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系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨


第5卷增刊2 2009年12月

地下空间与工程学报
Chinese

、b1.5

Journal of Underground Space and Engineering

Dec.2009

系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨。


/>鑫1,张庆贺1,刘小兵2

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;
2.中南大学土木建筑学院,长沙410075)

摘要:系统锚杆的设置多以工程类比为基础,辅以数值分析方法,本文采用有限差分软 件FLAC邛,通过有无锚杆的对比计算,得出不同工况下喷层内力、二次衬砌内力、围岩塑性 区、洞室周边位移,以及锚杆内力,并结合现场量测结果,对系统锚杆的作用性进行了积极的探 讨。研究结果表明,在隧道衬砌周围不同位置安设的锚杆,其作用性不尽相同,中墙顶内力较 小,基底锚杆主要承受压力;锚杆的设置不能明显降低衬砌内力以及改善塑性区分布;按目前
设计方法设置的系统锚杆存在着较大的浪费。

关键词:系统锚杆;锚杆效应;数值模拟;大跨度连拱隧道
中图分类号:U452 文献标识码:A 文章编号:1673—0836(2009)增2—1488—05

The Effects of Systematic Bolts in Large Span and Double--arch Tunnel
WANG Xinl.ZHANG Qing—hel.LIU Xiao-bingz

1.研Laboratory of

Geotechnieal and

Underground Engineering ofMinistry矿Education-ton#Utdversity-
Engineering-Cemral
on

Shanghai 200092.China;2.School

of

Civil and Architectural

South‰妨.Changsha
Di虢删Software
in top of the

410075-Ch/na)

Abstraa:The setting of systematic belts is is also

mosdy based

the

engineering

analogy and the numerical analysis

adopted.In this paper。combined with in—situ monitoring data-the effect of systematic belts is actively dis?
two

cussed by contrasting

diffe碑m cas铭with using。or
0f inner force

not

using belts via the Finite

FLAC

2D.

Numerical calculation results
were the lower illner

within lining and belts.plastic z∞es.deformations in rock and lining
Call

presented.From the numerical
force.the belts

results-it

be found that

belts

which

were set

middle wall have
reduce the

under middle

wall

or

side wall mostly bear

pressme;belts咖not
to

lining

inner force distinctly

and

impmve

the plastic霜M瞄in surround rocks;according
waste.

the present design

method。the

systematic belts a∞designed

with

Keywords:systematic belts;belt

effect;numerical simulation;la弹span

and double—arch tunnel



引言
大跨度连拱隧道的结构特点异于常规单洞隧

一直以来,对系统锚杆的作用性都是很肯定 的,认为它的作用可以归纳为三大效应,即悬吊效 应、组合梁效应和挤压加固效应。悬吊效应是指锚
杆将隧道洞壁周围不稳定的岩体固定在深层的稳

道,不仅跨度大,而且在施工过程中不可避免地会

出现单跨偏压现象;为策安全,隧道的开挖分块多, 工序复杂。在这样的结构型式与开挖方式中,系统 锚杆起着怎样的作用。有必要进行研究。

定岩体上,这是最基本的锚杆作用,不论是系统锚 杆还是局部锚杆都具有此效应;系统锚杆可将成层
岩体串联在一起,增大层问摩擦力,以发挥组合梁

?收稿日期:2009-09-30(修改稿) 作者简介:王鑫(1984一),男,甘肃陇西人,博士研究生。主要从事地下工程研究。E—nlail:gongxiwangxin@tom.
com


万方数据

2009年增刊2

王鑫,等:系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨

1489

效应;系统锚杆在隧道周边呈放射状布置,能够在

算模型,而对于系统锚杆的作用,除悬吊效应外,都 不能反映组合梁效应和挤压加固效应,这是在结果 分析中应该注意到的。
2.1 FLAC

洞周形成连续压缩带,增加了围岩的稳定性。从而
体现出挤压加固效应。后两种锚杆效应仅体现于 系统锚杆¨’2J。 然而,在诸多隧道施工监测实例中,发现锚杆 内力的实际量测值并不大,很少超过30kN,这与 120kN的设计值相差较大(75%的富余量),而小 的甚至不到lOkN,这种现象在常规隧道中很普遍, 但在连拱隧道中情况是否相似,有待研究。由于连

