淺談公路隧道錨桿設(shè)計(jì)

侯豪斌

（山西交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

中國在20世紀(jì)70年代引進(jìn)并推廣新奧法以來，新奧法早已被隧道設(shè)計(jì)、施工人員接受并廣泛應(yīng)用。1981年T.brown教授著文說：“在巖石隧道中（尤其是埋深大時(shí)）采用新奧法，允許圍巖產(chǎn)生有限變形，以促進(jìn)承載拱的形成，減少作用在襯砌上的荷載?！卞^噴支護(hù)的延時(shí)、柔性的特點(diǎn)正好滿足“允許圍巖產(chǎn)生有限變形，以促進(jìn)承載拱的形成”，使得錨噴支護(hù)與圍巖能很好地形成整體，共同承載，將新奧法的應(yīng)用推向極致。

在新奧法技術(shù)已經(jīng)較成熟的今天，雖然公路隧道的建設(shè)已經(jīng)能很好地體現(xiàn)其精髓，但還有部分細(xì)節(jié)需要認(rèn)真研究，文章將重點(diǎn)針對現(xiàn)代公路隧道復(fù)合式襯砌方案中初期支護(hù)的錨桿進(jìn)行探討。

1 錨桿作用機(jī)理

錨桿是從內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)圍巖的技術(shù)手段，提高裂隙圍巖的抗裂強(qiáng)度，改善圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)，更可以將不連續(xù)的巖體聯(lián)系在一起，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，其作用機(jī)理可以從隧道周邊巖體和被節(jié)理、裂隙或斷層切割后的局部圍巖兩種情況來考慮：

1.1 錨桿在巖體中的作用機(jī)理

1.1.1 硬巖

圍巖強(qiáng)度大，隧道周邊圍巖沒有塑性變化，不需內(nèi)壓效果，同時(shí)，硬巖的力學(xué)強(qiáng)度是充分的，其穩(wěn)定性通常是由裂隙等力學(xué)上的不連續(xù)面所控制，錨桿可以保持巖塊和控制巖塊移動(dòng)，使圍巖成為一體，并促進(jìn)平衡拱的形成。

1.1.2 軟巖

軟巖中，隧道周邊圍巖發(fā)生塑性變化，錨桿提供內(nèi)壓阻止塑性變形范圍的擴(kuò)展，在此過程中以提供內(nèi)壓效應(yīng)和形成平衡拱效應(yīng)為主。

1.1.3 土砂圍巖

在埋深小的土砂圍巖中，噴射混凝土的效果是明顯的，根據(jù)資料顯示，拱頂附近的錨桿幾乎不受拉力而只發(fā)生壓力的情況時(shí)有發(fā)生。因此，土砂圍巖下，錨桿以加強(qiáng)拱腳附近和防止掌子面的崩塌為主。

能夠發(fā)揮錨桿效果的圍巖需要具備適當(dāng)?shù)臈l件：錨桿和圍巖間要有適當(dāng)?shù)腻^固力；在不連續(xù)圍巖中錨桿要橫切不連續(xù)面布設(shè)；連續(xù)圍巖中，在設(shè)置錨桿的范圍內(nèi)，圍巖位移差要大。不滿足這些條件的圍巖，錨桿的作用是比較小的，甚至沒有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注漿等方法處理后才能設(shè)置錨桿。

1.2 錨桿在局部圍巖中的作用機(jī)理

隧道開挖后圍巖的節(jié)理、裂隙或斷層切割情況是千變?nèi)f化的，從加固這些軟弱面或斷層的目的出發(fā)，錨桿加固的作用機(jī)理主要有以下幾種：

1.2.1 懸吊巖塊

由于隧道圍巖被節(jié)理、裂隙或斷層切割，開挖爆破震動(dòng)可能引起局部巖塊失穩(wěn)，采用錨桿將不穩(wěn)定巖塊懸，吊在穩(wěn)定的巖體上，或?qū)?yīng)力降低區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定的圍巖，懸吊在應(yīng)力降低區(qū)以外的穩(wěn)定巖體上。在側(cè)壁則用錨桿阻止巖塊滑動(dòng)。

在一般圍巖中采用以懸吊效果為目的的錨桿時(shí)，可采用HPB335，因發(fā)生的軸力不大，可采用直徑小的錨桿，但在裂隙發(fā)育的圍巖條件下，不能期待錨桿的懸吊效果時(shí)，考慮與輔助工法并用。錨桿應(yīng)視裂隙或節(jié)理狀況布設(shè)于隧道拱部。

