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。     

浅埋偏压隧道锁脚锚管施工优化研究

在浅埋偏压隧道软弱围岩段左右侧土压力不对称的情况下,采用MIDAS/Civil有限元分析软件对锁脚锚管与初支钢架连接结构的力学特性进行模拟分析。结合理论分析与现场试验结果,提出一种合理的锁脚锚管与初支钢架连接结构,并优化偏压侧锚管设置参数。研究表明,在钢架腹板处设置工字钢托梁,将锁脚锚管焊接在托梁上,能大幅度提高锁脚锚管的锁定效果,减小钢架变形;偏压侧设置4根锁脚锚管,并在锚管内套Φ22 mm螺纹钢,能有效提高锚管的抗剪能力,保障初支受力协调。     

隧道锁脚锚管受力测试方法试验研究

为研究隧道锁脚锚管在端头竖向荷载作用下的受力特性,采用了一种隧道锁脚锚管受力特性的测试方法--应变片外贴导线内引的电测法,该方法克服了钢管表面贴片易损坏、引线困难等难题。以工程上经常使用的长为3.5 m、直径为42 mm、壁厚为4 mm的热轧无缝钢管为例,系统介绍了测试锁脚锚管受力特性的试验设计方案,包括锁脚锚管管身轴向应变测试和管身弯矩测试。给出了锁脚锚管受力测试装置的设计与工艺,包括测力锚管的加工和温度补偿条的加工工艺。采用现场实测的方法,在某土质边坡对该方法进行了应用,将锁脚锚管安装在边坡土体中,然后在锁脚锚管端头加载,测试其受力状况。试验结果表明： 锁脚锚管受力测试装置安设完毕后,测点成活率达到100%;锁脚锚管端头垂直加载,管身最终变形和试验测试结果相吻合;该试验方法能够真实反映锁脚锚管的受力特性。     

松散堆积地层隧道锁脚锚管参数优化研究

为使松散堆积体隧道的锁脚锚管可以充分发挥支护作用,有必要获得锁脚锚管的最优施工参数。该文依托云南华坪—丽江高速公路上的某隧道工程,对其进行数值模拟与现场测试分析,通过对比锁脚锚管以不同参数施工时,支护结构的拱顶下沉与水平收敛情况,探究施工参数对锁脚效果的影响特征与原因。结果表明：在松散堆积体地层中打设锁脚锚管能够有效减小支护结构变形,隧道的拱顶下沉与水平收敛显著减小;在锁脚锚管施工参数中,锚管的打设角度与长度对锁脚效果的影响较明显,打设高度的影响较小。并将研究结论与工程应用相结合,考虑可操作性与经济性,提出了适用于该类地层的最优施工参数。     

高速铁路深埋黄土隧道变形模式及锚杆作用机理研究

以郑西铁路客运专线函谷关隧道工程为依托,通过理论分析和现场1：1原型试验相结合,综合分析确定高速铁路大断面深埋黄土隧道围岩内变形模式以及基于此变形模式的锚杆作用机理和作用效果。研究结果表明：拱顶部围岩内位移衰减缓慢,不同深度处围岩相对位移值很小,出现整体下沉现象;边墙部围岩位移衰减较快,不同距离处围岩相对位移值较大;围岩内不同部位变形模式是影响锚杆受力的关键性因素,拱部锚杆受力很小,边墙锚杆受力较大;建议隧道拱部130°范围内可不设置锚杆,该范围以下至墙角设置全长粘结型系统锚杆。研究结果有效地指导了现场设计与施工,同时也为类似工程提供参考依据。     

软岩地层隧道支护体系受力特征研究

该文以客运专线贵广线三都隧道为依托,采用现场试验方法,研究贵州地区炭质板岩软弱地层隧道施工过程中围岩变形特性、围岩压力,以及支护结构受力特征。现场精细化描述三都隧道掌子面炭质板岩节理信息。研究结果表明:隧道拱顶下沉和水平收敛较大,提前施作二次衬砌可有效抑制大变形及其引起的坍塌。围岩压力以竖向为主,拱顶锚杆轴力最大,建议加长拱部锚杆长度,边墙锚杆参数不变。二次衬砌拱顶和拱脚衬砌处于大偏心抗裂力学状态,成为结构关键控制截面,建议加强拱顶内侧、墙脚外侧配筋,提高结构整体安全性。     

