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软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载分析

岩石力学与工程学报 2015年第A1期34卷 129-138页

作者：陈丽俊张运良马震岳白少国大连理工大学水利工程学院辽宁大连116024

锁脚锚杆–钢拱架联合支护是控制隧洞拱顶下沉的有效措施。为了研究其承载机制,建立软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载的力学计算模型,考虑钢拱架与锁脚锚杆连接处的弯矩、轴力、剪力传递及变形协调。将钢拱架处理为弹性固定无铰拱,采... 详细信息

锁脚锚杆–钢拱架联合支护是控制隧洞拱顶下沉的有效措施。为了研究其承载机制,建立软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载的力学计算模型,考虑钢拱架与锁脚锚杆连接处的弯矩、轴力、剪力传递及变形协调。将钢拱架处理为弹性固定无铰拱,采用结构力学法进行求解。锁脚锚杆的横向效应和轴向效应分析表达式分别采用弹性地基梁法和荷载传递法进行详细推导。通过实例首先研究锁脚锚杆的内力与变形特性,并与未考虑弯矩传递及变形协调的已有文献中的模型结果进行对比,然后讨论不同打设角度对锁脚锚杆与钢拱架连接处的内力和变形的影响,最后应用该模型对比分析围岩侧压力系数、刚度以及锁脚锚杆各参数对控制隧洞拱顶下沉效果的影响规律。得出以下结论:锁脚锚杆最不利受力位置在与钢拱架焊接的部位,该部位应焊接牢固,并且在计算模型中宜考虑焊接部位的弯矩传递;锁脚锚杆横向效应主要集中在端部附近区域,该区域围岩应重点加固,且锚杆过长对发挥其横向作用并无贡献;其打设角度不宜过大,取45°左右为佳;增大单根锁脚锚杆(管)规格或增加数量,可获得更好的支护效果;设计中,围岩侧压力系数宜考虑较小值。

关键词：隧道工程软弱岩体锁脚锚杆钢拱架弹性地基梁联合承载

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锁脚锚杆对层状软岩隧道加固机理研究

地下空间与工程学报 2023年第5期19卷 1574-1583页

作者：王庆杨永斌高伟政肖伟李永亮中交第二公路工程局有限公司西安710065

为了揭示炭质板岩隧道施工过程位移及力学变化规律,提出并验证加强支护措施有效性。以某高速公路隧道工程为依托,通过现场试验测试及数值模拟,分析了断面YK11+460拱顶下沉与周边收敛变形曲线,揭示了断面YK11+460围岩压力、钢拱架及混凝... 详细信息

为了揭示炭质板岩隧道施工过程位移及力学变化规律,提出并验证加强支护措施有效性。以某高速公路隧道工程为依托,通过现场试验测试及数值模拟,分析了断面YK11+460拱顶下沉与周边收敛变形曲线,揭示了断面YK11+460围岩压力、钢拱架及混凝土应变规律。提出了“三台阶锁脚锚杆+钢拱架纵向连接”加强支护措施。研究表明:基于数值模拟得锁脚锚杆设置建议角度为35°,设置长度宜取3.5 m;采用加强支护措施结构处于稳定状态后,拱部位置围岩压力由0.83降至0.74 MPa,钢拱架应变由4 029降至2 719με,混凝土形变由2 346降至1 773με,断面ZK10+360拱顶累计形变量为13.6 mm,上、中、下台阶累计收敛值依次为6.1、5.4、3.9 mm;采用加强支护技术措施后,上台阶开挖施工后初支拱部受力水平略高于常规施工技术;仰拱施作完毕拱顶、拱腰、边墙呈统一受力状态,拱架沿纵向连为整体,增强了围岩稳定性,减小围岩松动压力,改善了初期支护结构受力状态。

关键词：隧道炭质板岩锁脚锚杆现场试验数值模拟

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锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

隧道建设（中英文） 2022年第S1期42卷 28-39页

作者：剧仲林中铁十二局集团第四工程有限公司陕西西安710021

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出,初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因,其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性... 详细信息

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出,初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因,其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系,以此确定锁脚锚杆的承载能力;通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度,确定其与支护结构的相互影响,进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型,计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据;按照上述原理,分析了Ⅴ级围岩当前流行的?42锁脚锚管的不足,并示例计算分析了?108锁脚锚管的承载能力;最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性;结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系,达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。

