1、黃土隧道中的錨桿作用機制 STRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNEL,1 問題的提出 2 現(xiàn)場試驗 3 錨桿作用機制 4 經(jīng)濟效益分析 5 工程應(yīng)用,目錄,1 問題的提出,1 問題的提出,20世紀(jì)70年代至80年代末，主要為單線鐵路隧道。,大量的試驗研究結(jié)果表明，錨桿在噴錨支護結(jié)構(gòu)中起著重要作用。,跨度小，斷面小,初期支護： 錨桿+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng),1 問題的提出,20世紀(jì)90年代以來，大斷面隧道和復(fù)雜地質(zhì)情況增多，在軟弱地層中的隧道初期支護結(jié)構(gòu)必須增設(shè)鋼架。,在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護效果如何？ 有兩種觀點：作用不大，可以

2、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議。,1 問題的提出,本人認為黃土隧道結(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)合支護結(jié)構(gòu)不盡合理。系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的作用不大，理由如下：,錨桿作用機理,懸吊作用,加固圍巖,支承圍巖,組合梁,剛架作用機理,加強限制圍巖變形 作為超前支護的后支點 承受部分松弛荷載,錨桿是伸入到圍巖內(nèi)部，產(chǎn)生相對位移，利用圍巖自承能力。 主動加固圍巖,鋼架架設(shè)在圍巖外側(cè) 被動支撐作用,兩者對隧道支護的機理 截然不同,1 問題的提出,（1）兩者支護的機理不同,1 問題的提出,（2） 錨桿發(fā)揮作用的兩個前提： 錨桿錨固材料與

3、圍巖要有足夠的黏結(jié)力 要有足夠的錨固段。,錨桿作用示意圖,黃土隧道中錨桿的拉拔力只有2030 kN，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“短而密”原則設(shè)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。,1 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支護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，相反往往由于打入了錨桿反而破壞了黃土的結(jié)構(gòu)，降低了圍巖的強度和穩(wěn)定性。（與巖石是有區(qū)別的）,1 問題的提出,（4） 黃土隧道支護施工工序 開挖初噴射混凝土立鋼架掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片安設(shè)錨桿噴射混凝土達到設(shè)計厚度 安設(shè)錨桿在架立鋼

4、架之后，所以鋼架對圍巖變形的制約，必然會影響到錨桿作用的發(fā)揮。,1 問題的提出,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。,1 問題的提出,（6） 在黃土中錨桿施工成孔困難，注漿不易，影響工程進度。,1 問題的提出,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。,縮短工期,減少施工工序,及時封閉支護結(jié)構(gòu),節(jié)省工程造價,黃土隧道取消系統(tǒng)錨桿,有利于施工安全,2 現(xiàn)場試驗,2 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；

5、 （2）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)場對比試驗。 通過現(xiàn)場試驗結(jié)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。,2 現(xiàn)場試驗,在劉家坪隧道群的IV、V、VI級圍巖條件下開展有無系統(tǒng)錨桿的試驗，分別在IV、V級圍巖條件下開展了30米打設(shè)系統(tǒng)錨桿和30米不打設(shè)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(shè)了14個測試斷面，埋設(shè)了1237個測試元件，獲得數(shù)萬組測試數(shù)據(jù)。,2 現(xiàn)場試驗,隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及方法,劉家坪3號隧道IV級圍巖有無錨桿試驗段縱斷面圖,劉家坪5號隧道V級圍巖有無錨桿試驗段縱斷面圖,2.1 試驗方案

6、,1） 斷面布置,2.1 試驗方案,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,2） 測點布置,2.1 試驗方案,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,2） 測點布置,測試元件及現(xiàn)場埋設(shè)情況,測試元件及現(xiàn)場埋設(shè)情況,2 現(xiàn)場試驗,2.2 試驗結(jié)果 2.2.1 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,2.2 試驗結(jié)果 2.2.1 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,2.2 試驗結(jié)果 2.2.1 對比試驗,在黃土隧道的IV級圍巖中，從變形上講，有系統(tǒng)錨桿試驗段的凈空收斂均值與無系統(tǒng)錨桿試驗段的凈空

7、收斂均值相差不大，二者相差僅為0.47mm；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，二者相差4mm。 從2個試驗段的應(yīng)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。,2 現(xiàn)場試驗,2.2 試驗結(jié)果 2.2.2 錨桿應(yīng)力,在劉家坪2號隧道的2個測試斷面、劉家坪3號隧道的2個測試斷面以及劉家坪5號隧道的3個測試斷面共埋設(shè)了48根測力錨桿。按不同位置統(tǒng)計結(jié)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(yīng)力,2.2.2 錨桿應(yīng)力,按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況,2.2.2 錨桿應(yīng)力,2.2.2 錨桿應(yīng)力,按不同位置統(tǒng)計錨桿受力情況,典型斷面錨桿受力分布(單位：M

