锚杆是隧道围岩支护的一种重要形式
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接触 贴合 围岩松动 拱脚问题
钢架支座的 加固
L=2.5～3m， ∅42
100 50 轴力/kN 0 -50 -57.6 -100
锁脚锚杆 39.7
系统锚杆
25.9 4.9
-35.3
-29.3
秦东3#
潼洛川
高桥
锚管-受压-花管
D
锚杆-受拉-螺纹钢，波纹钢
不要滥用管材作锚杆杆体！
作用机理 和 计算模型
两侧边墙
(同层面倾角有关） 掌子面
施工监控主要手段 位移
破碎 软质）
直墙无锚杆 0.7MPa
曲墙无锚杆 0.9~1.1MPa
拱部锚杆 1.0MPa
边墙锚杆 >1.4MPa
黄土隧道中的锚杆
100 锚杆轴力/kN 50 0 -5.7 -50 -100 墙脚 墙腰 33.6 6.4
锚杆轴力
双侧壁 CD 4.2 1.2 -1.8 CRD
TB10108-2002铁路隧道喷锚构筑法技术规范 TB10204-2002铁路隧道施工规范
“对砂浆的饱满度进行检查”，要求“砂浆 锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实”
锚杆的正确安设方向
任务和课题
z 锚杆施工机具 z 锚杆结构形式 z 质量检验手段
（灌浆饱满度） z 施工管理 z 计算理论
谢谢！
对锚杆的支护作用提出质疑
卵石模拟试验
1972年
棉线网 5~10mm卵石 临时挡条 模拟锚杆
稳定的自承 >1.4MPa
围岩类型和锚杆的支护作用原理
“喷锚支护原理和设计” 中国铁道出版社 1980 L.Muller 分类
完整 岩体 局部 节理 连续介质力学 考虑不连续性
稳定性和坍塌分析
拉应力
锚杆作用 调整应力
浅埋 深埋 2.8 -6.1
4m -5.7
-2.2
4m
拱部 ：锚杆受力小， ——黄土垂直节理 边墙： 锚杆受力大 ——塑性变形
加强钢架
整体塌陷
-6.9 -14.3 -4.4
拱顶
掌子面的坍塌
留核心 微台阶法 超前支护
掌子面 预支护
玻璃纤维
掌子面预支护
玻璃纤维
1993年 法国 GFRP 长度>14m 剩余长度>4~5m
l
240 270 300
100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400
孔口 孔底
规范条文的修订
TBJ108-92铁路隧道喷锚构筑法技术规则 TBJ204-96铁路隧道施工规范 JTJ042-94公路隧道施工规范
要求对灌浆锚杆进行拉拔试验，将试验 结果作为“锚杆质量状况的综合指标”
[
]
锚杆支护参数的确定
数值计算的地位和作用 围岩应力重分布的定性分析 定量地确定支护参数
√
×
力学模型的局限性 连续介质？松散体？
经验设计
挪威法围岩分类与支护参数
长度-隧道跨度 间距-围岩类别
锚杆长度建议 N.Barton
z z z z z z z z z z z
拱部 锚杆 bolts L=2+0.15B/ESR 岩锚（主动）anchors L=0.4B/ESR 边墙 锚杆 bolts L=2+0.15H/ESR 岩锚（主动）anchors L=0.4H/ESR 临时支护 ESR - 5ESR Q5Q
锚杆设置重点在边墙
3m 3m 0.4 3m
-3.7 -8.9
0.4 -2.0
4m 0.1
-0.1
-2.0
2.0 -0.6 1.7
4m
拱脚
拱腰
拱顶
28.7 5.9 -7.2 4m -1.8 -8.9 -4.2 6.6
33.6
开挖阶段 二衬阶段 4m 单位：kN
100 锚杆轴力/kN 50 0 -50 -100 墙脚 墙腰 拱脚 拱腰 -43.2 30.0 21.9 39.7 5.1
