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1、2013年中华铁道建设新技术促进会年会暨中国隧道新技术论坛年中华铁道建设新技术促进会年会暨中国隧道新技术论坛黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 STRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNELSTRESS AND ACTION MECHANISM OF ROCK BOLT IN LOESS TUNNEL长安大学长安大学 陈建勋陈建勋 教授教授1 1 问题的提出问题的提出2 2 现场试验现场试验3 3 锚杆作用机制锚杆作用机制4 4 经济效益分析经济效益分析 5 5 工程应用工程应用黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧
2、道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制1 问题的提出问题的提出 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 20世纪世纪70年代至年代至80年代年代末，主要为单线铁路隧道。末，主要为单线铁路隧道。 大量的试验研究结果表明，锚杆大量的试验研究结果表明，
3、锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用。在喷锚支护结构中起着重要作用。跨度小，断面小跨度小，断面小初期支护：初期支护：锚杆锚杆+喷射混凝土喷射混凝土+钢筋网钢筋网黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 20世纪世纪90年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多
4、，在软年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，在软弱地层中的隧道初期支护结构必须增设钢架。弱地层中的隧道初期支护结构必须增设钢架。 在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？ 有两种观点：有两种观点：作用不大，可以取消；有重要作用，理应设置。系统研究很少。作用不大，可以取消；有重要作用，理应设置。系统研究很少。 目前，在学术界和工程界存在很大争议。目前，在学术界和工程界存在很大争议。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanis
5、m of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 本人认为黄土隧道结构采用由钢架、喷射混凝土、本人认为黄土隧道结构采用由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护结构不尽合理。钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护结构不尽合理。系统锚杆在黄土隧道中的作用不大，理由如下：系统锚杆在黄土隧道中的作用不大，理由如下： 二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土
6、隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 锚杆作用机理锚杆作用机理悬吊作用悬吊作用加固围岩加固围岩支承围岩支承围岩组合梁组合梁刚架作用机理刚架作用机理加强限制围岩变形加强限制围岩变形作为超前支护的后支点作为超前支护的后支点承受部分松弛荷载承受部分松弛荷载 锚杆是伸入到围岩锚杆是伸入到围岩内部内部，产，产生相对位移，利用围岩自承能力。生相对位移，利用围岩自承能力。
7、主动加固围岩主动加固围岩钢架架设在围岩钢架架设在围岩外侧外侧被动支撑作用被动支撑作用两者对隧道支护的机理两者对隧道支护的机理截然不同截然不同1 问题的提出问题的提出（1）两者）两者支护的机理不同支护的机理不同黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 （
8、2） 锚杆发挥作用的两个前提：锚杆发挥作用的两个前提：u锚杆锚固材料与围岩要有足够的黏结力锚杆锚固材料与围岩要有足够的黏结力u要有足够的锚固段。要有足够的锚固段。 锚杆作用示意图 黄土隧道中锚杆的拉拔力只有黄土隧道中锚杆的拉拔力只有2030 kN，粘结力小；，粘结力小； 大断面黄土隧道围岩的松弛区往往变大，目前以大断面黄土隧道围岩的松弛区往往变大，目前以“短而密短而密”原则设置的系统锚杆，锚杆的长度往往未穿过松弛区，即根原则设置的系统锚杆，锚杆的长度往往未穿过松弛区，即根本没有锚固段。本没有锚固段。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作
9、用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 （3） 锚杆受力的计算分析难度很大，往往人为地假定锚杆锚杆受力的计算分析难度很大，往往人为地假定锚杆支护的效果提高了围岩的弹性模量支护的效果提高了围岩的弹性模量E，黏聚力，黏聚力c和内摩擦角和内摩擦角 。这在。这在黄土中并不是很合理，相反往往由于打入了锚杆反而破坏了黄土黄土中并不是很合理，相反往往由于打入