2D中锚杆单元的力学模型

在锚杆的计算模型中,每根锚杆都被分为许多
个长度为L的段,并且在每个段的末尾都有节点。’

各个分段的质量都集中在节点处。通常在分析锚 杆单元模型受力形态时,一般将其作为可承受轴向 拉(压)力而不能承受弯矩的弹性或理想塑性材料
来处理。图l为锚杆的力学模型【3。J。 2.2相关公式

拱隧道数量少,故关于系统锚杆作用的研究报导不
多,尤其是大跨度(单洞三车道及以上)连拱隧道 的研究就更少。

如图l所示,采用位于节点处的弹簧一滑块系
统来描述水泥浆加固圈的剪切行为。在锚杆与水 泥浆交界面及水泥浆和围岩交界面上产生相对位 移时,水泥浆加固圈的剪切力可由水泥浆剪切刚度 表示为下式:



长期以来,虽然关于系统锚杆内力量测值偏小 的报导不断见诸于一些文献,但设计依然大多按工
程类比进行,没有多少改变。同时,关于锚杆拉力

的设计值是上世纪80年代末提出来的,至今近二 十年没有改变过,如果设计参数确有值得修改之处
而没有修改,则造成的浪费是惊人的。本文通过数

芋=‰(Ⅱ。一Ⅱ。)
面的轴向位移;L为有效锚固单元的长度。

(1)

值模拟计算和现场量测的综合分析,希望能对系统
锚杆在大跨度连拱隧道中的作用给出有意义的结 论。

式中:F.为水泥浆体内产生的剪切力;KⅧ为水泥
浆的剪切刚度;u。为锚杆的轴向位移;u。为岩土界 (U。一u。)是锚杆与岩土界面之间的相对轴向

2锚杆数值计算的一般方法
目前,各种大型通用工程计算软件都被应用在 隧道工程设计与计算中,比如2D一仃、ANSYS、
ABAQUS、FLAC 2D等等。在不同的软件中,模拟锚 杆的计算单元也不尽相同,下面对此作一简要介 绍。 在ANSYS软件中,LINK8单元是有着广泛工 程应用的杆单元,可以用来模拟桁架、缆索、连杆、

位移,(U。一u。)与水泥浆剪切刚度K州之积就是
单位长度内锚杆所承受的剪切力。
水泥浆的剪切刚度由下式确定:
,,

‰耐4而可n丽
2省rG

,.、

【z)

式中:G为水泥浆的剪切模量;D为钢筋的直径;t
为水泥浆环带厚度。即,水泥浆的剪切刚度取决于 钢筋直径、水泥浆环带厚度、水泥浆剪切模量等因 素,并且与水泥浆的剪切模量呈正比关系。

弹簧等等,因此模拟锚杆的计算单元通常采用 LINK8单元。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压 单元,不承受弯矩,具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚 化、大变形、大应变等功能。在ABAQUS软件中,
采用2节点平面线性梁单元B2 1来模拟锚杆单元,

该单元允许剪切变形,并考虑了有限轴向应变,适
合模拟细长梁以及短粱。而在FLAC20软件中,则

不需要采用梁单元或者杆单元来模拟锚杆的作用 效果,可以直接采用软件中提供的锚杆单元来模 拟,并且可以直接算出隧道各个部位的锚杆内力, 并绘制锚杆内力图,给工程设计带来很大的方便,
因此,本文采用FLAC 2D软件进行计算。
图l 基于浆体材料全长锚固剪切强度的锚杆力学模型
Fig.1 Conceptual mechanical model of fully

bonded

reinfo唧ent

considering

the shear

behavior

of the grout annulus

但不管是哪种软件,考虑的都是单根锚杆的计

万方数据

1490

地下空间与工程学报

第5卷

3工程算例与分析
本文以吴家庄双跨连拱隧道为例,采用相应的 数值计算模型,运用有限差分软件FLAC2D进行计 算,模拟考虑设置与不设置锚杆两种工况,分别给
出喷层内力、二次衬砌内力、围岩塑性区、洞室周边