锚杆是隧道围岩支护的 一种重要形式
中铁西南科学研究院
王建宇
北陆新干线（高琦-轻井泽） 隧道支护参数
锚 杆
韩国 京釜高速铁路 锚杆参数
锚 杆
Lotschberg 隧道 挤压性围岩的锚杆支护
收敛 600mm
L=12~16m
间距1m
挪威法围岩分类与支护类型
系统锚杆
问题的提出
打设锚杆费工费时 安装质量（灌浆） 检验手段 取消锚杆 宁架钢拱，不打锚杆
锚杆是隧道围岩支护的锚杆是隧道围岩支护的一种重要形式一种重要形式中铁西南科学研究院王建宇北陆新干线高琦北陆新干线高琦隧道支护参数隧道支护参数韩国韩国京釜高速铁路京釜高速铁路锚杆参数锚杆参数lotschberglotschberg隧道隧道挤压性围岩的锚杆支护挤压性围岩的锚杆支护l1216m间距1m收敛600mm挪威法围岩分类与支护类型挪威法围岩分类与支护类型系统锚杆问题的提出问题的提出打设锚杆费工费时安装质量灌浆检验手段取消锚杆对锚杆的支护作用提出质疑卵石模拟试验卵石模拟试验19721972年510mm卵石棉线网临时挡条模拟锚杆稳定的自承稳定的自承14mpa14mpa围岩类型和锚杆的支护作用原理围岩类型和锚杆的支护作用原理喷锚支护原理和设计中国铁道出版社1980塑性区加固控制变形调整应力块体悬吊销钉加固拉应力调整应力稳定性和坍塌分析锚杆作用破碎岩风化岩软质岩软弱围岩土体强烈破碎30mpa块状围岩有序排列块体节理考虑不连续性局部节理连续介质力学完整lmuller分类特殊围岩条件挤压性地层大变形黄土高水头地下水块状围岩硬岩的坍塌形式块状围岩硬岩的坍塌形式镶嵌镶嵌咬合咬合块状围岩锚喷支护块状围岩锚喷支护悬吊作用悬吊作用镶嵌镶嵌咬合咬合03004007504001030162096173岩块坍塌防范重点部位隧道轴线走向ns块状围岩块状围岩坍塌防范重点节理产状节理裂隙系统的调查统计软弱围岩软弱围岩weakrockweakrockisrm定义破碎岩fracturedrock风化岩weatheredrock软质岩softrocklmuller分类强烈破碎土力学压应力作用下塑性破坏软弱围岩软弱围岩应力分布应力分布基本无拉应力塑性区在两侧开挖引起的开挖引起的应力重分布应力重分布软弱围岩软弱围岩坍塌形式坍塌形式usapb183799manry1987中铁西南院1975层理的影响层理的影响65加载钻孔试验nbarton西南院fem计算软弱围岩软弱围岩风化风化破碎破碎软质软质坍塌防范重点特别注意两侧边墙同层面倾角有关掌子面施工监控主要手段位移07mpa07mpa0911mpa0911mpa14mpa黄土隧道中的锚杆黄土隧道中的锚杆锚杆设置重点在边墙锚杆设置重点在边墙4218120433664895720371005050100墙脚双侧壁crdcd21944397300285169143432611005050100墙脚深埋4m开挖阶段二衬
隧道轴线走向 N-S
块状围岩
z坍塌防范重点 z
节理产状
特别注意 拱部锚杆
z施工监控主要手段 z
节理裂隙系统的调查统计
软弱围岩weak rock
z ISRM定义
z破碎岩
fractured rock z风化岩 weathered rock z软质岩 soft rock
L.Muller 分类 强烈破碎 碎粒体 土力学
节理 岩体 强烈 破碎
有序排列 块体 碎粒体 土体
块状 围岩 软弱 围岩
Rb>30MPa 块体 坍落 破碎岩 风化岩 软质岩 塑性区
悬吊 销钉 加固 加固 控制变形 调整应力
挤压性地层（大变形）
特殊围岩条件 黄土
高水头地下水
块状围岩（硬岩）的坍塌形式
η=
P 0 = =0 F G
镶嵌 咬合
η=
P = cot α i tgϕ i F
挤压性地层 初期支护措施
预留伸缩缝（20~30cm) 1971Tauern隧道 Arlberg ,karawanken
