大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效果的实验研究

【摘 要】针对黄土隧道锚杆作用效果的问题在界内的争论一直比较多，本文将结合客观的经验以及擦用对比试验方法对系统系统锚杆作用做以个系统的研究、分析；以便最后得知在节约工程投资和更好控制支护沉降与变形方面哪个方法更有优势。

【关键词】黄土隧道；锚杆；对比试验

一、引言

前面提到了界内对于黄土隧道的锚杆问题一直颇有争议；其中有两种主流观点：

1、在稳定性方面黄土隧道的系统锚杆有决定性的印象，其应用是必然的。

2、黄土隧道的稳定与否与系统锚杆无任何影响，可以取消。

两种主流观点对立性的存在不仅给设计造成了思路上影响，同时在具体施工时也容易造成因观念不一引起的混乱。

就拿西安―郑州高速路的隧道为例，在整个路程中黄土随到大约有47 km占全线总长的61%，整个隧道面积至少也有120m2，如何顺利解决大断面黄土隧道施工中锚杆的作用问题，对于整个工程的的修建来说至关重要。

二、工程概况

本篇文章将通过对比的方法来，来对大断面浅埋黄土隧道锚杆作用进行一个客观的比较；研究对象选取典型的刘家庄黄土台隧道，该隧道大致有以下特点：隧道所处地段相对较为平坦、地层有第四系全新统塌滑堆积Q4粘质黄土、中更新统黏质黄土、砂质黄土、上更新统黏质黄土；该隧道的埋深为32米左右，为非湿陷性Q3和Q2黏质黄土，其里程为DK243+009～DK242+932。.

在锚杆和无锚杆试验隧道黄土物理学性质的指标基本一致，其液限WL=26.4%、塑性指数IP17.2、塑限WP=9.3%、重度17.4KN/m3其次还有黏聚力c=162kPa内摩擦角φ=11.9°。

在试验阶段分别采用以下几个阶段进行挖掘（如图1）：

图1

1、在进行拱部超前支护后再进行弧形导坑的开挖，同时进行喷、锚、网的系统支护。

2、对支护阶的左右侧墙分别进行挖掘。同时进行喷、锚、网的系统支护。

3、对支护下台阶的左右侧墙分别进行挖掘。同时进行喷、锚、网的系统支护。

4、对中部上下台阶的核心土进行挖掘。

5、开挖仰拱并按时封闭成环，每个环大约进尺1.5m

其工程周期为每天2个循环。

这两个试验段内，支护设计参数以及隧道施工的方法都如出一辙，地形、地质条件也相同，这样也就最大化得保证了实验结果的科学性和可参考性。

三、测试断面以及测点的布置

1、断面的测点布置

（1）拱顶沉降布置（如图2）

可在拱顶正中央设置拱顶沉降点，在其左右两侧与拱顶沉降点大约80度的位置左右对称。

（2）围岩压力测点布置

可在正中上方选择一个压力测点，然后呈对称状分别设置9个或11个压力测点。

（3）钢拱架应力测点布置

图2 位移测点布置

钢拱架应力测试点的设置大体上与前两种有类似的地方，即在顶端确定一点，呈环形装分布，尤其要注意一点的是外侧测点和内侧测点，必须形成对称的状态，且数量虚一致，一般来说都是9个。

2、具体测试方法

拱顶沉降及水平收敛量测一般采用的是非接触的测量方法，一般来说都应具备以下仪器，首先精度为1mm的TCRA1102型全站仪测量仪器；其次，锚杆轴力可采用CL-XZ-B型的钢筋测力计，围岩压力的测量一般采用双模压力盒，钢拱架采用CBE-57型应变计；最后，在压力和应变的计算上均采用ZXY-2型号的频率读书仪采集数据。

四、测试结果及分析

1、拱顶及拱脚沉降对比分析

图3

有与无系统锚杆测试断面的隧道拱顶、拱脚沉降历时曲线图见图3，各个施工阶段的拱顶沉降比例见表1，。

根据测验结果我们可以很直观的得到以下几个结论：

（1）在有系统锚杆的隧道测试阶段中，拱顶沉降大约在51～86mm，拱脚沉降大约在38～73mm；封闭前的拱顶沉降大约占81%，封闭之后拱顶沉降约占19%。

表1

（2）前1～2d中拱顶与拱脚沉降值基本是一样的，这能充分说明拱架主要表现为整体沉降。

（3）有系统锚杆隧道测试断面沉降值比没有系统锚杆测试段的大42%左右；究其原因：首先，锚杆施工对围岩产生了一定的松动；其次，系统锚杆施工时间过长，从而导致了测试段面封闭的时间也过长。

（4）在没有系统锚杆隧道测试断面，拱顶沉降大约在35～42mm，拱脚沉降大致上是在26～34mm，封闭前拱顶沉降约占77%，封闭后拱顶沉降约占23%

（5）断面封闭一周，两隧道测试断面的沉降基本趋于稳定。

2、水平收敛的对比分析

图4 有、无系统锚杆测试断面水平收敛历时曲线（SL1）

表2 各施工步水平收敛比例

图5 锚杆轴力分布（单位：kN）

根据图4和表格2，我们可以清晰的看到在有无系统锚杆测试阶段断面的隧道收敛历时曲线见图4，以及各施工阶段水平收敛比例见表2.

同样经由图4我们可以清楚的看到：

（1）拱脚水平收敛在无系统锚杆试验段大致为21～35mm，封闭前大约占71%，封闭后大约占29%。

（2）拱脚处的水平收敛在有系统锚杆试验段大致为28～44mm，封闭前约占87%，封闭后大约占13%。

（3）拱脚处的水平收敛比无系统锚杆试验段的大。

（4）断面封闭后一周左右水平收敛基本呈现稳定状态。

3、锚杆轴力的分布

有系统的锚杆试验段测力锚杆轴力如上图所示，图中的负数表示的意思是锚杆压力；相反，正数表示锚杆受拉，其具体可有以下3点：