CN101230784A - 隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构，其可以大大缩短施工工期，降低施工难度，更有利于保证施工安全和结构稳定，并且明显降低工程造价。本发明包括钢拱架，钢拱架上设置有钢筋网，钢拱架接头处设有锁脚锚杆(管)，钢拱架四周为喷射混凝土层，喷射混凝土层外为模筑混凝土层，喷射混凝土层与模筑混凝土层之间设有防水层。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种隧道支护结构，尤其是涉及一种隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构。
二、背景技术：
20世纪40年代在地下工程中使用锚杆支护以来，锚杆加固技术发展非常迅速，现已成为地下工程支护中的一种主要支护形式。美国、澳大利亚的地下工程支护中，锚杆支护占90％以上，西欧、中欧等国家以及日本等国，传统的支护方式是金属支架，近30多年来，这些国家锚杆支护也有很大的发展，并成为地下支护的主要形式。
我国的锚杆加固技术早在20世纪50年代中期就已起步，当时主要采用机械式金属锚杆，发展速度缓慢。20世纪70年代至80年代末，锚喷支护逐渐运用到铁路隧道工程建设中。当时由于铁路单线隧道断面较小，再加上我国钢材产量较低，隧道初期支护主要采用锚杆、喷射混凝土以及钢筋网组成的联合支护。为此，我国工程技术人员做了大量的试验研究，结果表明，锚杆在锚喷支护结构中起着重要作用，随之，喷锚支护在隧道工程建设中得到广泛应用。
20世纪90年代以来，随着大量双线铁路和公路隧道的修建，一方面隧道的断面越来越大，另一方面隧道工程所遇到的地质情况越来越复杂，仅由锚杆、喷射混凝土以及钢筋网组成的联合支护已经难以保证施工安全和结构稳定，而此时我国的钢铁工业得到了迅速发展，为工程建设提供了强有力的支持。所以，在软弱围岩(IV、V、VI级围岩)条件下，隧道初期支护结构就由钢拱架、喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆等多种支护措施组合而成。而在这种组合情况下，系统锚杆的支护效果如何？国内外文献资料表明，目前尚无人对钢拱架支护条件下，软弱围岩系统锚杆的作用效果及其机理进行系统研究。
此外，在理论计算分析中，系统锚杆的受力分析难度很大，往往人为地假定系统锚杆支护的效果是提高了围岩的c、φ值。这在软弱围岩中显然是错误的，相反往往由于打入了锚杆反而破坏了围岩的结构，降低了围岩的强度和稳定性。
目前，隧道支护结构多采用复合式衬砌，它是由初期支护和二次衬砌组成。在软弱围岩(IV、V、VI级围岩)情况下，初期支护由钢拱架、喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆等多种支护措施组合而成(见图3)。各种支护措施对隧道结构的安全和稳定都有着不同程度的贡献。其中，长期以来，系统锚杆被认为具有“组合梁作用”和“加固拱作用”等而使围岩得到加固。然而，工程实践中锚杆的这些作用是否能得到充分发挥，系统锚杆的支护效果究竟如何？对这个问题隧道工程界有不同的观点。一种观点认为，在软弱围岩隧道系统锚杆对隧道稳定性作用不大；另一种观点则截然相反。
在软弱围岩中，采用由钢拱架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护不尽合理，其原因是钢拱架是依靠“被动支撑”限制围岩变形来维持围岩稳定的，而锚杆支护是通过锚杆与围岩之间的粘结或摩擦作用，利用两种材料不同的弹性模量，使锚杆为“拉杆”去主动加固围岩并充分利用围岩自身承载力来维持围岩稳定的。锚杆安设时一端需锚固在稳定岩层中，通过围岩变形获得一定的相对位移以发挥其支护作用，可见两者对隧道支护的机理不同。
在目前软弱围岩隧道施工过程中，通常采用的支护顺序是：开挖→初喷混凝土→立钢拱架→挂设钢筋网片→安设锚杆→喷射混凝土达到设计厚度，显然，钢拱架安设以后就限制了围岩的变形，制约了锚杆作用的发挥。