关键词：隧道初期支护变形控制锁脚锚杆弹性地基梁柱摩擦桩弹性无铰拱直接弹性抗力加强锁脚锚桩

土岩“二元基坑”吊脚桩支护体系锁脚锚杆预加轴力计算方法研究

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隧道建设（中英文） 2020年第10期40卷 1441-1447页

作者：陈诚杨红林广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010 上海市隧道工程轨道交通设计研究院上海200292

为解决土岩二元基坑吊脚桩支护体系中吊脚桩、岩肩与锁脚锚杆之间的相互作用力学机制,根据吊脚桩桩底位于岩质边坡潜在滑动面的位置,分别提出锁脚锚杆预加轴力的计算方法:1)当吊脚桩位于潜在滑动面以下位置时,锁脚锚杆的预加轴力等于岩... 详细信息

为解决土岩二元基坑吊脚桩支护体系中吊脚桩、岩肩与锁脚锚杆之间的相互作用力学机制,根据吊脚桩桩底位于岩质边坡潜在滑动面的位置,分别提出锁脚锚杆预加轴力的计算方法:1)当吊脚桩位于潜在滑动面以下位置时,锁脚锚杆的预加轴力等于岩层基坑未开挖时的被动区合力减去岩肩能提供的反力;2)当吊脚桩位于潜在滑动面以上位置时,锁脚锚杆的预加轴力等于滑块对吊脚桩嵌固段的推力加上岩层基坑未开挖前被动区的土压力。并给出2种工况下锁脚锚杆预加轴力的计算公式。最后通过有限元方法进行数值验证。结果表明:按照提出的计算方法得到的锁脚锚杆预加轴力基本合理。

关键词：吊脚桩锁脚锚杆预加轴力二元基坑

软弱围岩隧道锁脚锚杆受力及预衬砌结构承载能力研究

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软弱围岩隧道锁脚锚杆受力及预衬砌结构承载能力研究

作者：韩仁贤北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：据统计,当前我国在建的7500km铁路隧道中,有30%-40%属于软弱围岩隧道,并且正在设计和规划修建的铁路隧道中,软弱围岩所占的比重更大。软弱围岩具有变形大、变形速度快、变形难以控制等特点。随着修建于软弱围岩中的隧道数量不断增... 详细信息

摘要：据统计,当前我国在建的7500km铁路隧道中,有30%-40%属于软弱围岩隧道,并且正在设计和规划修建的铁路隧道中,软弱围岩所占的比重更大。软弱围岩具有变形大、变形速度快、变形难以控制等特点。随着修建于软弱围岩中的隧道数量不断增加,由于拱脚地基承载力不足而造成隧道整体或局部下沉的事故时有发生。本文通过理论分析、模型试验及数值计算方法,对锁脚锚杆作用机理、预衬砌锁脚微型桩的比选分析及预衬砌的承载能力进行研究分析,主要工作及所得成果如下：1、尽管目前锁脚锚杆在软弱围岩隧道工程中已经应用的很多,但是对其作用机理和荷载传递机理的认识并不清楚。通过分析锚杆、钢架和围岩的相互作用机理,提出了锁脚锚杆力学计算模型。根据该模型对所托工程锁脚锚杆受力情况进行计算,并与实测值进行了对比分析。对比研究不同围岩弹性抗力系数、不同锚杆直径、不同锚杆壁厚、不同锚杆长度及不同下插角条件下锁脚锚杆的受力变化情况,为锁脚锚杆参数的合理选取给予指导。2、对于机械预切槽法开挖的软弱围岩隧道,为了避免因拱脚地基承载力不足而发生过大沉降变形,采用荷载结构法的不同模型进行拱脚地基荷载的计算。运用锁脚锚杆力学计算模型对不同规格的锁脚微型桩受力情况进行计算,综合考虑经济因素,锁脚微型桩的加筋建议选择T76L-1锚杆(外径76mm,壁厚7mm)。3、综合考虑试验箱及隧道尺寸确定模型试验的相似条件,根据土工力学试验结果可知,围岩相似材料采用2mm粒径砂土、铁粉、粘土和木屑,预衬砌模型材料采用水膏比为1.1：1的高强石膏浆液。4、利用MIDAS GTS有限元软件进行模型试验对应的数值模拟计算,通过模型试验和数值模拟计算结果的对比发现,预衬砌结构的最不利受力部位为拱顶内侧和拱脚内侧。由于试验条件所限,无法加载到预衬砌结构破坏,运用MIDAS GTS有限元软件进行预测得到当施加荷载为22.56Kpa时,预衬砌模型拱顶内侧拉应力值(51.3Kpa)达到石膏模型的抗拉强度值,开始出现裂缝。若按此时模型预衬砌结构达到承载能力极限状态,那么反推得到在拱脚部位完全处理好(数值计算中拱脚部位采用铰支约束)的情况下,原型预衬砌机构能够承受的土柱高度为47.5m(=1.19×40m),已经超过深、浅埋隧道分界深度。

