tǒng)計(jì)錨桿受力情況2.2.2 錨桿應(yīng)力錨桿應(yīng)力里程里程圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別位置位置最大應(yīng)力最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yīng)力錨桿應(yīng)力按不同位置統(tǒng)計(jì)錨桿受力情況按不同位置統(tǒng)計(jì)錨桿受力情況里程里程圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別位置位置最大應(yīng)力最大應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)最大應(yīng)力占鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的百分比強(qiáng)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(hào)隧道YK50+104.2錨桿受力分布圖（“+”為受壓，“-”為受拉）2.2.2 錨桿應(yīng)力錨桿應(yīng)力典型斷面錨桿受力分布(單位：MPa)2.2.2 錨桿應(yīng)力錨桿應(yīng)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(hào)隧道K52+360錨桿受力分布 （1）拱部共埋

24、設(shè)了）拱部共埋設(shè)了25根錨桿，除去根錨桿，除去2個(gè)因元件損壞的無(wú)效數(shù)個(gè)因元件損壞的無(wú)效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)23個(gè)。對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中最大應(yīng)力處于個(gè)。對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中最大應(yīng)力處于受壓的有受壓的有22個(gè)，占測(cè)試數(shù)據(jù)的個(gè)，占測(cè)試數(shù)據(jù)的96%，最大壓應(yīng)力值為，最大壓應(yīng)力值為111MPa，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的33%。1個(gè)拉應(yīng)力值較小，為個(gè)拉應(yīng)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(shè)了）拱腳處共埋設(shè)了14根錨桿，其中最大應(yīng)力處于受拉的根錨桿，其中最大應(yīng)力處于受拉的有有10個(gè)，占測(cè)試數(shù)據(jù)的個(gè)，占測(cè)試數(shù)據(jù)的71%，最大

25、拉應(yīng)力值為，最大拉應(yīng)力值為130MPa，占錨桿，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)強(qiáng)度的38%，最大壓應(yīng)力值僅為，最大壓應(yīng)力值僅為22MPa，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)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(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) （3）墻腳處共埋設(shè)了）墻腳處共埋設(shè)了9根錨桿，其中最大應(yīng)力處于受拉的根錨桿，其中最大應(yīng)力處于受拉的有有3個(gè)，最大拉應(yīng)力值為個(gè)，最大拉應(yīng)力值為52MPa，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的15%，最，最大應(yīng)力處于受壓的有大應(yīng)力處于受壓的有6個(gè)，最大壓應(yīng)力值為個(gè)，最大壓應(yīng)力值為84MPa，占錨桿設(shè)，占錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度的計(jì)強(qiáng)度的25%，因此，墻腳處鎖

26、腳錨桿有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力。，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。絕大部分錨桿）鎖腳錨桿應(yīng)力普遍大于拱部錨桿應(yīng)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(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 通過(guò)對(duì)兩個(gè)有、無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受通過(guò)對(duì)兩個(gè)有、無(wú)系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2.2 試驗(yàn)結(jié)論試驗(yàn)結(jié)論2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) （1

27、 1）支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形）支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形 總體來(lái)說(shuō)，兩個(gè)試驗(yàn)段的拱部沉降和凈空收斂值相差不大，總體來(lái)說(shuō)，兩個(gè)試驗(yàn)段的拱部沉降和凈空收斂值相差不大，變形初期增長(zhǎng)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(zhǎng)較快，仰拱施作后，變形趨于穩(wěn)定，邊墻凈空收斂量測(cè)值均大于土體內(nèi)部位移量測(cè)值，表明邊墻處土體松弛范斂量測(cè)值均大于土體內(nèi)部位移量測(cè)值，表明邊墻處土體松弛范圍大于圍大于3m3m，設(shè)計(jì)中錨桿采用，設(shè)計(jì)中錨桿采用3m3m長(zhǎng)偏短。長(zhǎng)偏短。2.2 試驗(yàn)結(jié)論試驗(yàn)結(jié)論2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) （2 2）鋼架應(yīng)力）鋼架應(yīng)力 各斷面格柵鋼架應(yīng)力以受壓為主，拱部的格柵鋼架應(yīng)力相各斷面格柵鋼架應(yīng)力以受壓為主，拱部的格柵