10、了锚杆反而破坏了黄土的结构，降低了围岩的强度和稳定性。的结构，降低了围岩的强度和稳定性。（与岩石是有区别的）（与岩石是有区别的）黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 （4） 黄土隧道支护施工工序黄土隧道支护施工工序开挖开挖初喷射混凝土初喷射混凝土立
11、钢架立钢架挂设钢筋网片挂设钢筋网片安设锚杆安设锚杆喷射混凝土达到设计厚度喷射混凝土达到设计厚度 安设锚杆在架立钢架安设锚杆在架立钢架之后，所以钢架对围岩变之后，所以钢架对围岩变形的制约，必然会影响到形的制约，必然会影响到锚杆作用的发挥。锚杆作用的发挥。 黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loes
12、s Tunnel 1 问题的提出问题的提出锚杆不能及时径向施作，发挥不了锚固作用。锚杆不能及时径向施作，发挥不了锚固作用。 （5） 黄土隧道施工多采用分部开挖，施工场地狭小。黄土隧道施工多采用分部开挖，施工场地狭小。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的
13、提出 （6） 在黄土中锚杆施工成孔困难，注浆不易，影响在黄土中锚杆施工成孔困难，注浆不易，影响工程进度。工程进度。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 1 问题的提出问题的提出 为了解答上述问题，采用现场试验和理论分析的方法，为了解答上述问题，采用现场试验和理论分析的方法，
14、研究锚杆在黄土隧道中的支护效果与机制。研究锚杆在黄土隧道中的支护效果与机制。缩短工期缩短工期减少施工工序减少施工工序及时封闭支护结构及时封闭支护结构节省工程造价节省工程造价黄黄土土隧隧道道取取消消系系统统锚锚杆杆有利于施工安全有利于施工安全黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制2 现场试验现场试验 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess
15、Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验 以吴堡至子洲高速公路多座单洞两车道黄土隧道为依托，开展以吴堡至子洲高速公路多座单洞两车道黄土隧道为依托，开展黄土隧道锚杆支护效果现场试验，其中包括：黄土隧道锚杆支护效果现场试验，其中包括： （1）黄土隧道变形现场测试；）黄土隧道变形现场测试； （2）黄土隧道锚杆轴力测试；）黄土隧道锚杆轴力测试； （3）有、无系统锚杆黄土隧道围岩稳定性及支护效果现场对比）有、无系统锚杆黄土隧道围岩稳定性及支护效果现场对比试验。试验。 通过现场试验结果分析，评价锚杆
16、在黄土隧道中的作用效果，通过现场试验结果分析，评价锚杆在黄土隧道中的作用效果，探讨锚杆在黄土隧道中的作用机理。探讨锚杆在黄土隧道中的作用机理。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验 在刘家坪隧道群的在刘家坪隧道群的IV、V、VI级级围岩条件下开围岩条件下
17、开展有无系统锚杆的试验，分别在展有无系统锚杆的试验，分别在IV、V级围岩条件级围岩条件下开展了下开展了30米打设系统锚杆和米打设系统锚杆和30米不打设系统锚杆隧米不打设系统锚杆隧道围岩稳定性和支护效果的现场对比试验，共布设了道围岩稳定性和支护效果的现场对比试验，共布设了14个测试断面，埋设个测试断面，埋设了了1237个测试元件，获得数万个测试元件，获得数万组测试数据。组测试数据。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt
18、in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验序号项目名称仪 器测 读 频 率115d15d1个月13个月3个月1净空收敛SWJ-IV收敛计12次/d1次/d12次/周12次/月2拱顶下沉精密水准仪12次/d1次/d12次/周12次/月3围岩压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月4喷射混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月5型钢拱架应力钢弦式表面应变计12次/d1次/d12次/周12次/月6纵向连接筋钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d
19、12次/周12次/月7锚杆轴力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月8围岩内部位移多点位移计12次/d1次/d12次/周12次/月9接触压力钢弦式土压力盒12次/d1次/d12次/周12次/月10二衬混凝土应力钢弦式砼应变计12次/d1次/d12次/周12次/月11二衬钢筋应力钢弦式钢筋应力计12次/d1次/d12次/周12次/月隧道现场监控量测项目及方法隧道现场监控量测项目及方法 黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋刘家坪刘家坪3号隧道号隧道IV级围岩有无锚杆试验段纵断面图级围岩有无锚杆试验段纵断面图刘家坪刘家坪5号隧道号隧道V级围岩有无锚杆试验段纵断面图级围岩有无锚杆试验段纵断面图
