2013年中华铁道建设新技术促进会年会暨中国隧道新技术论坛黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制STRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNELSTRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNEL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 工程应用黄土隧道锚杆作用效果与机制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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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+钢筋网黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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加强限制围岩变形作为超前支护的后支点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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出（2） 锚杆发挥作用的两个前提：u锚杆锚固材料与围岩要有足够的黏结力u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2030 kN，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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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。 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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。黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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。黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 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。黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验序号项目名称仪 器测 读 频 率 115d15d1个月13个月3个月 1净空收敛SWJ-IV收敛计12次/d1次/d12次/周12次/月 2拱顶下沉精密水准仪12次/d1次/d12次/周12次/月 3围岩压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月 4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月 5型钢拱架应力钢弦式表面应变计12次/d1次/d12次/周12次/月 6纵向连接筋钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月 7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月 8围岩内部位移多点位移计12次/d1次/d12次/周12次/月 9接触压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月 10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月 11二衬钢筋应力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12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 试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2） 测点布置2.1 试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验2.2 试验结果2.2.1 对比试验试验项试验项 目有系统锚统锚 杆试验试验 段无系统锚统锚 杆试验试验 段监测监测 断面最大值值/mm平均值值/mm监测监测 断面最大值值/mm平均值值/mm 净净空收敛敛/mmYK50+104.212.2314.68YK50+13414.9315.11 YK50+110.59.85YK50+13612.12 YK50+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) 拱顶顶沉降/mmYK50+104.211.021.50YK50+1342017.50 YK50+110.532YK50+14215 喷喷射混凝土 应应力/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黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 格栅钢架 内侧应力/MPaYK50+104.291.860.4YK50+134104.353.5 YK50+110.5134.