此外，从目前的施工现状看，软弱围岩中锚杆通过砂浆与围岩的粘结力往往很差，特别是拱部系统锚杆，锚杆的砂浆注满度很难达到设计要求。且软弱围岩隧道多采用分部开挖，施工场地狭小，锚杆施工难度大，往往不能及时径向施作。施工单位刻意缩短锚杆长度、减少锚杆数量的现象也屡见不鲜。极大的影响了其支护效果的发挥。
三、发明内容：
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种在软弱围岩(IV、V、VI级围岩)条件下隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构，其可以大大缩短施工工期，降低施工难度，更有利于保证施工安全和结构稳定，并且明显降低工程造价。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构，包括钢拱架，其特征在于：钢拱架上设置有钢筋网，钢拱架接头处设有锁脚锚杆，钢拱架四周为喷射混凝土层，喷射混凝土层外为模筑混凝土层。
上述喷射混凝土层与模筑混凝土层之间设有防水层。
隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构的实现方法，其特征在于：隧道开挖后，先初喷混凝土，再架立钢拱架，其次掛设钢筋网，打锁脚锚杆，再喷射混凝土，形成初期支护体系。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、依据黄土隧道设计与施工相关研究成果，在钢拱架支护条件下，系统锚杆对隧道稳定性和结构安全作用不大，取消系统锚杆对隧道结构安全无影响。
2、可以大大缩短施工工期。例如，在粘土层锚杆施工成孔困难，耗费时间长，以VI级围岩为例，设计共布置了长4米的锚杆51根/延米，据粗略估计，锚杆施工的时间约占每个循环作业时间的10％左右。
3、更有利于保证施工安全和结构稳定。隧道开挖后，取消系统锚杆施工可及时进行喷射混凝土施工，及早封闭围岩，及早形成完整的支护结构，有利于施工安全和结构稳定。
4、可降低工程造价。以VI级围岩为例，设计共布置了长4米的锚杆51根/延米，按锚杆造价50元/米计，可节省10200元/延米。可见其经济效益十分显著。
5、本发明具有较大学术价值和工程应用价值。若将其推广应用于软弱围岩山岭隧道建设中，每年可为国家节省数亿元工程资金。
四、附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为现有的隧道衬砌结构示意图；
图4为包家山隧道围岩压力分布图(单位：MPa)；
图5为包家山隧道喷射混凝土应力分布图(单位：MPa；“+”为受压，“-”为受拉)；
图6为包家山隧道拱架外侧应力分布图(单位：MPa；“+”为受压，“-”为受拉)；
图7为包家山隧道拱架内侧应力分布图(单位：MPa；“+”为受压，“-”为受拉)。
图中，1-锁脚锚杆，2-钢拱架接头处，3-围岩，4-钢筋网，5-钢拱架，6-喷射混凝土层，7-防水层，8-模筑混凝土层。
五、具体实施方式：
本发明是在软弱围岩(IV、V、VI级围岩)条件下，将初期支护由锚喷支护形式(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+锁脚锚杆(管)+钢筋网+喷射混凝土)，即取消系统锚杆，采用钢拱架接头处锁脚锚杆(管)取代。参见图1和图2，包括钢拱架5，钢拱架5上设置有钢筋网4，钢拱架接头处2设有锁脚锚杆(管)1，钢拱架5四周为喷射混凝土层6，喷射混凝土层6外为模筑混凝土层8，喷射混凝土层6与模筑混凝土层8之间设有防水层7。实际使用时，隧道开挖后，先初喷混凝土，再架立钢拱架5，其次掛设钢筋网4，打锁脚锚杆(管)1，再喷射混凝土，形成初期支护体系。
本发明在新的支护方案中，取消了系统锚杆，整个初期支护结构由钢拱架+锁脚锚杆(管)+喷射混凝土+钢筋网组成。这种支护结构情况下，围岩的稳定性以及支护结构的安全性如何，为此，结合隧道工程建设实际情况，开展了钢拱架支护条件下取消系统锚杆的隧道围岩稳定性及支护效果的研究。下面以3个工程试验段实例介绍该方法的优点及效果。
