高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术
发布时间:2023-12-19
我国西部地区由于在多个板块的挤压作用下，普遍存在高地应力地质条件。这一条件下隧道开挖具有变形量大、变形速率高、变形持续时间长等基本特征，支护难度较大。当高地应力软岩隧道围岩软化程度较低时，短锚杆不能适应高地应力隧道围岩大变形破坏而被拉断失效；当围岩软化程度较高时，锚杆与围岩塑性区一起移动，锚杆锚固作用效果弱化甚至失效。因此，许多高地应力隧道的大变形控制方案中都采用了长锚杆支护。如日本惠那山 2 号隧道采用9.0～13.5 m长锚杆，木寨岭公路隧道采用8～10 m 长锚杆，奥地利阿尔贝格隧道采用9～12 m长锚杆。当锚杆长度较小(普遍认为＜6.0 m)时，施工工艺成熟、施作较为快捷，因此在铁路、公路隧道中被普遍作为系统锚杆采用，将该类锚杆定义为短锚杆；而当锚杆长度较大(≥6.0 m)时，将面临普通钻头钻进效率降低、成孔困难、无法保证注浆效果等困难，其施工方案需结合现场试验综合确定，相比短锚杆，其施作时间较长，将该类锚杆定义为长锚杆。高地应力软岩隧道锚杆支护失效机制总结如下：(1) 由于高地应力软岩隧道围岩的切向应力最大值向深部迁移，锚杆的锚固区域，即靠近隧道洞壁处的围岩围压较低，导致锚杆和围岩黏结强度减小，锚杆的锚固能力降低。(2) 当围岩软化程度较低时，短锚杆将不能适应高地应力隧道围岩大变形而被拉断失效；当围岩软化程度较高时，围岩位移显著增大，引起围岩塑性区范围增大，但是锚杆头部和尾部处的围岩位移差反而减小，锚杆与围岩塑性区一起移动，从而导致锚杆与围岩孔壁之间的相对位移减小，造成锚杆锚固作用效果弱化甚至失效。因此，高地应力软岩隧道中，有必要对锚杆长度进行加长，一方面增大锚固段的围压以提高黏结强度，另一方面增大锚杆头部和尾部处的围岩位移差以提高锚杆对围压的锚固效用。对于高地应力软岩铁路、公路隧道，为综合考虑围岩的早期和长期变形控制，建议采用长、短锚杆相结合的联合支护策略：第一批支护的锚杆以短锚杆为宜，在各台阶开挖完成后尽快施作，以控制围岩的早期变形；第二批支护的锚杆以长锚杆为宜，宜适当滞后至中下台阶施作，以适当降低锚杆与围岩孔壁之间的相对位移，避免长锚杆发生破坏。该支护策略下，由于短锚杆施工工艺成熟、施作较为快捷，其先行施作能迅速对围岩起到加固作用，增强岩体强度参数，有效地控制围岩早期变形；长锚杆后续施作，首先能够避免施工工艺复杂、施作时间较长的缺点，其次，中下台阶施作后，围岩变形迅速增长的阶段已经过去，长锚杆适当滞后至中下台阶施作能适当降低长锚杆托盘段和锚固段位移差，从而降低长锚杆荷载，以保护长锚杆不被拉断，有利于隧道的长期稳定。因此，长、短锚杆联合支护充分利用了短锚杆施工快捷、便利的优点，避免了长锚杆施工复杂费时的缺点，有利于隧道工程的快速推进。长、短锚杆联合支护能有效降低隧道洞壁处的位移，但长锚杆支护的长度是否越大越好仍需进行进一步分析。随着长锚杆长度的增大，首先，长锚杆杆体的允许拉伸变形量将增大，与高地应力软岩隧道的大变形相适应，同时锚杆头部和尾部的位移差将增大，有利于增强锚杆的锚固效果，但是长锚杆的刚度将随着长度的增大而减小，从而导致锚杆轴力的减小，不利于锚固效果的提升；其次，锚固段的围压将会先升高后降低，即锚杆和围岩之间的黏结强度表现出先增长后降低的规律。因此，长锚杆长度并不是越大越好，需综合考虑锚杆长度对长锚杆最大允许拉应变的影响、围压对长锚杆黏结强度的影响和锚杆长度对锚杆等效支护力系数的影响。
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