一般质量围岩隧道锚杆的功效性探讨

吴海卫 ，侯哲生，江 磊（烟台大学土木工程学院，山东烟台264000）

一般质量围岩隧道锚杆的功效性探讨

吴海卫 ，侯哲生，江 磊
（烟台大学土木工程学院，山东烟台264000）

目前工程类比法被广泛应用于公路隧道支护参数的设计当中，基于此设计的支护体系是否能够最大限度的发挥其应有的支护功能或作用，到目前为止还缺乏足够的实测数据支持。为了深入了解高速公路隧道一般质量围岩锚杆的实际功效，在邢汾高速邢台段贺坪峡隧道与黄岩子隧道内选择四个监测断面安设测力锚杆对其受力特性进行监测。监测结果显示部分测力锚杆内部测点承受压力，该结果与锚杆受拉才起到支护作用相背离；其余受拉测点最大值仅占规范设计最大受拉值的10%，表明锚杆在实际当中发挥的功效非常有限，几乎起不到应有的支护作用。基于此可认为，在今后实际工程实践当中对于类似工程与类似的一般质量围岩，可以考虑将系统锚杆进行必要的优化。

公路隧道；锚杆；现场监测；承载性能

随着我国基础设施投入的不断加强，高速公路的建设正处于快速发展时期，而隧道是山岭地区高速公路常见的一种地下建筑物，由于隧道工程围岩状况复杂多变，加之工程地质、水文地质及施工方法的多样性，通过现场地质调查和现场监控量测，对围岩类别、稳定性进行分析以确保安全施工是至关重要的，而且对隧道支护结构优化、节约成本起到关键作用［1-3］。目前，我国公路隧道的支护结构形式多采用复合式衬砌，它由初期支护、土工防水层、二次衬砌构成。初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网、型钢拱架或者格栅拱架等支护部位进行适当组合支护的形式［4-6］。

锚杆是隧道的重要支护形式之一，20世纪60年代以来 ，随着新奥法的发展和全长黏结型锚杆的出现，锚杆的使用范围也不断地扩大，许多国家学者都在锚杆的支护效果和作用机制进行了研究，也取得了不少成果，提出来系统锚杆的悬吊作用、组合梁作用、减跨作用、整体加固作用等理论［7-9］。但近年来，锚杆在隧道支护体系中究竟发挥多大的功效，产生了较大的争议，主要存在两种学术观点:一种认为隧道中的系统锚杆对隧道稳定性起到关键性作用，应该设置；另外一种则认为系统锚杆对隧道稳定性起不到作用，可以取消。

针对锚杆的实际工作机制，王鑫等［10］、赵广占等［11］、曲海峰等［12］分别对锚喷支护和系统锚杆的作用机理进行了探索性的研究，表明锚杆的设置不能明显降低衬砌内力以及改善塑性区分布，按照目前设计方法设置的系统锚杆存在较大的浪费。谭忠盛、陈建勋等［13-15］采用实际观测的方法对浅埋、深埋黄土隧道系统锚杆作用效果进行了对比研究，得出了拱顶系统锚杆作用不大的结论。

为了进一步深入了解系统锚杆的实际受力特性或支护效果，以河北省邢汾高速邢台至冀晋段黄岩子隧道、贺坪峡2#隧道为工程依托，选取典型监测断面进行现场监测。同时将所得实测数据与《公路隧道设计规范》［16］（JTGD70-2004）中的设计值进行对比分析，从而探讨一般质量围岩隧道支护当中系统锚杆是否可以考虑取消等优化问题，从而达到在保证施工安全的前提下节约成本的目的。

1 工程概况

邢汾高速公路邢台至冀晋界段是邢台市连接山西的唯一高速通道，其贺坪峡2#隧道为左右幅分离式布置，右幅长1 036 m（YK77+329～YK78+365），左幅长995 m（ZK77+300～ZK78+295）；黄岩子隧道亦为左右幅分离式布置，右幅长2 260 m（YK78+535 ～YK80+795），左幅长2 383 m（ZK78+435～ZK80+ 818），两座隧道所在地层岩性为上元古界长城系常州沟组红色石英砂岩。隧道Ⅲ级和Ⅳ级围岩段隧道支护如图1和图2所示。