原则： 可以多次施作 重叠而不更换，补充而不拆除 刚度适当 前提：预留净空
可缩性钢架
锚喷衬砌（single shell lining) 承受水压力 锚杆起关键作用
f 2s =
锚杆同围岩的变形协调
锚杆 在块状围岩 （硬岩）中的 抗剪作用 （销钉）
计算 模型
樱井春辅
锚杆的抗剪作用 的量化表达(M.Panet)
C = a + b tan ϕ No
C 1.07 = (1.55 + 0.0011 Rc sin 2 (θ + δ ) Rc0.14 ( 0.85 + 0.15 tan ϕ ) No
z
锚杆专用 注浆机 （螺杆泵） （遥控器）
W/C=0.3~0.4
灌浆锚杆的几种形式
中空注浆式
先灌后锚式
药包式
排气问题！
排气式灌浆锚杆
中空杆体
实心杆体双管式灌浆锚杆
注浆管
中孔排气 锚杆
DCP多重防腐锚杆
实心杆体 防腐套管 注浆排气
检验手段
拉拔试验 不能反映锚杆灌浆质量！
两类不同的“锚杆”
注意 挪威法支护参数 的局限性！
结构形式和注浆工艺
z 注浆质量 机具 排气 z 抗腐蚀 杆体塑料套管 z 杆体力学性能
z z
强度 ＋ 韧性 ＋ 表面摩阻
空心杆体 壁厚<4mm × 热加工 × 表面形状 光面（所谓“锚管”） × 螺纹 √ 波纹
z z z z z z
√
压力恒定 1.2MPa z 小水灰比 0.35：1 z 流量可调0.1～1.2 m3/h z 操作方便
− γH k r H (ln 1 + s ln )r r0 k m r1
r1 r0
F=∫
km r1 ln ks r0 Δfm = f2m − f1m = γH > 0 km r1 H H r( ln + ln )ln f 2 s dr = − p ks r0 r1 r1
钢架 不能取代 锚杆 相互补充
“杆柱” “锚钉” “土钉”
Rockbolt Soil nail Штанга
“锚索” “锚杆”
Anchor
杆体轴力
杆体示力图 杆体表面剪力
实际状态 拉拔试验
•粘结物填充长度 对抗拔力的影响
l
填充段长度 l cm
抗拔力 kN （砂浆在孔口）
抗拔力 kN （砂浆在孔 底）
0 30 60 90 120 150 180 210 38.8818 64.3457 76.9434 82.4121 84.6094 85.0000 85.6250 85.6250 85.6250 85.6250 39.0625 65.0000 78.1250 84.3750 86.2500 87.5000 87.5000 87.5000 87.5000 87.5000
压应力作用下 — 塑性破坏
λ=
μ
1− μ
<1
软弱围岩 应力分布
基本无拉应力 塑性区在两侧
λ=
μ
1− μ
பைடு நூலகம்
<1
开挖引起的 应力重分布
软弱围岩 坍塌形式
σh
中铁西南院1975
Manry 1987
λ<1
USA PB183799
层理的影响
65o
西南院 FEM计算
加载钻孔试验
N.Barton
软弱围岩（风化 z坍塌防范重点 z特别注意
“岩土变形控制分析”
挤压性围岩（俗称“大变形”）
挤压性等级 收敛值 （%D） 轻微挤压性 1~3 中等挤压性 3~5 强烈挤压性 >5 D=10m隧道收 敛值（mm) 100~300 300~500 >500 0.4~0.8 0.8~2.0 >2.0 中等挤压性 轻微挤压性 无挤压性 σcm/p0 <0.4 挤压性等级 强烈挤压性
η ij =
Ti tgϕ i + T j tgϕ j Tg
块状围岩锚喷支护（悬吊作用）
镶嵌 咬合
岩块坍塌防范重点部位
P
P1 P2 P3 P4
α
710 680 380 130
β
2620 3330 320 730
tgφ
