试论黄土隧道锚杆受力和作用机制

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1、试论黄土隧道锚杆受力和作用机制　　摘要：本文作者根据多年研究经验，对黄土隧道锚杆受力与作用机制做具体分析，希望有一定参考意义。关键词：力学特性;现场对比;数值模拟;黄土隧道;锚杆中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：引言：本文以青兰高速公路善化隧道为依托工程，开展了较大规模的现场施工监测，结合有限元数值模拟方法，分析研究了公路黄土隧道系统锚杆的力学特性。1．依托工程概况本文选取青兰高速善化隧道同一位置的左、右线两个断面ZK126+70和YK126+70进行了现场测试。善化隧道左线起点里程为ZK126+000.5，终点里程ZK127+

2、666.5，隧道总长度1666m，右线起点里程为YK126+025，终点里程YK127+685，隧道总长1660m。隧道左右线间距为24m。Qml4沿线地层以粉砂性黄土、河流阶地河河谷滩地为主，下伏粉砂岩、砂、泥岩等，岩性比较复杂洞口断面的围岩类别为Ⅴ级围岩。测试断面为马蹄形隧道标准断面结构，隧道衬砌结构由40cm复合式衬砌，初支采用C20喷射混凝土，二衬采用C25模筑钢筋混凝土;边墙砂浆锚杆采用长3.5m9的22钢筋，环纵向间距呈1.0×1.0m梅花形布置;型钢钢架支撑作为永久性支撑，纵距为0.8m，每型钢钢架两拱脚处各设两根长为3.

3、0m的42锁脚锚管。施工方法采用浅埋暗挖保留核心土的短台阶法，严格按照“管超前、少扰动、短进尺、强支护、留核心、勤量测、早封闭”的施工原则进行施工。2．现场施工监测及分析2.1监测内容及方法在隧道ZK126+70和YK126+70两个断面埋设了监测元件，进行有无系统锚杆的对比监测。两断面距洞口70，埋深约60m，其中左线ZK126+70设置了系统锚杆，右线YK126+70无系统锚杆。监测项目包括围岩压力、钢拱架内力和砂浆锚杆轴力。监测元件均采用钢弦式传感器，此类元件具有较高的精度和可靠度，且受现场各种干扰小，可长期有效地工作。元件布置如

4、图1所示。图中Y1～Y10表示压力盒的埋设位置，WC1～WC6表示钢筋计在外缘钢拱架的埋设位置，NC1～NC6表示钢筋计在内缘钢拱架的埋设位置，MG1～MG6表示钢筋计在锚杆中的埋设位置。图1测试元件布置位置2.2监测结果及分析2.2.1围岩与初期支护间接触压力9整理各点所测得的围岩压力，绘制成压力分布图，如图2所示。图2围岩压力分布实测结果(单位:kPa)由图2可知，拱脚和仰拱受力偏大，应作为设计控制部位。由于该测试断面采用保留核心土的短台阶法施工，充分遵循了“早封闭，强支护”的原则，使土体的变形得到了及时有效的控制。左线的Y6、Y7

5、压力较大，对应位置设置的系统锚杆MG1、MG3拉应力也较大，而右线的Y6、Y7压力却明显偏小，说明此时左线拱腰和拱脚的锚杆在围岩的变形过程中，起到了有效的支承和约束作用。这也说明系统锚杆在维持隧道围岩原有的应力状况，改善隧道围岩应力的分布以及抑止围岩产生较大的、可能导致围岩性质恶化的松弛变形方面有一定作用。2.2.2型钢钢架轴力在钢架的内、外缘均布设钢筋计，以测试钢架内、外两侧的受力情况。有系统锚杆支护的ZK126+70断面中型钢钢架的钢筋轴力整体要小于无系统锚杆的YK126+70断面中钢筋的轴力。内缘的最大轴力值由26.40kN减小至

6、19.96kN，减小了32.3%;内缘的最小轴力值由16.34kN减小至11.09kN，减小了32.1%;在整个施工过程中，9有锚杆作用条件下初期支护轴力最小的地方(WC4点)只达到了无锚杆作用时初期支护轴力的31.5%。因此，在二次衬砌施做之前，系统锚杆和型钢钢架形成的联合支衬体系相对无系统锚杆的支衬体系拥有更高的安全性能和更好的支护效果。如图3所示。2.2.3型钢钢架弯矩通过对型钢钢架内外缘成对布置钢筋计的应力监测，根据基本结构力学受力转换公式可计算拱架不同截面处的弯矩。结果如图4所示。从图3可以看出，有无系统锚杆两种工况初期支护对

7、应位置弯矩值相差较大，无系统锚杆时的弯矩值总体上明显大于设置了系统锚杆时的弯矩值，尤其是拱腰位置。而两种工况下最大的弯矩都出现在了拱腰位置，说明拱腰处是比较危险的部位，与拱腰处锚杆MG1受拉较大相对应，这也再一次的印证了在拱腰和拱脚位置设置系统锚杆的必要性。2.2.4锚杆轴力整理各点所测得的锚杆轴力，绘制成轴力分布图，如图5所示。从图5可以看出，锚杆轴力的最大拉力值出现在拱脚位置(MG6-2)，同时拱腰位置的锚杆受拉也比较明显9(MG1-2)，说明锁脚锚杆在整个系统锚杆中的作用很重要，在施工时要特别注意锁脚位置锚杆的施工质量。每根锚杆的

8、最大轴力均位于靠近隧道面的测点，锚杆轴力普遍不大，边墙及墙脚最大值小于10kN，拱脚最大值小于17kN。这主要是因为锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，在初期支衬体系受力性能很好的情况下，