关键词：软弱围岩锁脚锚杆钢拱架拱脚地基荷载预衬砌微型桩模型试验

加筋喷砼拱肋—锁脚锚杆组合结构承载机制与支护效应研究

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加筋喷砼拱肋—锁脚锚杆组合结构承载机制与支护效应研究

作者：喻海涛长沙理工大学

学位级别：硕士

由加筋喷混凝土拱肋、锁脚锚杆构成的组合结构作为围岩质量较差隧道的永久支护,在地下工程实践中被证明是一种经济有效的加固措施,取得了良好的工程效应和显著的经济效益。然而,目前针对加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构联合支护的承... 详细信息

由加筋喷混凝土拱肋、锁脚锚杆构成的组合结构作为围岩质量较差隧道的永久支护,在地下工程实践中被证明是一种经济有效的加固措施,取得了良好的工程效应和显著的经济效益。然而,目前针对加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构联合支护的承载能力和支护效应研究还不多见,影响了该支护结构的更广泛的应用。首先,推导了加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构内力和拱顶沉降的解析解;然后,编制了组合结构内力和拱顶沉降的计算程序,并基于该计算程序确定了锁脚锚杆最佳打设角度;最后,以某交通隧道软弱围岩段为工程背景,基于FLAC3D研究了不同拱肋厚度和拱肋间距时组合结构支护下围岩及支护结构的力学响应,分析了组合支护结构的联合承载机制和支护效应。具体研究工作及结论如下:（1）加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构加固机理的阐述。介绍了锚喷-加筋喷混凝土拱肋复合支护结构的组成,并阐述了加筋喷混凝土拱肋的加固机理,锁脚锚杆作用机理,以及加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构与围岩相互作用机制。（2）组合结构内力及拱顶沉降解析解推导。根据锁脚锚杆和围岩的相互作用机理,建立了加筋喷混凝土拱肋和锁脚描杆力学计算模型,利用结构力学力法中的弹性中心法求解拱肋断面内力;接着将锁脚锚杆视为半无限长梁,运用弹性地基梁法和荷载传递法推导出锁脚锚杆的横向效应和轴向效应表达式,最后详细推导了组合结构内力及拱顶沉降解析解。（3）组合结构受力和拱顶沉降计算程序的编制及应用。基于喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构内力及变形理论研究,利用Excel软件编制了加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构计算程序,并利用理正岩土计算软件及已有文献的计算结果进行考证,再从围岩荷载、荷载承担比及拱肋厚度变化等三个方面确定了组合结构锁脚锚杆的最优打设角度为45°。（4）加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构的联合承载机制和支护效应研究。在锁脚锚杆打设最佳角度为45°的基础上,以某交通隧道软弱围岩段为工程背景,基于FLAC3D有限差分软件,模拟了某交通隧道在加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆联合支护下不同拱肋厚度（0.2～0.7m）和间距（2mm）时围岩和支护结构的力学响应;对比分析了隧道围岩变形、塑性区,以及围岩与支护结构的应力、锁脚锚杆与钢筋轴力的变化规律对复合结构支护效果的影响,得到拱肋最优厚度为0.4～0.5m,最优间距为3～4m。

关键词：加筋喷混凝土拱肋锁脚锚杆承载机制数值模拟支护效应

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软弱围岩隧道锁脚锚杆支护优化研究

软弱围岩隧道锁脚锚杆支护优化研究

作者：邢亮河北工业大学

学位级别：硕士

在软弱围岩地质状况下设计以及施工的过程中,隧道容易出现大变形问题。因软弱围岩强度较低,故当隧道处在地质不良的条件时,更容易受到破坏。目前的《公路隧道设计规范》(JTG-D70)、《公路隧道施工技术规范》(JTG-F60)对隧道的支护要求... 详细信息

