宋秉元

（张家口市城市快速路管理处，河北 张家口075000）

1 锚杆的作用

在修建大断面的软弱围岩隧道时，尤其是土质隧道，采用锁脚锚杆能显著减小隧道的拱顶下沉及净空收敛值。锁脚锚杆与普通系统锚杆不同。所谓土质隧道中的锁脚，即隧道在上台阶开挖完成且钢拱架架设之后，将其钢拱架脚部固定而进行的工序。也就是说，锁脚锚杆是通过限制钢拱架位移来抑制围岩的变形。锁脚锚杆抑制隧道支护结构下沉的抵抗力主要来源于3个方面：围岩与锚杆侧壁相互挤压产生的法向压力、围岩与锚杆侧壁相对滑移产生的摩擦阻力和围岩在锚杆低端产生的支撑力[1-2]。

2 锁脚锚杆在中山中路隧道中的应用

2.1 中山中路隧道概况

中山中路隧道围岩为V级围岩，浅埋暗挖法施工。行车隧道为双向六车道，支护的砌筑方法采用复合式衬砌，开挖半径为7.8m，整个施工采用三台阶环形开挖法进行。上台阶的开挖，采用顶留核心土环形法；中下台阶的开挖，采用左右交错法。此时，施工方应当注意，部分断面拱顶较易下沉过大，根据以往的经验，施工单位在开挖过程中可采用打入锁脚锚杆的方法进行辅助施工。此过程中，在每片钢脚架距离仰拱、临时仰拱和下台阶拱脚1m 高处，宜分别打入2 根、4 根、2 根型号为Φ22mm，L=4m 的锚杆。锁脚锚杆安装如图1所示。

图1 锁脚锚杆安装示意图

2.2 计算模型及参数的选取

本文在计算中进行了如下假设：

（1）采用平面应用模型；

（2）主体部分采用摩尔-库仑准则，结构部分采用弹性模型；

（3）假设地表和各土层均成层匀质水平分布；

（4）地层和材料的应力-应变均在弹性范围内变动，地应场力由重力自动产生。

2.3 支护结构参数

隧道断面支护结构参数如表1所示。根据设计图纸及现场试验数据，并结合相关研究资料，得出的围岩的物理力学参数取值如表2所示。在数值模拟中，锁脚锚杆采用弹塑性弹簧单元进行模拟。

表1 隧道断面支护结构参数

表2 围岩参数

2.4 工况

本文在模拟计算中，分别考虑如下几种工况：

工况1：在V 级围护条件下，考虑不同角度（0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°）对隧道拱顶下沉的影响。

工况2：在V 级围护条件下，考虑不同角度（0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°）对隧道净空收敛的影响。

工况3：在V 级围护条件下，考虑不同长度（0m、1.5m、2.5m、3.0m、3.5m）对隧道拱顶下沉的影响。

大型起重作业必须编制《三措两案》，并逐级审批。严格审核起重机械检验证明及作业人员的《特种作业操作证》，吊装作业必须设专人指挥，指挥人员不得兼做其他工作，应认真观察起重作业周围环境，确保信号正确无误，严禁吊装物体从人的头上越过或停留，遇大雨、雷电、大雾、风力6级以上等恶劣天气，严禁露天起重作业。

工况4：在V 级围护条件下，考虑不同长度（0m、1.5m、2.5m、3.0m、3.5m）对隧道净空收敛的影响。

2.5 计算结果及分析

2.5.1 锁脚锚杆角度对拱顶下沉、净空收敛的影响

隧道拱顶下沉的程度，就是对于拱部围岩的稳定性及支护结构安全性的反映，其是隧道洞内位移监测的重点内容。经数据统计，打入锁脚锚杆不同角度时的拱顶下沉值如图2所示。

图2 拱顶下沉与锁脚锚杆角度关系图

分析图2可得出以下结论。

（1）锁脚锚杆打入角度的不同，围岩的变形规律也有较大差异。当锁脚锚杆在角度为0～30°范围内打入时，拱顶下沉量一般随锁脚锚杆打入角度的增加而逐渐增大；当锁脚锚杆在角度为30～60°范围内打入时，拱顶下沉量一般随锁脚锚杆打入角度的增加而逐渐减小。

（2）对比不同的打入角度，当锁脚锚杆在斜向下30°打入时，拱顶下沉量最大；当锁脚锚杆0°打入时，拱顶下沉量最小。这是因为，角度为0°的锁脚锚杆垂直于钢拱架根部，不仅有利于发挥钢拱架的承载能力，而且有利于约束围岩变形的程度。

