淺談黃土隧道中的錨桿

張 祺

（豐鎮市交通局，內蒙古 豐鎮012100）

0 引言

錨桿是地下工程的主要支護手段之一。 20 世紀60 年代末期，隨著新奧法的發展以及全長黏結錨桿的出現，錨桿的使用范圍也不斷擴大， 許多國家都在錨桿的作用機制和支護效果上進行了大量的研究，提出了錨桿的懸吊作用、組合梁作用、成拱作用、銷釘作用與支護作用等作用機制。 我國的從事隧道工程的設計和施工人員也不斷的摸索，探究，取得了不少成果。錨桿可以分為對于硬巖，錨桿可以起到保持巖塊和控制巖塊的移動，使圍巖成為一整體，促進平衡拱形成的作用；對于軟巖，錨桿的作用效果是增加內壓，以減小圍巖塑性區和隧道變形；對于土沙類圍巖，錨桿的作用效果主要是加強拱腳穩定和防止掌子面崩塌。

關于黃土的工程特性、黃土隧道的設計與施工技術、黃土地層錨固機制以及黃土隧道系統錨桿的效果作用， 國內都進行過深入研究，基本基于兩種觀點：一是認為黃土隧道的系統錨桿對隧道初支的穩定性不起作用，可以取消；另一種觀點認為錨桿對隧道初支的穩定性能夠起到一定的作用，應該設置，目前為止，很多設計院都趨于保守的觀點，黃土隧道都設計有邊墻及鎖腳處的系統錨桿。

筆者認為系統錨桿在邊墻及鎖腳的錨桿應該保留，在黃土隧道中的作用尤為重要，應該設置。

1 黃土隧道中錨桿設置的理論基礎

1.1 針對黃土隧道基底承載力低、側應力較大、濕陷性等特點，施工時嚴格執行“管超前、短開挖、強支護、早封閉、快成環、緊仰拱、勤量測、速襯砌”的施工原則，仰拱緊跟掌子面施工，以有效控制拱頂下沉和控制圍巖變形，保證隧道施工安全。 而現在國內主要的隧道開挖方法是新奧法，而新奧法的主要支護手段就是錨噴支護，錨桿的設置在里邊起到關鍵作用。

1.2 目前，黃土隧道采用由鋼架、噴射混凝土、鋼筋網和系統錨桿共同組成的聯合支護結構非常合理，鋼架可以和伸入到圍巖內部的錨桿焊接，共同受力，主動加固圍巖、充分利用圍巖承載力。

1.3 黃土隧道中錨桿支護的效果提高了圍巖的彈性模量E，黏聚力c和內摩擦角φ。 對土體的穩定性發揮更大的作用。

1.4 錨桿和砂漿在黃土中的作用就如在地基中的地梁， 能控制土體的局部變形，維持圍巖的穩定。

1.5 目前在黃土隧道施工過程中，通常采用的支護順序是：開挖→初噴射混凝土→立鋼架→掛設鋼筋網片→安設錨桿→噴射混凝土達到設計厚度，由于安設錨桿在架立鋼架之后，能和初支的鋼筋網和鋼架形成整體，可有效控制邊墻土體變形和噴射混凝土的開裂，還可在仰拱澆筑前控制鋼架的下沉。

2 黃土隧道中錨桿受力分析

2.1 黃土隧道中系統錨桿的作用機制

2.1.1 錨桿對不穩定巖體有很好的加固效果。 在巖石隧道中，錨桿一端要錨固在穩定的巖體中，即要有錨固段，而另一端與不穩定的圍巖黏結在一起可產生共同變形，起到錨固作用。

2.1.2 借助于錨桿灌漿料與填土間的摩擦力來提高土體的抗剪強度，從而保證土體平衡。

2.2 黃土隧道中系統錨桿的力學狀態分析

2.2.1 下面從土體的變形分析黃土隧道拱部系統錨桿的力學狀態。黃土隧道開挖后，周圍土體要產生變形，其中包括：

（1）土體應力狀態發生了變化，產生了彈性、塑性、黏性變形。

（2）采用型鋼鋼架支護時，其背部混凝土噴射不到，存在空隙，誘發了土體下沉。

（3）施工過程中，土體被擾動后，后期產生壓密沉降。

（4）地下水位線以下的隧道，開挖后地下水要向隧道位置遷移，地下水位降低，土體中有效應力增大，土體會產生次固結沉降。

隧道開挖后，由鋼架、系統錨桿、鋼筋網、噴射混凝土形成的組合結構共同抑制土體的變形。 在初期支護施作后，相對于土體的后續變形，錨桿是固定不動的，因此在淺埋黃土隧道或塑性區大的深埋黃土隧道，拱部系統錨桿受到了土體向下的摩阻力，相當于樁承受負摩阻力，因而拱部系統錨桿受壓。

所以由于黃土的自穩定性差，尤其在拱頂部襯砌噴射混凝土不能密貼圍巖，所有拱頂部位黃土的塑性變形區域較大，再加上拱頂部位錨桿施工工藝所限，注漿一般不飽滿，拉拔力一般不大，所以拱頂部位的錨桿作用效果不會太明顯。

2.2.2 土體工作時，土和錨桿一起承受外部和內部的荷載，由于土與錨桿之間的摩擦作用，將土中的應力傳遞給錨桿，而錨桿所產生的拉應力抵抗了土體的水平位移， 就好像在土體中增加了一個內聚力，從而改進了土體的力學特性。 因此，土與錨桿間的摩擦作用是土體能否穩定的一個重要因素。

假設錨桿與漿體間界面粘結非錨固系統薄弱面，而漿體與巖土體界面才是錨固系統的薄弱面。 根據文獻[1]給定的公式分析，邊墻處的系統錨桿的拉拔力由所用灌漿體與土體的極限粘結應力τp（土體與錨桿漿體的極限粘結力）決定的。

3 結論

研究了黃土隧道中錨桿的支護效果及機制，得到以下主要結論：

1）拱頂部位錨桿作用不大，由于國內的施工工藝所限，可以取消；

2）邊墻處的錨桿必須安設，以便維持圍巖的穩定，且要優化施工工藝，嚴格控制成孔工藝，選擇更適合黃土灌注漿液，以便加大與土體的錨固，同時固結土體，以保證圍巖穩定，切不可一味只最求進度，忽略質量，給工程質量留下隱患。

［1］魏新江，張世民，危偉.全長粘結式錨桿抗拔力計算公式的探討[J].巖石力學與工程學報，2006（7）.