隧道工程系统锚杆施工关键技术

在现今隧道开挖施工初期支护处置方式中,常用的支护方式有支撑钢架、连接筋、钢筋网、系统锚杆、喷射混凝土相互一体的联合支护,其中系统锚杆形式根据不同类型及支护作用,常用的系统锚杆使用方式为砂浆锚杆和中空注浆锚杆两种,一般用于不同等级围岩初期支护和特殊情况下的临时支护。本文从系统锚杆施工中的关键工序着手,结合实际,就施工过程中如何更好解决系统锚杆与背后围岩的充分贴合,防止锚杆在灌浆过程中产生的不密实、脱空等质量问题展开论述,为巩固发展隧道锚杆施工技术提供一点借鉴。

深埋中风化泥岩大跨公路隧道系统锚杆支护效果试验研究

为探明中风化泥岩隧道中系统锚杆的支护效用及其适用性,依托深埋大跨公路隧道建设项目,进行有、无系统锚杆的现场对比试验,分析不同工况下围岩变形、围岩压力、喷射混凝土应力、锚杆轴力以及初期支护-二次衬砌间接触压力的变化规律,并进一步从隧道施工安全性和经济性等方面对此类地层中系统锚杆的支护效果进行分析。研究结果表明:1)在中风化泥岩地层中,是否施作系统锚杆对围岩变形和衬砌结构受力特性影响不大,系统锚杆未能显著改善隧道衬砌结构的受力性能;2)由于施作系统锚杆后,延长了围岩的封闭时间,使得有系统锚杆的监测断面围岩变形反而大于无系统锚杆的监测断面;3)现场监测的锚杆最大轴力仅为3.40 kN,在该地层条件下未能发挥其承载优势;4)各类指标的监测结果表明此类地层中系统锚杆的支护效用十分有限,取消系统锚杆可降低对围岩的二次扰动,有利于缩短围岩封闭时间,从而有效控制围岩变形;5)在保证隧道安全的情况下,取消系统锚杆的经济效益同样十分显著。

基于3DEC浅埋段隧道系统锚杆与定向锚杆支护的对比研究

本研究针对鲁山浅埋隧道顶部围岩支护问题,使用3DEC数值模拟软件,通过进行隧道无锚杆支护试验,模拟隧道在无支护情况下的垮塌效果,设计了定向锚杆支护方案,对比分析两种支护方式的效果及安全性和经济性,结果表明,系统锚杆支护和定向锚杆支护都能够有效减少隧道的垮塌,控制围岩的变形。此外,定向锚杆支护相较于系统锚杆支护,在资源利用、人力和财力成本方面具有明显的节省效益。综合考虑施工成本费用、时效性和安全性等因素,定向锚杆支护是一种可行且优化的浅埋段隧道支护方案。

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括:隧道初期支护的净空收敛、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等。研究结果表明:2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。

大跨浅埋黄土隧道中系统锚杆受力机制研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西北黄土分布的主要地区,而在黄土地区修建跨度超过15.1m、开挖面积达170m2的超大断面大跨度铁路隧道洞群在国内尚属首次,相关的设计理论与经验均较为欠缺,尤其是系统锚杆在黄土隧道中的作用机制及锚固效果尚不清楚,使得设计遇到关键难题。为研究大断面黄土隧道中系统锚杆的作用,通过理论推导,阐明了锚杆的作用机制,指出了浅埋大跨度黄土隧道中锚杆的受力原因。采用理论锚杆单元模型,计算得到与实测数据一致的结果,说明该理论模型能够解释浅埋黄土的锚杆受力情况。综合研究表明,浅埋黄土隧道中拱部系统锚杆的锚固效果较弱,而边墙部锚杆的锚固效果显著。

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5.12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用"钢喷"初期支护的支护方案。研究结果表明:设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

在高含水量土质隧道中,系统锚杆施工中存在成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低、支护效果不佳、费效比低等缺点。为此,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,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。在哈尔滨绕城高速公路天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,采用现场实测的方法,进行高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究,结果表明:在取消系统锚杆,采用锁脚锚杆替代的情况下,隧道初期支护的结构变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。高含水量隧道取消系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有显著的经济价值和社会效益。

公路隧道中系统锚杆的功效研究

系统锚杆是锚喷支护的重要组成部分,目前广泛应用到公路隧道的初期支护中。然而,系统锚杆到底对隧道结构的稳定起到多少作用一直没有有效的定量计算方法。以某高速公路隧道为例,用有限元强度折减法计算了不同地质条件下锚杆对隧道安全系数大小的影响。结合有限元数值模拟,通过对锚杆各种效应的分析后得到如下结论:在很多地质条件下锚杆对公路隧道稳定性影响不大,建议在有条件的情况下可以逐步开展取消系统锚杆的工程试验验证,为公路隧道不设置系统锚杆提供更多的工程依据。