0.30 0.40 0.75 0.40
η
0.103 0.162 0.96 1.73
钢架支座的 加固
L=2.5～3m， ∅42
100 50 轴力/kN 0 -50 -57.6 -100
锁脚锚杆 39.7
系统锚杆
25.9 4.9
-35.3
-29.3
秦东3#
潼洛川
高桥
锚管-受压-花管
D
锚杆-受拉-螺纹钢，波纹钢
不要滥用管材作锚杆杆体！
作用机理 和 计算模型
两侧边墙
(同层面倾角有关） 掌子面
施工监控主要手段 位移
破碎 软质）
直墙无锚杆 0.7MPa
曲墙无锚杆 0.9~1.1MPa
拱部锚杆 1.0MPa
边墙锚杆 >1.4MPa
黄土隧道中的锚杆
100 锚杆轴力/kN 50 0 -5.7 -50 -100 墙脚 墙腰 33.6 6.4
锚杆轴力
双侧壁 CD 4.2 1.2 -1.8 CRD
TB10108-2002铁路隧道喷锚构筑法技术规范 TB10204-2002铁路隧道施工规范
“对砂浆的饱满度进行检查”，要求“砂浆 锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实”
锚杆的正确安设方向
任务和课题
z 锚杆施工机具 z 锚杆结构形式 z 质量检验手段
（灌浆饱满度） z 施工管理 z 计算理论
谢谢！
对锚杆的支护作用提出质疑
卵石模拟试验
1972年
棉线网 5~10mm卵石 临时挡条 模拟锚杆
稳定的自承 >1.4MPa
围岩类型和锚杆的支护作用原理
“喷锚支护原理和设计” 中国铁道出版社 1980 L.Muller 分类
完整 岩体 局部 节理 连续介质力学 考虑不连续性
稳定性和坍塌分析
拉应力
锚杆作用 调整应力
浅埋 深埋 2.8 -6.1
4m -5.7
-2.2
4m
拱部 ：锚杆受力小， ——黄土垂直节理 边墙： 锚杆受力大 ——塑性变形
加强钢架
整体塌陷
-6.9 -14.3 -4.4
拱顶
掌子面的坍塌
留核心 微台阶法 超前支护
掌子面 预支护
玻璃纤维
掌子面预支护
玻璃纤维
1993年 法国 GFRP 长度>14m 剩余长度>4~5m
l
240 270 300
100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400
孔口 孔底
规范条文的修订
TBJ108-92铁路隧道喷锚构筑法技术规则 TBJ204-96铁路隧道施工规范 JTJ042-94公路隧道施工规范
要求对灌浆锚杆进行拉拔试验，将试验 结果作为“锚杆质量状况的综合指标”
[
]
锚杆支护参数的确定
数值计算的地位和作用 围岩应力重分布的定性分析 定量地确定支护参数
√
×
力学模型的局限性 连续介质？松散体？
经验设计
挪威法围岩分类与支护参数
长度-隧道跨度 间距-围岩类别
锚杆长度建议 N.Barton
z z z z z z z z z z z
拱部 锚杆 bolts L=2+0.15B/ESR 岩锚（主动）anchors L=0.4B/ESR 边墙 锚杆 bolts L=2+0.15H/ESR 岩锚（主动）anchors L=0.4H/ESR 临时支护 ESR - 5ESR Q5Q
锚杆设置重点在边墙
3m 3m 0.4 3m
-3.7 -8.9
0.4 -2.0
4m 0.1
-0.1
-2.0
2.0 -0.6 1.7
4m
拱脚
拱腰
拱顶
28.7 5.9 -7.2 4m -1.8 -8.9 -4.2 6.6
33.6
开挖阶段 二衬阶段 4m 单位：kN
100 锚杆轴力/kN 50 0 -50 -100 墙脚 墙腰 拱脚 拱腰 -43.2 30.0 21.9 39.7 5.1
锚杆是隧道围岩支护的 一种重要形式
中铁西南科学研究院
王建宇
北陆新干线（高琦-轻井泽） 隧道支护参数