8、Pa),（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(yīng)力,典型斷面錨桿受力分布(單位：MPa),2.2.2 錨桿應(yīng)力,（b） 劉家坪5號隧道K52+360錨桿受力分布,（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)23個。對有效數(shù)據(jù)進行分析，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111MPa，占錨桿設(shè)計強度的33%。1個拉應(yīng)力值較小，為-20MPa。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130MPa

9、，占錨桿設(shè)計強度的38%，最大壓應(yīng)力值僅為22MPa，占錨桿設(shè)計強度的6%，因此，拱腳處鎖腳錨桿以受拉為主。,2 現(xiàn)場試驗,（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52MPa，占錨桿設(shè)計強度的15%，最大應(yīng)力處于受壓的有6個，最大壓應(yīng)力值為84MPa，占錨桿設(shè)計強度的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。絕大部分錨桿的受力最大值發(fā)生在入土1.4m以內(nèi)的淺層，隨著入土深度的增加受力漸小。,2 現(xiàn)場試驗,2 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(jié)構(gòu)變形與受力測試結(jié)果進行對比分析，可以得出以下結(jié)論：,2

10、 現(xiàn)場試驗,2.2 試驗結(jié)論,2 現(xiàn)場試驗,（1）支護結(jié)構(gòu)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，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圍大于3m，設(shè)計中錨桿采用3m長偏短。,2.2 試驗結(jié)論,2 現(xiàn)場試驗,（2）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)力相對較大，邊墻處較小。鋼架是重要的支護結(jié)構(gòu)，格柵鋼架應(yīng)力初期增長較快，仰拱施作后，格柵鋼架應(yīng)力增長速率減小。應(yīng)力增長具有較強的規(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，說明二次襯砌承擔(dān)了一部分荷載。,2.2 試驗結(jié)論,2

11、現(xiàn)場試驗,（3）錨桿應(yīng)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法徑向施作， 達不到設(shè)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)。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。 所述結(jié)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明顯，可以取消。黃土隧道初期支護應(yīng)采用： 鋼架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿（管）組合結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低了工程造價。,公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTG

12、 D70-2004）（第14.6.3條） 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 （TB10003-2005 J449-2005）（第7.3.1條）,日本、歐美等國家軟弱地層隧道中,突破了現(xiàn)行國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范！,傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)型式,新的襯砌結(jié)構(gòu)型式,3 錨桿作用機制,3 .1 錨桿作用機制,錨桿作用示意圖,錨桿起到錨固作用的2個前提條件： 有錨固段 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漿或藥卷式錨固劑黏結(jié)效果都不太理想，錨桿拉拔力很小，往往只有2030kN。,3.1 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,深埋黃土隧

13、道，開挖后土體產(chǎn)生了較大塑性區(qū)。目前以“短而密”為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿（如IV級圍巖錨桿長3 m），并未穿過塑性區(qū)。錨桿亦不存在錨固段。,3.1 錨桿作用機制,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,黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括： （1）應(yīng)力釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松動變形； （2）初期支護背部因回填不密實而誘發(fā)的土體沉降； （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誘發(fā)的土體沉降； （4）施工擾動土體后期產(chǎn)生的壓密沉降； （5）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(jié)土，從而引發(fā)次固結(jié)沉降。,3.2 錨桿

14、力學(xué)狀態(tài)分析,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)共同限制土體的變形。 （1）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。 （2）而系統(tǒng)錨桿則是錨固到初期支護上，伸入到土體中，從土體內(nèi)部約束變形。,在初期支護施作后，相對于土體的后續(xù)變形，錨桿是固定不動的，所以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，相當(dāng)于樁承受負摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。,3.2 錨桿力學(xué)狀態(tài)分析,4 經(jīng)濟效益分析,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，施作一個循環(huán)的系統(tǒng)錨桿至少需要2h，完成一個循環(huán)的初期支

15、護所需總時間約16h。若取消系統(tǒng)錨桿，即可縮短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。,4 經(jīng)濟效益分析,4 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)濟效益。,單洞兩車道隧道取消系統(tǒng)錨桿的經(jīng)濟效益統(tǒng)計,5 工程應(yīng)用,該隧道為上下行分離式，上行線長1660m，下行線長1690m。,天恒山隧道是哈爾濱繞城高速公路工程的重要組成部分，是黑龍江省第一座公路長隧道，是我國第一座高寒地區(qū)粘土隧道。,5 工程應(yīng)用,5 工程應(yīng)用,最大埋深僅25m,最大開挖寬度16.8m，高12.1m， 開挖面積163m2,可塑性強 含水量高達16.6330.90,三大工程難點,淺 埋,大跨 大斷面,高含水量可塑性粘土,成孔困難 注漿效果差 抗拉拔力低,高含水量粘性土層中錨桿施工困難,