让压(组合)锚杆在挤压大变形隧道中的力学特性试验

全长黏结型长锚杆作为一种被广泛应用于治理挤压大变形隧道的支护措施，常因围岩变形过大，发生杆体断裂和垫板屈服等现象。为此，提出一种可自进式让压(组合)锚杆，通过在部分杆体上外套光滑套管形成无黏结段，使该无黏结段先于锚固系统破坏前“屈服”伸长，实现了长锚杆在全长灌浆条件下的“让压”,提升了锚固系统的整体稳定性。以新建木寨岭公路隧道为工程依托，采用自进式施工工艺，开展了全长灌浆下的10 m全长黏结锚杆和10 m让压(组合)锚杆的对比试验。试验结果显示：全长黏结锚杆轴力200 kN,超过杆体屈服荷载，且垫板在支护初期(4～5 d,围岩位移75 mm)即出现明显屈服，锚固系统整体稳定性差、可靠性低；让压(组合)锚杆因存在无黏结段，杆体轴力和垫板应力均出现下降，最终保持在一个较低的量值(130 kN和190 MPa),实现了全长灌浆型长锚杆的大尺度支护。研究成果可为大变形隧道中长锚杆的选型提供借鉴。     

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。     

管式锚杆提高破碎软弱围岩支护效果的理论与实践

在管式锚杆注浆对破碎、软弱围岩力学性质改善及提高锚杆锚固力分析的基础上,建立管式锚杆支护条件下的力学模型,通过管式锚杆支护与普通喷锚支护塑性区范围大小的对比分析,揭示了管式锚杆提高破碎、软弱围岩支护效果的机理。理论分析及工程实践表明,管式锚杆对提高破碎、软弱围岩支护效果,控制围岩变形有十分明显的作用,是一种特别适宜于破碎、软弱围岩洞室支护的有效方法。此外,文章还对管式锚杆的特点及施工要点进行了分析和论述。     

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.     

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。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

隧道锚杆支护研究综述

围岩支护结构的计算与设计越来越受到业界重视,如何充分利用围岩的自稳承载能力成为研究的热点,锚杆支护作为主动支护,既允许围岩的适当变形又提高了岩体的承载能力,使围岩的稳定性得到充分发挥。文章阐述了锚杆锚固机理,介绍锚杆最新材料、锚杆结构、锚固材料及锚固耐久性方面的研究现状,重点关注实际应用中隧道锚杆支护与优化应用,并针对不同的围岩情况,提出采用合理锚杆支护能够更有效地改良围岩的应力应变特征。本研究可为同类工程提供借鉴。     

深基坑扩大头锚杆支护体系数值模拟

为了研究广州某深基坑工程扩大头锚杆支护体系的工作性状,运用MIDAS/GTS软件对该支护体系进行了有限元数值模拟,并与相同情况下的普通锚杆支护体系的有限元模拟结果以及实际监测结果进行了对比分析。结果表明:与普通锚杆相比,扩大头锚杆的锚固效果较好,基坑支护桩桩顶的水平位移较小,支护桩附近的坑底土体隆起较小,坑外地表土体沉降较小。扩大头锚杆由于端部扩大而使锚固力增大,使得轴力在锚固段处最大值比较大,且在扩大头锚固段处能迅速减小。     

施工过程中大跨破碎隧道围岩应力变化规律及控制

为了再现隧道开挖过程中围岩与支护结构的相互作用和荷载分担比,进一步优化施工工艺,对某隧道洞口施工过程进行了数值模拟。通过模拟发现,破碎地层中开挖大跨隧道,边墙受力较大,塑性区面积大于顶部,要求锚杆的锚固深度较大;其次两隧道中间顶部最早出现塑性区,对围岩的扰动较大,应采取注浆加固围岩,提高其自承能力;仰拱中部塑性区扩展较大,可适当施作锚杆,控制底鼓破坏;协同围岩与锚杆的支护作用可适当降低工程造价,更好地发挥围岩自承的作用。     

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。     

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。     

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出，初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因，其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系，以此确定锁脚锚杆的承载能力；通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度，确定其与支护结构的相互影响，进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型，计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据；按照上述原理，分析了Ⅴ级围岩当前流行的42锁脚锚管的不足，并示例计算分析了108锁脚锚管的承载能力；最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性；结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系，达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特征及其锚固机制研究

介绍围岩大变形的工程实例、隧道围岩挤压性大变形的定义及其工程特征。系统总结国际上隧道围岩挤压性大变形的3种预测方法,即： 经验法、半经验半理论法和试验判定法。将Hoek（1999）对围岩挤压大变形的预测和判定方法（半经验半理论法）应用于乌鞘岭隧道岭脊段F7断层带开挖施工中的围岩稳定性判别,并对这种预测方法进行了可靠性评价,认为有支护情况下比无支护情况下变形预测失效概率要小得多,也就是说毛洞围岩变形收敛率的大小更难以掌控。介绍作者团队对隧道围岩挤压性大变形问题按三维非线性流变的理论分析、相应专用软件的研制;并将理论研究计算成果与现场实测数据进行对比,结果按大变形三维问题的计算值比按小变形二维平面问题的计算值更接近工程实际;同时,指出了有待进一步深化研讨的若干问题。最后,提出了管控/约束隧道围岩大变形持续发展的锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力长锚索,分析其机制和优势,介绍其构造类型,并提出下一步的研究思路。该方法已在几处工地不同程度地成功实施,取得了应有的经济效益和技术成果。     

大型地下洞室高边墙围岩固壁预应力锚固新技术研究

针对彭水水电站地下厂房薄层、陡倾角灰岩、夹软弱页岩自稳时间短、变形破坏机制不易被掌控等特点,系统地采用钢质楔头涨壳式预应力中空注浆锚杆新技术,及时加固浅层围岩;以钢垫板锚墩头替代混凝土锚墩头,简化施工工艺、保证工程质量、加快施工进度,使得围岩及时得以深层锚固,降低围岩卸荷变形的可能。新型锚固技术的综合应用,成功地解决了软弱页岩层的浅层和深层锚固问题,经济效益和社会效益显著,具有良好的应用推广价值。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

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。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。