【工程思考】地铁隧道锚杆设计相关问题技术探讨

【水哥寄语】

        各位粉丝，大家好，本次很荣幸邀请到了隧道设计大咖丁大师来给大家分享工程实际经验，感谢丁大师在百忙之中撰写此文，若大家对此文内容有任何疑问，可在文章下方留言，丁大师会根据疑问做一一解答，下期推文会将答案给出，感谢大家的支持！

锚杆是地铁隧道设计过程中经常遇到的加固支护方式，以西南地区岩层区域地铁暗挖隧道为例对设计过程中相关问题进行探讨，本次探讨主要分如下五个方面内容：

1）、隧道中的系统锚杆起什么作用？

2）、系统锚杆的间距怎么设置？

3）、系统锚杆纵向间距有无必要跟拱架间距一致？

4）、计算书中把锚杆作为拱架的支点正确吗？

5）、锚杆长度如何定？

        下面分别针对上述问题一一论述。

一、隧道中的系统锚杆起什么作用

根据普式压力拱理论认为压力拱以上区域为稳定区，压力拱以下至隧道外轮廓为松动区。围岩压力主要来自压力拱以下的变形。从变形的角度理解，隧道开挖后压力拱以上的区域变形基本上可以忽略，压力拱以下的区域产生变形随着靠近隧道外轮廓变形逐渐增大。

以A型列车为例，单洞单线的隧道跨度在7.0m左右，根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）Ⅳ级围岩条件下塌落拱高度大约为4.3m，跨度在14m的单洞双线隧道的塌落拱高度在6.8m左右，目前设计的锚杆长度通常都是2.5m、3m、3.5m、4m这样的参数，依此锚杆长度完全还没有打入到塌落拱以上的稳定区，从这个角度来分析，我们目前设置的锚杆并不是为了将松动区与稳定区锚固在一起，这样我们的锚杆并未起到减小围岩压力的作用。

目前设置的锚杆的主要作用是：

1、锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体性；

2、对不稳定岩体起到悬吊作用；

3、锚杆可以改变隧道表面岩体的受力状态，使受力状态由二向受力状态变为三向受力状态。

二、系统锚杆的间距怎么设置？

锚杆的间距应该根据锚杆的作用来设置，根据上面的分析，锚杆的设置主要目的不是受力，而是将破碎岩体用锚杆穿插为一个整体。所以锚杆的间距应该主要受岩体的破碎程度来控制。相对完整的岩体，锚杆间距可以设置的稀疏些，相对破碎的岩体间距应该更密一些。但是如果是特别破碎的岩体，这时候打锚杆估计也没什么用了。

三、系统锚杆纵向间距有无必要跟拱架间距一致？

拱架的主要作用是承担围岩压力，围岩压力是由拱架和“围岩的自稳”共同承担，拱架分摊的围岩压力比例主要跟围岩的变形有关。如果拱架施工时，围岩变形已完成，可认为拱架不受力，如果拱架施工完成后围岩还将发生较大变形，那么拱架承担压力也较大。

设计时往往通过要求拱架与掌子面的间距来控制拱架安装的时机，比如要求拱架与掌子面的间距不超过5m。对于较硬岩，掌子面推进5m后围岩的变形可能已经完成了，而对于软岩后续可能还会发生较大变形。因此，同样的设计参数，对于软岩来说拱架所承担的压力更大，硬岩来说拱架承担的压力更小。所以拱架的型号和纵向间距应该主要受岩体的软弱程度来控制。

根据以上分析，锚杆的纵向间距主要受岩体的破碎程度来控制，拱架间距主要受岩体的软弱程度控制，而软弱程度和破碎程度没有直接的联系，所以本作者认为系统锚杆的纵向间距完全没必要跟拱架间距一致。比如，完整性较好的软弱岩层，应该设置较密的拱架，较稀疏的锚杆。目前设计中采用锚杆与拱架等间距是基于方便施工设计的，为了方便施工，锚杆设计的间距可以是拱架间距的整数倍。

四、计算书中把锚杆作为拱架的支点正确吗？

现在的很多初支的计算书采用地层结构法进行计算，将初支拱架与锚杆连接，这样的计算模型是否正确呢？   

计算书中的锚杆轴力图及拱架弯矩图

现场锚杆通常由两种常见的施工工艺，1、为锚杆与拱架直接焊接，2、为锚杆打设在两榀拱架中间，通过锚杆垫板固定与喷射混凝土中。

锚杆与拱架焊接  

锚杆打设在两榀拱架中间

1、如果锚杆跟钢拱架是不直接相连的，锚杆打设在两榀拱架之间，锚杆远端通过钢垫板固定，这种方式显然不能通过上述计算模型。

2、锚杆焊接在钢拱架上，但是系统锚杆并未打设到稳定区，锚固长度较短，这时锚杆是随着围岩一同变形的，并不是锚杆固定在稳定岩层上，拉住拱架不产生变形，所以我认为这种情况下也不能采用上述计算模型不正确。根据我们前面的分析，打设在完整岩层上的这种“短锚杆”应该不受力，或者受力很小，可以通过现场测量锚杆轴力的试验来验证我们的假设是否正确。

五、锚杆长度如何定？

1、根据前面的分析，目前设置的这种短的系统锚杆的长度应该主要受破碎岩体的大小来控制，但是这种破碎岩体的大小，只能定性分析，所以我认为目前系统锚杆的长度只能通过经验设置，很难计算得到。

2、关于锁脚锚杆的长度确定，我认为锁脚锚杆可以参照锚杆挡墙的计算方式计算。

假如我们采用的为单根C22的锁脚锚杆，钢筋被拉断的极限承载力为380.1*360=136.8kN，采用50mm的锚孔，锚固体与岩层间被拉环的极限长度：

锚杆与砂浆间被拉坏的极限长度：

因此，当我们设置单根C22的锁脚锚杆时，锚固长度2.4m为其最优长度，小于此值不能充分发挥钢筋的作用，大于此值钢筋会被先拉断，比较浪费。加上自由端的长度，C22的锁脚锚杆的最优长度约为2.5m。关于锚杆的抗拔力检测值的计算，根据基坑支护规范二级支护结构锚杆的抗拔力检测值取轴向力标准值的1.3倍。C22的锚杆抗拔力可以取为136.8/1.8*1.3=98.8kN。

根据这个设置原则计算常用C22及C25锁脚锚杆的长度如下。

【水哥写在最后】

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      丁大师下期文章预告：

       如何基于CAD地形图建立三维数值模型地表,敬请关注！