系统锚杆对三峡船闸高边坡岩体加固作用的块体相似模型试验研究

通过室内相似模型试验，对三峡船闸高边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后，其抗压强度、弹性模量及Ｃ、值的提高、锚固岩体的各向异性进行了初步研究，得出了相应的结论。

浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用的数值模拟

为了研究系统锚杆在浅埋黄土隧道中的支护效果,以陕西吴堡—子洲高速公路刘家坪5号隧道为依托,利用MIDAS/GTS有限元分析软件分别建立有、无系统锚杆的分析模型,计算分析了6个开挖阶段和截止到二衬施作阶段的隧道变形量,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比分析。结果表明:浅埋黄土隧道施工过程中,有系统锚杆的隧道变形值大于无系统锚杆的变形值,这是由于锚杆是在钢架支设后进行打设,锚杆的打设不仅破坏了土体的稳定,而且延误了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机,使变形量增加;有、无系统锚杆拱顶下沉和净空收敛的现场实测值基本处于同一数量级,说明在浅埋黄土隧道中系统锚杆的作用不显著,可以取消。

公路隧道预设计中系统锚杆配置范围的研究

目前工程类比法被广泛的应用于公路隧道工程设计中,然而部分工程类比的系统锚杆设计与人们在不断的探索与大量的实践中认识到的规律存在较大的分歧与矛盾。分别对公路隧道系统锚杆在硬岩、软岩以及松散土砂中的作用机理和主要作用效果进行研究,并以此为依据,得出不同的研究结论:①在块状硬岩与水平走向的层状硬岩中,锚杆主要为悬吊和缝合固定的作用,分别以提高围岩的内摩擦角和组合梁效应为作用机理,并提出在硬岩中系统锚杆采用局部设置和拱部设置的设计方案;②软岩中系统锚杆以注浆加固、形成承载拱为主要目的,以提高围岩的内聚力,降低承载拱高度为作用机理,并提出在软岩中系统锚杆应在除仰拱外的全断面设置的设计方案;③土砂围岩中,拱部覆土多为不稳定土体,且塌落高度较大,锚杆应以锁脚和稳定掌子面为主要目的,设计方案应以加强支护结构为主,取消或减少拱部系统锚杆,以降低工程造价和尽早地闭合支护结构。

系统锚杆的非均衡支护研究

文章以乌蒙山二号四线铁路车站隧道为工程依托,采用数值模拟手段,对多部开挖隧道系统锚杆的非均衡支护进行了研究。结果表明:在均衡支护条件下,系统锚杆轴力呈现"拱肩(1、2部)>拱脚(4、5部)>边墙(6、7部)>拱顶(3部)"的分布,部位不均衡性显著;拱脚、边墙部位的锚杆轴力左右不对称现象也很显著,具体表现在先挖侧大于后挖侧;拱顶的锚杆轴力很小,几乎未起作用。通过分别改变锚杆长度、间距和直径,进行系统锚杆非均衡支护分析,并与均衡支护工况相比,单环节省锚杆用量分别为37%、36%和36.93%,经济效益显著。

隧道系统锚杆研究现状与发展方向

对近40年以来国内外公开发表的隧道锚杆研究论文进行统计和分析,阐述隧道系统锚杆国内外研究现状,揭示隧道系统锚杆研究的薄弱环节。研究表明,隧道系统锚杆的研究主要集中在锚杆作用效果、锚杆计算理论、锚杆设计参数和新型锚杆研发等方面。部分研究表明黄土隧道拱部系统锚杆作用效果不明显,目前国内工程界及学术界对隧道系统锚杆作用效果的认识尚不统一;在全长黏结型锚杆的力学模型及计算理论方面研究成果较多,但基于Mindlin位移解推导的锚杆轴力解析解未考虑中性点的影响;关于隧道系统锚杆的设计及计算理论研究甚少,个别学者提出的经验公式及解析公式中的输入参数大多不易获取,因此在实际工程中仍难以应用;在隧道系统锚杆的设计方面,针对临界锚固长度有一定研究,但是在系统锚杆的布置方式及系统锚杆与围岩的匹配性方面尚无研究成果,隧道系统锚杆设计主要采用经验类比法。从力学机理及理论计算方法上对隧道系统锚杆与围岩联合作用机理及承载拱的承载原理进行深入研究,同时开展新型材料锚杆及新型构造锚杆的研发是未来的发展方向。