20、2.1 试验方案试验方案1） 断面布置断面布置黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋2.1 试验方案试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2） 测点布置测点布置黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋2.1 试验方案试验方案级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测试元件布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图级围岩初期支护阶段测力锚杆布置图2） 测点布置测点布置黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋测试元件及现场埋设情况测试元件及现场埋设情况 黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋测试元件及现场埋设情况测试元件及现场埋设情况 黄
21、土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验2.2 试验结果试验结果2.2.1 对比试验对比试验试验项目试验项目有系统锚杆试验段有系统锚杆试验段无系统锚杆试验段无系统锚杆试验段监测断面监测断面最大值最大值/mm平均值平均值/mm监测断面监测断面最大值最大值/mm
22、平均值平均值/mm净空收敛净空收敛/mmYK50+104.212.2314.68YK50+13414.9315.11YK50+110.59.85YK50+13612.12YK50+116.521.95YK50+14218.28土体内部位移土体内部位移/mmYK50+104.20.78(左左)YK50+1344.10(左左)3.77(右右)5.00(右右)YK50+110.53.92(左左)YK50+1367.09(左左)7.02(右右)4.61(右右)YK50+1420.06(左左)9.48(右右)拱顶沉降拱顶沉降/mmYK50+104.211.021.50YK50+1342017.50YK5
23、0+110.532YK50+14215喷射混凝土喷射混凝土应力应力/MPaYK50+104.27.23.35YK50+1345.32.95YK50+110.56.0YK50+1424.5有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 格栅钢架格栅钢
24、架内侧应力内侧应力/MPaYK50+104.291.860.4YK50+134104.353.5YK50+110.5134.6YK50+14297.8格栅钢架格栅钢架外侧应力外侧应力/MPaYK50+104.299.0 60.3YK50+13487.453.1YK50+110.5105.8YK50+14272.6纵向连接筋纵向连接筋应力应力/MPaYK50+104.243.634.2YK50+13467.745.9YK50+110.536.7YK50+14274.1接触压力接触压力/MPaYK50+104.20.050.011YK50+1340.0200.007YK50+110.50.02YK
25、50+1420.008二次衬砌二次衬砌混凝土内侧混凝土内侧应力应力/MPaYK50+104.21.880.68YK50+1340.920.64YK50+110.50.95YK50+1421.28二次衬砌二次衬砌混凝土外侧混凝土外侧应力应力/MPaYK50+104.21.060.60YK50+1341.130.66YK50+110.51.01YK50+1421.182 现场试验现场试验2.2 试验结果试验结果2.2.1 对比试验对比试验有、无系统锚杆试验段各项监测数据对比黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效
26、果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验2.2 试验结果试验结果2.2.1 对比试验对比试验 在黄土隧道的在黄土隧道的IV级围岩中，从变形上讲，有系统锚杆级围岩中，从变形上讲，有系统锚杆试验段的净空收敛均值与无系统锚杆试验段的净空收敛均试验段的净空收敛均值与无系统锚杆试验段的净空收敛均值相差不大，二者相差仅为值相差不大，二者相差仅为0.47mm；有系统锚杆试验段的；有系统锚杆试验
27、段的拱部沉降均值大于无系统锚杆试验段的拱部沉降均值，二拱部沉降均值大于无系统锚杆试验段的拱部沉降均值，二者相差者相差4mm。 从从2个试验段的应力测试数据上看，相同项目的监测个试验段的应力测试数据上看，相同项目的监测值相对来说相差不大。值相对来说相差不大。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loe