图3 净空收敛与锁脚锚杆角度关系

净空收敛反映了隧道左右侧围岩的稳定性及支护结构的安全性，其也是隧道洞内位移监控量测的重点内容。计算得到打入锁脚锚杆不同角度时的净空收敛值如图3所示。由图3可知，在0～50°范围内，随着锁脚锚杆打入角度的增加，隧道净空收敛量也逐渐增加。当锁脚锚杆以50°打入时，隧道净空收敛最大；当锁脚锚杆以0°打入时，隧道净空收敛最小。这是因为，在0°时锁脚锚杆主要起边墙锚杆的作用，能有效约束对左右两侧围岩向隧道内的变形程度，对隧道的净空收敛的控制最为有利[3]。

图4 拱顶下沉与锁脚锚杆长度关系

图4 净空收敛与锁脚锚杆长度关系

锁脚锚杆对围岩变形的约束作用并非与定性认识的相同。试验证明，不合理的锚杆长度，不仅不能约束围岩的变形，还可能使得围岩的变形程度增大。而围岩变形的减小和支护内力的增加，也并非呈线性关系，它还与锁脚锚杆的长度有一定关联[4]。

由图4和图5可知。

（1）当锁脚锚杆长度为0～1.5m 时，围岩的拱顶下沉和净空收敛值，随着锚杆长度的增加而增加，这是因为锁脚锚杆还未穿过松动层，其不仅没有起到对钢拱架的约束作用，反而还使得围岩松动圈向外扩展，进而增大了围岩变形，与预期的目标不符。

（2）当锁脚锚杆为1.5m 时，拱顶下沉程度和净空收敛值最大。

（3）当锁脚锚杆的长度大于1.5m 时，围岩变形量的降低较快，特别是围岩的拱顶下沉值降低得最快，锁脚锚杆长度为3.5m 时，由于锚杆不仅对支护结构的自由变形起到了约束作用，而且在一定程度加固了围岩，故此时围岩的变形量最小。施工时建议取3.0。

3 结论与建议

本文结合工程实际，对中山中路隧道的实际情况进行了调查，掌握了隧道的地质情况，在对锁脚锚杆作用机理分析的基础上进行系统分析，进一步对施工效果进行数值模拟分析和数据统计。得出锁脚锚杆在不同的打入角度和不同锚杆长度的作用机理下，对拱顶下沉量的影响也不同的结论。

3.1 结论

（1）通过对不同的施工技术进行分析比较可知，采用锁脚锚杆的方式最为有效，能显著降低拱顶的下沉值和净空的收敛值，前者约减少25%，后者约减少15%。同时，使用锁脚锚杆，能显著提高隧道初期支护结构的安全性。

（2）在锁脚锚杆长度一定的情况下，锁脚锚杆打入角度以0°时，控制拱顶下沉和净空收敛效果最佳。这是因为0°角的锁脚锚杆垂直于钢拱架根部，不仅有利于发挥钢拱架的承载能力，而且在一定程度上约束了围岩的变形程度[5]。

（3）在不同的土质隧道条件下，拱顶下沉值差别比较大。锁脚锚杆长度为3.5m 时，围岩变形最小。施工时建议取3.0m。

3.2 建议

（1）上台阶开挖对隧道拱顶下沉影响较大，因此，在隧道施工前应该做好超前支护，确保支护结构的稳定，减少拱顶下沉量。

（2）左右边墙和中台阶的开挖会影响隧道的净空收敛值，因此，在隧道施工过程中，要多增设一些边墙锚杆，减少围岩的变形。

（3）可通过增大拱脚的受力面积和加设锁脚注浆锚杆的数量来提高拱脚的承载力。

（4）在每个台阶的底部安装“托板”后，再安装钢拱脚，以增加底部的受力面积，减小直接受压的冲击力，从而减少初期支护的下沉量。

[1] 黄明琦.锁脚锚杆作用机理及其在厦门翔安隧道中的应用研究[J].铁道建筑技术，2009（7）：108-111，163.

[2] 徐骏. 锚杆接触问题的有限元解法及其应用[D].成都：西南交通大学，2003.

[3] 黄强，李之达，吴延贞.浅埋隧道施工中围岩应力分析[J].湘潭大学自然科学学报，2010（1）：29-33.

[4] 张涛. 软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护特性研究[D].西安：长安大学，2011.

[5] 徐晨. 软弱围岩隧道中锁脚锚杆支护效果研究[D]. 西安：长安大学，2010.