隧道锚喷支护体系拉拔性能及破坏形态试验研究

徐 冲，郭佳奇，赵秋林

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043；3.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000）

锚喷支护技术借助锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用体系，把一定厚度的围岩转变成自承拱，从而有效地加固围岩［1］。锚杆的主要作用是提高围岩的抗变形能力，使围岩成为支护体系的组成部分。其次，混凝土喷层除具有充填黏结作用和封闭作用外，在共同作用体系中还起着更为重要的结构作用。

近年来在新型锚杆开发、锚杆支护受力机制、锚杆锚固体与围岩相互作用等方面取得了大量研究成果。史玲［2］研究了传统喷层条件下围岩性质对喷层结构的影响，并分析了应力控制模式和结构控制模式下喷层的作用。方树林等［3］对井下后喷混凝土受力状态进行了监测，结果表明后喷层在巷道轴向、径向和切向均有应力产生，且外喷层与初喷层的接触压力小于初喷层与围岩的接触压力。项伟等［4］研究了冻融循环条件下围岩与喷层的变形规律和相互作用机理。黄伟等［5］研究发现钢纤维混凝土喷层具有柔性让压功能。托盘在锚喷支护结构体系各部分荷载传递过程中发挥着重要作用。杨更社等［6］将托盘视为受集中力作用的自由边圆形薄板，计算了圆形托盘和围岩之间的相互作用力。王建智等［7］研究了托盘对锚杆内力分布的影响。康红普等［8］采用实验室试验、数值模拟及现场井下监测相结合的方法对托板的应力分布、变形状况及对围岩的支护作用进行了研究。这些研究均是针对锚喷支护整体结构体系中某一承载部分开展，而托盘与喷层间耦合作用下锚杆受力特征的研究十分少见。鉴于此，本文利用自制多功能锚杆受力测试系统，进行不同托盘形式与不同强度素混凝土喷层组合下锚杆拉拔性能试验，分析托盘与喷层耦合作用下锚杆受力状态、喷层破坏特征。试验成果可为锚喷支护的设计与施工提供借鉴。

1 试验系统及方法

1.1 试验系统

自行设计了多功能锚杆受力测试系统，由反力架、锚具、加载装置、测量装置、控制系统、数据采集与处理系统组成，可提供的拉拔力最大可达600 kN、拉拔行程可达300 mm，可模拟锚杆与黏结材料界面、锚固体与围岩界面相互作用，研究托盘与喷层耦合作用下锚杆轴心、偏心受拉力学性能，见图1。

图1 多功能锚杆受力测试系统

1.2 试验材料

采用室内配制的C15、C20、C25 混凝土喷层。水泥采用32.5 级普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径20～35 mm 的碎石；细骨料采用优质河砂，细度模数为2.63，最大粒径不大于5 mm，级配良好，干燥。

锚杆采用左旋带肋高强锚杆，牌号为MG400，长度为3 m，直径为22 mm，屈服强度为400 MPa，极限抗拉强度为540 MPa。试验中采用平板托盘、蝶形托盘、新型托盘3 种托盘形式。其中，新型托盘可利用自身圆鼓外壳形式实现压力让压功能，如图2所示。

图2 试验用托盘

1.3 试验方法与方案

托盘与喷层体系制作方法：拉拔试验采用的混凝土喷层尺寸为500 mm（长）×500 mm（宽）×150 mm（高），将喷层中央预留直径为50 mm 的圆孔作为锚杆锚固预留钻孔。首次浇筑60 mm 作为初喷层，而后浇筑厚度为90 mm 的复喷层，复喷层浇筑时中间紧靠初喷层预留安装托盘的尺寸为160 mm×160 mm的方孔。

拉拔试验方法：首先将加工的可拆卸模具固定在试验系统的一端，模拟围岩的基底、混凝土喷层依次放入模具内锁定，模具对基底和喷层起到约束作用；然后将锚杆通过预留孔锚固在拉拔端和喷层端，其中拉拔端为锚固端，采用直径为21 mm 的球形锚具锚固。锚喷支护体系安装就位后，在规定的试验条件下进行试验，并记录拉拔荷载和锚杆伸长量。当加载系统达到最大行程或喷层严重破坏或锚杆尾部破坏时停止试验。本文共进行3 种托盘和3 种强度喷射喷层组合下的9组拉拔试验。

