软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

3 现场试验方案
根据该隧道的地质条件和工程条件，选择了 2 个试验段进行取消系统锚杆后隧道围岩稳定性及支 护效果的现场试验研究。试验段内围岩为Ⅳ级围岩， 主要是软质岩石（ⅡB）绢云母千枚岩夹炭质板岩， 夹少量结晶灰岩，微风化，块状镶嵌结构，裂隙较 发育。试验段布置情况见表 1 所列。
表 1 试验段布置情况
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。
关 键 词：隧道工程；软弱围岩；系统锚杆；锁脚锚杆；现场试验
中图分类号：U 451
文献标识码：A
Field test research on elimination of systematic rock bolts in weak rock tunnel
Table 1 Arrangement of test sections
编号
试验段里程桩号
监测断面桩号
埋深/m
第 1 试验段
YK152+454
YK152+469
680
～YK152+487
YK152+475
YK152+502
YK152+515
第 2 试验段 ～YK152+535
YK152+523
680
20 世纪 90 年代以来，随着我国大量双线铁路 和公路隧道的修建，一方面隧道的断面越来越大； 另一方面隧道工程所遇到的地质情况越来越复杂， 仅由锚杆、喷射混凝土以及钢筋网组成的联合支护 已经难以保证施工安全和结构稳定，而此时我国的 钢铁工业得到了迅速发展，为工程建设提供了强有 力的支持。因此，软弱围岩隧道初期支护结构就由 钢架、喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆等多种支护 措施组合而成[4－5]。而在这种组合情况下，系统锚 杆的支护效果如何？目前，对这个问题，隧道工程 界有两种不同的观点。一种观点认为，在软弱围岩 隧道中，系统锚杆对隧道稳定性作用不大；另一种 观点则截然相反[6]。从黄土隧道中系统锚杆的作用 研究结果可知，在钢架支护条件下，黄土隧道中系 统锚杆的支护效果不明显，对结构稳定性作用不大， 可以取消[7－10]。而在软弱围岩隧道中，系统锚杆的 支护效果和对结构稳定性的作用如何，目前尚没有 进行系统试验研究。为了解答以上问题，本文以包 家山隧道为依托，选取 2 个试验段，首次进行软弱 围岩隧道取消系统锚杆后围岩稳定性及支护效果的 现场试验研究。
摘 要：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 191 MPa，钢架支护作用明显，在支护体系中发挥着重要作用。取消
1引言
20 世纪 40 年代在地下工程中使用锚杆支护以 来，锚杆加固技术发展非常迅速，在国内外现已成
为地下工程中的一种主要支护形式。我国的锚杆加 固技术早在 20 世纪 50 年代中期就已起步，当时主 要采用机械式金属锚杆，发展速度缓慢[1]。20 世纪 70 年代至 80 年代末，锚喷支护逐渐运用到铁路隧
2 工程概况
包家山隧道位于阿北线（陕西境内）小河—安 康高速公路的咽喉部位，长 11.2 km，分为上下双洞 行车，单洞两车道，两洞净距为 40 m，线路纵断面 为人字坡，线路最大坡度均为 1.95%。隧道穿越南 秦岭山脉青山和玉皇山两道山峰，地形崎岖，地势 险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层 岩性多变，共有断层 37 条，岩溶异常区 17 处和多 处富水区，工程施工难度大。
收稿日期：2009-11-15 基金项目：国家西部交通建设科技项目（No. 200831800059）。 第一作者简介：陈建勋，男，1969 年生，博士，教授，主要从事隧道及地下工程教学与研究工作。E-mail: chenjx1969@
16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
岩土力学
2011 年
道工程建设中。当时由于铁路单线隧道断面较小， 再加上我国钢材产量较低，隧道初期支护主要采用 锚杆、喷射混凝土以及钢筋网组成的联合支护。为 此，我国工程技术人员做了大量的试验研究，结果 表明，锚杆在锚喷支护结构中起着重要作用[2]，随 之，锚喷支护在隧道工程建设中得到广泛应用[3]。
初期支护与二次衬砌之间铺设防水板加土工布。二 次衬砌采用 C25 模筑混凝土，厚为 40 cm；仰拱采 用现浇 C25 混凝土，厚为 40 cm。
上台阶（长约 10 m） 中台阶（长约 10 m）
下台阶
图 1 3 台阶分布开挖法示意 Fig.1 Three-bench multistep excavation
Abstract: In weak rock tunnel, elimination of systematic rock bolts is advanced, and the primary support structure is the combination of steel arch, shotcrete, reinforcing mesh, feet-lock rock bolt and longitudinal link steel bar. This paper is based on Baojiashan tunnel. Two test sections are chosen and field test is carried out. With systematic rock bolts replaced by feet-lock rock bolts, two models of systematic rock bolts and non-systematic rock bolts are established and analyzed comparatively. The content of comparative tests includes: the clearance convergence of tunnel primary support, surrounding rock pressure, steel arch stress, shotcrete stress, axial force of rock bolt and longitudinal link steel bar stress. The result shows that the deformation of