图1 隧道Ⅲ级围岩段开挖尺寸与衬砌类别及参数（单位:cm）

图2 隧道Ⅳ级围岩段开挖尺寸与衬砌类别及参数（单位:cm）

2 监测断面及锚杆测点布置

2.1 监测断面布置

在邢汾高速邢台段贺坪峡隧道与黄岩子隧道内选择四个监测断面安设测力锚杆对其实际受力特性进行了监测，监测断面基本情况汇总于表1。

每个监测断面共设计布置3根测力锚杆，如图3～图6所示，分别位于两侧拱肩及拱顶。锚杆安插方向基本与开挖面垂直。原设计测力锚杆均有三或四个测点，相邻测点之间的间距为1 m，每个测点的监测原件为CL-XZ-B型钢筋计。

图3 贺坪峡2#隧道测力锚杆布置图

图4 黄岩子进口左幅测力锚杆布置图

表1各监测断面基本概况

图5黄岩子进口右幅测力锚杆布置图

图6 黄岩子出口右幅测力锚杆布置图

2.2 监测时段及频率

自测力锚杆安装后，每一个开挖循环采集一次监测数据，直至下导坑开挖后减缓监测频率（具体数据见监测结果与分析部分）。

3 锚杆轴力量测与计算原理

测力锚杆的量测元件为CL-XZ-B型钢筋计，其量测原理为:在钢筋计中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力作用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越低。因此利用钢弦张力不同其自振频率也相应发生变化的原理，可由测得钢弦频率变化而得到引起钢弦应力变化的应变式钢筋计薄膜所受应力的变化，其关系为:

式中:f为应变式钢筋计受力后钢弦的频率（Hz）；f0为应变式钢筋计未受力时钢弦的初频（Hz）；F为应变式钢筋计薄膜所受的力（kN）；K为钢筋计标定系数。

邢汾高速邢台段贺坪峡隧道与黄岩子隧道Ⅲ级、Ⅳ级一般质量围岩深埋段原设计系统锚杆的杆体材料均为Φ22的螺纹钢。根据《公路隧道设计规范》［16］（JTGD70-2004）知该钢筋的抗拉强度设计值为188 MPa，则单根锚杆钢筋可承受的最大设计拉力约为71 kN。

4 监测结果与分析

4.1 锚杆受力随时间变化情况

由于现场施工条件限制，有3个监测断面拱顶处的原设计测力锚杆未能安装。图7（注:图中负值为压，正值为拉，下同）为Ⅲ级围岩贺坪峡隧道出口左幅ZK77+613.5监测断面两根测力锚杆上全部测点受力变化曲线。

图7 贺坪峡隧道出口左幅ZK77+613.5锚杆受力变化随时间变化曲线

可见，1#测力锚杆获得了较为完整的数据，其中1026测点一直处于受拉状态，最大拉力接近6 kN；其余两个测点在安装后初期处于受压状态，后期逐渐向受拉状态过渡，1027测点后期的最大拉力达到约6 kN。

图8为Ⅲ级围岩黄岩子隧道进口左幅ZK79+ 160监测断面两根测力锚杆上全部测点受力变化曲线。可见，共获得了三个测点的数据，其中1#测力锚杆的两个测点在安装初期处于受压状态，之后逐渐向受拉状态过渡，995测点最后的拉力达到约5 kN；2#测量锚杆的994测点也呈现出由受压向受拉过渡的趋势，最后最大拉力约为3 kN。

图9为Ⅳ级围岩黄岩子隧道进口右幅YK79+ 521监测断面两根测力锚杆上全部测点受力变化曲线。可见，1#测力锚杆和2#测力锚杆的全部测点均处于受压状态。其中，1#测力锚杆中间测点（5938测点）所受压力值较大约为5 kN。2#测力锚杆中间测点（5924测点、5954测点）所受压力值的波动较大，主要下导坑开挖面通过监测断面影响所致。

图10为Ⅳ级围岩黄岩子隧道出口右幅YK80+ 383监测断面三根测力锚杆上全部测点受力变化曲线。可见，1#测力锚杆的1172测点在安装初期处于受压状态，后期过渡为受拉状态，最后最大拉力达到约7 kN，其余三个测点均处于受压状态，最大压力达到约90 kN；2#测量锚杆两个测点均处于受压状态，最大压力达到约27 kN；3#测力锚杆除1155测点受压外，其余测点均属于受拉状态，最大拉力接近6 kN。

图8黄岩子隧道进口左幅锚杆受力变化随时间变化曲线

图9 黄岩子隧道进口右幅锚杆受力变化随时间变化曲线

综合可见，大部分测点在隧道开挖10 d内轴力变化幅度较大，之后在很长时间段内处于相对平稳变化，直到下导坑开挖接近监测断面处受力曲线出现明显跳跃，而后受力趋于稳定。

