贵州李家寨隧道系统锚杆作用效果试验研究

施正宝，李献民，陈保祥

(1.中交一公局集团有限公司贵州沿印松高速公路总承包项目部，贵州 松桃 554100； 2.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 100024)

系统锚杆植入岩体后，锚杆、喷射混凝土、围岩融合成为整体共同作用，发挥悬吊、挤压、支承、减跨、加固及组合梁等作用，使围岩形成一定厚度的自承拱，从而达到改善围岩受力状态、提高围岩力学性能及围岩稳定性。然而，隧道工程界对于隧道系统锚杆功效的认识存在较大分歧，对于土质隧道中系统锚的作用就存在截然不同的观点[1-6]：一种观点认为，隧道设置系统锚杆可减小地表沉降和围岩变形，具有较高安全性能和较好支护效果，特别是边墙锚杆能发挥较好的支承和约束作用。而另一种观点则认为，设置施作系统锚杆延误了初期支护最佳时机，增大了围岩变形量，系统锚杆作用效果不明显；相反，取消系统锚杆后隧道初期支护结构变形和受力工作状态良好，且取消系统锚杆提质增效降造显著。实际工程如哈尔滨绕城高速天恒山隧道Ⅵ级围岩、吴堡-子洲高速刘家坪 3号黄土隧道Ⅳ级围岩段、郑西客运专线黄土隧道群等软质围岩系统锚杆作用效果未能达到预期支护效果，反而增加了施工难度及投资成本，系统锚杆的施作工序较长会加剧围岩扰动，造成围岩暴露时间过长不利于围岩稳定[7-11]。常聚才等[12]认为，锚杆支护耦合作用能改善巷道周边围岩力学状态，有效控制巷道围岩变形，随着锚杆直径的增加、间排距的减小、锚杆长度的增大以及锚杆弹性模量的增大，巷道围岩变形明显减小，巷道周边围岩应力增大。刘晓明等[13]基于锚杆荷载传递特性的理论研究得出自由段长度小于5 m的锚杆不适用于岩层锚杆的结论。汪班桥等[14]对土层锚杆抗拔模型试验研究得出，黄土地层中的预应力锚杆的锚固力会随着地下水的降低消散迅速消失。申志军等[15]通过初期支护组合形式有效性现场试验研究，得出土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中系统锚杆无明显作用的结论。

本文以贵州沿印松高速公路李家寨隧道为依托工程，在典型软质围岩地段设置有、无系统锚杆对比试验段，对隧道围岩与支护结构受力及变形现场试验监测，研究隧道系统锚杆作用机制及作用效果。

1 对比试验段设置概况

1.1 试验段工程概况

(1)隧道工程概况

贵州沿印松高速公路李家寨隧道进口位于贵州省印江县天堂镇李家寨村，出口位于印江县合水镇新场村。李家寨隧道设计为分离隧道，轴线呈弧线形，隧道左线长4 552 m，最大埋深647 m，右线长4 486 m，最大埋深658 m；隧址区海拔高程在656～1 346 m之间，属于中低山丘陵地貌区。

(2)试验段地质条件

有、无系统锚杆对比试验段设置在李家寨隧道右洞，里程号K53+200～K53+400，埋深220.0～308.3 m。隧道围岩为中风化泥岩、砂岩互层，泥质结构，中厚层状构造，岩芯呈破碎状，围岩呈镶嵌碎裂结构，自稳能力差，地表水及地下水缺乏。围岩天然密度2.68 g/cm3，黏聚力0.5 MPa，内摩擦角25°，承载力基本容许值1 000 kPa，单轴饱和抗压强度10～28 MPa，属IV级软质围岩。

(3)隧道衬砌结构初期支护设计参数

I14型钢拱架间距100 cm；Ø6.5钢筋网间距25×25 cm；Ø20药卷系统锚杆(衬砌中线两侧各100°)长度为3.0 m，间距为100 cm×120 cm(纵×环)，梅花形布置；20 cm厚C20喷射混凝土。

1.2 试验段测试断面设置

(1)测试断面设置：如图1所示，在Ⅳ级围岩中设置对比试验段各45 m，有、无系统锚杆试验段各布置3组监测断面，试验段相邻测试断面基准间距定为15 m，试验段测试断面设置情况详见表1。