无中导洞城市连拱隧道施工工法分析研究

为确定无中导洞城市连拱隧道施工工法的适宜性,基于工程地质条件,采用数值模拟手段,研究了无中导洞连拱隧道开挖过程围岩竖向位移及隧道水平位移情况,对无中导洞连拱隧道围岩、衬砌结构等在不同开挖步时的力学特征以及隧道加强区受力机理进行分析,并模拟了加强区底部锚杆注浆及拱腰拱脚处搭设锁脚锚杆并注浆等加固措施。结果表明:隧道开挖后中部加强区隆起明显,这对于隧道中部加强区混凝土的稳定相当不利,应该采取控制隆起的措施;上台阶开挖时,拱脚处衬砌受力较大,宜将直角改为圆角以减小弯矩。开挖完成后,中部加强区底部的衬砌几乎处于纯弯状态,有必要提高该区域初衬厚度;对加强区底部岩体进行锚杆注浆加固的效果较好,能有效减少拱底隆起和初衬受力,同时对保持中部加强区混凝土的稳定也有较好的效果;在拱底和加强区底部搭设锁脚锚杆,特别是在加强区底部的锁脚锚杆对维持混凝土加强区的稳定有较大作用。     

基于MIDAS/GTS的某公路隧道入口段软弱岩石力学及变形特性研究

为了探索软弱围岩中公路隧道入口段的岩石力学和变形特性,本文选取某采取环形开挖预留核心土法施工的公路隧道入口段为例,借助于MIDAS/GTS有限元软件对围岩的力学和变形特性进行了研究,得到主要结论如下;首先,随着隧道开挖和支护的进行,洞口围岩竖向和水平向应力均持续增大,周围岩体的受开挖影响范围也逐渐增大,但对受影响最大的隧道拱脚位置围岩应力分析可见,开挖上半断面留核心土对围岩的干扰最大;其次,施工过程中围岩受力在其可承受范围内,但隧道拱脚和隧道左侧拱腰上部位置出现明显的应力集中现象;最后,隧道开挖破坏了原有围岩的稳定性,使得隧道两侧拱腰向隧道方向产生对称的的位移,拱顶产生向下的位移。     

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。     

面向软弱围岩大断面隧道开挖的超前支护技术研究

以国内某一在建软弱围岩隧道为研究对象,提出了一种基于软弱围岩隧道的管棚注浆超前支护。通过建立模型对管棚注浆超前支护在隧道围岩加固中的作用效果和影响因素进行了分析。研究结果表明:隧道围岩在自重作用下沿纵向产生最大初始位移量,而水平、竖直向的初始位移量相对较小;在隧道整体施工过程中,随着隧道施工步序的推进,锚杆拉应力在一个小范围波动,并未出现较大幅度的突增和下降,采用管棚注浆超前支护能够有效的控制隧道围岩的竖向位移量,提高了锚杆的均匀受力性,有效控制喷混层拱顶应力集中现象,优化了拱顶部的受力状态。但管棚注浆超前支护对超前核心土作用在掌子面的挤压变形控制效果较差;且由于管棚加固自重作用,增加了拱脚处受力。     

软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

为解决软岩隧道开挖过程中初期支护整体下沉普遍较大的工程难题,依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道及成昆铁路第三系昔格达地层软弱围岩隧道工程,通过理论计算及现场实测,对软弱围岩隧道初期支护普遍沉降较大的原因以及采取的工程措施的可靠性进行分析,得到以下成果： 1）软弱围岩隧道下沉量往往超过20 cm,现场实测的拱脚承受最大荷载为897.4 kN,初期支护整体下沉大的主要原因是拱脚压力较承载力大一个数量级; 2）锁脚锚杆靠近钢架位置的轴力最大,为55 kN。大拱脚的承压特性显著,其压力极值达到0.9～1.7 MPa; 3）增设锁脚锚杆（管）、扩大拱脚和及时闭合仰拱是控制软岩隧道初期支护沉降的关键措施。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

锚杆施作时机对炭质千枚岩隧道力学响应影响研究

针对炭质千枚岩隧道施作锚杆时容易剥落掉块并导致局部失稳的问题,对先喷后锚法与传统先锚后喷法进行比较研究。为了分析2种施工方法对围岩与支护体系力学响应的影响,借助三维数值分析手段对洞周位移变化、初期支护结构受力、锚杆受力及围岩的塑性发展进行分析。结果表明,先喷后锚法引起的围岩变形与支护体系应力略大,先锚后喷法对控制围岩变形效果显著,二者均可满足一般工程需要;当对围岩变形控制要求严格时应选用先锚后喷法。     

