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论锚杆在隧道施工中的支护作用 |
| 日期：2016-5-20 13:58:01 来源：转载 浏览数： |
经过数十年的工程实践和工艺创新，锚杆支护的作用与机理已经形成很多研究成果，在工程实际中得到了广泛的应用，取得了良好的效果。
锚杆支护作用主要有: 悬吊作用、组合梁作用、紧固作用以及压缩( 组合) 拱作用。锚杆的这些作用并不是同时具备，它是在不同围岩条件下表现出的不同效应。如软岩且上部有坚硬岩层锚杆就表现为悬吊作用; 层状岩层通过锚杆紧锁，多层叠合梁变成组合梁，锚杆起到形成组合梁的作用; 块状围岩中，锚杆起到紧固作用; 软弱围岩中，各锚杆形成的压力圆锥体交错重叠，锚杆起到压缩( 组合) 拱作用。 现阶段隧道支护结构大多采用柔性支护体系，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架、格栅钢架等为主要形式的初期支护; 永久支护采用模筑混凝土或钢筋混凝土结构。其中，初期支护参数主要根据围岩类别和洞体埋深条件确定，目前常采用的方法为工程类比法。永久支护根据洞身位置、埋深条件、抗震等级、服务年限等综合分析确定。 1· 锚杆支护理论 在新奥法施工的隧道工程中，锚杆的支护作用的原理可以归纳为以下几种理论。 悬吊理论: 通过锚杆将软弱、松动、不稳定的岩土体悬吊于稳定的岩土体中，以防止其离层剥落。这种作用在地下工程中，表现尤为突出。起悬吊作用的锚杆，主要是提供足够拉力，用以克服滑落岩土体的重力或下滑力，来维持岩层稳定，保证工程结构的安全性。 组合梁理论: 这种原理是把薄层状岩体看成一种梁( 简支梁) ，在没有锚固前，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪力不足，在荷载作用下，单个梁均产生各自的弯曲变形，上下缘分别处于受压和受拉状态。锚杆支护后，相当于用螺栓将它们紧固成组合梁，各层便相互挤压，层间摩擦阻力大为增加，内应力和挠度大为减少，于是增加了组合梁的抗弯强度。 紧固理论: 在块状结构围岩中，锚杆可将松动岩块彼此挤压，加固成能承受荷载的整体结构。块状岩体间的挤压力来自于锚杆体紧固时提供的拉力。因此，块状岩体的紧固效果取决于锚杆的锚固力。 压缩( 组合) 拱理论: 光弹试验证实了锚杆的挤压加固作用，当在弹性体上安装具有预应力的锚杆时，发现弹性体内形成以锚杆两头为定点的锥形压缩带，若将锚杆以适当的间距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相互重叠，便形成了一定厚度的连续压缩带。 通过锚杆在工程实体中受力状态的研究分析，清晰了锚杆支护原理的认识，有利于不同围岩状况下锚杆支护参数的选择。 锚杆支护作用的实质就是改善锚固区岩体力学参数，强化锚固区围岩强度，特别是强化围岩破裂后的强度，从而保持地下工程的围岩稳定。 2 ·注浆锚杆加固围岩 锚杆注浆充填围岩裂隙，配合喷锚支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，由此形成的多层组合拱结构扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载力，同时使围岩体与结构体共同承受地层压力，有效地抑制了围岩松动圈的扩展，改善了支护结构的受力状态。 2. 1 注浆锚杆加固作用分析 围岩注浆与隧道其他支护结构组合后不仅改善了围岩力学状态，而且大大缩小了围岩变形，减轻了支护结构承受的外载压力，改善了支架的受力状况。岩体注浆后的强度，通过摩尔库仑理论( Mohr －Coulomb) 来检验。 τ = c + αtanφ 式中: τ 为岩体抗剪强度/MPa; σ 为正应力/MPa; φ为岩体内聚力/MPa; 由上式可知岩体强度大小是由岩石性能及注浆工艺是否合理而有所变化。一般来说，注浆材料本身固结强度高、稳定性好，其内聚力和内摩擦角的增值较大，反之亦然。注浆工艺合理，能保证岩体裂隙填充密实，浆液与裂隙面粘结牢靠，其内聚力和内摩擦角值也增加的多。因浆液在岩体内充实，固结强度提高，使隧道周围形成一个完整的连续承载体，围岩应力分布趋于均匀，减少了应力集中的现象，提高了支架的承载力。 2. 2 锚杆组合拱作用的运用 锚杆组合拱作用机理主要依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定厚度范围内形成拱形承载圈，充分发挥围岩岩体抗压强度高的特点，发挥围岩的自承能力。系统锚杆沿隧道开挖轮廓线径向呈梅花形布置。 系统锚杆采用两种形式: 中空锚杆和砂浆锚杆;这两种锚杆都属于全长粘结型锚杆。