1.2.2 產(chǎn)生內(nèi)壓和拱效果

軟弱圍巖開挖后，使洞內(nèi)臨空面變形較大，當(dāng)坑道周邊布設(shè)系統(tǒng)錨桿，向圍巖施加徑向錨桿施加的徑向壓力而形成承載拱后，便與噴射混凝土共同承受圍巖的形變壓力，可減少圍巖的變形，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

系統(tǒng)錨桿布置應(yīng)沿隧道周邊均勻布置，呈梅花形布置。在隧道橫斷面內(nèi)，錨桿方向宜與周邊垂直。在層狀圍巖中，錨桿的方向宜與巖層面垂直。

一般圍巖可采用HPB335，Φ22mm的錨桿，當(dāng)圍巖變形大于50mm時(shí)，可采用高強(qiáng)度或大直徑的錨桿，或者減小錨桿間距。因高強(qiáng)度鋼的延展性差，選擇時(shí)要考慮位移值的大小，同時(shí)還要考慮施工難度和經(jīng)濟(jì)性。錨桿布設(shè)于隧道全斷面或除仰拱以外的部分。

1.2.3 組合梁作用

在水平或傾角較小的層狀巖體中，錨桿能使巖層緊密結(jié)合，形成類似組合梁結(jié)構(gòu)，能增加層面間的抗剪強(qiáng)度和摩擦力，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。一般可采用HPB335鋼。

2 錨桿類型及適用性

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)隧道的圍巖條件、斷面尺寸、作用部位、施工條件等合理選擇錨桿的支護(hù)類型和參數(shù)。其類型一般有以下幾種：

2.1 全長黏結(jié)型錨桿

包含有普通水泥砂漿錨桿、早強(qiáng)水泥砂漿錨桿、樹脂卷錨桿、水泥藥卷錨桿、中空注漿錨桿、自鉆式注漿錨桿等。

一般是在錨孔內(nèi)填充錨固材料插入錨桿錨固，或者是錨桿插入后壓注錨固材料錨固的方法。因用錨固材料全長黏結(jié)，錨桿全長范圍都能約束圍巖。長黏結(jié)型錨桿在硬巖、中硬巖、軟巖、土砂圍巖中均可采用。

2.2 端頭錨固型錨桿

機(jī)械錨固錨桿、樹脂錨固錨桿、快硬水泥卷錨固錨桿等。

機(jī)械錨固錨桿包含有楔縫式、脹殼式、倒楔式，適用于硬巖或中硬巖。黏結(jié)錨固錨桿包含樹脂卷式、快硬水泥卷式，除應(yīng)用于硬巖、中硬巖外，也可用于軟巖。端頭錨固型錨桿的作用主要取決于錨頭的錨固強(qiáng)度，在錨頭型式選定后，其錨固強(qiáng)度是隨著圍巖情況而變化的。因此，使用前應(yīng)在現(xiàn)場進(jìn)行錨桿的抗拔試驗(yàn)，以檢驗(yàn)選定的錨頭是否與圍巖條件相適應(yīng)。由于地下水或潮濕空氣易使桿體和錨頭發(fā)生銹蝕，因此，服務(wù)年限大于5年的端頭錨固型錨桿應(yīng)采取灌注水泥砂漿或其他防腐措施。

2.3 摩擦型錨桿

包含有縫管錨桿、楔管錨桿、水脹式錨桿。

摩擦型錨桿主要有全長摩擦型（縫管式）和局部摩擦型（楔管式）兩種，其特點(diǎn)是安裝后能立即提供支護(hù)抗力，有利于及時(shí)控制圍巖變形，能對圍巖施加三向預(yù)應(yīng)力，使圍巖處于壓縮狀態(tài)，在某些特定條件下，需要提高摩擦型錨桿的初錨固力時(shí)，可采用帶端頭錨楔的縫管式或楔管式錨桿，可使初始錨固力增加50kN以上。摩擦型錨桿適用于硬巖、中硬巖、軟巖。

