黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋

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1、黄土隧道锚杆作用效果与机制STRESSANDACTIONMECHANISMOFROCKBOLTINLOESSTUNNEL长安大学陈建勋教授1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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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2.1试验方案Ⅴ级围岩初期支护阶段测试元件布置图Ⅴ级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2）测点布置测试元件及现场埋设情况测试元件及现场埋设情况2现场试验2.2试验结果2.2.1对比试验试验项目有系统锚