在软弱围岩地质状况下设计以及施工的过程中,隧道容易出现大变形问题。因软弱围岩强度较低,故当隧道处在地质不良的条件时,更容易受到破坏。目前的《公路隧道设计规范》(JTG-D70)、《公路隧道施工技术规范》(JTG-F60)对隧道的支护要求钢拱架和锚杆各自独立的发挥作用,支护效果较差,施工过程中时有发生塌方事故。在软弱围岩隧道中用系统锚杆支护对围岩的扰动大,支护时间长,容易导致围岩发生大变形。本文以延崇高速公路隧道Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩段为背景,运用FLAC3D软件对实际工程状况进行模拟,其中系统锚杆在Ⅳ级围岩中采用砂浆锚杆,Ⅴ级围岩中采用注浆锚杆,锁脚锚杆均采用注浆锚杆。研究内容及结论如下:(1)根据试验埋深段或各方案支护特性曲线随埋深变化的规律,选取特定埋深下的支护方案进行具体分析。(2)运用FLAC3D软件选择合理的本构模型,通过改变锚杆布置方式,分析不同围岩级别下的围岩塑性区、二衬主应力、位移、应力以及锁脚锚杆轴力并结合理论分析选出软弱围岩隧道中替代系统锚杆支护的最优锁脚锚杆支护方案。(3)基于现场试验数据,验证数值模拟的最优方案,评价数值模型的合理性。(4)在Ⅳ级围岩150 m埋深段中,在塑性区范围方面,锁脚锚杆支护方案的塑性区范围最小。在二衬主应力方面,各支护方案大小主应力符合安全性要求。在围岩位移方面,锁脚锚杆支护方案与系统锚杆支护方案抑制竖向位移的效果相近。锁脚锚杆抑制水平收敛的效果更佳。在锁脚锚杆轴力方面,拱腰处轴力最大,起主要支承效果。综合理论分析选用Ⅳ级围岩最优方案为左右拱肩、拱腰、拱脚各打设2根锁脚锚杆,现场试验也证实了Ⅳ级围岩方案模拟的可行性。Ⅳ级围岩最优方案为左右拱肩各打设4根,左右拱腰与拱脚各打设2根锁脚锚杆。(5)在Ⅴ级围岩200 m埋深段中,在塑性区范围方面,系统锚杆方案塑性区范围最小,锁脚锚杆方案塑性区范围与系统锚杆相比差距不大。在二衬主应力方面,各方案大小主应力符合安全性要求。在围岩位移方面,锁脚锚杆支护方案与系统锚杆支护方案抑制竖向位移的效果相近。系统锚杆抑制水平收敛的效果更佳。在锁脚锚杆轴力方面,各锁脚锚杆模型拱腰处拉应力较大,都发挥了锁脚锚杆的支承效果。综合理论分析选用拱顶60°范围打设系统锚杆,左右拱肩各打设4根锁脚锚杆,左右拱腰与拱脚各打设2根锁脚锚杆作为该埋深段的合理支护方案。

关键词：软弱围岩 FLAC3D 系统锚杆锁脚锚杆支护方案

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黄土隧道锁脚锚杆承载特性研究

黄土隧道锁脚锚杆承载特性研究

作者：李钊兰州交通大学

学位级别：硕士

锁脚锚杆在控制隧道变形方面取到了很好的效果,在黄土隧道的施工过程中得到了广泛的应用。为了充分了解黄土隧道锁脚锚杆的承载特性及其支护机理,本文在现有研究成果的基础上,分析其承载特性,并通过理论分析、室内试验及数值模拟分析方... 详细信息