4.2 锚杆受力稳定后的情况

图11～图14为测力锚杆各测点在受力基本稳定后的受力分布情况。

图10黄岩子隧道出口右幅锚杆受力变化随时间变化曲线

图12 黄岩子隧道进口左幅YK79+160锚杆受力分布

由图11～图14可以看出:锚杆各测点受力基本稳定后 ，所有测力锚杆在其内部的大部分测点均承受压力 ，而承受压力的锚杆是不能发挥其锚固作用的。即使部分测点承受拉力，但最大实测拉力为7 kN，该值仅仅占到钢筋最大设计拉力 92 kN的7.6%。由此可见，隧道在这四监测断面处的系统锚杆几乎起不到应有的锚固作用。

图13 黄岩子隧道进口右幅YK79+521锚杆受力分布

图14 黄岩子隧道出口右幅YK80+383锚杆受力分布

5 锚杆工作性能评价

为了评价锚杆发挥的功效 ，将所有锚杆全部测点钢筋计的受力情况汇总于表2。其中“实际承受拉力”一列为每一测点在整个监测过程当中的实测最大拉力值，若该测点受压，则表明其不发挥作用，在表中用“受压”标出；“理论承载力”一列为《公路隧道设计规范》［16］（JTGD70-2004）当中规定的锚杆最大设计拉力；“发挥功效”一列为每一测点实际承受拉力占理论承载力的比例，若该测点实际受压，则发挥功效为零。

由表2可见，安装于四个监测断面的测力锚杆共9根，锚杆上所有测点均受压的锚杆有5根，占总锚杆数的44.4%。获得监测数据的有效钢筋计共24个（共安装29个钢筋计，其余5个疑遭损坏），应力状态为受压的有15个，比例高达51.7%。由锚杆的作用机理可知，锚杆的锚固作用是通过发挥杆体材料的抗拉强度来实现的，因此若杆体处于受压状态，则锚杆是起不到锚固作用的。在应力状态为受拉的测点当中，所有测点发挥的功效均在10%以内。所以，通过这些监测数据，可以认为实际当中，绝大部分系统锚杆发挥的作用非常有限 ，或者说完全没有发挥作用。至于在此监测断面内锚杆起不到应有锚固作用的原因，还需要做进一步的研究工作。

表2各监测断面基本概况

6 结 论

通过现场监测手段，对邢汾高速公路隧道Ⅲ级、Ⅳ级一般质量围岩深埋段系统锚杆的受力状态进行了监测，结果显示9根测力锚杆在其内部的大部分测点均承受压力，锚杆承受压力是不能发挥支护作用的。其余少数锚杆测点虽承受拉力，最大实测拉力约为7 kN，但该值仅仅占到钢筋设计拉力71 kN 的10%。由此可见，隧道Ⅲ级、Ⅳ级一般质量围岩深埋段系统锚杆在其监测断面处发挥的承载性能非常有限，几乎起不到应有的锚固作用，可以考虑在今后类似工程当中将系统锚杆进行必要地优化，如取消或部分取消，以降低工程造价。

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Investigation on Efficiency of Rock Bolts for the Surrounding Rockmass with General Quality

WU Hai-wei，HOU Zhe-sheng，JIANG Lei
（School of Civil Engineering，Yantai University，Yantai，Shandong 264000，China）

The engineering analogy method is widely used in the design of supporting parameters for expressway tunnels. However，it is difficult to determine whether the supporting system designed according to this method can maximize its function due to the lack of adequate experimental data.In order to better understand the actual working performance of the bolts in the surrounding rockmass with general quality in highway tunnels，they were installed in four selected sections and the actual stress characteristics of the sections were monitored in Hepingxia and Huangyanzi tunnels of Xingtai section，Xingfen highway.It was found that the internal measurement points of some bolts were under pressure，which deviated from the mechanism that only in tension would the bolts play a supporting role.For the rest of the measurement points in tension，the values of the maximum tension were merely 10%of that in the specification.The results indicate that the rock bolts can not achieve its supporting role in the actual construction.Consequently，optimizing the system rock bolts can be considered in similar projects or under similar circumstances of surrounding rockmass with general quality. Keywords:highway tunnel；rock bolts；on-site monitoring；bearing capacity

U455.48+2

A

1672—1144（2015）02—0152—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.032

2014-10-01

2014-12-30

吴海卫（1989—），男，山东威海人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。E-mail:whwxsyx@126.com