浅谈黄土隧道中的锚杆

张祺

【摘 要】黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是工程设计与施工人员争议的焦点，本文对锚杆的作用与使用进行了简要阐述。

【关键词】黄土隧道；锚杆；施工方法；技术

0 引言

锚杆是地下工程的主要支护手段之一。20世纪60年代末期，随着新奥法的发展以及全长黏结锚杆的出现，锚杆的使用范围也不断扩大，许多国家都在锚杆的作用机制和支护效果上进行了大量的研究，提出了锚杆的悬吊作用、组合梁作用、成拱作用、销钉作用与支护作用等作用机制。我国的从事隧道工程的设计和施工人员也不断的摸索，探究，取得了不少成果。锚杆可以分为对于硬岩，锚杆可以起到保持岩块和控制岩块的移动，使围岩成为一整体，促进平衡拱形成的作用；对于软岩，锚杆的作用效果是增加内压，以减小围岩塑性区和隧道变形；对于土沙类围岩，锚杆的作用效果主要是加强拱脚稳定和防止掌子面崩塌。

关于黄土的工程特性、黄土隧道的设计与施工技术、黄土地层锚固机制以及黄土隧道系统锚杆的效果作用，国内都进行过深入研究，基本基于两种观点：一是认为黄土隧道的系统锚杆对隧道初支的稳定性不起作用，可以取消；另一种观点认为锚杆对隧道初支的稳定性能够起到一定的作用，应该设置，目前为止，很多设计院都趋于保守的观点，黄土隧道都设计有边墙及锁脚处的系统锚杆。

笔者认为系统锚杆在边墙及锁脚的锚杆应该保留，在黄土隧道中的作用尤为重要，应该设置。

1 黄土隧道中锚杆设置的理论基础

1.1 针对黄土隧道基底承载力低、侧应力较大、湿陷性等特点，施工时严格执行“管超前、短开挖、强支护、早封闭、快成环、紧仰拱、勤量测、速衬砌”的施工原则，仰拱紧跟掌子面施工，以有效控制拱顶下沉和控制围岩变形，保证隧道施工安全。而现在国内主要的隧道开挖方法是新奥法，而新奥法的主要支护手段就是锚喷支护，锚杆的设置在里边起到关键作用。

1.2 目前，黄土隧道采用由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护结构非常合理，钢架可以和伸入到围岩内部的锚杆焊接，共同受力，主动加固围岩、充分利用围岩承载力。

1.3 黄土隧道中锚杆支护的效果提高了围岩的弹性模量 E，黏聚力 c 和内摩擦角φ。对土体的稳定性发挥更大的作用。

1.4 锚杆和砂浆在黄土中的作用就如在地基中的地梁，能控制土体的局部变形，维持围岩的稳定。

1.5 目前在黄土隧道施工过程中，通常采用的支护顺序是：开挖→初喷射混凝土→立钢架→挂设钢筋网片→安设锚杆→喷射混凝土达到设计厚度，由于安设锚杆在架立钢架之后，能和初支的钢筋网和钢架形成整体，可有效控制边墙土体变形和喷射混凝土的开裂，还可在仰拱浇筑前控制钢架的下沉。

2 黄土隧道中锚杆受力分析

2.1 黄土隧道中系统锚杆的作用机制

2.1.1 锚杆对不稳定岩体有很好的加固效果。在岩石隧道中，锚杆一端要锚固在稳定的岩体中，即要有锚固段，而另一端与不稳定的围岩黏结在一起可产生共同变形，起到锚固作用。

2.1.2 借助于锚杆灌浆料与填土间的摩擦力来提高土体的抗剪强度，从而保证土体平衡。

2.2 黄土隧道中系统锚杆的力学状态分析

2.2.1 下面从土体的变形分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态。黄土隧道开挖后，周围土体要产生变形，其中包括：

（1）土体应力状态发生了变化，产生了弹性、塑性、黏性变形。

（2）采用型钢钢架支护时，其背部混凝土喷射不到，存在空隙，诱发了土体下沉。

（3）施工过程中，土体被扰动后，后期产生压密沉降。

（4）地下水位线以下的隧道，开挖后地下水要向隧道位置迁移，地下水位降低，土体中有效应力增大，土体会产生次固结沉降。

隧道开挖后，由钢架、系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土形成的组合结构共同抑制土体的变形。在初期支护施作后，相对于土体的后续变形，锚杆是固定不动的，因此在浅埋黄土隧道或塑性区大的深埋黄土隧道，拱部系统锚杆受到了土体向下的摩阻力，相当于桩承受负摩阻力，因而拱部系统锚杆受压。

所以由于黄土的自稳定性差，尤其在拱顶部衬砌喷射混凝土不能密贴围岩，所有拱顶部位黄土的塑性变形区域较大，再加上拱顶部位锚杆施工工艺所限，注浆一般不饱满，拉拔力一般不大，所以拱顶部位的锚杆作用效果不会太明显。

2.2.2 土体工作时，土和锚杆一起承受外部和内部的荷载，由于土与锚杆之间的摩擦作用，将土中的应力传递给锚杆，而锚杆所产生的拉应力抵抗了土体的水平位移，就好像在土体中增加了一个内聚力，从而改进了土体的力学特性。因此，土与锚杆间的摩擦作用是土体能否稳定的一个重要因素。

假设锚杆与浆体间界面粘结非锚固系统薄弱面，而浆体与岩土体界面才是锚固系统的薄弱面。根据文献[1]给定的公式Pmax=τp■Q2分析，边墙处的系统锚杆的拉拔力由所用灌浆体与土体的极限粘结应力τp（土体与锚杆浆体的极限粘结力）决定的。

3 结论

研究了黄土隧道中锚杆的支护效果及机制，得到以下主要结论：

1）拱顶部位锚杆作用不大，由于国内的施工工艺所限，可以取消；

2）边墙处的锚杆必须安设，以便维持围岩的稳定，且要优化施工工艺，严格控制成孔工艺，选择更适合黄土灌注浆液，以便加大与土体的锚固，同时固结土体，以保证围岩稳定，切不可一味只最求进度，忽略质量，给工程质量留下隐患。

【参考文献】

[1]魏新江，张世民，危伟.全长粘结式锚杆抗拔力计算公式的探讨[J].岩石力学与工程学报，2006（7）.

[责任编辑：丁艳]