2.4 預(yù)應(yīng)力錨桿

預(yù)應(yīng)力錨桿是指預(yù)拉力大于200 kN，長度大于8m的巖石錨桿。它能主動(dòng)對圍巖提供大的支護(hù)抗力，有效地抑制圍巖位移，提高軟弱結(jié)構(gòu)面和塌滑面的抗剪強(qiáng)度，按一定規(guī)律布置的預(yù)應(yīng)力錨桿群使錨固范圍內(nèi)的巖體形成壓應(yīng)力區(qū)而有利于圍巖的穩(wěn)定。錨固段灌漿宜采用水泥漿或水泥砂漿等膠結(jié)材料，自由段長度不少于5m。硬巖采用拉力型錨桿，軟巖宜采用壓力分散型或拉力分散型錨桿。

永久支護(hù)的錨桿應(yīng)為全長黏結(jié)型錨桿或預(yù)應(yīng)力注漿錨桿，其他類型的錨桿作為永久支護(hù)時(shí)，錨孔內(nèi)需注滿水泥砂漿或樹脂。

3 錨桿設(shè)計(jì)

在錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)外業(yè)踏勘和地堪給出隧道圍巖的巖質(zhì)、堅(jiān)硬程度、完整程度、地下水、埋深、隧道開挖寬度和斷面形狀等情況，首先確定設(shè)置錨桿的類型，然后根據(jù)計(jì)算并參考經(jīng)驗(yàn)確定錨桿長度、直徑和間距。

3.1 錨桿材料

全長黏結(jié)型錨桿宜采用HRB335，HRB400鋼，桿體直徑宜為16mm～32mm，采用水泥砂漿時(shí)保護(hù)層厚度不小于8mm，采用樹脂時(shí)不小于4mm；端頭錨固型錨桿宜采用HRB335鋼筋，桿體直徑16mm～32mm；摩擦型錨桿中縫管錨桿管體宜采用16錳或20錳硅鋼，壁厚2.0mm～2.5mm；楔管錨桿管體可用HPB235鋼，壁厚2.75mm～3.25mm；預(yù)應(yīng)力錨桿宜采用鋼絞線、高強(qiáng)鋼絲或高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值較小或長度小于20m時(shí)，也可采用HRB335或HRB400鋼。

灌漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿等膠結(jié)材料，錨桿露頭均應(yīng)設(shè)置墊板，墊板可采用HPB235鋼，厚度不小于6mm，尺寸不宜小于150mm×150mm。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

錨桿屬于點(diǎn)狀支護(hù)的類型，須網(wǎng)狀布設(shè)以發(fā)揮群錨作用。因此，錨桿布設(shè)參數(shù)（長度、間距）要符合群錨的工作原則。西南交通大學(xué)關(guān)寶樹教授在《隧道工程施工要點(diǎn)集》一書中，定性地給出了錨桿布設(shè)參數(shù)與圍巖的關(guān)系，見圖1。目前錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)還主要倚重經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)算公式多以經(jīng)驗(yàn)為主。

圖1 錨桿定性布設(shè)原則

3.2.1 系統(tǒng)錨桿

由于圍巖中各處變形的不均勻性，隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖中將產(chǎn)生類似于拱結(jié)構(gòu)切向壓緊的作用，即拱效應(yīng)。系統(tǒng)錨桿能從內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)圍巖，增強(qiáng)其物理參數(shù)，充分利用圍巖的拱效應(yīng)。

錨桿應(yīng)垂直隧道周邊輪廓梅花形布設(shè)，當(dāng)遇層狀巖層時(shí)，尚應(yīng)增設(shè)與主結(jié)構(gòu)面成最大角度的錨桿；錨桿間距不宜大于錨桿長度的1/2，Ⅳ、Ⅴ級圍巖中的錨桿間距宜為0.5m～1.2m，并不得大于1.25m。

（1）日本鐵道建設(shè)公團(tuán)

一般圍巖：D22mm，L＝2m～3m；

膨脹性圍巖：D25mm，L＝3m～4m；

增設(shè)錨桿的場合要比標(biāo)準(zhǔn)錨桿長1.5倍。

（2）日本道路公團(tuán)

錨桿長度：L＝W/3～W/5 或 L≥t；

式中：L：錨桿長度；

W：隧道開挖寬度；

t：掌子面到完成支護(hù)地段的距離。

設(shè)置間距：0.5 L～0.7 L。

（3）日本道路學(xué)會(huì)