(一)钢拱架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆的试验研究
为了检验系统锚杆在黄土隧道中的作用，在刘家坪3号隧道中设置了有系统锚杆和无系统锚杆2个长各为30米的试验段，对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等进行现场施工监控量测。其目的是通过对2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。
1、工程概况
刘家坪3号隧道位于国道主干线GZ(35)青岛至银川陕西境吴堡至子洲高速公路第十四合同段，隧道左线全长103m，右线全长187m，为双洞四车道隧道。隧址区地貌形态属黄土梁峁区的峁状斜梁。洞身段为IV级围岩，土层为离石组老黄土，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合，呈块状整体结构，柱状节理发育。
该该隧道IV级围岩采用复合式衬砌，采用分部开挖法施工(拱部留核心土环形开挖法)，开挖半径6.08m，每循环进尺1.8m。隧道初期支护无仰拱，初期支护采用喷射C25混凝土，厚20cm；H-15×15格栅拱架，纵向间距90cm；φ6钢筋网，15×15cm；φ22药卷式锚杆，长3m，间距100×100cm。初期支护与二次衬砌之间铺设防水板加土工布。二次衬砌采用C25模筑混凝土，厚45cm；仰拱采用现浇C25混凝土，厚45cm。
2、施工监控量测方案
根据该隧道的地质条件和工程条件，选择了2个试验段进行围岩稳定性及支护效果的监测。第1试验段为有系统锚杆段，里程为YK50+090.4～YK50+120.4，埋深约44m，监测断面里程为YK50+104.2和YK50+110.5；第2试验段为无系统锚杆段，里程为YK50+120.4～YK50+150.4，埋深约36m，监测断面里程为YK50+134和YK50+142。监测项目有净空收敛、拱部下沉、围岩压力、喷射混凝土应力、格栅拱架应力、纵向连接筋应力以及锚杆轴力等。该隧道采用分部开挖法施工，即拱部留核心土环形开挖法，故元件埋设也是分步进行的。从2006年3月17日开始进行元件的埋设工作，至2006年6月3日，各试验段的元件埋设工作全部结束，并进行了长期观测。
另外，在刘家坪3号隧道的2个监测断面以及刘家坪5号隧道的1个监测断面也进行了锚杆轴力测试。
3、锚杆轴力测试结果及分析
通过对刘家坪2号隧道的2个监测断面、刘家坪3号隧道的2个监测断面以及刘家坪5号隧道的1个监测断面的锚杆轴力测试结果(见表1及表2)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。由此可见，系统锚杆可以取消，应采用钢拱架接头处锁脚锚杆(管)取代。
按不同位置统计锚杆受力情况 表1
| 里程 | 围岩级别 | 位置 | 最小应力 | 最大应力 | 占钢材极限强度的百分比 |
| YK49+670 | VI | 拱顶 | 22.92 | 30.47 | 9.1％ |
| YK49+676 | 2.01 | 28.92 | 8.6％ | ||
| YK50+104.2 | IV | 1.84 | 37.76 | 11.3％ | |
| YK50+110.5 | 7.50 | 10.47 | 3.1％ | ||
| K52+296 | V | 4.21 | 4.53 | 1.7％ | |
| YK49+670 | VI | 左拱腰45度处 | 16.00 | 88.11 | 26.3％ |
| YK49+676 | 1.35 | 10.34 | 3.1％ | ||
| YK50+104.2 | IV | 7.63 | 57.11 | 17.0％ | |
| YK50+110.5 | 26.68 | 53.00 | 15.8％ | ||
| K52+296 | V | 0.82 | 9.85 | 2.7％ | |
| YK49+670 | VI | 右拱腰45度处 | 5.81 | 7.39 | 2.2％ |