28、ss Tunnel 2 现场试验现场试验2.2 试验结果试验结果2.2.2 锚杆应力锚杆应力 在刘家坪在刘家坪2号隧道的号隧道的2个测试断面、刘家坪个测试断面、刘家坪3号隧道的号隧道的2个测试断面以及刘家坪个测试断面以及刘家坪5号隧道的号隧道的3个个测试断面共埋设了测试断面共埋设了48根测力锚杆。按不同位置根测力锚杆。按不同位置统计结果如下表所列。统计结果如下表所列。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loe
29、ss Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 按不同位置统计锚杆受力情况2.2.2 锚杆应力锚杆应力里程里程围岩岩级别位置位置最大最大应力力/MPa最大最大应力占力占钢材材设计强强度度的百分比的百分比/%YK50+104.2IV拱拱顶3811YK50+110.5113K52+296V62K52+350损坏坏K52+36011133YK49+670299YK49+676299K52+350V左拱腰左拱腰30度度处损坏坏K52+3605917YK50+104.2IV左拱腰左拱腰45度度处 5717YK50+11
30、0.55316K52+296V134YK49+6708826YK49+676124黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2.2.2 锚杆应力锚杆应力里程里程围岩岩级别位置位置最大最大应力力/MPa最大最大应力占力占钢材材设计强强度的百分比度的百分比/%K52+350V右拱腰
31、右拱腰30度度处5015K52+3604212YK50+104.2IV右拱腰右拱腰45度度处5316YK50+110.54212K52+296V51YK49+670175YK49+6763611K52+350V左拱腰左拱腰60度度处93K52+360-206K52+350V右拱腰右拱腰60度度处113K52+360154按不同位置统计锚杆受力情况按不同位置统计锚杆受力情况黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in L
32、oess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2.2.2 锚杆应力锚杆应力里程里程围岩岩级别位置位置最大最大应力力/MPa最大最大应力占力占钢材材设计强强度的百分比度的百分比/%YK50+104.2IV左拱脚左拱脚处锁脚脚锚杆杆-237YK50+110.5-329K52+296V72K52+350-82K52+360226YK49+670-13038YK49+676-11534YK50+104.2IV右拱脚右拱脚处锁脚脚锚杆杆-3611YK50+110.5-3510K52+296V21K52+35012
33、4K52+360-51YK49+670-103YK49+676-3711黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2.2.2 锚杆应力锚杆应力按不同位置统计锚杆受力情况按不同位置统计锚杆受力情况里程里程围岩岩级别位置位置最大最大应力力/MPa最大最大应力占力占钢材材设计强强度的
34、百分比度的百分比/%K52+350V左左墙脚脚处锁脚脚锚杆杆7723K52+360165YK50+104.2IV右右墙脚脚处锁脚脚锚杆杆8425YK50+110.582K52+296V21K52+35082K52+360-113YK49+670-5215YK49+676-4614黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock
35、 Bolt in Loess Tunnel 典型断面锚杆受力分布(单位：MPa)（a） 刘家坪3号隧道YK50+104.2锚杆受力分布图（“+”为受压，“-”为受拉）2.2.2 锚杆应力锚杆应力黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 典型断面锚杆受力分布(单位：MPa)2.2
36、.2 锚杆应力锚杆应力（b） 刘家坪5号隧道K52+360锚杆受力分布黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel （1）拱部共埋设了）拱部共埋设了25根锚杆，除去根锚杆，除去2个因元件损坏的无效数个因元件损坏的无效数据，有效数据据，有效数据23个。对有效数据进行分析，其中最大应力
37、处于个。对有效数据进行分析，其中最大应力处于受压的有受压的有22个，占测试数据的个，占测试数据的96%，最大压应力值为，最大压应力值为111MPa，占锚杆设计强度的占锚杆设计强度的33%。1个拉应力值较小，为个拉应力值较小，为-20MPa。因此，。因此，拱部锚杆以受压为主。拱部锚杆以受压为主。 （2）拱脚处共埋设了）拱脚处共埋设了14根锚杆，其中最大应力处于受拉的根锚杆，其中最大应力处于受拉的有有10个，占测试数据的个，占测试数据的71%，最大拉应力值为，最大拉应力值为130MPa，占锚杆，占锚杆设计强度的设计强度的38%，最大压应力值仅为，最大压应力值仅为22MPa，占锚杆设计强度，占锚杆设
38、计强度的的6%，因此，拱脚处锁脚锚杆以受拉为主。，因此，拱脚处锁脚锚杆以受拉为主。 2 现场试验现场试验黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel （3）墙脚处共埋设了）墙脚处共埋设了9根锚杆，其中最大应力处于受拉的根锚杆，其中最大应力处于受拉的有有3个，最大拉应力值为个，最大拉