硬巖：L≥2P，L≥3S，L≥（1/3～1/5）B

式中：L：錨桿長度；

P：錨桿間距；

S：節(jié)理平均間距；

B：隧道開挖寬度。

（4）山本試驗(yàn)公式（灌漿錨桿）

L≥（D+α）

R≥γ·L·D1·D2=W

式中：L：錨桿長度；

W：松弛荷載；

R：錨桿的錨固力；

D1：周向間隔；

D2：縱向間隔（D2>D1）；

α：確保錨桿錨固力的必要長度；

γ：圍巖的單位容重。

（5）預(yù)應(yīng)力錨桿

鋼筋截面尺寸A＝kNt/fptk；

式中：A：預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面積/mm2；

Nt：錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值/kN；

fptk：預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/N·mm2

K：安全系數(shù)（臨時(shí)錨桿取1.6，永久錨桿取1.8）。

預(yù)應(yīng)力錨桿采用黏結(jié)型錨固體時(shí)，錨固段長度可按下列公式計(jì)算并取大值。

La=kNt/（πDqr）

La=kNt/（nπdεqs）

式中：La：錨固段長度/mm；

Nt：錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值/kN；

K：安全系數(shù)（取 1.4～2.2）；

D：錨固體直徑/mm；

d：單根鋼筋或鋼絞線直徑/mm；

n：鋼絞線或鋼筋根數(shù)；

qr：水泥結(jié)石體與巖石孔壁間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值）；

qs：水泥結(jié)石體與鋼絞線或鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值）；

ε：采用兩根或以上鋼絞線或鋼筋時(shí)，介面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)（取 0.60～0.85）。

3.2.2 局部錨桿

拱腰以上應(yīng)向著有利于錨桿受拉的方向布設(shè)，拱腰以下及邊墻宜逆著不穩(wěn)定巖塊滑動(dòng)方向布設(shè)。

錨桿加固危石時(shí)，可按下式計(jì)算，當(dāng)設(shè)置局部錨桿時(shí)也可參照下式：

錨桿截面積：

A s=KG/nfst

式中：K：安全系數(shù)；

G：錨桿承受危石重力；

A s：單根錨桿截面積；

n：錨桿根數(shù)；

fst：錨桿設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。錨桿長度：

L＝L錨+L支+L超

L：錨桿長度，L錨：錨桿錨固長度，L支：錨桿支護(hù)長度，L超：錨桿超出孔口長度。

其中L錨＝kP錨/πdτ黏。P錨：錨桿錨固力（規(guī)范規(guī)定不小于60 kN），k：安全系數(shù)，d：錨桿直徑，τ黏：錨桿與砂漿的黏聚力。

3.2.3 錨桿加強(qiáng)

在錨桿受力較大的區(qū)段，錨桿多因下述兩種原因失效。第一種是由于錨桿本身的強(qiáng)度不夠被拉斷；第二種是由于錨固力不足而被拉出（施工現(xiàn)場多為這一種），錨固力不足表現(xiàn)為錨桿與黏結(jié)材料間或黏結(jié)材料與圍巖間的黏結(jié)力不足?？刹捎酶邚?qiáng)度錨桿或增大錨桿直徑、增大鉆孔直徑、增加錨桿根數(shù)3種措施提高錨桿支護(hù)效果。

4 結(jié)束語

隧道設(shè)計(jì)、施工中需重視初期支護(hù)的作用，錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)是常用的支護(hù)手段，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性差時(shí)還需結(jié)合鋼拱架、超前小導(dǎo)管和預(yù)注漿一起承受來自圍巖的變形壓力，并加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，共同構(gòu)成有效、經(jīng)濟(jì)的圍巖－支護(hù)體系。根據(jù)施工監(jiān)控量測及時(shí)進(jìn)行初支、二襯支護(hù)，允許圍巖－支護(hù)體系產(chǎn)生有限制的變形，充分協(xié)調(diào)地發(fā)揮兩者的共同作用，盡量使圍巖－支護(hù)體系全面、牢固接觸、應(yīng)力均勻分布，形成理想的D類接觸（全斷面牢固接觸），以期能經(jīng)濟(jì)、安全、有效率地進(jìn)行洞內(nèi)作業(yè)。

雖然，隨著中國隧道及地下工程的大量建設(shè)和新奧法技術(shù)的廣泛應(yīng)用，公路隧道的建設(shè)已經(jīng)能很好地體現(xiàn)其精髓，但還有部分細(xì)節(jié)需要認(rèn)真研究，文章重點(diǎn)針對公路隧道復(fù)合式襯砌方案中初期支護(hù)的錨桿進(jìn)行探討。從作用機(jī)理、錨桿類型、適用性和設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，較為詳細(xì)地對錨桿的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，希望能在隧道設(shè)計(jì)、施工中有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

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