锚 杆
韩国 京釜高速铁路 锚杆参数
锚 杆
Lotschberg 隧道 挤压性围岩的锚杆支护
收敛 600mm
L=12~16m
间距1m
挪威法围岩分类与支护类型
系统锚杆
问题的提出
打设锚杆费工费时 安装质量（灌浆） 检验手段 取消锚杆 宁架钢拱，不打锚杆
锚杆是隧道围岩支护的锚杆是隧道围岩支护的一种重要形式一种重要形式中铁西南科学研究院王建宇北陆新干线高琦北陆新干线高琦隧道支护参数隧道支护参数韩国韩国京釜高速铁路京釜高速铁路锚杆参数锚杆参数lotschberglotschberg隧道隧道挤压性围岩的锚杆支护挤压性围岩的锚杆支护l1216m间距1m收敛600mm挪威法围岩分类与支护类型挪威法围岩分类与支护类型系统锚杆问题的提出问题的提出打设锚杆费工费时安装质量灌浆检验手段取消锚杆对锚杆的支护作用提出质疑卵石模拟试验卵石模拟试验19721972年510mm卵石棉线网临时挡条模拟锚杆稳定的自承稳定的自承14mpa14mpa围岩类型和锚杆的支护作用原理围岩类型和锚杆的支护作用原理喷锚支护原理和设计中国铁道出版社1980塑性区加固控制变形调整应力块体悬吊销钉加固拉应力调整应力稳定性和坍塌分析锚杆作用破碎岩风化岩软质岩软弱围岩土体强烈破碎30mpa块状围岩有序排列块体节理考虑不连续性局部节理连续介质力学完整lmuller分类特殊围岩条件挤压性地层大变形黄土高水头地下水块状围岩硬岩的坍塌形式块状围岩硬岩的坍塌形式镶嵌镶嵌咬合咬合块状围岩锚喷支护块状围岩锚喷支护悬吊作用悬吊作用镶嵌镶嵌咬合咬合03004007504001030162096173岩块坍塌防范重点部位隧道轴线走向ns块状围岩块状围岩坍塌防范重点节理产状节理裂隙系统的调查统计软弱围岩软弱围岩weakrockweakrockisrm定义破碎岩fracturedrock风化岩weatheredrock软质岩softrocklmuller分类强烈破碎土力学压应力作用下塑性破坏软弱围岩软弱围岩应力分布应力分布基本无拉应力塑性区在两侧开挖引起的开挖引起的应力重分布应力重分布软弱围岩软弱围岩坍塌形式坍塌形式usapb183799manry1987中铁西南院1975层理的影响层理的影响65加载钻孔试验nbarton西南院fem计算软弱围岩软弱围岩风化风化破碎破碎软质软质坍塌防范重点特别注意两侧边墙同层面倾角有关掌子面施工监控主要手段位移07mpa07mpa0911mpa0911mpa14mpa黄土隧道中的锚杆黄土隧道中的锚杆锚杆设置重点在边墙锚杆设置重点在边墙4218120433664895720371005050100墙脚双侧壁crdcd21944397300285169143432611005050100墙脚深埋4m开挖阶段二衬
隧道轴线走向 N-S
块状围岩
z坍塌防范重点 z
节理产状
特别注意 拱部锚杆
z施工监控主要手段 z
节理裂隙系统的调查统计
软弱围岩weak rock
z ISRM定义
z破碎岩
fractured rock z风化岩 weathered rock z软质岩 soft rock
L.Muller 分类 强烈破碎 碎粒体 土力学
节理 岩体 强烈 破碎
有序排列 块体 碎粒体 土体
块状 围岩 软弱 围岩
Rb>30MPa 块体 坍落 破碎岩 风化岩 软质岩 塑性区
悬吊 销钉 加固 加固 控制变形 调整应力
挤压性地层（大变形）
特殊围岩条件 黄土
高水头地下水
块状围岩（硬岩）的坍塌形式
η=
P 0 = =0 F G
镶嵌 咬合
η=
P = cot α i tgϕ i F
挤压性地层 初期支护措施
预留伸缩缝（20~30cm) 1971Tauern隧道 Arlberg ,karawanken
原则： 可以多次施作 重叠而不更换，补充而不拆除 刚度适当 前提：预留净空