向家坝进水口高边坡系统锚杆受力状况研究

向家坝水电站进水口高边坡地质条件较好,坡形较合理,设计拟采用系统锚杆对其进行加固。由于系统锚杆作用的被动性和边坡岩体变形的非均匀性,使得不同位置的锚件的应力出现较大的差别。利用有三维弹黏塑性有限单元法对向家坝进水口边坡中系统锚杆的受力状况进行了模拟和分析,从计算结果可以清晰地看出:边坡岩体不同部位的锚杆受力与被锚岩体的位移变形有一定的关系,而且设计采用的逐步开挖逐步锚固的施工步骤,使得先期锚入的锚杆受力随着后期开挖锚固的进行而逐渐加大。其计算结果为优化设计提供了依据。

特长公路隧道洪积黏土围岩系统锚杆的作用效果研究

系统锚杆对于不同围岩的作用效果一直是业界学者研究的主要内容,新疆天山山脉地处高寒高海拔地区,围岩条件复杂,系统锚杆作用效果仍存在争论。该文依托东天山特长公路隧道建设项目,进行有、无系统锚杆的数值模拟和现场对比试验,对系统锚杆在洪积粉质黏土围岩的作用效果进行研究。数值模拟和现场试验测试内容包括:围岩压力、钢拱架应力、拱顶沉降、净空收敛、锚杆轴力。研究结果表明:系统锚杆在洪积粉质黏土围岩条件下作用效果并不明显。有、无系统锚杆的支护情况下围岩压力、拱顶沉降、净空收敛大小都基本相同,但布设系统锚杆断面的拱部以上钢拱架受力有不同大小的增长。锚杆轴力的数值模拟和现场试验测试数据存在差异,现场监测锚杆轴力为拱部受压、拱脚受拉,而数值模拟则均表现为受拉,两者锚杆轴力基本均在1~4kN之间。综合数值模拟和现场试验结果,在东天山洪积黏土围岩条件下取消系统锚杆能够缩短单个工序时长,保证支护结构尽早封闭成环,减少施工过程对工作人员的身体危害,达到良好的社会经济效益。

系统锚杆对大断面隧道施工安全性的影响

结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点,应用三维数值方法模拟研究了软弱围岩隧道系统锚杆在一次支护中的作用效果。研究结果表明,系统锚杆不仅可以大大降低一次支护和二次支护结构的内力,提高结构的安全度,而且可以有效抑止隧道周边围岩的应力松弛,改善周边围岩的受力特性,提高施工的安全性。

多部开挖系统锚杆轴力分布特点研究

本文以乌蒙山二号四线铁路隧道为工程依托,采用数值模拟和现场测试手段,开展多部开挖系统锚杆功效及轴力分布特点研究。研究结果表明:基于依托工程施工工法和计算条件,系统锚杆轴力呈现"拱肩(①②部)>拱脚(④⑤部)>边墙(⑥⑦部)>拱顶(③部)"的分布;拱顶锚杆轴力甚小,基本未起作用;拱肩部位锚杆轴力最大,作用明显。通过跟踪相应路径的围岩变形深表比,可以得出锚杆受力与锚杆施作后实际捕获的围岩相对变形(深表比)密切相关,从某种意义上来说,锚杆轴力大小表现为"施作部位(空间)"和"施作先后(时间)"的乘积关系,施作部位决定可能的相对变形,施作时间决定实际捕获的有效相对变形,只有当两因素同时起正面作用时,锚杆轴力才会显大。现场实测锚杆轴力分布特点与数值模拟结果较为吻合,实测最大值为58.1kN。

系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨

系统锚杆的设置多以工程类比为基础,辅以数值分析方法,本文采用有限差分软件FLAC2D,通过有无锚杆的对比计算,得出不同工况下喷层内力、二次衬砌内力、围岩塑性区、洞室周边位移,以及锚杆内力,并结合现场量测结果,对系统锚杆的作用性进行了积极的探讨。研究结果表明,在隧道衬砌周围不同位置安设的锚杆,其作用性不尽相同,中墙顶内力较小,基底锚杆主要承受压力;锚杆的设置不能明显降低衬砌内力以及改善塑性区分布;按目前设计方法设置的系统锚杆存在着较大的浪费。

系统锚杆对地下厂房围岩变形与稳定性的作用与影响

讨论了系统锚杆的作用机理 ,结合天龙湖地下厂房围岩的各向异性特征 ,运用有限元计算方法模拟其施工开挖过程 ,研究有无系统锚杆支护两种工况下地下厂房主要洞室分期开挖过程中的围岩变位与稳定性 ,计算结果表明系统锚杆对于改善开挖过程中围岩的变形与稳定性具有明显的效果。

系统锚杆对边坡岩体加固效果的数值模型试验研究

以大型的岩土工程数值分析软件AD INA为研究手段,对边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后,其抗压强度、弹性模量及c、φ值的提高,并计算和比较了锚固对不同强度岩体的参数影响大小,并对锚固岩体的各向异性进行了初步研究,垂直布锚对岩体的弹性模量影响较大,但是对于岩体的抗压强度的影响相对较小。