Mechanism of grouted rock bolting of tunnels

摘要：为了使岩石隧洞拱部稳定，喷锚支护被广泛用于地下隧洞的支撑设计中。正确的喷锚支护设计应该基于对喷锚支护加固的特性和洞顶岩石拱结构的机理两方面都有一个清楚的认识。

Abstract: To stabilize roof arches of rock tunnel, grouted rock bolts were widely used in the designs of supports of the underground tunnels. A proper design of rock bolts should be based on a clear understanding of both the features of rock bolt reinforcement and the mechanism of the roof arch structure.

引言：为稳定岩体，世界各地都在使用喷锚支护。因为锚杆便宜，可灵活应用于改善地下隧洞的地质条件，设置容易、快捷。为加强洞顶围岩强度而进行的合理的喷锚设计应该建立在对喷锚效果充分理解的基础上，即应该清楚岩石结构的机理。洞顶岩体成拱的机理来源于拱桥的砌石拱。砌石拱具有“无限的”耐压强度。但应避免沿着砌块接缝产生的滑动以及拉应力。因此，在实际的洞顶支撑设计中，喷锚支护的目的就是阻止岩块沿接缝滑动及出现拉应力，以形成自承拱。

锚喷支护技术鉴于它的作用原理先进、施工简单、经济有效和适应性强等优点，在隧道工程施工中得到了广泛的应用，形成了一套比较完善的支护体系。

当锚喷支护锚固段锚杆受力时。首先通过钢筋或钢管（钢绞线）与周边的水泥砂浆的握裹力传到砂浆中，然后再通过砂浆与周围土的摩阻力传递到整个锚固段。抗拔试验表明，当拔力不大时．锚杆位移量极小。拔力增大，锚杆位移量加大，拔力增到一定量时，变形不能稳定，此时认为已经达到抗拔破坏，这种破坏是砂浆与土层间的摩阻力超过了极限。因此，必须通过结构设计计算来确定锚杆直径和长度，钢筋网的直径和间距．保证锚喷支护结构的可靠性。

锚杆抗拔承载力还与土层的性质有关。承载力随土层的力学性能、力学强度提高而增加，单位荷载的变形量随土层的力学强度提高而减少。锚杆锚固段要尽可能埋入力学强度高的土层．如砂层、卵石层及岩层，并尽量采用扩孔锚杆或多节扩孔锚杆以增强锚固力。灌浆压力对锚杆的抗拔有很大作用。在砂类土中．如加大灌浆压力，能使水泥浆颗粒渗入到周围土层中去，就增加了锚固体与土层的摩擦力，从而增加了锚杆的抗拔能力。

关于不同围岩喷锚支护的施工：

Ⅲ类围岩喷锚支护施工。首先施工系统锚杆和初喷,加固围岩。锚杆施工时尽量使锚杆方向垂直于岩面及层理面。这样施工的好处在于使锚杆受力方向与围岩变形方向一致,同时也可使锚杆穿过的层理数最多,增强锚杆对围岩的组合梁效果。锚杆尾端预车丝口,并用螺栓将锚杆垫板锚于尾端,增强锚杆对围岩的悬吊能力及其与其他支护的连接。锚杆施工后进行初喷,这样完成对围岩的初期支护,将围岩变形控制在安全范围以内。其次施工钢筋网及格栅钢架,复喷混凝土。钢筋网可增加喷混凝土的柔韧性及抗裂性,格栅钢架侧可增加支护体系的刚度。施工地点离开挖掌子面约相距10m～15m,施工时间相距约24h。此时围岩变形量显著减少,通过后序支护施工,使整个喷锚支护体系与围岩紧贴密实,形成能够围岩变形、具有足够强度及柔韧性的支护体系。

Ⅳ,Ⅴ类围岩喷锚支护施工。Ⅳ,Ⅴ类围岩整体性较好,围岩位移量较少。喷锚施工可按照先锚再喷的次序进行。此时锚杆主要对围岩起悬吊加固作用,先施工个别裂隙围岩及节理发育围岩,保证施工安全,再进行挂网喷混凝土施工,封闭围岩,防止围岩风化剥落。喷射混凝土与掌子面间距一般控制在30m～80m左右,支护效果较好。

