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Application of Truss Anchor Bolt System in Large-Deformation Tunnel Support

2015-09-25 692 0人评论

　　[摘要]围岩等级为Ⅴ、Ⅵ级的软岩隧道支护问题一直是工程建设中的难点。本文通过桁架锚杆的介绍，并将其应用在隧道中，分析其在围岩中形成的"岩拱效应"，利用莫尔-库仑强度准则计算出锚杆的环向间距，以此设计出针对软岩大变形隧道行之有效的桁架锚固系统，为同类隧道的设计、施工提供参考。

　　1引言

　　大变形隧道围岩变形量往往可达数十厘米，伴随位移的发展其塑性圈也在不断增厚，从而在支护结构上形成巨大的压力，造成支架的破坏和围岩失稳，而塑性圈则可以大幅度降低围岩内形变能，减小围岩切向应力集中；科学的理念是允许围岩产生可控制的位移，在围岩内形成一定厚度的塑性圈，减小支架荷载，实现深部围岩稳定[1]。目前隧道围岩支护都是以“新奥法”基础，而Ⅴ、Ⅵ级围岩中均不设置系统锚杆（尤其是顶部锚杆），因为这相当于在一块块豆腐中插入一根筷子，用筷子提起豆腐串则是不可能的[2]。

　　而利用桁架锚杆系统支护软岩，则可以把“筷子”做成“勺子”将变形的软岩“兜住”，这样就能解决Ⅴ、Ⅵ级的软岩隧道的支护问题。

　　2桁架锚杆系统

　　锚杆桁架适用于大变形的软岩巷道，对常规锚杆支护或其它常规方法难以维护的复杂地质条件、软弱破碎带的控制也能发挥重要的作用。其支护机理是通过锚杆群的共同作用在巷道围岩内部形成支护结构来承受巷道外载，减小巷道围岩的变形，让巷道处于稳定状态[3-4]。

　　2.1锚杆桁架的基本结构

　　两根锚杆在围岩中倾斜安装，下端通过联接件与拉杆连接，并施加一定预紧力，使锚杆与拉杆形成一支护整体。

　　2.2锚杆桁架作用原理

　　通过其围岩下面的拉紧装置给予水平拉力，在围岩内形成箍紧力，在围岩内形成“岩拱”[4]，并在桁架锚杆下端的空隙中布置喷锚金属网形成桁架系统，把锚杆之间的软岩“兜住”。最后在整个隧道断面前后交错布置锚杆桁架系统，把变形围岩都“勒紧”。

　　3设计计算（环向间距）

　　为一品桁架锚杆在围岩中形成的“岩拱”，由于变形量较小，用线段ac长度近似代替岩拱截面高度，锚杆被预应力拉紧后位移为d，线段ab长度为岩拱高度h（即是岩拱中性轴到拱底的距离），于是就有：

　　以合理拱轴线与锚杆的交点为原点，建立直角坐标系。由该结构的静定平衡条件，将垂直于MN的合力分解在水平向X轴和竖直向Y轴，于是得到：

　　沿合理拱轴线L作切线，切线与水平轴X轴夹角为α，得出：

　　又将拱脚处的合力分解为平行和垂直于MN方向的力H’、V’，得到：

　　为了保证拱脚处稳定性，拱脚处推力V'应当不大于岩体与锚杆之间的摩擦力：V′≤μH′

　　μ为土体与锚杆之间的摩擦系数，显然μ≤tanφ，φ为岩土的内摩擦角。将（2）（3）（4）代入（5）式可以得到：

　　岩体的莫尔库仑强度强度为：

　　将“岩拱”与锚杆的接触面CD近似等于h/sinθ，于是就有，其中令，

　　①以跨中截面为控制面来计算

　　截面的前缘点比后缘点受力更为不利，取前缘点F作为控制点，就有：

　　将（2）、（6）、（8）式代入到（7）式中得到：

　　以拱脚截面为控制面计算

　　与跨中截面类似，以D点为控制点，就有：

　　将（2）、（6）、（10）式代入到（7）式得到：

　　则锚杆的环向间距取：l=min（lmax1，lmax2）

　　根据以上的理论分析，只要确定了锚杆受拉位移d，再结合工程地质参数，如土体的c、φ、μ值以及岩体容重γ就可以确定锚杆的环向间距。

　　4结论

　　本文通过桁架锚杆的介绍，并对其作用原理进行了分析设计和计算，将针对软弱围岩的特性，设计出一套锚杆桁架+金属网喷锚系统，这样就能解决Ⅴ、Ⅵ级软岩隧道不能用常规系统锚杆支护的问题。

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