锚杆安装作业应在初喷混凝土后及时进行。在施工过程中，由于围岩地质多变复杂，不可预见性大，使得施作中须适时调整孔位、角度等。尤其是在岩层层面或岩体主结构面与锚杆布置方向平行时，系统锚杆作业不应完全按照隧道开挖轮廓线径向布置，而应该尽可能呈大角度布置，由此才能把不利结构面或岩层串在一起，有效的形成组合拱结构。 作为永久支护的全长粘结型锚杆，良好的全长粘结效果，不仅可以保证锚杆砂浆与孔壁的摩擦力，使锚杆与围岩共同工作，同时还可以保证锚杆不受腐蚀，以利其长期的作用效果，要做到这一点，就必须保证锚杆全长注浆饱满，使其与岩体成整体。锚杆注浆因锚杆形式不同而有所不同。中空注浆锚杆可以通过锚杆杆体直接进行注浆。砂浆锚杆的注浆方式有两种: 注浆管与锚杆杆体一起放入钻孔; 先将注浆管放入钻孔内，缓慢注浆，待注浆结束后，再迅速将杆体插入孔内。这种方式宜用于侧壁锚杆的安装。 3 ·工程实例 以临夏至合作高速公路香拉隧道为例。隧道洞口围岩主要为第四系坡积、冲洪积块( 碎) 石土、下二叠迭系强分化砂质岩板岩夹砂岩、灰岩; 第四系坡积、冲洪积土主要由碎石、块石及粉土混杂组成，粒径以5 ～ 18cm 居多，粉土，土灰黄色，手搓具轻砂感，结构松散～ 中密，属Ⅲ级硬土。下二叠系砂质板岩夹砂岩、灰岩岩，板岩单层厚20 ～ 30cm，薄层厚度5 ～ 10cm。砂岩、灰岩属Ⅳ级坚石。 隧道洞口Ⅴ级围岩段主要是第四系坡积、冲洪积土、下二叠系强分化砂岩板岩夹砂岩、灰岩。利用注浆锚杆的加固作用，在隧道洞口及Ⅴ级围岩段选用了Ｒ27 中空注浆锚杆，L － 4. 5m，环向间距100cm，纵向间距75cm; 中空锚杆将块状及薄层岩体悬吊于稳定的岩层体中，有效地抑制岩块离层剥落，其中锚杆提供了足够拉力，保证了支护结构的稳定。 注入岩体中的水泥浆液将破碎的岩体及薄层岩体粘合在一起，与稳定岩体形成一个整体; 改善了锚固区岩体力学参数，强化了锚固区围岩强度，从而保持隧道洞身工程的围岩稳定。同时层状岩层相互挤压，层间摩擦阻力大为增加，内应力和挠度大为减少，于是增加了组合梁的抗弯强度。 隧道Ⅴ级围岩中空锚杆注浆参数: 锚杆长度3. 5m; 采用30 号水泥浆液，水灰比1∶ 1 ( 重量比) ，注浆压力: 0. 5 ～ 1. 0MPa。锚杆布置参数: 梅花形布置，间排距1. 0m × 1. 0m。 洞身开挖过程中，通过连续监控量测，隧道拱顶总沉降量平均3mm，拱脚收敛1mm，拱部侧墙无开裂掉皮，断面轮廓规矩，支护结构完整，效果良好，保证了施工安全和工程质量。中空注浆锚杆的应用，提高岩体的自身强度和自稳能力，大大减轻洞身的自重，减少了工程成本，并确保施工安全和工程质量，具有显著地经济效益。发挥了其拱顶的悬掉作用及组合梁作用。 4 ·全长粘结型锚杆施工注意事项 无论中空注浆锚杆还是普通砂浆锚杆，它们都属于全长粘结型锚杆，杆体与孔壁间的粘结力需要依赖砂浆注入固结后形成，砂浆注入的饱满度，砂浆质量，以及锚杆尾部托板安装的质量都将影响锚杆加固围岩的效果。经过实践总结，以下几点应给予高度关注。 ( 1) 安装锚杆前应用高压风吹洗钻孔，将孔内岩粉吹出，以此增强注入砂浆后的粘结力。 ( 2) 土质隧道钻孔时应采用煤电钻成孔，风钻成孔时凿岩机中空钻杆循环水会软化孔壁，严重削弱锚杆与岩体的粘结效果。 ( 3) 锚杆尾端的托板应紧贴岩面，未接触部位用木楔楔紧。 ( 4) 拱顶打垂直孔时比较困难，可以适度调整钻孔方向，在隧道纵向可前倾或后仰，横向断面处也可以左右调整角度，以此保证钻孔穿入岩体，进而发挥锚杆的锚固作用。 ( 5) 注入砂浆的锚杆在砂浆固结前严禁撞击、敲打、悬挂重物。 ( 6) 注浆材料宜采用中细砂，粒径不应大于2. 5mm，使用前严格过筛。水泥与砂比例为1∶ 1 ～ 1∶ 2( 重量比) ，水灰比控制在0. 38—0. 45 之间。 ( 7) 节理发育的破碎围岩，应先喷射混凝土，再安装锚杆，并应在锚杆孔成孔后及时安装锚杆杆体。 ( 8) 填注砂浆困难时，如拱部垂直孔、拱肩倾斜孔，可以采用快硬水泥卷作为锚固材料。 5· 结语 隧道的地质条件比较复杂，不同区段的地质条件差异很大，不同地质条件下的围岩自身稳定性和承载力也迥然不同，因此不同地质条件的围岩应该采用与之相应的工程措施和支护结构。 结合围岩的实际地质状况，合理选择锚杆类型，确保施工安全和结构物工程质量，显得尤为重要。一般情况下，应优先选用全长粘结型锚杆。在隧道施工过程中应加强围岩监控和观测，实时掌握围岩动态，以便及时调整支护结构的参数，从而，做到动态设计，合理应对，最大限度地保证支护结构与地质状况的有机结合。 |
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