| YK49+676 | 0.78 | 35.54 | 10.6％ | ||
| YK50+104.2 | IV | 11.76 | 53.16 | 15.9％ | |
| YK50+110.5 | 19.16 | 41.66 | 12.4％ | ||
| K52+296 | V | 1.14 | 2.73 | 0.8％ | |
| YK49+670 | VI | 左拱脚处锁脚锚杆 | -47.50 | -129.63 | 38.7％ |
| YK49+676 | -0.56 | -114.77 | 34.3％ |
| YK50+104.2 | IV | 0.24 | -23.13 | 6.9％ | |
| YK50+110.5 | 21.42 | -30.34 | 9.1％ | ||
| K52+296 | V | -0.52 | -2.04 | 0.6％ | |
| YK49+670 | VI | 右拱脚处锁脚锚杆 | -0.46 | -10.16 | 3.0％ |
| YK49+676 | -0.46 | -36.84 | 11.0％ | ||
| YK50+104.2 | IV | 1.00 | -35.47 | 10.6％ | |
| YK50+110.5 | 4.87 | -35.34 | 10.5％ | ||
| K52+296 | V | 0.31 | 0.83 | 0.2％ | |
| YK49+670 | VI | 墙脚处锁脚锚杆 | 0.74 | -40.18 | 12.0％ |
| YK49+676 | 0.77 | -46.09 | 13.8％ | ||
| YK50+104.2 | IV | -8.05 | 80.79 | 24.1％ | |
| YK50+110.5 | 0.79 | 7.58 | 2.3％ | ||
| K52+296 | V | 0.21 | -1.03 | 0.3％ |
注：表中“+”为受压，“-”为受拉。
按不同围岩级别统计锚杆受力情况 表2
| 隧道名称 | 里程 | 围岩级别 | 位置 | 最大应力MPa | 占钢材极限强度的百分比 |
| 刘家坪2号隧道洞口段(浅埋、偏压) | YK49+670 | VI级 | 拱顶 | 30.47 | 9.1％ |
| 左拱腰 | 88.11 | 26.3％ | |||
| 右拱腰 | 7.39 | 2.2％ | |||
| 左拱脚处锁脚 | -129.63 | 38.7％ | |||
| 右拱脚处锁脚 | -10.16 | 3.0％ | |||
| 墙脚处锁脚 | -40.18 | 12.0％ | |||
| YK49+676 | 拱顶 | 28.92 | 8.6％ | ||
| 左拱腰 | 10.34 | 3.1％ | |||
| 右拱腰 | 35.54 | 10.6％ | |||
| 左拱脚处锁脚 | -114.77 | 34.3％ | |||
| 右拱脚处锁脚 | -36.84 | 11.0％ | |||
| 墙脚处锁脚 | -46.09 | 13.8％ | |||
| 刘家坪3号隧道洞身段 | YK50+104.2 | IV级 | 拱顶 | 37.76 | 11.3％ |
| 左拱腰 | 57.11 | 17.0％ | |||
| 右拱腰 | 53.16 | 15.9％ | |||
| 左拱脚处锁脚 | -23.13 | 6.9％ | |||
| 右拱脚处锁脚 | -35.47 | 10.6％ | |||
| 墙脚处锁脚 | 80.79 | 24.1％ | |||
| YK50+110.5 | 拱顶 | 10.47 | 3.1％ | ||
| 左拱腰 | 53.00 | 15.8％ | |||
| 右拱腰 | 41.66 | 12.4％ |
| 左拱脚处锁脚 | -30.34 | 9.1％ | |||
| 右拱脚处锁脚 | -35.34 | 10.5％ | |||
| 墙脚处锁脚 | 7.58 | 2.3％ | |||
| 刘家坪5号隧道洞口段 | K52+296 | V级 | 拱顶 | 4.53 | 1.7％ |
