隧道錨噴支護體系拉拔性能及破壞形態試驗研究

徐 沖，郭佳奇，趙秋林

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西西安 710043；3.河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000）

錨噴支護技術借助錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用體系，把一定厚度的圍巖轉變成自承拱，從而有效地加固圍巖［1］。錨桿的主要作用是提高圍巖的抗變形能力，使圍巖成為支護體系的組成部分。其次，混凝土噴層除具有充填黏結作用和封閉作用外，在共同作用體系中還起著更為重要的結構作用。

近年來在新型錨桿開發、錨桿支護受力機制、錨桿錨固體與圍巖相互作用等方面取得了大量研究成果。史玲［2］研究了傳統噴層條件下圍巖性質對噴層結構的影響，并分析了應力控制模式和結構控制模式下噴層的作用。方樹林等［3］對井下后噴混凝土受力狀態進行了監測，結果表明后噴層在巷道軸向、徑向和切向均有應力產生，且外噴層與初噴層的接觸壓力小于初噴層與圍巖的接觸壓力。項偉等［4］研究了凍融循環條件下圍巖與噴層的變形規律和相互作用機理。黃偉等［5］研究發現鋼纖維混凝土噴層具有柔性讓壓功能。托盤在錨噴支護結構體系各部分荷載傳遞過程中發揮著重要作用。楊更社等［6］將托盤視為受集中力作用的自由邊圓形薄板，計算了圓形托盤和圍巖之間的相互作用力。王建智等［7］研究了托盤對錨桿內力分布的影響。康紅普等［8］采用實驗室試驗、數值模擬及現場井下監測相結合的方法對托板的應力分布、變形狀況及對圍巖的支護作用進行了研究。這些研究均是針對錨噴支護整體結構體系中某一承載部分開展，而托盤與噴層間耦合作用下錨桿受力特征的研究十分少見。鑒于此，本文利用自制多功能錨桿受力測試系統，進行不同托盤形式與不同強度素混凝土噴層組合下錨桿拉拔性能試驗，分析托盤與噴層耦合作用下錨桿受力狀態、噴層破壞特征。試驗成果可為錨噴支護的設計與施工提供借鑒。

1 試驗系統及方法

1.1 試驗系統

自行設計了多功能錨桿受力測試系統，由反力架、錨具、加載裝置、測量裝置、控制系統、數據采集與處理系統組成，可提供的拉拔力最大可達600 kN、拉拔行程可達300 mm，可模擬錨桿與黏結材料界面、錨固體與圍巖界面相互作用，研究托盤與噴層耦合作用下錨桿軸心、偏心受拉力學性能，見圖1。

圖1 多功能錨桿受力測試系統

1.2 試驗材料

采用室內配制的C15、C20、C25 混凝土噴層。水泥采用32.5 級普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑20～35 mm 的碎石；細骨料采用優質河砂，細度模數為2.63，最大粒徑不大于5 mm，級配良好，干燥。

錨桿采用左旋帶肋高強錨桿，牌號為MG400，長度為3 m，直徑為22 mm，屈服強度為400 MPa，極限抗拉強度為540 MPa。試驗中采用平板托盤、蝶形托盤、新型托盤3 種托盤形式。其中，新型托盤可利用自身圓鼓外殼形式實現壓力讓壓功能，如圖2所示。

圖2 試驗用托盤

1.3 試驗方法與方案

托盤與噴層體系制作方法：拉拔試驗采用的混凝土噴層尺寸為500 mm（長）×500 mm（寬）×150 mm（高），將噴層中央預留直徑為50 mm 的圓孔作為錨桿錨固預留鉆孔。首次澆筑60 mm 作為初噴層，而后澆筑厚度為90 mm 的復噴層，復噴層澆筑時中間緊靠初噴層預留安裝托盤的尺寸為160 mm×160 mm的方孔。

拉拔試驗方法：首先將加工的可拆卸模具固定在試驗系統的一端，模擬圍巖的基底、混凝土噴層依次放入模具內鎖定，模具對基底和噴層起到約束作用；然后將錨桿通過預留孔錨固在拉拔端和噴層端，其中拉拔端為錨固端，采用直徑為21 mm 的球形錨具錨固。錨噴支護體系安裝就位后，在規定的試驗條件下進行試驗，并記錄拉拔荷載和錨桿伸長量。當加載系統達到最大行程或噴層嚴重破壞或錨桿尾部破壞時停止試驗。本文共進行3 種托盤和3 種強度噴射噴層組合下的9組拉拔試驗。

