淺談地下通道工程錨固機理的研究現狀

趙繼華

摘 要：作為地下通道工程初期支護結構中重要的組成部分，錨桿支護不僅可以約束加固區巖體的變形，提高巖體的強度，還可以為洞室圍巖提供托錨力，進而提高圍巖的穩定性。但是，目前對錨桿支護理論的研究還不夠成熟。簡要敘述了地下通道工程錨固機理的研究現狀，以期為日后的相關工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：地下通道工程；錨桿支護；圍巖穩定性；巖體強度

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.108

21世紀是地下通道工程發展的黃金時期，這不僅是國民經濟發展的需要，還是響應國家西部大開發戰略、開邊通海戰略的迫切需要。特別是在我國城市建設方面，地下通道工程取得了前所未有的大發展。

1963年，奧地利隧道工程師L.V.RabCewiCz突破傳統的巖體支護理論提出了新奧法隧道施工方法（NEW Austrian Tunnelling Method，NATM）。新奧法的出現為隧道等地下施工建設開辟了一個嶄新的局面。新奧法強調充分發揮圍巖的自承能力，以錨桿和噴射混凝土為初期支護結構，允許圍巖有一定的變形，通過監控圍巖變形情況及時調整設計參數和施工方法。

1 錨桿錨固機理的研究現狀

隨著錨桿支護技術的應用和推廣，國內外學者對錨桿錨固機理的研究不斷深入，但是，仍然沒有達成統一的認識。目前，對錨桿支護理論的研究主要從以下兩方面入手：在微觀方面，主要以錨桿為研究對象，研究錨桿與巖土體之間力的相互作用；在宏觀方面，主要以加固體（巖土體）為研究對象，研究錨固體對巖體的加固效果。針對這兩方面的研究對象，研究人員采取了不同的研究方法，即試驗分析法、理論分析法和數值模擬分析法。

1.1 試驗分析法

試驗分析法與其他兩種分析方法相比，能更真實、準確地反映錨桿與圍巖的相互作用，而且這方面的研究成果也比較多。錨桿試驗主要包括室內模擬試驗和錨桿拉拔測試。其中，國外學者D.N.Jarred和C.M.Haberfield等人完成了注漿錨桿室內相似試驗，研究了注漿錨桿的注漿長度、側限剛度和水泥含量對錨固體力學性能的影響。試驗結果表明，注漿錨桿的側限剛度越大，錨桿體與注漿體之間的剪切強度越大。

1.2 理論分析法

隨著巖土彈性、彈塑性和黏彈性理論的發展，許多研究人員也開始試著采用這些力學理論原理解釋錨桿支護機理。其中，Gunnar Wijk運用彈性理論中的Mindlin解很好地解釋了預應力錨桿的錨固機理；H.Stille、B.Inderarance和P.K.Kaiser等人運用彈塑性理論研究了錨桿錨固時的受力狀態；Selvadura通過研究黏彈性介質中錨桿的錨固機理，建立了錨桿支護的力學模型。與此同時，國內學者也在積極討論相關問題。尤春安從彈性理論出發，運用Mindlin問題的位移解推導出全長黏結式錨桿沿桿體所受的剪切力分布彈性解，并分析了錨桿的受力特征。

1.3 數值模擬分析法

數值模擬法是在解析法基礎上發展起來的一種近似計算方法，具有快捷、直接、可重復計算等特點。目前，它已經逐漸成為人們研究錨桿支護的重要手段之一。數值模擬法主要包括有限元法、邊界元法、離散元、有限差分法和顯示差分元法等。在數值分析建模時，錨桿計算模型的建立一直困擾著人們，特別是錨桿與膠結材料的相互作用。在相關研究中，有些學者提出了在錨桿與膠結材料之間設置接觸單元的構想。外國學者Aydan提出了大膽的構想，即錨桿單元由4個結點組成——2個與錨桿相連，剩余2個與膠結材料相連。但是，這種構想并沒有考慮到錨桿與膠結材料之間的剪切作用。

2 結論與展望

錨桿支護作為現代工程施工支護結構的重要組成部分，在控制圍巖變形方面發揮著很大的作用。在工程實踐過程中，主要采用工程類比經驗法。在實際錨桿支護設計中，普遍存在以下2個問題：①錨桿支護設計參數過大，造成不必要的資源浪費和經濟浪費；②錨桿支護設計參數過小，達不到預期的支護效果，導致結構失去其安全性。鑒于此，應該不斷優化分析地下通道工程初期支護的錨桿參數。

參考文獻

[1]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術的現狀及展望[J].公路交通技術，1999（2）：32-41.

〔編輯：白潔〕