锁脚锚管作用机理分析

第９卷第２期　２　０　１　１年４月　水利与建筑工程学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２０１　１　锁脚锚管作用机理分析　常　明　（中铁七局集团第三工程有限公司，陕西西安７１００４３）　摘要：对比分析了锚杆和锁脚锚管的异同点，研究了锁脚锚管对支护结构变形和内力的影响，揭示了　锁脚锚管的作用机理，提出了判断锁脚锚管是否有效和合理的标准。研究表明锁脚锚管应通过约束其　沿洞轴方向的转动自由度考虑，合理的锚管长度和打人角度不仅有利于限制围岩的变形，而且有助于支　护结构承载能力的发挥，一般土质隧道的锁脚锚管长度宜取２．３　ｍ～３．０　ｍ，打入角度宜取０ｏ或３０￣。判　断锁脚锚管是否合理时，可根据工程实际需要，结合承载能力发挥系数与位移限制系数确定。　关键词：锁脚锚管；锚杆；隧道；支护内力；围岩变形　中图分类号：Ｕ４５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１４４（２０１１）０２—０ｏ８８—０４　Ａｃｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌｏｃｋｉｎｇ　Ｔｒｅｍｉｅｓ　ＣＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ　（Ｔｈｉｒｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，ＬＩＤ．ｏｆＣｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｅｖｅｎｔｈ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｔｍａ￣ｉ　７１００４３，Ｃｈ／ｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ａｎｄ　ｂｏｌｔｓ　ｆｏｒ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｉ＇ｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｅｈ—　ｎａｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　ｔｈｅｉｒ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｄｅｇｒｅｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉ－　ｅｒｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｘｉｓ．Ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｅｒｍｉｅｓ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ　ｔｏ　ｃｏｎ￣ｎｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ａ￣ｓｌｅ　ｏｆｔｈｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｅｒｍｉｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　２．３　ｎｌ～３．０　ｍ　ａｎｄ　０。ｏｒ　３０。ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅｓ　ａｒｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｏｒ　ｎｏｔ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｅｃｉｄｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆｐｍｊｅｅｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｏｆｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　Ｏｒ　ｈｔｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋｉｎｇ　ｔｒｅｍｉｅ；ｂｏｌｔ；ｔｕｎｎｅｌ；ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｏ引　言　锁脚技术在土质隧道中应用较为广泛，土质隧道中　的锁脚是指隧道在上台阶开挖完成架设钢拱架后，　在预测隧道围岩变形和支护内力时，不论是理　将其脚部固定的工序。锁脚锚管不同于锚杆，它的　论解析还是数值模拟都无法准确地模拟隧道在开挖　主要作用是尽可能的限制钢拱架的刚体位移，使其　支护过程中的力学反应，它们所得到的结果往往与　尽早承担围岩变形引起的压力，保证隧道初期的稳　工程实际中实测的结果有一定的差异…１。究其原　定性。而锚杆的主要作用是约束围岩自身的变形。　因，除了与一些假定、本构模型、参数或数值模型有　换句话说，锁脚锚管通过限制钢拱架位移来抵抗围　关外，还与另一类重要的因素有关，即施工过程中的　岩变形，而锚杆通过改善围岩的力学性能来减小变　细节，如超欠挖、锁脚等，而这些细节可能是决定隧　形。钢拱架安装完成后，如果不进行锁脚，围岩的变　道最终能否稳定的核心因素。超欠挖的问题已经引　形可能促使钢拱架发生刚体位移，从而不利于支护　起了人们足够的重视【　Ｉ３Ｊ，而锁脚的问题，由于没有　结构内力的发挥。在隧道的施工过程中，锁脚锚管　系统深入地研究工作，至今还没有形成定量的成果。　的作用已经被多次地提出　ｊ，人们普遍认为锁脚　收稿日期：２０１１－０１—２６　修稿日期：２０１１－０３—０１　作者简介：常明（１９７５一），男（汉族），辽宁沈阳人，大学本科，工程师，主要从事隧道工程施工与管理工作。　第２期　常明：锁脚锚管作用机理分析　８９　可以有效地减小围岩的变形，提高初期支护的自稳　度随深度的增加，设置一定的线性增加值。隧道上　能力，增加自稳时间，减少因下台阶或仰拱开挖造成　台阶开挖后，安装钢拱架，打锁脚锚管，喷混凝土。　初期支护悬空而导致的下沉量，但这些都是定性经　在计算中开挖上台阶为第一步，安装钢拱架、打锚管　验的总结，并没有系统地揭示锁脚锚管对支护结构　和喷混凝土为第二步，开挖下台阶为第三步，以此类　进行补强的机理。本文从这一点人手，通过数值模　推。计算中为了确定锚管的合理长度，分别对同一　拟方法分析它对围岩变形和支护内力的影响，定量　模型打入倾角为３０。，长０ｍ（没有锁脚）、１．５　ｍ、２．３　总结锁脚锚管的作用，提出设计中考虑锁脚锚管的　ｍ、３　ｍ和４．５　ｍ的锚管进行对比分析；为了确定锚　思路。　管的合理倾角，分别对同一模型打入长３　ｍ，倾角分　１分析方法　别为一３０。、一１５。、０。、１５。、３０。的锚管进行对比分析。　１．１边界条件　锁脚的根本目的在于充分发挥钢拱架的早期承　载力，减小围岩的变形。在数值分析时，锚管可以用　杆单元、梁单元或界面单元模拟。锚管注浆后具有　一定的抗拉能力和抗弯能力，梁单元虽然不能模拟　界面的剪切特性，但它能够较合理地反映单元的抗　拉、抗弯甚至抗剪特性，在上述三类单元中有较大的　优势。锁脚锚管一端与钢拱架相连，可视为自由端；　另一端打入围岩内部并注浆，可以通过限制其转动　图１数值分析模型　自由实现。这种方法没有约束围岩或锁脚锚管的自　２锁脚锚管长度对支护内力和变形的　由变形，能够考虑围岩变形引起锚管的位移，而且可　以考虑注浆对锚管转动的约束，与实际情况非常接　影响　近。　锁脚锚管对围岩变形的约束作用并非与定性认　１．２分析参数　识的一致。不合理的锚管长度不但不能起到约束围　用Ｐｌａｘｉｓ建立三维有限元模型，如图１所示，隧　岩变形的目的，而且可能使围岩的变形增大。围岩　道埋深２１　ｍ，洞径１０　ｍ。模拟隧道的开挖和施工过　变形的减小和支护内力的增加并非呈线性关系，它　程，每２　ｍ一进尺，上下台阶开挖。土体模型采用弹　还与锁脚锚管的长度有关。锁脚锚管对围岩总位　塑性模型，支护结构采用弹性模型，模型参数由试验　移、竖向位移、水平位移和支护结构弯矩、轴力、剪力　确定。锁脚锚管ＥＡ＝３×ｌｏ６　ｋＮ，ＥＩ＝２．