锁脚锚杆在控制隧道变形方面取到了很好的效果,在黄土隧道的施工过程中得到了广泛的应用。为了充分了解黄土隧道锁脚锚杆的承载特性及其支护机理,本文在现有研究成果的基础上,分析其承载特性,并通过理论分析、室内试验及数值模拟分析方法对其承载特性与受力情况进行了研究。主要结论及成果如下:(1)根据黄土自身地质特点以及系统锚杆的作用原理,分析了黄土隧道锁脚锚杆的受力特性和支护作用机理。研究发现黄土隧道的锁脚锚杆主要起到支承作用,与钢拱架共同作用以提高其支护效果,通过对围岩的加固进而增强黄土的自稳能力。(2)设计并完成了室内试验,开展模型试验之前对试验用土进行了相关土工试验,然后对试验结果进行分析,得到不同工况下锁脚锚杆的承载特性。结果表明:锚杆的下插角度不同,锚端的位移与承受荷载能力也各不相同,在相同压力作用下,锁脚锚杆的打设角度越大,锚杆端部的竖向位移越小;在相同的荷载条件下,对于下插角为40°的锁脚锚杆能将锚杆端部荷载传递至锚杆的更远位置;同一根锚杆不同位置受力也不尽相同,锚杆端部的应变值最大,而锚杆底部附近受到的荷载几乎为零。(3)结合中兰客运专线盘岘山隧道开挖支护方法,运用有限元分析的方法确定锁脚锚杆最合适的下插角度。按照单一变量准则,分别对上、中、下台阶锁脚锚杆的角度进行分析,并综合对比拱顶下降速率、洞周的收敛速率、锚杆轴力及初期支护应力情况。结果表明锁脚锚杆的作用为上台阶最大,中台阶次之,最后为下台阶,所以上台阶锁脚锚杆的施作,对支护结构的安全稳固具有决定性意义。(4)鉴于黄土工程地质特殊性,为保证锁脚锚杆发挥足够的承载能力,施工时需注意锁脚锚杆的注浆方式,并保证其与钢拱架之间的焊接质量以确保形成整体结构抵制隧道变形。

关键词：黄土隧道锁脚锚杆室内试验数值模拟承载特性

公路隧道散体围岩中系统锚杆和锁脚锚杆的合理布置研究

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公路隧道散体围岩中系统锚杆和锁脚锚杆的合理布置研究

作者：曹富兴河北工业大学

学位级别：硕士

散体围岩由于自身结构松散,强度较低,易受外界扰动而失去承载力。而对于散体围岩隧道进行系统锚杆注浆支护在实际施工中往往由于钻孔难,对围岩扰动大,注浆质量难以保证,增加施工工序,滞后支护成环等原因导致拱顶沉降加大甚至坍塌等问题... 详细信息

散体围岩由于自身结构松散,强度较低,易受外界扰动而失去承载力。而对于散体围岩隧道进行系统锚杆注浆支护在实际施工中往往由于钻孔难,对围岩扰动大,注浆质量难以保证,增加施工工序,滞后支护成环等原因导致拱顶沉降加大甚至坍塌等问题。许多学者研究认为在软弱围岩中应取消系统锚杆,加强锁脚锚杆支护。因此本文以松山隧道200m埋深散体围岩隧道为背景,对公路隧道散体围岩中系统锚杆与锁脚锚杆布置进行研究分析,主要研究内容如下;(1)查阅相关文献,分析散体围岩性质及锁脚锚杆支护特性,结合实际施工过程存在问题,提出在散体围岩隧道中,取消全环系统锚杆注浆,在拱肩、拱腰、拱脚等钢拱架接头处打设注浆锁脚锚杆,并将锚杆端头与钢拱架焊接固定的新型锁脚锚杆支护方式。(2)查阅隧道地质勘察报告,进行现场超前地质预报与围岩分级确定隧道散体围岩试验段,并通过以上信息计算出围岩物理参数,作为数值模拟围岩基本参数依据。(3)选择FLAC3D有限差分软件作为数值模拟工具,进行数值建模确定模拟参数以及模拟对比方案。(4)针对各模拟方案对比分析,确定在新型锁脚锚杆支护方式基础上拱顶局部打设8根注浆系统锚杆或加强超前小导管注浆形成1.5m加固圈的锚杆组合支护方式,并对两种支护方式围岩与衬砌结构应力、位移、塑性区以及锚杆力学状态进行分析,确认支护方案稳定性。(5)通过现场对比试验,监测关键点围岩变形和应力变化,确认在公路隧道散体围200m埋深情况下,取消全环系统锚杆注浆,在拱肩、拱腰、拱脚等钢拱架接头处打设注浆锁脚锚杆,并将锚杆端头与钢拱架焊接固定,并在拱顶局部打设注浆系统锚杆或加大超前小导管打设角度以提高超前支护支护强度的锚杆布置方案的合理性。

关键词：散体围岩系统锚杆锁脚锚杆超前地质预报围岩分级 FLAC3D