28、鋼架應(yīng)力相對(duì)較大，邊墻處較小。鋼架是重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，格柵鋼架應(yīng)力對(duì)較大，邊墻處較小。鋼架是重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，格柵鋼架應(yīng)力初期增長(zhǎng)較快，仰拱施作后，格柵鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)速率減小。應(yīng)初期增長(zhǎng)較快，仰拱施作后，格柵鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)速率減小。應(yīng)力增長(zhǎng)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，二次襯砌施作后，格柵鋼架應(yīng)力有力增長(zhǎng)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，二次襯砌施作后，格柵鋼架應(yīng)力有所減小，且迅速穩(wěn)定，說(shuō)明二次襯砌承擔(dān)了一部分荷載。所減小，且迅速穩(wěn)定，說(shuō)明二次襯砌承擔(dān)了一部分荷載。2.2 試驗(yàn)結(jié)論試驗(yàn)結(jié)論2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) （3 3）錨桿應(yīng)力）錨桿應(yīng)力 由于采用分部開(kāi)挖法施工，施工空間狹小，拱部錨桿施工往往無(wú)由于采用分部開(kāi)挖法施工，施工空間狹

29、小，拱部錨桿施工往往無(wú)法徑向施作，法徑向施作， 達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。錨桿受力最大值絕大部分發(fā)生在達(dá)不到設(shè)計(jì)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(shuō)明拱部系統(tǒng)錨桿并沒(méi)有起到支護(hù)作用。拱腳處鎖腳錨桿處于受拉這說(shuō)明拱部系統(tǒng)錨桿并沒(méi)有起到支護(hù)作用。拱腳處鎖腳錨桿處于受拉狀態(tài)，說(shuō)明拱腳處鎖腳錨桿對(duì)限制隧道變形是可以起到一定作用的。狀態(tài)，說(shuō)明拱腳處鎖腳錨桿對(duì)限制隧道變形是可以起到一定作用的。 所述結(jié)果表明：鋼架支護(hù)條件下系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的作用不所述結(jié)果表明：鋼架支護(hù)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(hù)應(yīng)采用：黃土隧道初期支護(hù)應(yīng)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(jié)構(gòu)鎖腳錨桿（管）組合結(jié)構(gòu) 減少了工序，縮短了初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，減少了工序，縮短了初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，提高了施工安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低了工程造價(jià)。提高了施工安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低了工程造價(jià)。 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70-2004JTG D70-2004）（第）（第14.6.314.6.3條）條）鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范鐵路隧道設(shè)計(jì)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(guó)家美等國(guó)家軟弱地層軟弱地層隧道中隧道中突破了現(xiàn)行國(guó)內(nèi)突破了現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范！外設(shè)計(jì)規(guī)范！ 傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)型式傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)型式新的襯砌結(jié)構(gòu)型式新的襯砌結(jié)構(gòu)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(jī)制錨桿作用機(jī)制3 .1 錨桿作用機(jī)制錨桿作用機(jī)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(gè)前提條件：u有錨固段u錨桿與圍巖要有良好的相互黏結(jié) 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(jié)效果漿或藥卷式錨