对喷层的安全度没有多大影响。
表1各部喷层最大剪切力比较表
Table l

Comparison of shear stress in shotcrete lining

受力部位

位移以及锚杆内力,并进行对比分析。
3.1隧道概况 3.1.1工程地质与水文地质

吴家庄隧道位于河南南阳宛平高速公路上,全
长340m,是一座单洞三车道的大跨度双连拱隧道,


剪切力(kN) 无锚杆 有锚杆 差值(%)

开挖总跨度为31.2m。进出口为全一强风化细砂
岩夹泥岩,岩体完整性一般,围岩分级为V级;洞身

段为弱风化细砂岩夹泥岩,岩质较新鲜,岩体完整
性较好,围岩分级为Ⅲ级、Ⅳ级。

3.1.2隧道衬砌结构设计 该隧道衬砌结构按照工程类比法设计,喷射混 凝土厚度为12em,二次衬砌厚度为35cm,中墙厚 度为150cm;系统锚杆沿边墙和拱圈设置,采用全
长粘结型锚杆,直径25mm,长度3.0m,间距100cm
×100emo

3.3二次衬砌受力分析

见表2,在无锚杆工况下,二次衬砌轴力比有 锚杆工况下为大,但二者的最大差值不足5%;在 左洞右拱脚,即靠近中墙顶处,轴力值最大,但是其 值变化幅度最小,仅为0.59%。同样,二种工况下 的弯矩差值亦不足6%;尽管仰拱中部轴力及弯矩 变化幅度较大,但是其内力值相对其他部位均较 小,可见,锚杆的设置与否对二次衬砌的影响也很
小。 3.4洞室周边位移分析

3.1.3施工方法 该隧道在Ⅳ级围岩段采用中导洞法施工,其主 要施工工序为:①中导洞开挖;②中隔墙浇筑;③ 左、右洞上台阶开挖、支护;④左、右洞下台阶开挖、 支护;⑤左、右洞施作仰拱及仰拱回填;⑥左、右洞 模注混凝土二次衬砌。

由表3可知,除仰拱中部隆起值外,有锚杆工 况下的洞室周边位移均小于无锚杆工况,说明锚杆 在控制周边位移中发挥了作用,但其变化值最大不
超过0.1lmm(仰拱中)。至于仰拱中部隆起值,是

.∥i

蝗 下台群 仲拱

型雩≥年

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下台膏

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有锚杆工况下为大,但由于仰拱底部并没有打锚 杆,所以不宜作比较;或者因边墙与拱圈都设置了 锚杆,约束了周边位移,使得位移由底部释放,从而
大于无锚杆工况,也是有可能的。 3.5围岩塑性区分布

仲拱——./

图2连拱隧道中导洞施工法分块简图

№.2

The sequence of sllield tunneGng procedure

计算表明,围岩塑性区主要分布在中墙顶部和 底部、仰拱底部、两侧边墙、及边墙墙脚处。在无锚 杆工况下,中墙顶处塑性区及边墙处塑性区均有放 大,在中墙底部和仰拱下部,塑性区变化很小。这 说明在Ⅳ级围岩条件下,系统锚杆对抑制围岩塑性
区的扩展作用不大。 3.6锚杆受力分析

3.2喷层受力分析

将设置与不设置锚杆两种工况下喷层的剪切
力值列于表1。

由表1可知,不设置锚杆时,喷层剪切力比设 置锚杆时,各部差值仅为一1.92kN~1.05kN,最大
差值不超过4.5%。可见,设置锚杆并不能起到减 小喷层剪切力的作用。由于喷射混凝土支护的破 坏形式主要是剪切破坏,因此可以认为,系统锚杆

在有锚杆工况下计算出锚杆的内力,列于表 4。可知,锚杆受力均较小,最大值不超过18.6KN.

