浅析锚杆在隧道施工支护中的作用

摘要：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，通过理论分析联系施工实践，我们才能更好地掌握和发挥这一原则，并利用这一原则进一步更好地指导施工。

关键词：锚杆 隧道支护作用

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

公路隧道作为道路工程永久性构筑物，在施工和投入运营过程中，为了确保人员和行车安全，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，而锚杆支护则是喷锚支护中的主要组成部分。锚杆支护是一种锚固在岩体内部的杆状体，是通过锚入岩体内部的钢筋，与岩体融为一体，达到提高围岩的力学性能，改善围岩的受力状态，实现加固围岩，维护围岩稳定的目的。

经过数十年的研究和实践，锚杆支护作用机理已经形成很多研究成果。锚杆支护作用主要有：锚杆悬吊作用、挤压加固作用、组合梁（拱）作用等，其作用机理：悬吊作用：锚杆穿过软弱、松动的岩层，锚固在深层的岩层上，从而将不稳定岩层悬吊在其上部较稳定的自然平衡拱上；挤压加固作用：安装在围岩中的锚杆在其受力后，可在其周围一定范围内形成压缩区，在系统锚杆中，多个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；组合梁（拱）作用：依托插入岩层内一定深度的锚杆的径向力作用，将多层薄层状岩层挤紧组合起来，增大岩层间的摩阻力，形成组合梁（拱）结构，使该结构的抗弯刚度和强度得以提高，增强岩层的承载力。

以上所述各种锚杆作用是相互独立的，其适用范围有一定的局限性，即根据岩层的不同结构形式，可选择不同型式的锚杆，发挥其不同的作用。现以某公路隧道为例作一下阐述。

一公路隧道设计概况

1、隧址区工程地质概况：

隧址区山坡分布第四系坡积和洪积碎石、角砾外，其它地段大部分基岩，岩性为震旦亚界蓟县系雾迷山组白云岩，为该公路隧道围岩的主要岩性。隧道进口围岩主要为残坡积碎石土和强风化白云岩，强风化白云岩为粉晶结构，层状构造，表层风化变色，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎石状。洞口段岩体和隧道围岩稳定性差，处理不当会发生坍塌。隧道洞身主要为未风化白云岩，岩体较完整，发育有少量裂隙，大多呈闭合状，主要发育有两组节理，白云岩为粉晶结构，层状构造；围岩稳定性较好，施工时拱部无支护可产生小坍塌，侧壁基本稳定，洞内有滴水和渗流现象。

2、隧道支护体系设计概况：

隧道支护采用柔性支护体系结构，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架、格栅钢架等为初期支护，二次衬砌采用添加抗裂防水膨胀剂的模筑混凝土或钢筋混凝土。其中，锚杆支护类型主要根据围岩类别和洞室埋深条件拟定。具体支护设计参数如下：

二施工支护过程

根据某公路隧道的设计文件规定，该隧道采用系统锚杆作为衬砌支护结构的一部分，而其理论依据就是锚杆组合拱作用机理理论。

1、锚杆组合拱作用机理的运用：

锚杆组合拱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，见下图1。

系统锚杆沿隧道开挖轮廓线径向呈梅花形布置，如图2所示。

系统锚杆采用两种型式：中空注浆锚杆和砂浆锚杆（当采用砂浆锚杆时，应按设计要求截取杆体长度，并应调直、除锈、除油）。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。因此，Ⅳ、Ⅴ级围岩锚杆支护没有采取锚托板结构，而仅在Ⅲ级围岩采用了锚托板，锚托板形式为150mm×150mm×10mm。

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：

① 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；

②对于锚杆需成大角度布置部位应明确予以标记或记录；

③应对锚杆钻孔作业人员进行认真准确的技术交底，技术交底内容应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；

④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型锚杆，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。锚杆注浆因锚杆形式不同而有不同的注浆方式。中空注浆锚杆可以通过锚杆杆体直接进行注浆。砂浆锚杆的注浆方式有两种：一种是将注浆管与锚杆杆体一同放入钻孔。对于拱顶部位的锚杆宜采用这种方式，便于施工过程控制，但应注意锚杆钻孔孔径的大小能够满足注浆管径和杆体直径的需要；另一种是先将注浆管放入钻孔内，缓慢注浆，待注浆结束后，再迅速将杆体插入孔内。这种方式宜用于侧壁锚杆安装。

注浆作业应按照《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94的有关规定进行，同时应符合设计文件的要求。

依据设计文件在锚杆外露端设有锚杆托板时，托板安装应紧压孔口岩面（初喷混凝土面），对围岩产生压力，使锚杆周围岩体处于三向应力状态，形成梨形压力区，增加围岩的稳定性。因此要求在初喷混凝土时必须保证表面平整。

在设计文件中，对于Ⅲ级围岩人行横洞防火门段施工支护采用局部锚杆支护形式，利用锚杆的悬吊作用达到施工支护安全的目的。

2、锚杆悬吊作用的运用：

锚杆悬吊作用机理，如下图3：

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。局部锚杆支护设计参数为：

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，现场改用水泥卷锚杆。水泥卷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。水泥卷锚杆设计如下图4。

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。钻孔后应进行吹孔，以清除孔内泥渣，可采用钻杆注水方式清洗钻孔，直至孔内流出清水为止。清孔完毕后，将水泥卷放入孔内，同时向孔内注水，边注水边搅拌。当水泥卷放入量不少于锚杆孔深的一半时，即可将杆体插入孔内，如插入困难可用锤击。杆体插入孔内的长度不应短于锚杆全长的95%。在孔口溢出水泥浆时，用干水泥进行封孔。

封孔后应及时安装锚杆托板，托板安装应紧贴岩面，其作用同前述系统锚杆托板。注意在安装托板时不得随意敲击锚杆。

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、锚杆抗拨力检测：

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。下面为部分锚杆抗拨力检测记录：

从以上数据可以看出，锚固质量整体上是满足设计要求的，锚杆全长粘结效果比较理想。

三结论

总结以上所述，为了充分发挥锚杆对围岩的支护作用，从技术上应做到：第一应严格按照新奥法施工原理施工，即及时支护、加强支护；第二根据围岩的实际地质情况，合理选用锚杆类型，一般情况下，应优先选用全长粘结型锚杆；第三必须确保锚杆全长注浆饱满，提高锚杆的全长粘结效果；第四应避免锚杆松弛、锈蚀，以保证锚杆的长期作用效果。

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的基本目的。但是，由于隧道地质条件复杂，不同围岩地质条件自身的承载能力的不同，以及在施工过程中的一些人为因素，如隧道开挖方式、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往往在工程实施阶段无法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控和观测，掌握围岩动态和支护结构的应变规律，以此更好地指导施工。这样才能真正地体现利用和发挥围岩自承能力这一基本原则。