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黄土隧道中取消系统锚杆的现场试验研究汇报人：长安大学陈建勋黄土地区隧道设计与施工关键技术的研究一、前言二、两个试验段的对比分析三、锚杆轴力测试分析四、锚杆受力机理分析五、结论钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告一、前言目前，黄土地区隧道的支护结构形式多采用复合式衬砌,它是由初期支护、防水层和二次衬砌组合而成。初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、系统锚杆、钢筋网、型钢拱架或者格栅拱架等支护部件进行适当组合的支护形式。但在黄土隧道中，系统锚杆是否能在结构中起到作用，这个问题一直倍受争议。鉴于此，在某黄土隧道中设置了有系统锚杆和无系统锚杆两个长各为30米的试验段，进行现场施工监控量测，其目的是通过对两个监测段的对比，检验系统锚杆在黄土隧道中是否能起到应有的作用。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告一、前言刘家坪3号隧道开挖跨度12.16米。在该隧道设置了两个试验段，共四个监测断面，均为Ⅳ级围岩。该段为离石组老黄土，土质较均匀，结构紧密，中部夹含多层棕红色古土壤层和少量钙质结核，呈块状整体结构，柱状节理发育。隧道采用复合式衬砌，隧道开挖半径6.08m，采用拱部留核心土环形开挖法。该隧道设计支护参数见下表。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告一、前言初期支护超前锚杆锚杆型钢钢筋网纵向连接筋喷射混凝土Φ22药卷式L=4m环向间距40cmΦ22药卷式L=3m间距100×100cmH-15×15格栅拱架纵向间距90cmφ615×15cmΦ25C25早强砼20cm二次衬砌45cm厚模注混凝土隧道支护参数表钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告1.拱部环形开挖2.拱部初期支护施工3.核心土开挖4.边墙开挖6.边墙开挖5.边墙初期支护施工7.边墙初期支护施工8.左侧仰拱开挖及衬砌施工9.右侧仰拱开挖及衬砌施工10.二次衬砌施工隧道施工步骤示意图一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告第1试验段为有系统锚杆段，监测断面埋深约44米。第2试验段为无系统锚杆段，监测断面埋深约36米。无系统锚杆试验段有系统锚杆试验段YK50+110.5YK50+104.2YK50+134YK50+142马兰组新黄土离石组老黄土YK50+025YK50+212YK50+090.5YK50+120.5YK50+150.530m30m65.5m61.5m监测断面纵向布置一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告★围岩压力★初期支护净空收敛与拱部下沉★喷射混凝土应力★格栅拱架内、外侧应力★纵向连接筋应力★锚杆轴力★初期支护与二次衬砌间的接触压力★二次衬砌混凝土内、外侧应力★二次衬砌净空收敛一、前言监测项目钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告监测断面元件布置压力盒混凝土应变计1234567891110收敛基线0初期支护阶段元件布置图二次衬砌阶段元件布置图一、前言测力锚杆087654321收敛基线钢筋应力计混凝土应变计钢筋应力计压力盒钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告一、前言钢筋应力计焊接钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告锚杆安装角度很小，接近于水平一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告二次衬砌混凝土中应变计的安装一、前言钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究二、两个试验段的对比分析钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告监测项目监测值（位移单位mm；应力单位MPa）平均值第1试验段（有系统锚杆段）第2试验段（无系统锚杆段）净空收敛14.6715.11拱部下沉18.3514.35喷射混凝土应力3.12.2格栅拱架内侧应力60.453.5格栅拱架外侧应力60.344.8纵向连接筋应力34.229.9接触压力0.01050.0065二次衬砌混凝土内侧应力0.680.59二次衬砌混凝土外侧应力0.520.54二、两个试验段监测数据对比分析试验段各监测数据对比分析钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告二、两个试验段监测数据对比分析（一）初期支护阶段监测结果1．围岩压力第1试验段中YK50+104.2断面的围岩压力分布不均，且压力值较大，其他三个断面的压力值相对来说比较接近，大多部位压力值都在0.1MPa以下。二次衬砌施做后，压力值基本稳定。2．喷射混凝土应力第2试验段的YK50+142断面的喷射混凝土有受拉力的情况，各个断面的喷射混凝土所受的压应力都在8.0MPa以下，在同一量级，应力值增长速率也大致相同。喷射混凝土施作后20天左右喷层应力趋于稳定，应力呈缓慢增长态势。但二次衬砌施作后，应力值有所下降，之后应力发展进入稳定阶段。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告二、两个试验段监测数据对比分析3．格栅钢架应力除YK50+134断面的拱顶和右拱60°处的格栅外侧应力值大于100MPa（分别为111.4MPa和104.3MPa）外，其余各断面各点所受的应力均在100MPa以下，处于同一量级。格栅钢架施作后20天左右，格栅钢架应力趋于稳定，应力呈缓慢增长态势。但二次衬砌施做后，应力值有所下降，之后应力发展进入稳定阶段。4．