黄土隧道锚杆作用机理.

黄土隧道锚杆作用机制STRESSANDACTIONMECHANISMOFROCKBOLTINLOESSTUNNEL1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工程应用黄土隧道锚杆作用效果与机制1问题的提出黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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+钢筋网黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel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黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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。锚固段自由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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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）黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel1问题的提出为了解答上述问题，采用现场试验和理论分析的方法，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黄土隧道锚杆作用效果与机制2现场试验黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2现场试验在刘家坪隧道群的IV、V、VI级围岩条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。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2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无系统锚杆试验段有系统锚杆试验段YK50+110.5YK50+104.2YK50+134YK50+142马兰组新黄土离石组老黄土YK50+025YK50+212YK50+090.5YK50+120.5YK50+150.561.5m30m30m65.5m地面线马兰组新黄土无锚杆试验段有锚杆试验段YK52+435YK52+255YK52+350YK52+360YK52+385YK52+390YK52+340YK52+370YK52+40085m30m30m35m子洲吴堡2.1试验方案1）断面布置2.1试验方案压力盒混凝土应变计表面应变计三点位移计收敛基线测力锚杆测力锚杆测力锚杆φ25钢筋应力计φ25钢筋应力计测力锚杆测力锚杆测力锚杆拱顶下沉测点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试验方案压力盒混凝土应变计表面应变计三点位移计收敛基线测力锚杆测力锚杆测力锚杆φ25钢筋应力计φ25钢筋应力计测力锚杆测力锚杆测力锚杆拱顶下沉测点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黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2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杆试验段无系统锚杆试验段监测断面最大值/mm平均值/mm监测断面最大值/mm平均值/mm净空收敛/mmYK50+104.212.2314.68YK50+13414.9315.11YK50+110.59.85YK50+13612.12YK50+116.521.95YK50+14218.28土体内部位移/mmYK50+104.20.78(左)—YK50+1344.10(左)—3.77(右)5.00(右)YK50+110.53.92(左)—YK50+1367.09(左)—7.02(右)4.61(右)YK50+1420.06(左)—9.48(右)拱顶沉降/mmYK50+104.211.021.50YK50+1342017.50YK50+110.532YK50+14215喷射混凝土应力/MPaYK50+104.27.23.35YK50+1345.32.95YK50+110.56.0YK50+1424.5有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel格栅钢架内侧应力/MPaYK50+104.291.860.4YK50+134104.353.5YK50+110.5134.6YK50+14297.8格栅钢架外侧应力/MPaYK50+104.299.060.3YK50+13487.453.1YK50+110.5105.8YK50+14272.6纵向连接筋应力/MPaYK50+104.243.634.2YK50+13467.745.9YK50+110.536.7YK50+14274.1接触压力/MPaYK50+104.20.050.011YK50+1340.0200.007YK50+110.50.02YK50+1420.008二次衬砌混凝土内侧应力/MPaYK50+104.21.880.68YK50+1340.920.64YK50+110.50.95YK50+1421.28二次衬砌混凝土外侧应力/MPaYK50+104.21.060.60YK50+1341.130.66YK50+110.51.01YK50+1421.182现场试验2.2试验结果2.2.1对比试验有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2现场试验2.2试验结果2.2.1对比试验在黄土隧道的IV级围岩中，从变形上讲，有系统锚杆试验段的净空收敛均值与无系统锚杆试验段的净空收敛均值相差不大，二者相差仅为0.47mm；有系统锚杆试验段的拱部沉降均值大于无系统锚杆试验段的拱部沉降均值，二者相差4mm。从2个试验段的应力测试数据上看，相同项目的监测值相对来说相差不大。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2现场试验2.2试验结果2.2.2锚杆应力在刘家坪2号隧道的2个测试断面、刘家坪3号隧道的2个测试断面以及刘家坪5号隧道的3个测试断面共埋设了48根测力锚杆。按不同位置统计结果如下表所列。黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel按不同位置统计锚杆受力情况2.2.2锚杆应力里程围岩级别位置最大应力/MPa最大应力占钢材设计强度的百分比/%YK50+104.2IV拱顶3811YK50+110.5113K52+296V62K52+350损坏—K52+36011133YK49+670Ⅵ299YK49+676299K52+350V左拱腰30度处损坏—K52+3605917YK50+104.2IV左拱腰45度处5717YK50+110.55316K52+296V134YK49+670Ⅵ8826YK49+676124黄土隧道锚杆作用效果与机制StressandActionMechanismofRockBoltinLoessTunnel2.2.2锚杆应力里程围岩级别位置最大应力/MPa最大应力占钢材设计强度的百分比/%K52+350V右拱腰30度处5015K52+36