图1 试验段地质纵断面示意图Fig.1 Geological profile of the test section

说明：(1)图中数字为测试项目设置测点位置及编号 (2)测试项目：围岩压力、钢架内外应力、锚杆轴力 (3)施工系统锚杆试验段测试锚杆轴力图2 测试断面测点布置示意图Fig.2 Arrangement of measuring points on test section

(2)受力监测：如图2所示，对隧道初期衬砌围岩压力、钢架内外力、锚杆轴力进行监测，以获得初期支护结构受力实测数据。在隧道测试断面拱顶、拱肩、拱腰、拱脚特征受力位置布置测点，各测试项目尽可能布置同一断面设计测点位置。围岩压力测点布设在围岩与初期支护之间，采用JTM-V2000D土压力盒；钢拱架内外应力测点布设在钢拱架内外侧，采用JTM-V5000G型振弦式应变计；锚杆轴力测点1、测点2、测点3、测点4分别布置在测力锚杆上1.0，1.5，2.0，2.5 m位置，采用JTM-V1000系列振弦式锚杆测力计。

(3)变形监测：如图3所示，对拱顶下沉和净空收敛进行监测，以获得隧道围岩变形实测数据。与受力测试断面相对应，共设置6个变形监测断面。拱顶下沉采用全站仪量测A点垂直变形，净空收敛采用收敛计量测水平测线变形。

图3 变形测点测线布置示意图Fig.3 Layout of the deformation measuring points and line of the test section

2 围岩与支护结构受力和变形分析

试验段受力及变形监测是从初期支护钢架设完成至二次衬砌浇筑成型后基本趋于稳定过程，并对试验段测试数据进行统计分析，以研究围岩与初期支护结构受力和变形的变化趋势。

2.1 围岩与初期支护压力分析

图4为有、无系统锚杆对比试验段围岩压力历时曲线，图中未体现数据的测点已损坏。图4中围岩压力呈现出如下特征：

图4 试验断面围岩压力历时曲线Fig.4 Rock pressure duration curves of the test sections

(1)各断面测点围岩压力总体变化趋势一致，喷射混凝土施工完成后早期(一般是8 d左右)围岩压力增长较快，之后增长速度变小并趋于稳定。

(2)各断面测点围岩压力很小，围岩压力分布在0～0.307 MPa之间，试验段最大值0.307 MPa。

(3)围岩压力最大值分布位置未呈现出明显规律性，最大值分布位置呈随机性，可能是由隧道轮廓超欠挖分布位置的随机性以及初期支护结构与围岩密贴程度不同造成的。断面I拱顶最大值0.117 MPa，断面II左拱肩最大值0.19 MPa，断面III左拱肩最大值0.175 MPa，断面IV左拱脚最大值0.022 MPa，断面V右拱肩最大值0.169 MPa；断面VI左拱腰最大值0.307 MPa。

(4)测试结果表明，各断面测点围岩压力随时间波动比较大，有系统锚杆试验段实测数据略大于无系统锚杆，可能是由于施作系统锚杆工序耗时导致围岩裸露时间过长，引起围岩整体塑性区扩大，围岩松驰变形较大造成的。

2.2 钢拱架内外应力分析

图5为有、无系统锚杆对比试验段钢拱架内外侧压力历时曲线，图中未体现数据的测点已损坏，钢架内外应力正值代表受拉，负值代表受压。钢架内外侧压力呈现出如下特征：

(1)各断面测点钢架内外应力总体变化趋势一致，且变化幅度相接近。钢拱架内力增长主要发生在上下台阶开挖阶段，初期支护封闭成环后钢架应力变化趋于稳定。

(2)各断面测点钢架应力以受压为主。在6个测试断面中，除了断面VI右拱肩钢架内外应力最大值分别为-108.21 MPa和-168.93 MPa以，其余5个断面钢架内外应力都在-100 MPa以内。

(3)各断面测点钢架内外应力波动范围差别不大，且内外侧应力差距不大，几乎都以受压为主，钢拱架受力小于自身的极限抗压、抗拉强度。无锚杆试验段钢架内侧应力在0～-86.15 MPa波动，外侧应力在0～-86.15 MPa波动；有锚杆试验段钢架内侧应力在0～-108.21 MPa波动，外侧应力在0～-168.93 MPa波动。