净空收敛和拱顶下沉从各个断面的收敛值和拱顶下沉值来看，变形在同一量级，大小比较接近，稳定所需时间也大致相同。5．第1试验段锚杆轴力从监测结果来看，拱部和墙脚处锁脚锚杆不同深度处的轴力均为压力，而拱脚处的锁脚锚杆受拉，锚杆所受最大压应力为57.11MPa，钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告二、两个试验段监测数据对比分析最大拉应力为35.47MPa，表明锚杆受力不大。（二）二次衬砌阶段监测结果1．接触应力四个监测断面的接触压力拱部压力值比较接近，处于同一量级，最大开挖线处的压力值相对来说较大，右侧压力值最大为0.268MPa，左侧压力值最大为0.102MPa。仰拱边缘处的压力值相对较大，最大为0.406MPa，仰拱其他部位压力值在0.100MPa以下。2．衬砌混凝土应力从各断面的监测数据来看，衬砌混凝土绝大部分处于受压状态，压应力值也较为接近，处于同一量级，应力值比较稳定。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告二、两个试验段监测数据对比分析3．净空收敛从监测结果看，各断面最大收敛值仅在1mm左右，衬砌变形很小，数据受误差影响较大。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究三、锚杆轴力测试分析钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告里程围岩类别拱顶左拱腰45度处右拱腰45度处左拱脚处锁脚右拱脚处锁脚墙脚处锁脚最小应力最大应力最小应力最大应力最小应力最大应力最小应力最大应力最小应力最大应力最小应力最大应力YK49+670Ⅵ22.9230.4716.0088.115.817.39-47.50-129.63-0.46-10.160.74-40.18YK49+6762.0128.921.3510.340.7835.54-0.56-114.77-0.46-36.840.77-46.09YK50+104.2Ⅳ1.8437.767.6357.1111.7653.160.24-23.131.00-35.47-8.0580.79YK50+110.57.5010.4726.6853.0019.1641.6621.42-30.344.87-35.340.797.58K52+296Ⅴ4.214.530.829.851.142.73-0.52-2.040.310.830.21-1.03三、锚杆轴力测试分析锚杆轴力统计表注：正值表示压应力；负值表示拉应力。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告三、锚杆轴力测试分析通过对刘家坪2号隧道的两个监测断面、刘家坪3号隧道的两个监测断面以及刘家坪5号隧道的一个监测断面的锚杆轴力测试结果（见上表）分析可以看出，拱部锚杆轴力均为压应力，拱脚处锁脚锚杆轴力均为拉应力，墙脚处锁脚锚杆所受轴力有拉应力也有压应力。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告四、锚杆受力机理分析分析钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告弹性区塑性区松动区钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究五、主要结论钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告五、主要结论经过长期监测，各项测试数据现已基本稳定。通过对监测数据的分析，得出以下结论：1．各项数据在测试元件埋设后的20天左右趋于稳定，说明隧道围岩在初期支护施做后的20天左右就可以进入稳定状态。2．由第1试验段（有锚杆段）和其它有锚杆试验断面的锚杆轴力测试可知，拱部锚杆轴力均为压应力，拱脚处锁脚锚杆轴力均为拉应力，墙脚处锁脚锚杆所受轴力有拉应力也有压应力。3．通过对两个试验段的数据进行对比分析可知，不论从变形还是受力上讲，同类数据是处在同一量级的，并且通过对多个隧道锚杆施工情况的了解，可以认为系统锚杆对于黄土隧道的结构稳定性无较大影响。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告五、主要结论4．由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，锚杆施工往往无法径向施作，达不到设计的要求。5．通过对Ⅳ级围岩隧道施工各个工序所需时间的统计，在四台电钻同时施工的工况下，锚杆施工所需时间至少为2小时，完成初期支护每个循环所需总时间约为16小时。如果取消系统锚杆，不但可及时进行喷射混凝土施工，能确保隧道稳定，而且可显著缩短工期。6．以长3米的锚杆单价46元／米计，Ⅳ级围岩拱部的锚杆共有23根/延米，工程造价为3174元，以隧道工程造价3万元／米计，锚杆占工程的10.6％。可见，取消锚杆可显著降低工程造价。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告五、主要结论综上所述，建议将黄土隧道初期支护锚喷支护形式＝系统锚杆＋喷射混凝土＋钢筋网＋钢拱架改为钢喷支护形式＝钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚杆即取消系统锚杆，采用钢拱架接头处锁脚锚杆取代。钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告五、主要结论钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告五、主要结论钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告2%行车道中心线隧道中心线上台阶中台阶仰拱型钢拱架防排水保温层（按4cm计）预留变形量二次衬砌C30钢筋混凝土湿喷钢纤混凝土+Φ8焊接钢筋网（20×20cm）两层防火涂层Φ42锁脚锚管,每榀拱架24根五、主要结论钢架条件下黄土隧道系统锚杆支护效果研究阶段成果报告汇报结束谢谢！