黄土隧道中的锚杆作用机制

1、黄土隧道中的锚杆作用机制黄土隧道中的锚杆作用机制 1 1 问题的提出问题的提出2 2 现场试验现场试验3 3 锚杆作用机制锚杆作用机制4 4 经济效益分析经济效益分析 5 5 工程应用工程应用目录目录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 问题的提出问题的提出 20世纪世纪70年代至年代至80年代年代末，主要为单线铁路隧道。末，主要为单线铁路隧道。大量的试验研究结果表明，锚杆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。在喷锚支护结构中起着重要作用。跨度小，断面小跨度小，断面小初期支护：初期支护：锚杆锚杆+喷射混凝土喷射混凝土+钢筋网钢筋网 黄土隧道锚杆

2、作用效果与机制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 问题的提出问题的提出 20世纪世纪90年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，在软年代以来，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。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？在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？有两种观点：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。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。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

3、 Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 本人认为黄土隧道结构采用由钢架、喷射混凝土、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。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：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 锚杆作用机理锚杆作用机理悬吊作用悬吊作用加固围岩加固围岩支承围岩支承围岩组合梁组合梁刚架作用机理刚架作用机理加强限制围岩变形加强限制围岩变形作为超前支护的后支点作为超前支护的后支点承受部

4、分松弛荷载承受部分松弛荷载 锚杆是伸入到围岩锚杆是伸入到围岩内部内部，产，产生相对位移，利用围岩自承能力。生相对位移，利用围岩自承能力。主动加固围岩主动加固围岩钢架架设在围岩钢架架设在围岩外侧外侧被动支撑作用被动支撑作用两者对隧道支护的机理两者对隧道支护的机理截然不同截然不同1 问题的提出问题的提出（1）两者）两者支护的机理不同支护的机理不同 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 问题的提出问题的提出（2）锚杆发挥作用的两个前提：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。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黄土隧道中锚杆的拉拔力只有2030 kN，粘结力小；，粘结力小；大断面黄土隧道围岩的松弛区往

5、往变大，目前以大断面黄土隧道围岩的松弛区往往变大，目前以“短而密短而密”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。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支护的效果提高了围岩的弹性模量E，黏聚力，黏聚力c和内摩擦角和内摩擦角。这在。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。的结构，降低了围岩的强度和稳定性。（与岩石是有区别的）（与岩石是有区别的）黄土隧

6、道锚杆作用效果与机制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 问题的提出问题的提出（4）黄土隧道支护施工工序黄土隧道支护施工工序开挖开挖初喷射混凝土初喷射混凝土立钢架立钢架挂设钢筋网片挂设钢筋网片安设锚杆安设锚杆喷射混凝土达到设计厚度喷射混凝土达到设计厚度 安设锚杆在架立钢架安设锚杆在架立钢架之后，所以钢架对围岩变之后，所以钢架对围岩变形的制约，必然会影响到形的制约，必然会影响到锚杆作用的发挥。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 Loes

7、s Tunnel 1 问题的提出问题的提出锚杆不能及时径向施作，发挥不了锚固作用。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 问题的提出问题的提出 （6）在黄土中锚杆施工成孔困难，注浆不易，影响在黄土中锚杆施工成孔困难，注浆不易，影响工程进度。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 T

8、unnel 1 问题的提出问题的提出 为了解答上述问题，采用现场试验和理论分析的方法，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。研究锚杆在黄土隧道中的支护效果与机制。缩短工期缩短工期减少施工工序减少施工工序及时封闭支护结构及时封闭支护结构节省工程造价节省工程造价黄黄土土隧隧道道取取消消系系统统锚锚杆杆有利于施工安全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

9、括：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；）黄土隧道变形现场测试；（2）黄土隧道锚杆轴力测试；）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）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。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，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。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 现场试验现场试验 在刘家坪隧道群的在刘家坪隧道群的IV、V、VI级级围岩条件下开围岩条件下开展有无系统锚杆的试验，分别在展有无系统锚杆的试验，分别在IV、V级围岩条件级围岩条件下开展了下开展了30米打设系统锚杆和米打设系统

10、锚杆和30米不打设系统锚杆隧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，埋设个测试断面，埋设了了1237个测试元件，获得数万个测试元件，获得数万组测试数据。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

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