39、应力值为52MPa，占锚杆设计强度的，占锚杆设计强度的15%，最，最大应力处于受压的有大应力处于受压的有6个，最大压应力值为个，最大压应力值为84MPa，占锚杆设，占锚杆设计强度的计强度的25%，因此，墙脚处锁脚锚杆有拉应力也有压应力。，因此，墙脚处锁脚锚杆有拉应力也有压应力。 （4）锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。绝大部分锚杆）锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。绝大部分锚杆的受力最大值发生在入土的受力最大值发生在入土1.4m以内的浅层，随着入土深度的增以内的浅层，随着入土深度的增加受力渐小。加受力渐小。2 现场试验现场试验 黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚
40、杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2 现场试验现场试验 通过对两个有、无系统锚杆试验段隧道支护结构变形与受通过对两个有、无系统锚杆试验段隧道支护结构变形与受力测试结果进行对比分析，可以得出以下结论：力测试结果进行对比分析，可以得出以下结论：2 现场试验现场试验2.2 试验结论试验结论2 现场试验现场试验 （1 1）支护结构的变形）支护
41、结构的变形 总体来说，两个试验段的拱部沉降和净空收敛值相差不大，总体来说，两个试验段的拱部沉降和净空收敛值相差不大，变形初期增长较快，仰拱施作后，变形趋于稳定，边墙净空收变形初期增长较快，仰拱施作后，变形趋于稳定，边墙净空收敛量测值均大于土体内部位移量测值，表明边墙处土体松弛范敛量测值均大于土体内部位移量测值，表明边墙处土体松弛范围大于围大于3m3m，设计中锚杆采用，设计中锚杆采用3m3m长偏短。长偏短。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism
42、of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2.2 试验结论试验结论2 现场试验现场试验 （2 2）钢架应力）钢架应力 各断面格栅钢架应力以受压为主，拱部的格栅钢架应力相各断面格栅钢架应力以受压为主，拱部的格栅钢架应力相对较大，边墙处较小。钢架是重要的支护结构，格栅钢架应力对较大，边墙处较小。钢架是重要的支护结构，格栅钢架应力初期增长较快，仰拱施作后，格栅钢架应力增长速率减小。应初期增长较快，仰拱施作后，格栅钢架应力增长速率减小。应力增长具有较强的规律性，二次衬砌施作
43、后，格栅钢架应力有力增长具有较强的规律性，二次衬砌施作后，格栅钢架应力有所减小，且迅速稳定，说明二次衬砌承担了一部分荷载。所减小，且迅速稳定，说明二次衬砌承担了一部分荷载。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 2.2 试验结论试验结论2 现场试验现场试验 （3 3）锚杆应力
44、）锚杆应力 由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，拱部锚杆施工往往无由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，拱部锚杆施工往往无法径向施作，法径向施作， 达不到设计的要求。锚杆受力最大值绝大部分发生在达不到设计的要求。锚杆受力最大值绝大部分发生在最浅处，且随着深度的增加受力减小，拱部系统锚杆处于受压状态。最浅处，且随着深度的增加受力减小，拱部系统锚杆处于受压状态。这说明拱部系统锚杆并没有起到支护作用。拱脚处锁脚锚杆处于受拉这说明拱部系统锚杆并没有起到支护作用。拱脚处锁脚锚杆处于受拉状态，说明拱脚处锁脚锚杆对限制隧道变形是可以起到一定作用的。状态，说明拱脚处锁脚锚杆对限制隧道变形是可以起到一定作用的
45、。 所述结果表明：钢架支护条件下系统锚杆在黄土隧道中的作用不所述结果表明：钢架支护条件下系统锚杆在黄土隧道中的作用不明显，可以取消。明显，可以取消。黄土隧道初期支护应采用：黄土隧道初期支护应采用：钢架钢架+ +喷射混凝土喷射混凝土+ +钢筋网钢筋网+ +锁脚锚杆（管）组合结构锁脚锚杆（管）组合结构黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanis
46、m of Rock Bolt in Loess Tunnel 减少了工序，缩短了初期支护封闭成环时间，加快了施工进度，减少了工序，缩短了初期支护封闭成环时间，加快了施工进度，提高了施工安全性和结构稳定性，降低了工程造价。提高了施工安全性和结构稳定性，降低了工程造价。 公路隧道设计规范（公路隧道设计规范（JTG D70-2004JTG D70-2004）（第）（第14.6.314.6.3条）条）铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范 （TB10003-2005 J449-2005TB10003-2005 J449-2005）（第）（第7.3.17.3.1条）条） 日本、欧日本、欧美等国家美等国家软弱地
