隧道施工支护中的锚杆作用分析
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作者: 徐丽芳
摘 要：公路施工的隧道工程作为穿越地面障碍的结构物，施工中的主要工序就是衬砌支护。衬砌支护施工时应遵守的基本原则是最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，作为核心工序的锚杆支护可以主动加固岩土体，防止坍塌变形。
关键词：隧道 支护 锚杆
中图分类号:F280 文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2011)01-284-01
公路隧道建设是提高公路等级，实现资源节约型、环境友好型交通的重要措施之一，也是实现高速、快捷、安全运输的重要工程设施，公路隧道在现代化公路交通运输发展中起着不可替代的作用。隧道施工地质复杂多变，施工时必须对隧道进行支护衬砌，喷锚衬砌支护是目前高等级公路隧道运用最广泛的支护衬砌方式，其核心工序为锚杆支护。锚杆支护作为一种支护方式，与传统的支护方式有着根本的区别。传统的支护方式常常是被动地承受坍塌岩土体产生的荷载，而锚杆支护可以主动地加固岩土体，有效地控制其变形，防止坍塌的发生。锚杆支护的主要作用有悬吊作用、减跨作用、组合梁作用和挤压加固作用。其作用机理分述如下：
悬吊作用：将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落。锚杆本身受拉，其拉力即为所悬吊岩体的重量，在块状结构或裂隙岩体中，使用锚杆可将松动区内的松动岩块悬吊在稳定的岩体上，也可把节理弱面切割形成的岩块串连在一起，阻止其沿滑面滑动。
减跨作用：在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，从而使顶板岩体的应力减小，起到维护隧道的作用。当然，要使锚杆能有效的起到减跨作用，锚杆顶端必须锚固于坚硬稳定岩层中。
组合梁作用。在层状岩层中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自支承能力，起到了维护隧道的作用。
挤压加固作用：安装在围岩中的锚杆在受力后，可在其周围一定范围内形成压缩区，在锚杆系统中，压缩区相互重叠从而形成一个连续的压缩带，使已破碎的岩层具有整体性或近似整体性，提高了其整体的强度和承载力。
以上所述各种锚杆作用是相互独立的，应根据岩层的不同特性选择不同形式的锚杆，发挥不同的作用。现以达陕高速公路狮子寨隧道为例作简单阐述。
一、隧道设计概况
1.工程地质概况。隧址区位于大巴山弧形构造南端大洪山拗陷褶皱束内，构造带由一系列大致沿走向延伸，线性分布的褶曲和断层组成。褶皱多有复式构造特征，与隧道大角度相交，构造线延展方向与岩层走向大体一致。隧道进口围岩岩体软弱破碎、节理裂隙发育，隧道洞身位置岩溶中等发育，存在断层和破碎带。
2.初期支护体系设计。初期支护由砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土等组成。锚杆孔采用YT28型风动凿岩钻机钻孔和安装，注浆采用BW-250／50型液压注浆泵，喷射混凝土采用TK-961型混凝土湿喷机。加强监控量测，及时处理分析数据，修正支护参数，指导施工。
二、初期支护施工过程
1.锚杆组合梁作用机理。锚杆组合梁作用机理主要是依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定深度范围内形成拱形承载结构，充分发挥围岩岩体抗压强度高的特点，发挥围岩的自承能力。
系统锚杆采用两种型式：中空注浆锚杆和砂浆锚杆。这两种锚杆都属于全长粘结型锚杆，即用水泥浆或水泥砂浆作填充粘结剂，使锚杆和孔壁粘结牢固，提供摩擦阻力，阻止岩体发生位移，并通过安装在孔口的锚杆托板对岩壁的约束力来抑制围岩变形或承受围岩荷载。根据设计文件中规定，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用的是：喷混凝土+锚杆+钢筋网+钢拱架支护结构形式。
