基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

让压锚杆让压管长度的解析设计方法

为确保让压锚杆在高地应力软岩大变形隧道中起到良好的让压性能，保证围岩释放变形能的同时能有效保持围岩的稳定性，基于锚杆中性点理论，在分析围岩与锚杆的相互作用时考虑让压管的让压效应，假定由让压变形量引起的相对拉伸变形量沿隧道半径符合双曲线的变化规律， 通过建立锚杆中性点两侧轴向拉力的平衡方程，推导全长锚固让压锚杆的内力计算公式。结合昆宜高速万溪冲隧道工程，得到让压锚杆的轴力分布情况及其随让压管长度的变化规律： 锚杆最大轴力随让压管长度的增加而减小，而轴力的分布形式变化不大。在此基础上得出让压管合理长度范围的设计准则： 由锚杆抗拉极限轴力确定让压管长度的下限值，以保证让压锚杆不因拉断而破坏； 根据隧道洞壁处锚杆受到的黏结摩阻力确定让压管长度的上限值，以确保锚杆中性点理论假设始终成立。     

一种适用于大变形支护的新型可伸长锚杆

支护理论的发展对锚固技术提出了新的要求,即要与围岩变形相协调,允许围岩可控变形,充分发挥围岩的自支撑能力。基于此设计了一种适用于大变形支护的新型可伸长锚杆,该型锚杆在达到初始锚固力后,在保持与围岩协调变形的伸长过程中锚固力可基本保持恒定,达到围岩许用变形形值后,锚固力急速上升。室内与现场试验证实了新型可伸长锚杆协调围岩大变形的优良性能,可在围岩大变形支护中推广应用。可伸长。     

锚杆锚固段粘结力分布计算方法

锚杆的抗拔力计算是岩土锚固工程设计中的一个关键技术问题：工程实践和研究表明，锚固段的内力沿杆长分布是不均匀的，杆体轴力和剪力集度均向根部衰减：本文就弹性范围内分别介绍国内和国外的几种计算方法。并提出自己按共同变形原理得出的计算方法：     

大跨度隧道非均质围岩地段应力监测分析

依托某大跨径三车道公路隧道,选取Ⅳ级破碎围岩段,对围岩压力、锚杆轴力、周边收敛进行现场监控量测,结果显示最大钢拱架围岩压力为30 kN、最大锚杆轴力为90 kN,表明在初期支护结构中,锚杆、钢拱架和围岩自身都起到了较好的协调变形、共同支撑围岩压力的作用;当监测断面距离掌子面20～25 m时,绝大部分压力盒测得的围岩压力在初始阶段增长较快,之后逐渐趋于平缓;同一测试断面,围岩较完整、稳固一侧的钢拱架围岩压力较小,围岩稳固性差一侧的钢拱架围岩压力较大,表明该断面围岩水平位移主要来自围岩稳固性差的一侧;左侧测力锚杆、拱顶测力锚杆的全部测点均处于受压状态,而岩性相对较软的右侧测力锚杆除接近隧道洞壁处的测点受压外,其他3个测点均受拉,这对隧道稳定性是不利的;短掘短支,释放地压与控制围岩变形,采用台阶法施工大跨度公路隧道是可行的.     

水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果,以段家坪隧道为例,通过数值模拟和现场监测,对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。结果表明:锚杆长度达到3 m,锚杆间距达到1.5 m后,继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用不再明显;隧道拱部锚杆轴力较大,隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小;随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低,拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低,锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。     

软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究

针对隧道高地应力软弱围岩洞室施工开挖变形与围岩失稳以及衬护结构设计问题，阐述开展岩土流变学研究的必要性以及对软岩挤压型大变形非线性流变问题的研究内容和方法，介绍隧道围岩挤压型大变形的定义、变形特征，及国际上隧道围岩挤压大变形的判定。介绍隧道围岩挤压型大变形非线性流变理论、相应的专用设计软件研制及其工程应用，主要介绍有关的研究内容及其创新性方面； 以广义Komamura-Huang流变模型为基础，建立一种能较完整地反映围岩二维、三维大变形非线性流变全过程的Komamura-Huang“弹-线黏弹-非线性大变形黏塑性”流变模型，并在ABAQUS软件基础上进行专用软件的二次开发，将其应用于兰新铁路兰武客运专线乌鞘岭铁路隧道岭脊段围岩5#断层带中，后又应用于甘南木寨岭高速公路隧道和云南滇中红层引水隧洞2处软岩围岩挤压大变形隧道，采用大尺度让压锚杆/预应力长让压锚索进行了整治研究，并分别进行了二维和三维非线性大变形黏弹塑性数值模拟分析。指出有待进一步深化研讨的若干问题。总结针对软岩挤压型大变形沿用现行刚性支护方案的不合理性和失效教训。提出管控/约束隧道围岩大变形持续发展的让压支护锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力让压锚索，介绍让压锚具的受力机制及构造，强调其10个关键性设计施工参数。以兰州木寨岭高速公路隧道围岩挤压型大变形非线性流变分析与采用让压锚杆进行工程整治的试验段情况为例，对该隧道围岩挤压大变形进行二维数值模拟，并对施作让压锚杆进行工程整治的主要有关设计参数进行分析计算。“边支边让、大尺度让压锚杆”方法已先后在几处工程中得到了成功实施，取得了应有的经济效益，其工程技术收益应更受业界关注。     