47、层软弱地层隧道中隧道中突破了现行国内突破了现行国内外设计规范！外设计规范！ 传统衬砌结构型式传统衬砌结构型式新的衬砌结构型式新的衬砌结构型式二次衬砌防水层锁脚锚杆钢筋网喷射混凝土钢架二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制3 锚杆作用机制锚杆作用机制 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunn
48、el Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 3 .1 锚杆作用机制锚杆作用机制锚杆作用示意图 锚杆起到锚固作用的2个前提条件：u有锚固段u锚杆与围岩要有良好的相互黏结 锚杆与土体采用水泥砂锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果浆或药卷式锚固剂黏结效果都不太理想，锚杆拉拔力很都不太理想，锚杆拉拔力很小，往往只有小，往往只有2030kN。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mecha
49、nism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 3.1 锚杆作用机制锚杆作用机制 浅埋两车道黄土隧道，地表会产生沉降或裂缝，拱部浅埋两车道黄土隧道，地表会产生沉降或裂缝，拱部会发生整体沉降。拱部系统锚杆不存在锚固段。会发生整体沉降。拱部系统锚杆不存在锚固段。 浅埋黄土隧道地表浅埋黄土隧道地表产生沉降生沉降黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and A
50、ction Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 深埋黄土隧道，深埋黄土隧道，开挖后土体产生了较开挖后土体产生了较大塑性区。目前以大塑性区。目前以“短而密短而密”为设置原则为设置原则采用的系统锚杆（如采用的系统锚杆（如IV级围岩锚杆长级围岩锚杆长3 m），），并未穿过塑性区。锚并未穿过塑性区。锚杆亦不存在锚固段。杆亦不存在锚固段。 3.1 锚杆作用机制锚杆作用机制深埋黄土隧道产生塑性区黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄
51、土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 3.2 锚杆力学状态分析锚杆力学状态分析 黄土隧道开挖后，周围土体要产生变形，主要包括：黄土隧道开挖后，周围土体要产生变形，主要包括：（1 1）应力释放和土体扰动引起的弹性、塑性和松动变形；）应力释放和土体扰动引起的弹性、塑性和松动变形；（2 2）初期支护背部因回填不密实而诱发的土体沉降；）初
52、期支护背部因回填不密实而诱发的土体沉降；（3 3）采用型钢钢架支护后，其背部因喷射混凝土无法喷到位而）采用型钢钢架支护后，其背部因喷射混凝土无法喷到位而诱发的土体沉降；诱发的土体沉降；（4 4）施工扰动土体后期产生的压密沉降；）施工扰动土体后期产生的压密沉降；（5 5）地下水位线以下的隧道，因开挖而引起的水位下降，使部）地下水位线以下的隧道，因开挖而引起的水位下降，使部分饱和土体变为非饱和的欠固结土，从而引发次固结沉降。分饱和土体变为非饱和的欠固结土，从而引发次固结沉降。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用
53、效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 3.2 锚杆力学状态分析锚杆力学状态分析 隧道开挖后，由钢架、系隧道开挖后，由钢架、系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土统锚杆、钢筋网、喷射混凝土形成的组合结构共同限制土体形成的组合结构共同限制土体的变形。的变形。 （1）钢架、钢筋网、喷）钢架、钢筋网、喷射混凝土是在围岩（土体）射混凝土是在围岩（土体）外外部约束土体变形。部约束土体变形。 （2）而系统锚杆则是锚）而
54、系统锚杆则是锚固到初期支护上，伸入到土体固到初期支护上，伸入到土体中，中，从土体内部约束变形从土体内部约束变形。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 在初期支护施作后，在初期支护施作后，相对于土体的后续变形，相对于土体的后续变形，锚杆是固定不动的，所以锚杆是固定不动的，所以
55、在浅埋黄土隧道或塑性区在浅埋黄土隧道或塑性区大的深埋黄土隧道，拱部大的深埋黄土隧道，拱部系统锚杆受到了土体向下系统锚杆受到了土体向下的摩阻力，相当于桩承受的摩阻力，相当于桩承受负摩阻力，因而拱部系统负摩阻力，因而拱部系统锚杆受压。锚杆受压。3.2 锚杆力学状态分析锚杆力学状态分析黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制4 经济效益分析经济效益分析 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanis
56、m of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 通过对通过对IVIV级围岩黄土隧道施工各工序所需时间的统计，在级围岩黄土隧道施工各工序所需时间的统计，在4 4台电钻同时施工的情况下，施作一个循环的系统锚杆至少需要台电钻同时施工的情况下，施作一个循环的系统锚杆至少需要2h2h，完成一个循环的初期支护所需总时间约，完成一个循环的初期支护所需总时间约16h16h。若取消系统锚。若取消系统锚杆，即可缩短杆，即可缩短12%12%的建设工期。在的建设工期。在V V，VIVI级围岩
57、情况下节省时间级围岩情况下节省时间则更加显著。则更加显著。4 经济效益分析经济效益分析黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 4 经济效益分析经济效益分析 可见，取消系统锚杆可明显降低工程造价，有特别显著的经可见，取消系统锚杆可明显降低工程造价，有特别显著的经济效益。济效益。
58、围岩岩级别锚杆杆长度度/m锚杆杆根数根数锚杆杆单价价锚杆杆总价价节约造价（占隧造价（占隧道每延米造价）道每延米造价）32346元元/m3174元元/延米延米10.6%3.5426762元元/延米延米11.3%4427728元元/延米延米11.0%单洞两车道隧道取消系统锚杆的经济效益统计单洞两车道隧道取消系统锚杆的经济效益统计黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制5 工程应用工程应用 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress
59、and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 该隧道为上下行分离式，上行线长该隧道为上下行分离式，上行线长1660m，下行线长，下行线长1690m。 天恒山隧道是天恒山隧道是哈尔滨绕城高速公路工程哈尔滨绕城高速公路工程的重要组成部分，是黑龙江省的重要组成部分，是黑龙江省第一座公路长隧道第一座公路长隧道，是我国第一座高寒地区粘土隧道。，是我国第一座高寒地区粘土隧道。5 工程应用工程应用黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用
60、效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 5 工程应用工程应用最大埋深仅最大埋深仅25m最大开挖宽度最大开挖宽度16.8m，高，高12.1m，开挖面积开挖面积163m2 可塑性强可塑性强含水量高达含水量高达16.6330.90三大工程难点三大工程难点浅浅 埋埋大跨大跨 大断面大断面高含水量可塑性粘土高含水量可塑性粘土黄土隧
61、道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel u 成孔困难u 注浆效果差u 抗拉拔力低高含水量粘性土层中锚杆施工困难高含水量粘性土层中锚杆施工困难高含水量粘性土层锚杆成孔试验 有人形象比喻在高含水量粘土隧道中打设锚杆犹如“在豆腐里面插筷子”，支护作用不大。5 工程应用工程应用黄土隧道锚杆
62、作用与机制陈建勋原设计支护示意图变更后设计示意图黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋 黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制黄土隧道锚杆作用效果与机制 Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel Stress and Action Mechanism of Rock Bolt in Loess Tunnel 5 工程应用工程应用 2009年年10月天恒山隧道建成通车，研究成果应用于月天恒山隧道建成通车，研究成果应用于该工程节省造价该工程节省造价4137万元，并确保了
63、工程如期完成，经万元，并确保了工程如期完成，经济效益和社会效益特别显著。济效益和社会效益特别显著。 此外，成果还应用于多个重大隧道工程项目中。此外，成果还应用于多个重大隧道工程项目中。黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋陕西省墩梁隧道在陕西省的应用在陕西省的应用 在重大工程中的应用在重大工程中的应用节省工程费用节省工程费用1.13亿元亿元开挖跨度最大的黄土高速公路隧道开挖跨度最大的黄土高速公路隧道西安市地铁区间隧道西安市地铁区间隧道青兰高速公路青兰高速公路16座黄土隧道座黄土隧道郑西客运专线郑西客运专线4座黄土隧道座黄土隧道黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋在外省的应用在外省的应用 黑龙江省天恒山隧道黑龙江省天恒山隧道河南省桃花峪隧道河南省桃花峪隧道（小净距三车道）（小净距三车道）青海省青海省4座高速公路座高速公路黄土隧道黄土隧道甘肃省甘肃省4座高速公路座高速公路黄土隧道黄土隧道山西省山西省3座高速公路座高速公路黄土隧道黄土隧道3 3、在重大工程中的应用、在重大工程中的应用黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋谢谢大家！黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋黄土隧道锚杆作用与机制陈建勋