| 左拱腰 | 9.85 | 2.7％ | |||
| 右拱腰 | 2.73 | 0.8％ | |||
| 左拱脚处锁脚 | -2.04 | 0.6％ | |||
| 右拱脚处锁脚 | 0.83 | 0.2％ | |||
| 墙脚处锁脚 | -1.03 | 0.3％ |
注：表中“+”为受压，“-”为受拉。
4、试验结论
(1)通过对刘家坪3号隧道2个试验段的测试数据对比分析可知，无论从变形还是受力上讲，同类数据均处于同一量级，并且通过对多个隧道锚杆施工情况的了解，可认为系统锚杆对于黄土隧道的结构稳定性作用不大，即可以取消系统锚杆。钢拱架+锁脚锚杆+钢筋网+喷射混凝土组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构。
(2)通过对IV级围岩隧道施工各工序所需时间的统计，即使4台电钻同时施工的工况下，每循环系统锚杆施做也至少需要2小时，完成初期支护每循环所需总时间约16小时。倘若取消系统锚杆，不但可以及时喷射混凝土，有利于围岩稳定，而且还可大大缩短工期。
(3)由于采用分部开挖法施工，施工空间狭小，拱部锚杆施工往往无法径向施作，拱部锚杆接近于水平状态，达不到设计的要求。
(4)按3米长的锚杆46元/米的单价计，以IV级围岩为例，IV级围岩拱部和边墙的系统锚杆共有23根/延米，工程造价为3174元，以隧道工程造价3万元/米计，系统锚杆占工程的10.6％。可见，取消系统锚杆可显著降低工程造价。
(二)钢拱架支护条件下软弱围岩隧道取消系统锚杆的试验研究
在新的支护方案中，取消了系统锚杆，整个初期支护结构由钢拱架+锁脚锚杆+钢筋网+喷射混凝土组成。我们在包家山隧道(北段)中设置了2个长约33m的试验段，进行现场施工监控量测。以检验取消系统锚杆后支护结构的安全性及稳定性。
1、工程概况
包家山隧道位于阿北线(陕西境)小河—安康高速公路的咽喉部位，长11.2公里，是中国目前第三长公路隧道。分为上下双洞行车，两洞净距为40m，线路纵断面为人字坡，线路最大坡度均为1.95％。隧道穿越南秦岭山脉青山和玉皇山两道山峰，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性多变，共有断层37条，岩溶异常区17处和多处富水区，工程施工难度大。
2、施工监控量测方案
根据该隧道的地质条件和工程条件，选择了2个试验段进行围岩稳定性及支护效果的监测。试验段内围岩为IV级围岩，主要是软质岩石(IIB)绢云母千枚岩夹炭质板岩，夹少量结晶灰岩，微风化，块状镶嵌结构，裂隙较发育。2个试验段均取消了系统锚杆，其中第1试验段在拱顶拱架联接处共安设4根锚杆，上台阶左、右拱脚拱架联接处各安设4根锁脚锚杆，中台阶左、右拱脚拱架联接处各安设2根锁脚锚杆，下台阶左、右墙脚处各安设2根锁脚锚杆，各锁脚锚杆尾端与钢拱架焊接。试验段里程为YK152+454～YK152+487，埋深约680m，监测断面里程为YK152+469和YK152+475；第2试验段拱顶拱架联接处不安设锚杆，其余锁脚锚杆安装方式及数量与第1试验段相同，各锁脚锚杆尾端与钢拱架焊接。试验段里程为YK152+502～YK152+535，埋深约680m，监测断面里程为YK152+515和YK152+523。监测项目有净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力以及锚杆轴力等。
该隧道IV级围岩采用复合式衬砌，采用三台阶分部开挖法施工，开挖半径6.20m，每循环进尺约2.4m。初期支护采用喷射C25混凝土，厚22cm；I16型钢拱架，纵向间距120cm；φ8钢筋网，20×20cm；原设计φ22早强砂浆锚杆，长3m，间距100×100cm，梅花形布置，系统锚杆尾端与钢拱架焊接。此外另需设置锁脚锚杆。初期支护与二次衬砌之间铺设防水板加土工布。二次衬砌采用C25模筑混凝土，厚40cm；仰拱采用现浇C25混凝土，厚40cm。