圖3 不同組合下錨桿應力與應變關系

2 不同情況下錨桿拉拔力位移

托盤和混凝土噴層不同組合情況下錨桿拉拔力—變形關系曲線見圖3。

由圖3可知：①托盤與素混凝土噴層耦合下的錨桿拉拔力與伸長量關系曲線具有大致相同的變化趨勢，曲線可分為彈性階段、屈服階段、強化階段3 個階段，且每階段特征十分明顯。②相同托盤形式時，混凝土噴層本身強度對錨桿屈服強度影響不大。混凝土噴層強度對線性彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強度的增大而增大。如采用蝶形托盤時，混凝土噴層強度由C15提高至C25，錨桿剛度隨之由4.45 MN/m 增大到4.86 MN/m；反映出錨噴支護中過高的混凝土噴層強度不利于圍巖壓力釋放和自身承載能力的發揮。③相同混凝土噴層強度時，平板托盤條件下的錨桿拉拔曲線在線性彈性階段的曲線斜率高于蝶形托盤和新型托盤，故平板托盤不具有讓壓功能，不利于錨噴支護體系彈性階段的充分發展，進而影響隧洞開挖初期圍巖應力釋放。④采用平板托盤時，隨混凝土噴層強度的增加錨桿屈服強度變化不大，屈服平臺寬度均為42 mm；但屈服時的絕對伸長量隨混凝土噴層強度的增加而略微延長。⑤采用蝶形托盤時，不同混凝土噴層強度錨桿屈服狀態時的伸長量和屈服強度基本相同，但隨混凝土噴層強度的降低，屈服平臺寬度逐漸增長。說明蝶形托盤條件下混凝土噴層強度的提高不利于錨桿的讓壓。⑥采用新型托盤時，錨桿屈服強度隨混凝土噴層強度的增大先增大后減小，C20 時錨桿屈服平臺寬度達到47 mm，進入屈服狀態時不同混凝土噴層強度下錨桿的伸長量基本相同。

3 托盤與噴層耦合作用下噴層應變

C20 素混凝土噴層與3 種托盤不同組合情況下噴層應變與錨桿拉拔力的關系曲線，見圖4。

由圖4可知：①混凝土噴層的應變隨著錨桿拉拔力的增加而增大；在鉆孔周圍，加載后期混凝土噴層表現出明顯的屈服特征。②在相同拉拔力、應變監測點距鉆孔形心相同距離條件下，初噴層與圍巖接觸面處比初噴層與復噴層接觸面處應變稍大。說明初噴層與圍巖接觸面應力大于初噴層與復噴層接觸面應力，且同一層面上的應變片，距離鉆孔越遠處應變越小。③采用新型托盤時，復噴層外表面鉆孔外20 mm處曲線斜率局部突增。隨荷載增加，新型托盤發生變形，對噴層產生壓力，阻止應變增大，體現出限制噴層過度變形的性能。

圖4 噴層應變-錨桿拉拔力關系曲線

4 不同情況下的噴層破壞形態

素混凝土具有明顯的脆性，且隨著其強度的增大脆性愈加明顯，即在托盤傳遞來的荷載作用下噴層表面裂紋由微裂紋迅速發展成裂縫、長裂縫、寬裂縫直至貫通噴層表面。以C20素混凝土噴層為例，托盤與噴層耦合作用下錨桿軸心拉拔試驗中噴層的破壞形態見圖5。

圖5 C20素混凝土噴層破壞形態

由圖5可知：①平板托盤、蝶形托盤與素混凝土噴層耦合作用下噴層破壞特征基本相同，裂紋由初噴層鉆孔周邊向噴層四周及復噴層延伸，直至噴層破壞，裂紋呈以鉆孔為中心向外發散的輻射狀。②新型托盤與素混凝土噴層耦合作用下，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外單軸輻射，復噴層上裂紋貫通于一個方向。這是由于托盤隨著錨桿拉拔力的增大而發生變形，對噴層產生一定的壓力，阻止其裂紋的產生，說明新型托盤有阻止噴層破壞的功能。

5 結論

1）混凝土噴層強度對錨桿屈服強度影響不大，但對彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強度的增大而增大。

2）平板托盤條件下，錨桿的屈服強度受混凝土噴層強度影響不大，但錨桿進入屈服時的伸長量隨混凝土噴層強度的增加而略微增大；蝶形托盤條件下，屈服平臺寬度隨混凝土噴層強度的降低逐漸增加；新型托盤條件下，進入屈服狀態時不同混凝土噴層強度下錨桿的伸長量基本相同。蝶形托盤和新型托盤具有讓壓性能。

3）采用平板托盤和蝶形托盤時，裂紋呈以鉆孔為中心向外發散的輻射狀；采用新型托盤時，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外輻射，復噴層上裂紋貫通于一個方向，在一定程度上表現出阻止噴層破壞的性能。