万方数据

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王鑫,等:系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨

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根据《公路隧道设计规范》,锚杆杆体极限抗拉力
不小于120KN,显然二者的差距过大,远不足以发

挥锚杆的潜能。

表2隧洞各部二衬最大轴力及弯矩比较表
Table 2

Comparison of maximum internal force in secondary lining

表3隧洞周边位移比较表
Table 3

墙顶锚杆受力最小,这与设计初衷有所出入。
一般认为,中墙顶是连拱隧道最为薄弱的地方,这 里的围岩受到的扰动次数最多,应该设置锚杆予以

Comparison

of

deformation in surrounding rock

加强。但经仔细分析后可以得出另一种结论,即由 于中导洞的开挖跨度小,导洞周围岩体在开挖过程
中不会有大的扰动,在临时锚杆支护作用下处于稳 定状态,随着中墙做好后形成支承作用,导洞顶部 围岩的位移接近于消失,虽然左右洞的开挖会对它 产生扰动,但只要中墙顶与围岩之间充填十分密

∥上古瞬塞 J__一一
"Fruit


仲拱

实,这种扰动就不会产生多大的作用。可以认为, 中墙顶锚杆受力最大的阶段应该是在中墙施作之

i=±,

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前,因此锚杆只要能保证中导洞阶段洞顶围岩的稳
定就可以了,而如果中导洞不需要锚杆,则可考虑 取消[6-9]。

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仲迸

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基底锚杆设置在中墙底及边墙底,通过计算和 量测结果可以得知,这里的锚杆承受的是压应力,

图3两种工况下围岩塑性区比较图
Fig.3 Surrounding rock plastic of different

ca嘲

而锚杆的设置主要是为了发挥其抗拉性能,对抗压 起的作用并不大。如果需要控制中墙及边墙底部 的沉降,建议取消锚杆,改用基底注浆为宜。

表4隧洞锚杆受力比较
Table 4

Comparison of internal force In blots

锚杆轴力(kN) 受力部位 左洞 拱部 边墙 中墙顶 基底
7.5_10.5

4现场量测结果及分析
每根测试锚杆上安装3个应力计,位置分别为 锚杆的两端及中点。量测表明,锚杆轴力在开挖分 部的影响下发生变化.以拱部锚杆为例,轴力大致
有三个变化阶段,见图4。

右洞
8.6~13.2 lO.1一18.6 <1.0

9.3-15.3

1.5—6.0(受压)

第1阶段为在拱部锚杆施作后的7、8天之内,
轴力呈直线增长且速率很大,此阶段结束后的轴力

万方数据

1492

地下空间与工程学报

第5卷

4 O 35
,、

对双跨连拱隧道结构稳定性的影响不大。 (2)从中墙顶部锚杆的实际功能考虑,其作用

3 O 2 5


-●

翅 2O 番
、一

冈 I—L5l


性十分有限,除非中导洞本身需要,否则建议取消。
(3)基底锚杆主要承受压力,不能发挥其抗拉

l 5

R l0 霹
O0

b国
11月5日 11月27日

性能,不尽合理,建议取消。事实上,一旦仰拱形成 支护,隧道结构的沉降就会终止。在此之前,如果 担心墙底沉降,仍以基底注浆更为有效。

O 5

10月14日

ZK208+640拱顶

参考文献: [1] 陈宇.大跨度双连拱隧道施工方法对结构稳定性的 影响分析[D].长沙:中南大学,2007.
cxtvel-n

图4左洞拱顶锚杆轴力与时间变化曲线
Fig.4 Internal force of arch bolts
at

left

约为最终轴力的60—80%;在第Ⅱ阶段,约20天 的时间内,轴力增长速率逐渐变缓慢;第Ⅲ阶段为

[2]彭立敏,刘小兵.交通隧道工程[M].中南大学出版 社,2005. [3]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北 京:人民交通出版社,2005. [4]郑颖人.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京:中 国铁道出版社,1988.