由于采用三台阶分部开挖法，故元件埋设也是相应分步进行的。从2007年4月7日开始进行元件的埋设工作，至2007年6月11日，2个试验段的元件埋设工作已全部结束，监测至今，初期支护各测试数据已完全稳定。
3、监测结果与分析
经过3个多月的观测，初期支护各项数据已趋于稳定，笔者对量测数据进行整理分析。
(1)净空收敛
净空收敛监测结果见表3，从表3可以看出，2个监测段初期支护阶段净空位移最终速率均远小于围岩基本稳定辨别标准0.2mm/d。从变形数值来看，2个监测段各阶段数值相差不大，基本处在同一量级。
净空收敛监测结果 表3
| 试验段 | 位置 | 监测断面桩号 | 最大收敛值/mm | 最终速率/(mm·d-1) |
| 第1试验段 | 上台阶 | YK152+469m | 8.78 | 0.02 |
| YK152+475m | 8.38 | 0.00 | ||
| 中台阶 | YK152+470m | 6.08 | 0.01 | |
| YK152+471m | 5.72 | 0.02 |
| YK152+476m | 6.68 | 0.01 | ||
| 下台阶 | YK152+469m | 1.71 | 0.02 | |
| YK152+472m | 1.38 | 0.01 | ||
| YK152+475m | 1.13 | 0.01 | ||
| 第2试验段 | 上台阶 | YK152+516m | 8.20 | 0.01 |
| YK152+519m | 7.13 | 0.01 | ||
| YK152+520m | 8.23 | 0.01 | ||
| YK152+523m | 10.26 | 0.01 | ||
| 中台阶 | YK152+515m | 6.96 | 0.01 | |
| YK152+516m | 8.38 | 0.00 | ||
| YK152+522m | 12.83 | 0.08 | ||
| 下台阶 | YK152+514m | 0.71 | 0.01 | |
| YK152+523m | 1.18 | 0.00 |
(2)围岩压力
围岩压力监测结果见图4。从中可以看出各监测断面的围岩压力分布不均，且分布形式不尽相同。其中YK152+469断面的右拱腰30°处围岩压力最大，达到0.255MPa。其他部位的围岩压力相对较小，均在0.1MPa以下。YK152+475断面的左拱腰30°处的围岩压力最大，达到0.444MPa，右拱脚和右墙脚的围岩压力也较大，分别为0.361MPa和0.232MPa。YK152+515断面的最大压力发生在拱顶，为0.148MPa，其他位置压力较小。YK152+523断面左、右拱腰30°处压力值较大，分别为0.452MPa和0.155MPa，左、右拱脚处的压力值也相对较大。其他部位围岩压力较小。
(3)喷射混凝土应力
喷射混凝土外缘(靠近岩面)的应力监测结果见图5。此工程初期支护采用C25喷射混凝土，其轴心抗压与抗拉设计强度值分别为12.5MPa和1.3MPa。从监测数据可以看出，2个试验段各断面的喷射混凝土以受压为主，在边墙等个别部位出现了拉应力。但无论受压还是受拉，均小于喷射混凝土的轴心抗压和设计抗拉强度。
(4)型钢拱架应力
型钢拱架应力监测结果见图6、图7。从拱架应力分布图来看，各监测断面的应力主要为压应力，且应力值均较大。钢架支护作用明显，在支护系统中起主要作用。
(5)纵向连接筋应力
纵向连接筋应力监测结果见表4。从监测结果可以看出，纵向连接筋应力多为压应力，且数值不大，较为接近，最大应力值仅为钢材屈服极限14.5％。
纵向连接筋应力监测结果 表4
| 监测断面桩号 | 位置 | 最大应力/MPa | 占钢筋极限强度的百分比 |
| YK152+469 | 拱顶 | 9.1 | 2.7％ |
| 左拱腰45° | 44.9 | 13.4％ | |
| 右拱腰45° | 24.2 | 7.2％ | |
| 左最大开挖线 | 22.0 | 6.6％ | |
| 右最大开挖线 | 38.6 | 11.5％ | |
| YK152+475 | 拱顶 | 28.3 | 8.4％ |
| 左拱腰45° | 14.9 | 4.4％ | |