图3 不同组合下锚杆应力与应变关系

2 不同情况下锚杆拉拔力位移

托盘和混凝土喷层不同组合情况下锚杆拉拔力—变形关系曲线见图3。

由图3可知：①托盘与素混凝土喷层耦合下的锚杆拉拔力与伸长量关系曲线具有大致相同的变化趋势，曲线可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段3 个阶段，且每阶段特征十分明显。②相同托盘形式时，混凝土喷层本身强度对锚杆屈服强度影响不大。混凝土喷层强度对线性弹性阶段的锚杆刚度有明显的影响，该阶段锚杆刚度随混凝土喷层强度的增大而增大。如采用蝶形托盘时，混凝土喷层强度由C15提高至C25，锚杆刚度随之由4.45 MN/m 增大到4.86 MN/m；反映出锚喷支护中过高的混凝土喷层强度不利于围岩压力释放和自身承载能力的发挥。③相同混凝土喷层强度时，平板托盘条件下的锚杆拉拔曲线在线性弹性阶段的曲线斜率高于蝶形托盘和新型托盘，故平板托盘不具有让压功能，不利于锚喷支护体系弹性阶段的充分发展，进而影响隧洞开挖初期围岩应力释放。④采用平板托盘时，随混凝土喷层强度的增加锚杆屈服强度变化不大，屈服平台宽度均为42 mm；但屈服时的绝对伸长量随混凝土喷层强度的增加而略微延长。⑤采用蝶形托盘时，不同混凝土喷层强度锚杆屈服状态时的伸长量和屈服强度基本相同，但随混凝土喷层强度的降低，屈服平台宽度逐渐增长。说明蝶形托盘条件下混凝土喷层强度的提高不利于锚杆的让压。⑥采用新型托盘时，锚杆屈服强度随混凝土喷层强度的增大先增大后减小，C20 时锚杆屈服平台宽度达到47 mm，进入屈服状态时不同混凝土喷层强度下锚杆的伸长量基本相同。

3 托盘与喷层耦合作用下喷层应变

C20 素混凝土喷层与3 种托盘不同组合情况下喷层应变与锚杆拉拔力的关系曲线，见图4。

由图4可知：①混凝土喷层的应变随着锚杆拉拔力的增加而增大；在钻孔周围，加载后期混凝土喷层表现出明显的屈服特征。②在相同拉拔力、应变监测点距钻孔形心相同距离条件下，初喷层与围岩接触面处比初喷层与复喷层接触面处应变稍大。说明初喷层与围岩接触面应力大于初喷层与复喷层接触面应力，且同一层面上的应变片，距离钻孔越远处应变越小。③采用新型托盘时，复喷层外表面钻孔外20 mm处曲线斜率局部突增。随荷载增加，新型托盘发生变形，对喷层产生压力，阻止应变增大，体现出限制喷层过度变形的性能。

图4 喷层应变-锚杆拉拔力关系曲线

4 不同情况下的喷层破坏形态

素混凝土具有明显的脆性，且随着其强度的增大脆性愈加明显，即在托盘传递来的荷载作用下喷层表面裂纹由微裂纹迅速发展成裂缝、长裂缝、宽裂缝直至贯通喷层表面。以C20素混凝土喷层为例，托盘与喷层耦合作用下锚杆轴心拉拔试验中喷层的破坏形态见图5。

图5 C20素混凝土喷层破坏形态

由图5可知：①平板托盘、蝶形托盘与素混凝土喷层耦合作用下喷层破坏特征基本相同，裂纹由初喷层钻孔周边向喷层四周及复喷层延伸，直至喷层破坏，裂纹呈以钻孔为中心向外发散的辐射状。②新型托盘与素混凝土喷层耦合作用下，裂纹在初喷层上以钻孔为中心向外单轴辐射，复喷层上裂纹贯通于一个方向。这是由于托盘随着锚杆拉拔力的增大而发生变形，对喷层产生一定的压力，阻止其裂纹的产生，说明新型托盘有阻止喷层破坏的功能。

5 结论

1）混凝土喷层强度对锚杆屈服强度影响不大，但对弹性阶段的锚杆刚度有明显的影响，该阶段锚杆刚度随混凝土喷层强度的增大而增大。

2）平板托盘条件下，锚杆的屈服强度受混凝土喷层强度影响不大，但锚杆进入屈服时的伸长量随混凝土喷层强度的增加而略微增大；蝶形托盘条件下，屈服平台宽度随混凝土喷层强度的降低逐渐增加；新型托盘条件下，进入屈服状态时不同混凝土喷层强度下锚杆的伸长量基本相同。蝶形托盘和新型托盘具有让压性能。

3）采用平板托盘和蝶形托盘时，裂纹呈以钻孔为中心向外发散的辐射状；采用新型托盘时，裂纹在初喷层上以钻孔为中心向外辐射，复喷层上裂纹贯通于一个方向，在一定程度上表现出阻止喷层破坏的性能。