岩爆段围岩喷锚支护施工。开挖后对于易产生岩爆的拱部及拱腰部位施工锚杆。锚杆施工不仅可释放部分围岩应力,锚杆还能承受较大围岩应力。在锚杆施工后立即进行钢筋网施工及喷射混凝土, 使围岩表层圆顺,防止了局部凸起处应力集中,减少了岩爆的发生。

破碎围岩地段喷锚支护施工。对于长度小于3m、破碎程度不大的地段,可结合局部超前锚杆进行支护施工。此时超前锚杆的作用是形成两端支点在较好围岩、中部在破碎围岩中的简支梁。将钢筋网挂点在超前锚杆上,并立即进行喷混凝土施工,使喷锚支护在破碎带处形成纵向及环向均受力较好的成片成环的支护结构。对于较大破碎带的施工,其施工方法原理同上。只是其超前锚杆调整为受力更好的管棚,个别地段还需采取安装格栅钢架、墙背注浆等辅助措施。

一般围岩段喷锚支护施工的最佳效果。喷锚支护施工时锚杆径向施工则可发挥锚杆支护的最佳效果,从而整体提高喷锚支护的效果, 这个结论可从分析中看出:a.由锚杆对围岩的加固作用上分析,锚杆径向施工所形成的拱效应,其范围是最大的,相应的,隧道周围围岩所形成的“护拱”其厚度亦是最大的,支护作用最强;b.围绕径向锚杆能够形成一环向连续的加固带,其对围岩的加固效果好于其他非径向锚杆;c.径向锚杆受力方向与喷混凝土的受力方向一致,最大限度的发挥了锚杆与喷混凝土共同受力的性能,从而提高了喷锚支护的效果。

而喷锚支护又称锚杆支护，是国内外应用较广泛的一项实用新技术，它是挡土结构与外拉系统相结合的一种深基坑组合式支护结构。其原理是将锚杆与滑裂面以外土体连成一个整体，再通过外拉系统与深基坑边坡组成一个整体受力体，承受主动土压力，利用土层的抗拔力，维持被锚固体（边坡）的稳定。锚杆支护系统适用于地下水位以上较密实的砂土、粉土、硬塑到坚硬的黏性土层或岩层中的大型较深基坑，该体系可简化支撑，节省劳力，比支撑施工能更有效地控制挡土支护的位移，使得开挖的基坑获得广阔的空间，且能够加快工程进度。

在高层建筑施工中一般基础下多为地下室或人防工程，基坑开挖深度大，地面施工荷载大，边坡暴露时间长，按照一般场地放坡尺寸很难保证边坡的稳定，满足不了施工要求，而喷锚支护系统由于其上述特点及优越性正好适用于该种边坡的支护，因此近年来在深基坑支护中被推广应用。在实际应用中，锚杆支护又与钢筋网片等其他稳定体系结合使用，使其在进度、安全、社会效益、经济效益等方面达到最优。

与多种传统边坡支护手段比较，采用锚喷支护技术施工其经济效益和边坡稳定效果更显优越性。此外，锚喷支护基坑边坡具有及时、快速，随挖随支与基坑开挖同时进行，不占工期，占用最小施工场地。混凝土砂浆在高压空气作用下高速喷向受喷面，在喷层与土层问产生嵌固层效应，从而改善边坡受力条件，有效地控制侧向位移，保证边坡稳定。锚杆深固于土体内部，主动支护土体，并与土体共同作用来有效地保护和提高周围土的强度。使土体变荷载为支护结构体系的一部分。从而使原来的被动支护变为主动支护。钢筋网有效地调整喷层与锚杆内应力分布，增大支护体系的柔性和整体性，而传统支挡结构都可归为被动受力结构体系。

总而言之，锚喷支护是以充分发挥和利用围岩的自承能力为基点的，锚杆的作用就是提高围岩的抗变形能力，并控制围岩的变现，使围岩成为支护体系的组成部分。锚杆支护既能用于软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖支护，又能用于整治塌方和隧道衬砌的修复补强。目前，对于锚喷支护作用原理的认识和理论解释还不能充分反映其深刻内涵。下载本文