| 右拱腰45° | -11.9 | 3.6％ | |
| 左最大开挖线 | 13.1 | 3.9％ | |
| 右最大开挖线 | 12.4 | 3.7％ | |
| YK152+515 | 拱顶 | 7.0 | 2.1％ |
| 左拱腰45° | 13.0 | 13.9％ | |
| 右拱腰45° | 14.0 | 4.2％ | |
| 左最大开挖线 | 10.5 | 3.1％ | |
| 右最大开挖线 | 6.8 | 2.0％ | |
| YK152+523 | 拱顶 | 17.0 | 5.1％ |
| 左拱腰45° | -5.0 | 1.5％ | |
| 右拱腰45° | 48.5 | 14.5％ | |
| 左最大开挖线 | 11.7 | 3.5％ | |
| 右最大开挖线 | 38.1 | 11.4％ |
注：表中“+”为受压，“-”为受拉。
(6)锚杆轴力监测
隧道锚杆轴力监测结果见表5。原设计中IV级围岩系统锚杆(20根/延米)沿环向1m等间距梅花形布置，布置方向沿径向，且除系统锚杆外，还要求安设锁脚锚杆。而在试验段中取消了系统锚杆，其中第1试验段在拱顶拱架联接处共安设4根锚杆，上台阶左、右拱脚拱架联接处各安设4根锁脚锚杆，中台阶左、右拱脚拱架联接处左右各安设2根锁脚锚杆，下台阶左、右墙脚处各安设2根锁脚锚杆；第2试验段拱顶拱架联接处不安设锚杆，其余锁脚锚杆安装方式及数量与第1试验段相同。
从监测数据可以看到，第1试验段2个监测断面靠近拱顶的8根锚杆有3根受压，且受力不大。4个监测断面各台阶拱脚处锁脚锚杆绝大多数均受拉，这与黄土隧道中锚杆的受力特点有很大区别。在黄土隧道中，拱部的系统锚杆与墙脚的锁脚锚杆基本受压，而岩石隧道中锁脚锚杆大部分受拉，最大值达到191.03MPa，表明岩石隧道中锁脚锚杆对支护结构的稳定性起着重要作用。
锚杆轴力监测结果 表5
| 试验段 | 里程 | 围岩级别 | 位置 | 最大应力/MPa | 占钢材极限强度的百分比 |
| 第1试验段 | YK152+469 | IV级 | 左拱腰约18° | -12.54 | 3.7％ |
| 右拱腰约18° | -18.81 | 5.6％ | |||
| 左拱腰约24° | -39.98 | 11.9％ | |||
| 右拱腰约24° | -23.33 | 7.0％ | |||
| 上台阶左侧锁脚 | -185.75 | 55.4％ | |||
| 上台阶右侧锁脚 | 30.65 | 9.1％ | |||
| 中台阶左侧锁脚 | -5.40 | 1.6％ | |||
| 中台阶右侧锁脚 | -81.15 | 24.2％ | |||
| 下台阶左侧锁脚 | -2.85 | 0.8％ | |||
| 下台阶右侧锁脚 | -41.67 | 12.4％ | |||
| YK152+475 | 左拱腰约18° | -17.79 | 5.3％ | ||
| 右拱腰约18° | 17.34 | 5.2％ | |||
| 左拱腰约24° | -38.52 | 11.5％ | |||
| 右拱腰约24° | 20.62 | 6.2％ | |||
| 上台阶左侧锁脚 | -191.03 | 57.0％ | |||
| 上台阶右侧锁脚 | 18.17 | 5.4％ | |||
| 中台阶左侧锁脚 | -26.10 | 7.8％ | |||
| 中台阶右侧锁脚 | -14.94 | 4.5％ | |||
| 下台阶左侧锁脚 | -25.17 | 7.5％ | |||
| 下台阶右侧锁脚 | -46.90 | 14.0％ | |||
| 第2试验段 | YK152+515 | IV级 | 上台阶左侧锁脚 | -137.21 | 41.0％ |
| 上台阶右侧锁脚 | 7.91 | 2.4％ | |||
| 上台阶左侧锁脚 | -114.29 | 34.1％ | |||
| 上台阶右侧锁脚 | -2.09 | 0.6％ | |||
| 中台阶左侧锁脚 | -21.08 | 6.3％ | |||
| 中台阶右侧锁脚 | -41.22 | 12.3％ | |||