２５×ｌｏ４　的影响并不一致，其中锚管长度是一个很重要的影　ｋＮ／ｍ２。土体变形模量５×ｌｏ４　ｋＰａ，粘聚力２５　ｋＰａ，内　响因素。如图２所示。　摩擦角２０。。计算中为了考虑土层抗变形能力和强　—　一最火位移—凸一蛀大竖ＩｉｆＪ位移　—　最人水平位移　１０Ｏ　９Ｏ　：：　—　ｇ　８０　奏７０　１　２　３　４　　：．　锁脚锚管长Ｉ￣＿／ｍ　６Ｏ　５Ｏ　４０　１　２　３　４　５　锁脚锚管艮度／ｍ　图２锁脚锚管的长度对围岩变形和支护内力的影响　（１）当锁脚锚管长度为１．５　ｍ时，围岩的变形　使围岩松动圈向外扩展，围岩变形增大。当锁脚锚　比不设锁脚时更大，其原因在于锁脚锚管没有穿透　管的长度大于２．３　ｍ，围岩的变形减小，尤其是围岩　松动层，从而不仅没有起到约束钢拱架的作用，而且　的水平位移降低最快。锁脚锚管长度为４．５　ｍ时，　水利与建筑工程学报　第９卷　３篓　垡　护结构内力的影响　角度对围岩变形和支　…”’＾　篁型　度是指锚管与支护结构法线方　为正。打入角度　岩的变形规律髦　图３和支护结构的　。锁脚锚　豢　某　第２期　暴　氅　４　３　３　２　２　常铎岷　１　０　明：锁脚锚管作用机理分析　鼎　４　３　３　５　Ｏ　２　５　２　Ｏ　５　０　９１　摇辑崾　Ｏ　５　可以确定锁脚锚管的相关参数了。　Ｏ　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　Ｏ　１　１　５　１　ｌＯ　潍　Ｏ　８５　Ｏ　８Ｏ　２　４　６　８　１０　０　荷载步　（ａ）承载能力发挥系数的变化规律　荷载步　ｆｂ）位移限制系数的变化规律　１　０５　ｌ　Ｏ０　鼎　＼　０　９５　Ｏ　９Ｏ　Ｏ　８５　Ｏ　２　４　６　８　ｌ０　０　８Ｏ　０　２　４　６　８　１　０　荷载步　荷载步　（ｃ）承载能力发挥系数的变化规律　（ｄ）位移限制系数的变化规律　图４锁脚锚管作用效果评价　５结论　参考文献：　［１］李宁军，曹文贵，刘生．隧道设计与施工百问［Ｍ］．北　京：人民交通出版社，２１３Ｏ４．　隧道工程中，理论解析和数值分析由于没有考　虑施工中的一些细节而使其计算结果与工程实测有　一［２］孙少锐，吴继敏，魏继红．隧洞围岩分类与洞径和超欠　挖之间的关系研究［Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（８）：１２７８—　１２８２．　定的差距，如超欠挖、锁脚等。它们可能成为决定　隧道围岩稳定性的关键因素。本文在分析了锁脚锚　管工程背景的条件下，总结了以往对锁脚锚管作用　的定性认识，并通过三维有限元分析就锁脚锚管的　长度和打人角度进行了定量的分析，得出了一些具　有工程实际意义的结论。　［３］王明年，关宝树．隧道超欠挖的统计规律及其对隧道可　靠度的影响［Ｊ］．岩土工程学报，１９９７，１９（１）：８３—８８．　［４］王明年，张建华．工程措施对控制隧道围岩变形的力学　效果研究［Ｊ］．岩土工程学报，１９９８，２０（５）：２７—３０．　［５］　曾超．大断面海底隧道异常变形控制措施研究［Ｊ］．岩　石力学与工程学报，２００７，２６（１１）：２１７０—２１７５．　（１）锁脚锚管的长度和打人角度对支护结构的　内力均有较大的影响。合理的长度和角度不仅有利　于限制围岩的变形，而且有利于发挥支护结构的承　载能力，对于一般土质隧道，锁脚锚管长度宜取２．３　ｍ～３．０　ｍ，打入角度宜取０。或３０。。　（２）定义了两个评价锁脚锚管作用效果的系　［６］何川，李祖伟，佘健，等．组合补强对缺陷病害隧道结　构承载力影响的室内模型试验研究［Ｊ］．公路，２００７，　（３）：１９５—２０１．　［７］王石光，黄林冲，彭立敏，等．软弱泥质页岩隧道衬砌受　力特征探讨［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００５，２（３）：４０—　４４．　数，即承载能力发挥系数和位移限制系数。在工程　实践中，可根据实际需要，结合这两个系数来确定合　理的锁脚锚管长度和打人角度。　［８］单士军．软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程研究　［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００５．