32、固劑黏結(jié)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(jī)制錨桿作用機(jī)制 淺埋兩車道黃土隧道，地表會(huì)產(chǎn)生沉降或裂縫，拱部淺埋兩車道黃土隧道，地表會(huì)產(chǎn)生沉降或裂縫，拱部會(huì)發(fā)生整體沉降。拱部系統(tǒng)錨桿不存在錨固段。會(huì)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(kāi)挖后土體產(chǎn)生了較開(kāi)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(shè)置原為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿則采用的系統(tǒng)錨桿（如（如IV級(jí)圍巖錨桿長(zhǎng)級(jí)圍巖錨桿長(zhǎng)3 m），并未穿過(guò)塑性區(qū)。），并未穿過(guò)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(jī)制錨桿作用機(jī)制彈性區(qū)塑性區(qū)松動(dòng)區(qū)深埋黃土隧道產(chǎn)生塑性區(qū)3.2 錨桿力學(xué)狀態(tài)分析錨桿力學(xué)狀態(tài)分析 黃土隧道開(kāi)挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括：黃土隧道開(kāi)挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括：（1 1）應(yīng)力釋放和土體擾動(dòng)引起的彈性、塑性和松動(dòng)變形；）應(yīng)力釋放和土體擾動(dòng)引起的彈性、塑性和松動(dòng)變形；（2 2）初期支護(hù)背部因回填不密實(shí)而誘發(fā)的土體沉降；）初期支護(hù)背部因回填不密實(shí)而誘發(fā)的土體沉降；（3 3）采用型鋼鋼架支護(hù)后，其背部因噴射混凝土無(wú)法噴到位而）采用型鋼鋼架支護(hù)后，其背部因噴射混凝土無(wú)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(dòng)土體后期產(chǎn)生的壓密沉降；）施工擾動(dòng)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(kāi)挖而引起的水位下降，使部）地下水位線以下的隧道，因開(kāi)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(jié)土，從而引發(fā)次固結(jié)沉降。分飽和土體變?yōu)榉秋柡偷那饭探Y(jié)土，從而引發(fā)次固結(jié)沉降。3.2 錨桿力學(xué)狀態(tài)分析錨桿力學(xué)狀態(tài)分析 隧道開(kāi)挖后，由鋼架、系隧道開(kāi)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(jié)構(gòu)共同限制土體形成的組合結(jié)構(gòu)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(hù)上，伸入到土體固到初期支護(hù)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(hù)施作后，在初期支護(hù)施作后，相對(duì)于土體的后續(xù)變形，相對(duì)于土體的后續(xù)變形，錨桿是固定不動(dòng)的，所以錨桿是固定不動(dòng)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(dāng)于樁承受的摩阻力，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力，因而拱部系統(tǒng)負(fù)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(dòng)區(qū)3.2 錨桿力學(xué)狀態(tài)分析錨桿力學(xué)狀態(tài)分析4 經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)

36、濟(jì)效益分析 通過(guò)對(duì)通過(guò)對(duì)IVIV級(jí)圍巖黃土隧道施工各工序所需時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，在級(jí)圍巖黃土隧道施工各工序所需時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，在4 4臺(tái)電鉆同時(shí)施工的情況下，施作一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)錨桿至少需要臺(tái)電鉆同時(shí)施工的情況下，施作一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)錨桿至少需要2h2h，完成一個(gè)循環(huán)的初期支護(hù)所需總時(shí)間約，完成一個(gè)循環(huán)的初期支護(hù)所需總時(shí)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(shè)工期。在的建設(shè)工期。在V V，VIVI級(jí)圍巖情況下節(jié)省時(shí)間級(jí)圍巖情況下節(jié)省時(shí)間則更加顯著。則更加顯著。4 經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)濟(jì)效益分析4 經(jīng)濟(jì)效益分析經(jīng)濟(jì)效益分析 可見(jiàn)，取消系統(tǒng)錨桿可明顯降低工程造價(jià)，有特別顯著的經(jīng)可見(jiàn)，取消系統(tǒng)錨桿可明顯降低工程造價(jià)，有特別顯著的經(jīng)濟(jì)效益。濟(jì)效益。圍巖圍巖級(jí)別級(jí)別錨桿長(zhǎng)度錨桿長(zhǎng)度/m錨桿錨桿根數(shù)根數(shù)錨桿單價(jià)錨桿單價(jià)錨桿總價(jià)錨桿總價(jià)節(jié)約造價(jià)（占隧節(jié)約造價(jià)（占隧道每延米造價(jià)）道每延米造價(jià)）32346元元/m3174元元/延米延米10.6%