逐渐稳定期,直到二次衬砌施筑到此断面约5m
时,轴力基本稳定。

测点锚杆最大轴力为3.8kN,约为计算值的 1/3,不及杆体极限拉力的3%,虽然不排除被量测 锚杆施作不规范及仪器误差等因素,但锚杆实际受
拉强度偏小还是可以定性的‘10。31。

[5]邶070—2004,公路隧道设计规范[S].北京:人民
交通出版社,2004. [6】刘招伟,何满潮,等.浅埋大跨连拱隧道施工中变形 的监测与控制措施[J].岩土工程学报,2003,25 (3):339—342. [7]董文德,高波,申玉生.高速公路双连拱隧道施工监 控量测及分析[J].现代隧道技术,2006,43(3):41一 “. [8]赵俭斌,易南概,高德山,等.承压拱在隧道喷锚支护 参数优化设计中的应用.哈尔滨工业大学学报, 2003,35(6):677—679. [9] 陈耕野,刘斌,万明富,等.韩家岭大跨度公路隧道应 力监测分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24 (supp2):5510-5515. [10]易萍丽.现代隧道设计与施工[M].北京:中国铁路 出版社,1997.

分析认为,数值计算只能反映锚杆的悬吊效
应,而量测值反映的是三大效应综合作用后的锚杆

值,二者的前提有所不同。由于组合梁效应和挤压 加固效应能大幅提高围岩的承载力,因而使得在实 际中,单根锚杆的悬吊效应减弱,致使计算值大于 量测值是合乎情理的。如果说,二者的差值就反映
了组合梁效应和挤压加固效应,就应该将这种差值 通过深人研究后,反馈到计算模型中去。

总的来说,计算值与量测值尽管有较大的差 异,但都反映出锚杆有相当大的富余量,为能否减
少或改变系统锚杆的设置提出了问题。

5结论
(1)数值分析表明,在Ⅳ级围岩中,锚杆对喷
层剪切力、二次衬砌内力、洞室周边位移以及围岩

【11]

李明,徐林生.娄山关隧道锚杆轴力分布型式及力 学机理研究[J].公路隧道,2005,(52):10一14.

【12]蔡小林,赵德安.隧道计算中隧道计算中模拟锚杆 作用的探讨[J].兰州交通大学学报,2004,23(1):
10一14.

塑性区的影响均很小;而且计算出的锚杆内力也较 /b(最大值18.6kN),量测结果也反映出锚杆的内 力值很小(不大于4kN)。由此可以初步得出结 论:在这类围岩中,按本设计参数布置的系统锚杆

[13]姚显春,李宁一,陈蕴生.隧洞中全长粘结式锚杆 的受力分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24 (13):2274—2276.

万方数据

系统锚杆在大跨度连拱隧道中的作用性探讨
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 王鑫, 张庆贺, 刘小兵, WANG Xin, ZHANG Qing-he, LIU Xiao-bing 王鑫,张庆贺,WANG Xin,ZHANG Qing-he(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 ,200092), 刘小兵,LIU Xiao-bing(中南大学土木建筑学院,长沙,410075) 地下空间与工程学报 CHINESE JOURNAL OF UNDERGROUND SPACE AND ENGINEERING 2009,5(z2) 0次

参考文献(13条) 1.陈宇 大跨度双连拱隧道施工方法对结构稳定性的影响分析 2007 2.彭立敏.刘小兵 交通隧道工程 2005 3.刘波.韩彦辉 FLAC原理、实例与应用指南 2005 4.郑颖人 地下工程锚喷支护设计指南 1988 5.JTG D70-2004.公路隧道设计规范 2004 6.刘招伟.何满潮.肖红渠 浅埋大跨连拱隧道施工中变形的监测与控制措施[期刊论文]-岩土工程学报 2003(3) 7.董文德.高波.申玉生 高速公路双连拱隧道施工监控量测及分析[期刊论文]-现代隧道技术 2006(6) 8.赵俭斌.易南概.高德山.吴桂森 承压拱在隧道喷锚支护参数优化设计中的应用[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报 2003(6) 9.陈耕野.刘斌.万明富 韩家岭大跨度公路隧道应力监测分析 2005(supp2) 10.易萍丽 现代隧道设计与施工 1997 11.李明.徐林生 娄山关隧道锚杆轴力分布型式及力学机理研究 2005(52) 12.蔡小林.赵德安 隧道计算中提高围岩参数模拟锚杆作用的探讨[期刊论文]-兰州交通大学学报 2004(1) 13.姚显春.李宁.陈蕴生 隧洞中全长粘结式锚杆的受力分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2005(13)

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