可缩性钢架
锚喷衬砌（single shell lining) 承受水压力 锚杆起关键作用
f 2s =
锚杆同围岩的变形协调
锚杆 在块状围岩 （硬岩）中的 抗剪作用 （销钉）
计算 模型
樱井春辅
锚杆的抗剪作用 的量化表达(M.Panet)
C = a + b tan ϕ No
C 1.07 = (1.55 + 0.0011 Rc sin 2 (θ + δ ) Rc0.14 ( 0.85 + 0.15 tan ϕ ) No
z
锚杆专用 注浆机 （螺杆泵） （遥控器）
W/C=0.3~0.4
灌浆锚杆的几种形式
中空注浆式
先灌后锚式
药包式
排气问题！
排气式灌浆锚杆
中空杆体
实心杆体双管式灌浆锚杆
注浆管
中孔排气 锚杆
DCP多重防腐锚杆
实心杆体 防腐套管 注浆排气
检验手段
拉拔试验 不能反映锚杆灌浆质量！
两类不同的“锚杆”
注意 挪威法支护参数 的局限性！
结构形式和注浆工艺
z 注浆质量 机具 排气 z 抗腐蚀 杆体塑料套管 z 杆体力学性能
z z
强度 ＋ 韧性 ＋ 表面摩阻
空心杆体 壁厚<4mm × 热加工 × 表面形状 光面（所谓“锚管”） × 螺纹 √ 波纹
z z z z z z
√
压力恒定 1.2MPa z 小水灰比 0.35：1 z 流量可调0.1～1.2 m3/h z 操作方便
− γH k r H (ln 1 + s ln )r r0 k m r1
r1 r0
F=∫
km r1 ln ks r0 Δfm = f2m − f1m = γH > 0 km r1 H H r( ln + ln )ln f 2 s dr = − p ks r0 r1 r1
钢架 不能取代 锚杆 相互补充
“杆柱” “锚钉” “土钉”
Rockbolt Soil nail Штанга
“锚索” “锚杆”
Anchor
杆体轴力
杆体示力图 杆体表面剪力
实际状态 拉拔试验
•粘结物填充长度 对抗拔力的影响
l
填充段长度 l cm
抗拔力 kN （砂浆在孔口）
抗拔力 kN （砂浆在孔 底）
0 30 60 90 120 150 180 210 38.8818 64.3457 76.9434 82.4121 84.6094 85.0000 85.6250 85.6250 85.6250 85.6250 39.0625 65.0000 78.1250 84.3750 86.2500 87.5000 87.5000 87.5000 87.5000 87.5000
压应力作用下 — 塑性破坏
λ=
μ
1− μ
<1
软弱围岩 应力分布
基本无拉应力 塑性区在两侧
λ=
μ
1− μ
பைடு நூலகம்
<1
开挖引起的 应力重分布
软弱围岩 坍塌形式
σh
中铁西南院1975
Manry 1987
λ<1
USA PB183799
层理的影响
65o
西南院 FEM计算
加载钻孔试验
N.Barton
软弱围岩（风化 z坍塌防范重点 z特别注意
“岩土变形控制分析”
挤压性围岩（俗称“大变形”）
挤压性等级 收敛值 （%D） 轻微挤压性 1~3 中等挤压性 3~5 强烈挤压性 >5 D=10m隧道收 敛值（mm) 100~300 300~500 >500 0.4~0.8 0.8~2.0 >2.0 中等挤压性 轻微挤压性 无挤压性 σcm/p0 <0.4 挤压性等级 强烈挤压性
η ij =
Ti tgϕ i + T j tgϕ j Tg
块状围岩锚喷支护（悬吊作用）
镶嵌 咬合
岩块坍塌防范重点部位
P
P1 P2 P3 P4
α
710 680 380 130
β
2620 3330 320 730
tgφ
0.30 0.40 0.75 0.40
η
0.103 0.162 0.96 1.73