(4)各断面测点钢架内外应力最大值分布位置呈随机性。断面III左拱腰钢架内外应力达到最大值，分别为-86.15 MPa、-95.99 MPa，断面VI拱顶钢架内外应力达到最大值，分别为-108.21 MPa、-168.93 MPa。

(5)测试数据表明，隧道初期支护是否设计施作系统锚杆，对比试验段钢架内外应力值相对较小，钢架内外应力值差异不大。相对来讲，有锚杆试验段钢架所受内外应力偏大，原因是施作系统锚杆延长了初支闭合时间，导致围岩松弛变形时间较长，不利于初期支护整体受力。

图5 试验断面钢架内外应力历时曲线Fig.5 Internal and external stress duration curves of the steel frame in the test sections

2.3 锚杆轴力测试分析

图6为有系统统锚杆试验段锚杆轴力历时曲线。图中未体现数据的测点已损坏，锚杆轴力正值表示受拉，负值表示受压。

图6 有系统锚杆断面锚杆各测点轴力历时曲线Fig.6 Axial force duration curves of each bolt point for the test sections with the systematic bolts

(1)3个测试断面锚杆轴力变化趋势基本一致，均为先增大随后趋于稳定；锚杆轴力波动范围不大，锚杆的悬吊作用不明显，大部分测点锚杆轴力未有明显变化，个别测点锚杆轴力呈现出微小增大趋势，仰拱封闭成环后轴力基本趋于稳定。

(2)3个测试断面锚杆轴力值较小，锚杆轴力值都在12.93 kN以内，最大值产生在断面VI左拱肩处，锚杆轴力12.93 kN。

(3)拱顶部位锚杆受压为主，拱腰部位锚杆受拉为主，表明施工过程中拱腰锚杆起到了锁脚锚杆的作用。

(4)由测试数据结果分析可知，在隧道轮廓内侧的锚杆轴力相对大于外侧。

2.4 围岩变形监测分析

图7 测试断面净空收敛和拱顶下沉曲线Fig.7 Convergence deformation and vault subsidence curves of the test sections

图7为测试断面、周边收敛、拱顶下沉的历时曲线，围岩变形呈现出如下特征：

(1)断面Ⅰ～Ⅵ围岩拱顶下沉、周边收敛总体变化趋势一致，围岩前期变形速率相对较大，后期变形速率减小，且都远小于1 mm/d，变形趋于稳定。

(2)断面Ⅰ～Ⅵ围岩拱顶下沉、周边收敛累积变形量都不大。无系统锚杆净空收敛累计值分布范围3.2～3.5 mm，拱顶下沉累积值分布范围25～35 mm；有系统锚杆试验段隧道断面净空收敛累计值分布范围2.8～3.2 mm，拱顶下沉累积值分布范围20～25 mm。

(3)隧道有、无设置系统锚杆拱顶下沉变形量远小于设计预留变形量，周边收敛变形量都很小，表明隧道开挖初期支护后，围岩变形稳定。

3 隧道系统锚杆作用效果分析

3.1 系统锚杆作用效果分析

(1)系统锚杆增强作用效果分析

通常认为，围岩、喷射混凝土、锚杆三者共同作用并在系统锚杆作用区形成加固后的承载拱，发挥承载能力，锚杆长度、间距及围岩力学性质等因素影响承载拱厚度，承载拱的强度校核按砌体理论验算：

抗压强度：Ka≤abhR′b

(1)

抗剪强度：KQ≤Ntanφ+bhc

(2)

(3)

式中：Ka——承载拱抗压安全系数；

KQ——承载拱抗剪安全系数；

a——承载拱轴向力偏心影响系数；

b——承载拱纵向计算宽度；

h——承载拱纵向计算厚度；

c——岩体黏聚力；

φ——岩体内摩擦角；

R′b——修正单轴抗压强度；

M——验算截面所受弯矩；

N——验算截面所受轴向力。

钢筋混凝土结构梁配筋率小于0.3%时还会导致脆性破坏，而李家寨隧道系统锚杆设置φ20 mm药卷锚杆构成的“承载拱”配筋率约为0.03%，该配筋率改善围岩力学不明显，又因锚杆施工质量也不能完全保证锚杆与围岩密切贴合，这样低的配筋率对改善围岩力学性质起到的增强作用效果不明显。