锚杆安装作业应在初喷混凝土后及时进行。在施工过程中，由于围岩地质情况的复杂性，尤其是在岩层层面或岩体主结构面与锚杆布置方向平行时,系统锚杆作业不应完全按照隧道开挖轮廓线径向布置，而应尽可能成大角度布置，由此才能把不利结构面或岩层“串”在一起，有效地形成组合拱结构。在系统锚杆成大角度布置安装时，须注意以下几个要点：隧道开挖后，应及时观察分析开挖面岩体的主结构面或岩层层面的走向；对于锚杆需成大角度布置部位应明确予以标记或记录；应对锚杆钻孔作业人员进行认真准确的技术交底，技术交底内容包括准确的钻孔部位、方向和深度，同时要求必须吹孔，以保证孔内清洁；还应充分考虑锚杆成大角度布置时应避免施工中相互干扰或交叉作业，便于施工。
作为永久支护的全长粘结性锚杆，良好的全长粘结效果，不仅可以保证锚杆砂浆与孔壁的摩擦力，使锚杆与围岩共同工作，同时还可以保证锚杆不受腐蚀，以利其长期的作用效果，要做到这一点，就必须确保锚杆全长注浆饱满，使其与岩体连成整体。
2.锚杆悬吊作用的运用。在局部范围（约2～3m）内，爆破开挖后围岩岩体出现松动，产生裂隙，且岩层呈薄层状构造，岩块易发生塌落时，宜采用局部锚杆支护方式。
考虑砂浆锚杆工艺较复杂，且局部支护工程量较小，同时鉴于围岩实际情况，现场改用φ22药包锚杆。药包锚杆不仅可以满足锚杆全长粘结效果，发挥锚杆的悬吊作用，也可以保证锚杆的防腐蚀作用，而且工艺较简单，便于施工。
局部锚杆支护的钻孔布置应尽量垂直于岩面，如受施工条件的限制，也应保证成大角度布置。若锚杆钻孔施工危险性较小，可在喷混凝土前及时进行锚杆支护作业。在施工过程中，当围岩破碎，锚杆孔成孔困难时，一般可采用自进式锚杆，即用钻杆代替锚杆，并利用钻杆中孔完成锚杆孔内注浆，但注浆时间和注浆量较难控制，一般视围岩破碎情况及施工组织安排现场确定。
3.锚杆抗拔力检测。锚杆支护的锚固质量检测主要依靠锚杆抗拨力检测，检测周期为28天。本隧道经过全面检测，支护效果良好。
最大限度地利用和发挥围岩的自承能力是隧道衬砌支护结构应遵守的基本原则，通过前期勘探查明隧道的地质条件，通过隧道开挖观察围岩的实际等级及分布情况，根据围岩等级及状况采取一些工程措施和合理的支护结构形式，使围岩的这一特性得以充分发挥，是我们在隧道施工支护方面要达到的基本目的。但是，由于隧道地质条件千变万化，不同围岩地质条件自身的承载能力的不同，以及在施工过程中所采取的开挖方式不同及其他人为因素，如支护时间的控制差异、施工工艺水平等，致使隧道支护结构形式在工程实施阶段往往无法完全充分有效地发挥其作用。因此，我们在不断完善锚杆支护作用机理理论的同时应该进一步加强围岩现场监测，掌握围岩动态和支护结构的应变规律，以便更好地指导施工。
三、结论
综上所述，锚杆支护作为目前高等级公路隧道运用最广泛的支护衬砌方式，为了充分发挥锚杆的支护作用，首先要加强前期的地质勘探工作，尽量明确围岩的性质及分布状况，设计合理的支护结构形式；其次要加强围岩现场监测，根据现场实际情况随时调整锚杆的布置方式和长度等；最后要做到严格按规范施工，从技术上保证锚杆的长期作用效果。
参考文献：
1.江正荣.实用建筑工程施工工程师手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1995
2.郭小红,王梦恕.隧道支护结构中锚杆的功效分析.岩土力学,2007(10)
3.GB.50086―2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范[S]
（作者单位：中铁二十二局集团第二工程有限公司 北京 100000）
（责编：贾伟）
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