淺談黃土隧道中的錨桿

張 祺

（豐鎮(zhèn)市交通局，內(nèi)蒙古 豐鎮(zhèn)012100）

0 引言

錨桿是地下工程的主要支護(hù)手段之一。 20 世紀(jì)60 年代末期，隨著新奧法的發(fā)展以及全長黏結(jié)錨桿的出現(xiàn)，錨桿的使用范圍也不斷擴(kuò)大， 許多國家都在錨桿的作用機(jī)制和支護(hù)效果上進(jìn)行了大量的研究，提出了錨桿的懸吊作用、組合梁作用、成拱作用、銷釘作用與支護(hù)作用等作用機(jī)制。 我國的從事隧道工程的設(shè)計(jì)和施工人員也不斷的摸索，探究，取得了不少成果。錨桿可以分為對于硬巖，錨桿可以起到保持巖塊和控制巖塊的移動(dòng)，使圍巖成為一整體，促進(jìn)平衡拱形成的作用；對于軟巖，錨桿的作用效果是增加內(nèi)壓，以減小圍巖塑性區(qū)和隧道變形；對于土沙類圍巖，錨桿的作用效果主要是加強(qiáng)拱腳穩(wěn)定和防止掌子面崩塌。

關(guān)于黃土的工程特性、黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、黃土地層錨固機(jī)制以及黃土隧道系統(tǒng)錨桿的效果作用， 國內(nèi)都進(jìn)行過深入研究，基本基于兩種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為黃土隧道的系統(tǒng)錨桿對隧道初支的穩(wěn)定性不起作用，可以取消；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為錨桿對隧道初支的穩(wěn)定性能夠起到一定的作用，應(yīng)該設(shè)置，目前為止，很多設(shè)計(jì)院都趨于保守的觀點(diǎn)，黃土隧道都設(shè)計(jì)有邊墻及鎖腳處的系統(tǒng)錨桿。

筆者認(rèn)為系統(tǒng)錨桿在邊墻及鎖腳的錨桿應(yīng)該保留，在黃土隧道中的作用尤為重要，應(yīng)該設(shè)置。

1 黃土隧道中錨桿設(shè)置的理論基礎(chǔ)

1.1 針對黃土隧道基底承載力低、側(cè)應(yīng)力較大、濕陷性等特點(diǎn)，施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“管超前、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)、緊仰拱、勤量測、速襯砌”的施工原則，仰拱緊跟掌子面施工，以有效控制拱頂下沉和控制圍巖變形，保證隧道施工安全。 而現(xiàn)在國內(nèi)主要的隧道開挖方法是新奧法，而新奧法的主要支護(hù)手段就是錨噴支護(hù)，錨桿的設(shè)置在里邊起到關(guān)鍵作用。

1.2 目前，黃土隧道采用由鋼架、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿共同組成的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)非常合理，鋼架可以和伸入到圍巖內(nèi)部的錨桿焊接，共同受力，主動(dòng)加固圍巖、充分利用圍巖承載力。

1.3 黃土隧道中錨桿支護(hù)的效果提高了圍巖的彈性模量E，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。 對土體的穩(wěn)定性發(fā)揮更大的作用。

1.4 錨桿和砂漿在黃土中的作用就如在地基中的地梁， 能控制土體的局部變形，維持圍巖的穩(wěn)定。

1.5 目前在黃土隧道施工過程中，通常采用的支護(hù)順序是：開挖→初噴射混凝土→立鋼架→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片→安設(shè)錨桿→噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，由于安設(shè)錨桿在架立鋼架之后，能和初支的鋼筋網(wǎng)和鋼架形成整體，可有效控制邊墻土體變形和噴射混凝土的開裂，還可在仰拱澆筑前控制鋼架的下沉。

2 黃土隧道中錨桿受力分析

2.1 黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制

2.1.1 錨桿對不穩(wěn)定巖體有很好的加固效果。 在巖石隧道中，錨桿一端要錨固在穩(wěn)定的巖體中，即要有錨固段，而另一端與不穩(wěn)定的圍巖黏結(jié)在一起可產(chǎn)生共同變形，起到錨固作用。

2.1.2 借助于錨桿灌漿料與填土間的摩擦力來提高土體的抗剪強(qiáng)度，從而保證土體平衡。

2.2 黃土隧道中系統(tǒng)錨桿的力學(xué)狀態(tài)分析

2.2.1 下面從土體的變形分析黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿的力學(xué)狀態(tài)。黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，其中包括：

（1）土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了彈性、塑性、黏性變形。

（2）采用型鋼鋼架支護(hù)時(shí)，其背部混凝土噴射不到，存在空隙，誘發(fā)了土體下沉。

（3）施工過程中，土體被擾動(dòng)后，后期產(chǎn)生壓密沉降。

（4）地下水位線以下的隧道，開挖后地下水要向隧道位置遷移，地下水位降低，土體中有效應(yīng)力增大，土體會產(chǎn)生次固結(jié)沉降。

隧道開挖后，由鋼架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)共同抑制土體的變形。 在初期支護(hù)施作后，相對于土體的后續(xù)變形，錨桿是固定不動(dòng)的，因此在淺埋黃土隧道或塑性區(qū)大的深埋黃土隧道，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下的摩阻力，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。

所以由于黃土的自穩(wěn)定性差，尤其在拱頂部襯砌噴射混凝土不能密貼圍巖，所有拱頂部位黃土的塑性變形區(qū)域較大，再加上拱頂部位錨桿施工工藝所限，注漿一般不飽滿，拉拔力一般不大，所以拱頂部位的錨桿作用效果不會太明顯。

2.2.2 土體工作時(shí)，土和錨桿一起承受外部和內(nèi)部的荷載，由于土與錨桿之間的摩擦作用，將土中的應(yīng)力傳遞給錨桿，而錨桿所產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵抗了土體的水平位移， 就好像在土體中增加了一個(gè)內(nèi)聚力，從而改進(jìn)了土體的力學(xué)特性。 因此，土與錨桿間的摩擦作用是土體能否穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。

假設(shè)錨桿與漿體間界面粘結(jié)非錨固系統(tǒng)薄弱面，而漿體與巖土體界面才是錨固系統(tǒng)的薄弱面。 根據(jù)文獻(xiàn)[1]給定的公式分析，邊墻處的系統(tǒng)錨桿的拉拔力由所用灌漿體與土體的極限粘結(jié)應(yīng)力τp（土體與錨桿漿體的極限粘結(jié)力）決定的。

3 結(jié)論

研究了黃土隧道中錨桿的支護(hù)效果及機(jī)制，得到以下主要結(jié)論：

1）拱頂部位錨桿作用不大，由于國內(nèi)的施工工藝所限，可以取消；

2）邊墻處的錨桿必須安設(shè)，以便維持圍巖的穩(wěn)定，且要優(yōu)化施工工藝，嚴(yán)格控制成孔工藝，選擇更適合黃土灌注漿液，以便加大與土體的錨固，同時(shí)固結(jié)土體，以保證圍巖穩(wěn)定，切不可一味只最求進(jìn)度，忽略質(zhì)量，給工程質(zhì)量留下隱患。

［1］魏新江，張世民，危偉.全長粘結(jié)式錨桿抗拔力計(jì)算公式的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（7）.