primary support in the two test sections tends stable and the structure is safe, which shows that the elimination of systematic rock bolts does not affect the security and stability of primary support; some rock bolts in the arch part are subjected to tension; and some are subjected to compression; but the force is minor, and the maximum tensile stress is only 11.8% of ultimate strength of steel, so the support action of rock bolts in the arch part is not obvious; most feet-lock rock bolts are subjected to tension, and the maximum tensile stress is up to 191 MPa, so the feet-lock rock bolts play an important role in the support system. The elimination of systematic rock bolts will reduce construction process, lower engineering cost and shorten procedure cycle time, which is conductive to an early closure of surrounding rock to form a complete supporting structure. It will get a significant economic value and social benefits. Key words: tunnel engineering; weak surrounding rock; systematic rock bolts; feet-lock rock bolt; field test
CHEN Jian-xun1，YANG Shan-sheng2，LUO Yan-bin1，WANG Meng-shu3
（1. Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shaanxi Province, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. Shaanxi Xiyan Railway Co. Ltd., Xi’an 710054, China; 3. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
第 32 卷第 1 期 2011 年 1 月
文章编号：1000－7598 (2011) 01－0015－06
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No. 1 Jan. 2011
软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究
陈建勋 1，杨善胜 2，罗彦斌 1，王梦恕 3
（1. 长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064；2. 陕西西延铁路有限责任公司，西安 710054； 3. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044）
两试验段均取消了系统锚杆，采用钢架接头处 的锁脚锚杆取代。其中第 1 试验段监测断面在钢架 拱部安设 4 根锚杆，上台阶左、右拱脚钢架联接处 各安设 4 根锁脚锚杆，中台阶左、右拱脚钢架联接 处各安设 2 根锁脚锚杆，下台阶左、右墙脚处各安 设 2 根锁脚锚杆，共 20 根锚杆，各锁脚锚杆尾端与 钢架焊接；第 2 试验段监测断面拱顶钢架联接处不 安设锚杆，其余锁脚锚杆安装方式及数量与第 1 试 验段相同，共 16 根锚杆，各锁脚锚杆尾端与钢架焊 接。
监测项目有净空收敛、围岩压力、喷射混凝土 应力、钢架应力、纵向连接筋应力及锚杆轴力等[11]。
由于采用 3 台阶分部开挖法，故元件埋设也是 相应分步进行的。从 2007 年 4 月 7 日开始进行元件 的埋设工作，至 2007 年 6 月 11 日，两试验段的元 件埋设工作已全部结束，监测至今，各测试数据已 基本稳定。
该隧道Ⅳ级围岩段采用复合式衬砌，采用 3 台 阶分部开挖法施工（开挖方法如图 1 所示），开挖半 径为 6.20 m，每循环进尺约 2.4 m。原设计初期支 护采用 C25 喷射混凝土，厚为 22 cm；I16 钢架，纵 向间距为 120 cm；ϕ 8 mm 钢筋网，间距 20×20 cm； 系统锚杆采用ϕ 22 mm 早强砂浆锚杆，长为 3 m， 间距为 100×100 cm，梅花形布置，系统锚杆尾端与 钢架焊接，20 根/延米。此外，另需设置锁脚锚杆。
锚杆受力监测结果table4stressmonitoringresultsofrockbolt试验段里程围岩级别位置最大应力mpa占钢材极限强度的百分比左拱腰约181338右拱腰约181956左拱腰约2440118右拱腰约242368上台阶左侧锁脚186547上台阶右侧锁脚3191中台阶左侧锁脚15中台阶右侧锁脚81238下台阶左侧锁脚09yk152469下台阶右侧锁脚42124左拱腰约181853右拱腰约181750左拱腰约2439115右拱腰约242162上台阶左侧锁脚191562上台阶右侧锁脚1853中台阶左侧锁脚2676中台阶右侧锁脚1544下台阶左侧锁脚2574试验段yk152475下台阶右侧锁脚47138上台阶左侧锁脚137403上台阶右侧锁脚24上台阶左侧锁脚114335上台阶右侧锁脚06中台阶左侧锁脚2162中台阶右侧锁脚41121下台阶左侧锁脚15yk152515下台阶右侧锁脚1647上台阶左侧锁脚63185上台阶右侧锁脚3397上台阶左侧锁脚36106上台阶右侧锁脚35103中台阶左侧锁脚1029中台阶右侧锁脚24下台阶左侧锁脚1029试验段yk152523下台阶右侧锁脚2779注