| 下台阶左侧锁脚 | -4.57 | 1.4％ | |||
| 下台阶右侧锁脚 | -15.65 | 4.7％ | |||
| YK152+523 | 上台阶左侧锁脚 | -62.94 | 18.8％ | ||
| 上台阶右侧锁脚 | -32.58 | 9.7％ | |||
| 上台阶左侧锁脚 | -36.10 | 10.8％ |
| 上台阶右侧锁脚 | -35.36 | 10.6％ | |||
| 中台阶左侧锁脚 | -10.22 | 3.1％ | |||
| 中台阶右侧锁脚 | -8.35 | 2.5％ | |||
| 下台阶左侧锁脚 | 9.91 | 3.0％ | |||
| 下台阶右侧锁脚 | -27.18 | 8.1％ |
注：表中“+”为受压，“-”为受拉。
4、试验结论
(1)通过对取消系统锚杆后的2个试验段的测试数据分析可知，各监测断面的支护结构变形趋于稳定，结构受力安全，说明取消系统锚杆后隧道的初期支护仍然是稳定安全的。在软弱围岩隧道中采用由钢拱架+锁脚锚杆+钢筋网+喷射混凝土组成的初期支护结构是合理可行的。
(2)通过对试验段所在标段IV级围岩隧道施工各工序所需时间的统计，完成初期支护每循环所需总时间约14小时。在6台风钻(上台阶4台，中台阶2台)同时施工的情况下，每循环系统锚杆施作时间约为2小时，取消系统锚杆可缩短工序循环时间，并能及时进行喷射混凝土施工，及早封闭围岩以形成完整的支护结构，有利于施工安全和结构稳定。
(3)试验段所在标段IV级围岩隧道工程造价为33757元/延米，锚杆造价为46元/延米，设计中3m长系统锚杆数量为20根/延米，系统锚杆的造价共计2760元/延米，占工程总造价的8.2％。由此可见，取消系统锚杆可显著降低工程造价。
(三)钢拱架支护条件下粘土质隧道取消系统锚杆的试验研究
天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界，是哈尔滨绕城公路项目的重要组成部分。隧道穿越地层主要为粘性土，局部为细砂、中砂层。隧道范围内地下水为上层滞水，赋存于软可塑及软亚粘土层中，钻孔后出现渗水现象。在隧道施工过程中，由于粘土层锚杆施工成孔困难，加之注浆效果差，严重影响了工程进度。为此，参考黄土隧道设计与施工相关研究成果取消了系统锚杆，在钢拱架连接处用锁脚锚管取代。有以下优点：
1、依据黄土隧道设计与施工相关研究成果，在钢拱架支护条件下，系统锚杆对隧道稳定性和结构安全作用不大，取消系统锚杆对隧道结构安全无影响。
2、可以大大缩短施工工期。在粘土层锚杆施工成孔困难，耗费时间长，以VI级围岩为例，设计共布置了长4米的锚杆51根/延米，据粗略估计，锚杆施工的时间约占每个循环进尺的10％左右。
3、更有利于保证施工安全和结构稳定。隧道开挖后，取消系统锚杆施工，在钢拱架连接处用锁脚锚管取代，可及时进行喷射混凝土施工，及早封闭围岩，及早形成完整的支护结构，有利于施工安全和结构稳定。
4、可降低工程造价。以VI级围岩为例，设计共布置了长4米的锚杆51根/延米，按锚杆造价46元/米计，可节省10200元/延米。可见其经济效益十分显著。
Claims (3)
1.一种隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构，包括钢拱架(5)，其特征在于：钢拱架(5)上设置有钢筋网(4)，钢拱架接头处(2)设有锁脚锚杆(1)，钢拱架(5)四周为喷射混凝土层(6)，喷射混凝土层(6)外为模筑混凝土层(8)。
2.根据权利要求1所述的隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构，其特征在于：喷射混凝土层(6)与模筑混凝土层(8)之间设有防水层(7)。
3.根据权利要求1所述的隧道钢拱架锁脚锚杆网喷组合结构的实现方法，其特征在于：隧道开挖后，先初喷混凝土，再架立钢拱架(5)，其次掛设钢筋网(4)，打锁脚锚杆(1)，再喷射混凝土，形成初期支护体系。
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