工作状态下锚杆的变形分析

锚杆广泛应用于支护结构中,它主要利用在土体内产生的锚固力来维持支护结构和边坡的稳定性.文中假定锚固段与其周围土体之间的剪应力与剪切位移呈线性递增关系,锚固段所受的轴力呈抛物线分布,将锚杆的位移分解成自由段的弹性变形、锚固段的拉伸变形和锚固段与土体之间的相对剪切位移,建立了荷载与位移之间的关系式.分析认为,该计算模型能较好地反映锚杆的实际工作状态.     

拉力型与压力型锚杆承载特性对比研究

基于Coulomb摩擦模型与Drucker-Prager屈服准则,建立拉力型锚杆及压力型锚杆的非线性有限元模型,对比分析了不同荷载作用下两种锚杆的承载特性.研究结果表明:在不同的荷载作用下,压力型锚杆的轴力及其杆体剪应力随锚固深度的变化曲线与拉力型锚杆的轴力及其杆体剪应力随锚固深度的变化曲线存在着明显的差异,且两种锚杆的锚固体外侧剪应力的变化曲线同样有明显差异,拉力型锚杆的锚固体外侧剪应力峰值出现在锚固体外端,压力型锚杆的锚固体外侧剪应力峰值出现在锚固体内端;压力型锚杆的荷载-顶端位移曲线近似呈线性关系,而荷载-承载板位移曲线则呈现明显的非线性;压力型锚杆的张拉性能大大优于拉力型锚杆.两者的破坏模式一致,均为土层的剪切破坏.     

一种大尺度让压锚杆特性分析及其应用研究

随着众多深、大、长隧道的建设,软岩挤压性大变形问题日益突出。让压锚杆是一种治理大变形问题的有效手段。介绍大尺度让压锚杆的结构及支护过程,并采用ANSYS软件验证大尺度让压锚杆弹性变形、滑动让压、杆体受拉3阶段的工作特性。采用基于Hoek隧洞挤压预测经验公式的概率分析方法和ABAQUS软件分别对让压锚杆的让压力和让压量研究,结果表明:1)锚杆让压力存在下限值,岩体抗压强度越高,下限值越低;2)让压量增大到一定程度后,再增加相同的让压量,二次衬砌压力降幅减小。利用大尺度让压锚杆的受拉阶段,实现"边支边让,先柔后刚",可有效控制围岩大变形,提高隧洞的长期稳定性。     

黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用

为了检验锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置有系统锚杆和无系统锚杆2个长为30 m的试验段,对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力进行监控量测。研究表明:2个试验段无论从变形还是受力上讲,同类数据均处于同一量级,说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大;网络钢架、喷射混凝土、钢筋网共同组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构;取消系统锚杆,可以及时喷射混凝土,有利于围岩稳定,从而大大缩短工期;以Ⅳ级围岩为例,取消系统锚杆可降低工程造价10.6%。     

公路隧道TZL预应力锚杆支护效果对比试验研究

通过ＴＺＬ预应力锚杆支护和普通砂浆锚杆支护的对比试验观测，获得了锚杆轴力、垫板反力、预应力损失、锚杆孔内位移和围岩收敛位移等重要参数，由此对ＴＺＬ预应力锚杆扩大１．５倍锚杆间距与普通砂浆锚杆的支护效果进行了对比分析，并作出了客观评价。     

GFRP锚杆与常规锚杆在隧道支护中的承载力对比试验

目前隧道内采用的常规锚杆均不能满足隧道设计寿命的要求,尤其在腐蚀性环境中更大大缩短了常规锚杆的使用年限,降低了支护效果,而GFRP锚杆强度高、耐腐蚀等性能均弥补了常规锚杆的不足。为研究其在隧道支护体系中的承载力性能,结合具体工程在现场Ⅳ、Ⅴ级围岩开展了拉拔力作用下GFRP锚杆和常规锚杆的受力特性对比研究。结果表明:GFRP锚杆在拉拔力作用下其杆体受力远远小于其抗拉强度极限,且外荷载对GFRP锚杆的影响深度小于其对常规锚杆的影响深度,验证了GFRP锚杆用于隧道支护体系的工程可行性。但锚固材料和锚固质量对GFRP锚杆杆体受力影响较大,为确保GFRP锚杆的实际应用效果,现场应用时应选择恰当的锚固材料并保证锚固质量。     