超浅埋大断面隧道施工力学行为研究

为防止隧道在富水、软弱围岩等特殊地质环境下穿既有建(构)筑物时诱发坍塌、冒顶、支护侵入隧道限界、地表沉降过大,发生受力破坏等工程灾害,以厦门祥岭隧道下穿成功大道和福厦铁路为工程背景,利用有限差分法研究祥岭隧道双侧壁导坑法施工条件下的具体力学行为。研究结果表明:(1)两条收敛曲线发展规律大致相同,曲线4的收敛重心偏下,其产生的原因可能与模型假设有关,假设模型两端固定,没有发生位移,而数值分析过程中锚杆垂直作用于边墙,而非施工所要求的锁脚锚杆,所以上导坑开挖后,拱脚有一定位移;(2)与左壁不同,右壁虽然也是圆弧形,不过曲率半径较大,在理论推导模型中作为直杆考虑,误差较小,所以最终收敛变形曲线较为接近。研究将为今后此类工程的施工提供经验和理论指导。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究

针对浅埋软弱围岩隧道开挖施工的沉降变形问题，以翁多隧道为依托，结合现场监测数据研究了“三台阶+微桩锁脚”施工技术下隧道初期支护结构的受力及变形特征。结果表明：两种支护结构下随着施工开挖的不断推进，围岩和钢拱架应力变化规律相近，先急剧增加并达到峰值，然后呈缓慢下降趋势，并逐步趋于平缓；累计沉降量则呈缓慢增大趋势。隧道拱顶位置处应力最大，风险最高，常规锁脚锚杆支护拱顶处围岩压力、钢拱架应力分别为0.55、74.10 MPa，累计沉降量最大值为6.70 cm，微锁桩支护时围岩、钢拱架峰值应力分别增加0.55、23.50 MPa，累计沉降量减小了3.96 cm。可见，微型桩技术方案可有效改良浅埋软弱围岩隧道结构的变形与沉降值，控制隧道变形，避免隧道因大变形导致侵限换拱，降低了施工安全风险，具有一定的应用前景。     

泥质粉砂岩地层隧道支护结构受力行为研究

掌子面岩体节理特征和支护受力行为是隧道修建过程中的关键问题。该文以贵州松河隧道为依托,现场量测泥质粉砂岩产状,并建立离散元数值力学模型,研究泥质粉砂岩大断面隧道变形特性、力学响应。依据赤平投影,得到岩体优势节理面(组数及倾向、倾角)。裂隙岩体失稳由节理面剪切破坏引起,锚杆设置可有效地改善围岩受力特征,避免拱部岩体沿竖向节理面发生整体下滑破坏。初期支护轴力主要集中在边墙,锚杆对于初期支护起到"减压"作用。建议拱部60°范围内锚杆参数不变,减小边墙锚杆长度,可加快施工进度,提高整体稳定性。     

冰水堆积体隧道注浆圈厚度与初期支护受力特性研究

为解决不良地质软弱围岩造成隧道失稳、软弱围岩注浆参数不确定,以及米林隧道冰水堆积体围岩注浆厚度对支护力安全性造成影响等问题,基于三维有限元FLAC3D模拟软件,建立不同注浆厚度的隧道围岩模型,得到注浆后的围岩特征曲线,通过允许变形量确定了不同注浆厚度对应的允许支护力。基于此,进一步探讨围岩不同注浆厚度下,采用上下台阶法并打设锁脚锚杆对初期支护结构的影响,并计算得到断面每个位置初期支护的安全系数。结果表明： 1）注浆圈厚度越大,基于允许变形的允许支护力越小; 且围岩条件越差,相同注浆厚度对应的允许支护力越大; 故米林隧道冰水堆积体段Ⅳ1、Ⅴ1和Ⅵ级围岩的合理注浆圈厚度建议分别取3.5、3.5、5.0 m。2）随着注浆圈厚度的增大,各级围岩各个位置对应的初期支护安全系数增大。3）初期支护安全系数一般在拱肩、拱顶和拱底较大,在拱腰和拱脚位置最小。