(2)系统锚杆其他作用效果分析

如图8所示，假定施作隧道系统锚杆形成了承载拱，承载拱承担荷载q(围岩竖直压力荷载、水平侧压力、地下水荷载等)，拱截面受弯矩(M)、轴力(N)、剪力(Q)作用，由L-L断面受力分析可知，锚杆布筋方向垂直于轴力方向，这对抗弯、抗压和抗剪作用贡献不大。

图8 隧道系统锚杆成拱效应受力分析Fig.8 Stress analysis of the arch effect of the tunnel system bolt

内压效应使围岩达到三轴受压状态并改善围岩受力性能，但施工过程很难实现内压效应。根据隧道初期支护施工工序，架立钢拱架结束后喷射混凝土时，由于锚杆端部常被喷射混凝土包裹、围岩内钢筋预应力的松弛和钢筋锈蚀耐久性等原因，会导致系统锚杆内压效应不能有效发挥，进而不能起到改善围岩受力性能作用。

再对系统锚杆的悬吊作用进行分析。《公路隧道施工技术规范》规定钢架支撑必须具有必要的强度和刚度，钢架的设计强度应保证能单独承受高2～4 m的松动岩柱重量。通过普氏塌落拱理论计算出的塌落拱高度通常大于锚杆设计长度，锚杆设置在塌落区之内并不能发挥其悬吊作用效果，因此隧道设计施工中优先选择拱架衬砌支护型式。

3.2 施作系统锚杆的技术安全及经济分析

(1)锚杆施工质量及技术安全分析

一方面，系统锚杆施作会贻误支护时机。由于隧道开挖后在未支护时间段内围岩会产生较大的变形，应力急剧释放。进行及时支护能抑制围岩过大变形，避免隧道坍塌。如果支护不及时，应力释放到一定程度时，导致围岩自稳能力不能保证隧道稳定性时就会坍塌。系统锚杆施作工序费工费时，可能造成贻误最佳支护时机，导致隧道坍塌。

另一方面，系统锚杆施作难度大会造成施工质量难以保证，特别是拱顶及拱肩位置的锚杆长度及角度都难以得到保证。砂浆锚杆注浆不饱满，中空注浆锚杆、药卷锚杆未能按设计要求施工，都会导致围岩与锚杆的黏结作用差，进而降低锚杆作用效果的有效发挥。

(2)锚杆施工工效及技术经济分析

李家寨隧道对比试验段采用两台阶施工工法，部分作业工序可平行施工，单循环进尺3.6 m，单榀钢拱架布设约18根系统锚杆，单循环施工3榀，共施作54根系统锚杆，考虑围岩条件、机械设备、人员、天气等各种影响因素，平均每根系统锚杆用时12 min，施作系统锚杆明显降低施工工效，导致初期支护封闭不及时，从而影响有效稳定围岩和控制变形效果。

隧道系统锚杆的设置会明显增加工程造价。根据李家寨隧道现场单循环进尺3.6 m分析计算，施作系统锚杆施工成本每延米增加材料费及人工费约4 400元，其中材料费740元/延米、人工费约3 660元/延米。

因此，在能保证隧道结构安全条件下，取消系统锚杆能明显降低隧造价提高施工工效，有利于高效低耗的隧道建设，社会经济效益显著。

4 结论

(1)对比试验段各测试断面围岩压力、钢拱架内外应力、沉降收敛测试数据无明显差异，钢架内外应力值、系统锚杆应力值均小于设计值。

(2)有系统锚杆试验段的锚杆轴力值很小，远小于锚杆设计抗拔力，拱顶锚杆大部分处于受压状态，系统锚杆作用效果差，没有发挥其真正作用，李家寨隧道设计并施作系统锚杆措施明显过于保守，存在很大的优化空间。

(3)施作系统锚杆延长了隧道初期支护闭合时间，导致了围岩压力和钢架受力略大于无锚杆状态。

(4)隧道边墙施作锚杆起到了锁脚锚杆作用，取消系统锚杆时需要保证施作锁脚锚杆。

(5)李家寨隧道IV级软质围岩地段架设钢拱架并取消系统锚杆的初期支护结构，围岩与支护结构整体受力、收敛变形无明显影响，能够保证隧道结构稳定性，技术上是安全可行的。