隧道穿越倾斜煤层采空区段施工力学特征分析

为研究隧道穿越倾斜煤层采空区段时，采空区围岩的力学变化对隧道超前加固措施及支护结构的影响，采用Flac 3D软件模拟计算隧道穿越采空区的各施工阶段，分析采空区围岩施工力学特征的动态变化过程及隧道支护结构的受力特征。结果表明： 1）隧道在穿越上覆煤层采空区时，采用超前小导管注浆加固能有效阻止围岩的变形破坏； 2）中隔壁拆除后，初期支护结构承担了大部分围岩应力，拱腰及拱脚部位最小主应力值分别增加了13%、41.3%，改善了隧道结构的受力条件； 3）在采空区段锚杆轴力最大值为226 kN，发挥了很好的锚固作用； 4) 隧道穿越下伏煤层采空区时，采用填石注浆的加固改善比例为154.3%，治理措施较为合理。隧道二次衬砌结构的施作更是隧道安全的保障。     

节理发育岩体大跨公路隧道锚杆支护参数研究

针对节理发育岩体的单洞三车道大跨公路隧道,以宁波将军山隧道为工程背景,通过离散元手段考虑岩体的非连续力学行为,分析锚杆环向布置范围、环向间距、径向长度对隧道围岩稳定性及支护结构受力的影响,以围岩变形、塑性区、锚杆轴力为评价基准,得到较优的锚杆支护方案。结果表明,Ⅴ级围岩节理发育岩体隧道拱顶超前注浆环向布置210°、间距1.0m、长度4.0m的系统锚杆支护较合理。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

涨壳式预应力中空锚杆在机械化开挖大断面隧道中的施工应用研究

为了解决软弱围岩隧道机械化开挖后快速支护的难题，采用三臂凿岩台车、风动扳手等配套机具施作涨壳式预应力中空锚杆对围岩进行快速支护。通过在郑万高铁高家坪隧道软弱围岩段大断面机械化施工条件下涨壳式预应力中空锚杆的应用研究，总结出涨壳式预应力中空锚杆工作原理、工艺流程，通过注浆试验对比分析，提出适合的隧道锚杆注浆比例，并结合锚杆轴力监测和地层位移监测结果，表明该锚杆具有快速约束围岩、形成应力拱、减少围岩松动圈、保证围岩稳定的优势，能够有效保障隧道机械化施工的安全，并提高隧道机械化施工效率。     

让压预应力锚索在软岩隧道大变形控制中的作用机制研究

为解决高地压、高流变条件下软岩隧道围岩及支护结构大变形控制难题，通过理论和数值分析，研究让压预应力锚索在隧道大变形控制中的作用机制。研究内容包括2个方面，一是研究新型让压锚垫板在低预紧力及低围压下的力学性能，满足支护结构先柔让压的要求； 二是让压结束后，预应力锚索在高预紧力条件下改善支护结构受力性能，实现后刚强支的作用。结果表明： 1）预应力锚索通过施加预紧力，增大洞壁径向阻力，提高围岩稳定性； 2）预应力锚索在让压结束后对支护结构的主要作用是减跨，由此提高支护结构刚度和承载能力； 3）围岩、支护结构和让压预应力锚索变形协调，力学上相互耦合，构成“先柔后刚”的支护体系。     

昔格达地层隧道系统锚杆作用效果及作用机理研究

为探明昔格达地层隧道中系统锚杆的作用效果及作用机理，以冉家湾铁路隧道工程为依托，以有、无系统锚杆分别在深埋与浅埋隧道两种工况下建立相应有限元模型，从锚杆轴力、围岩塑性区范围以及围岩变形位移三个方面分析锚杆作用效果并深入探究系统锚杆的作用机理。结果表明:系统锚杆在拱部作用小，在边墙作用相对较好，表现在位移约束与应力补强效果较突出；系统锚杆在昔格达地层中的作用以围岩补强和成拱作用为主。     

漫谈矿山法隧道技术第三讲——锚杆

分析我国隧道锚杆支护技术中存在的主要问题,包括： 1）没有实现商品化; 2）多采用注浆式锚杆,没有针对不同的围岩条件采用不同的锚杆; 3）不设垫板的锚杆比比皆是; 4）锚杆功能单一; 5）锚杆施工管理不到位。针对这些问题： 1）重申了锚杆的功能; 2）认为要实现锚杆的商品化,首先要求锚杆规格标准化,生产工厂化,介绍了英国的《锚杆技术标准》,指出我国也应着手编写《锚杆行业标准》,以利于锚杆商品化的实现,或者以一条新铁路线或以企业为试点设置锚杆制备厂; 3）着重介绍了提高锚杆支护功能的措施--提高附着刚性和剪切刚性、提高锚固材料的充填饱满度、强化锚杆施工管理; 4）介绍了几种新型锚杆的构造、规格、功能、优点、适用条件等,包括摩擦式锚杆（ZAM膨胀型锚杆、高承载力摩擦式锚杆、具有排水效果和注浆功能的锚杆）和纤维锚杆; 5）介绍了发光型简易锚杆轴力计,并将其与通常的轴力量测进行对比,结果大致吻合。最后指出,锚杆的首要问题是加快工厂化（商业化）进程,编制了行业标准; 提高锚杆支护效果要在锚固材料和围岩2方面下功夫; 针对性地加强对摩擦式锚杆的研究及锚杆充填率评价方法的研究也应提到日程上来。