资源描述
第四讲 隧道的地质勘查及围岩的稳定性
1 隧道的地质勘查
1.1 在选线阶段，主要根据大的地质格局，为隧道选择较好的地质条件，主要要点在：
1.1.1 隧道通过地段尽量选择地质构造不复杂的岩体。
1.1.2 隧道要避开活动断层。
1.1.3 隧道要避免与较大的断层近距离地平行通过。
1.1.4 尽量避开施工很困难的不良地区，如大段的岩溶、瓦斯、有突水的情况、洞口滑坡等，隧道中线尽量和最大地应力垂直，尽量不从断层上盘通过。
1.1.5 隧道的洞口部分尽量放在较好的岩体中并避免洞口长段在松散体浅埋状态中，这就是早进晚出的原则。
1.1.6 掌握较大的地质构造格局，特别是大的断层、主要的不良地质。但有时线路整体上选线不可能由地质来定线，那就要对这些不良地质尽量搞清。
1.2 在初设和施工设计阶段
这个阶段（定测阶段）的地质勘查应为设计和施工服务，尽量将重要的不良地质搞清，并对隧道位置做微调：
1.2.1 要查明隧道穿过的主要断层的位置及产状，要查明断层影响破碎带的位置，要给出围岩分级参数，要调查主要不稳定结构体可能出现的状况，要查明洞口覆盖层的情况。
1.2.2 早进晚出的含义：（1）如果从山体凹处进洞，往往这里是断层破碎带的位置，要避免洞口处于破碎带中，需将它移到凸地形处；（2）尽量不做仰坡深挖；（3）傍河隧道岩体风化破碎并有偏压，应向山岭方向移动。这均加长了隧道，但保证了安全，减少运营病害。
1.2.3 应当注意：
(1)在可预见的将来，埋深百米以上的隧道，一般不可能在地面上将隧道通过这10m左右的地质情况搞的很清。
(2)地质界线是推断的，定量上不可能很准确。
(3)由于工种（专业）间的互相隔离，目前地质勘查存在不少应提高之处，特别是从为施工服务方面更待提高。
(4)人们对地质的调查和认识，也遵循认识论的规律：实践——认识——再实践——再认识。希望一次勘查就认清地质规律、摸清地质情况，不是辩证唯物主义的态度。
2 隧道围岩的稳定性
2.1 利用围岩是支护的要点
2.1.1 从支撑围岩压力的概念到利用围岩的概念
2.1.2 新奥法的基本原理
腊布兹维奇从弹塑性理论出发，以一个弹性薄板挖一个圆孔的力学解为基础，作为原理作了一个概念性的阐述。即洞子开挖后，周边应力集中，集中系数为3，超过岩体弹性极限，形成塑性区。
在N= 1的情况下，有一薄壁圆环作支护，则
— 支护抗力
R — 塑性区半径
— 原岩应力
C — 岩体粘滞系数
— 岩体内摩擦角
r — 隧道半径
图 2.1
图 2.2
腊布兹维奇又进一步研究不加支护的破坏形式。对圆形洞室，若垂直方向初始应力为主，将在两侧墙出现剪切破坏楔体，喷锚支护加强、加固剪切楔体，防止破坏。
2.1.3 不同结构岩体的破坏 实际上，岩体是一个结构体，不同的岩体破坏形式不同
完整岩体
厚板体 板裂效应
薄板体 薄板弯张、脱层破坏
块状岩体 不稳定结构体的滑移破坏
土质岩体 塑性变形，流变
松散体 普氏理论
软硬相间岩体 软质岩的破坏、挤出、滑动等
膨胀性岩体
2.1.4 隧道围岩中的自承体系及其变化
隧道开挖是个4维问题：3维空间+时间
在掌子面前方1~4倍洞径远，岩体已经变形，沿切向、径向都受压缩。隧道开挖断面是在已经被压缩的岩体状况下进一步变形。隧道一开挖，周边岩体向洞内移动，发生张性变形，这样就在隧道周边岩体中形成由外向内的一个自承结构，最外层为松弛带，中间经过一个过渡带到压密区，然后是未受扰动的原岩（图2.3）。
图2.3 隧道周边围岩自承体系（普济隧道，由形变—电阻率法、
声波法、位移计、地面预埋应变计等测定）
最外层的松弛带岩体无论是沿切向还是径向都发生了张性变形，实际上可以分为两层，即最外面靠近临空面的部分，岩体受爆破、施工、自重影响，变形最严重；靠里的一部分，则主要是受应力解除影响的变形。松弛带岩体在隧道刚开始时并未松动，除局部或特殊情况外还是自稳的。而压密区的岩体，是在三维空间中受压缩的。在有围压情况下，岩体强度远大于单轴抗压强度。因此，压密区岩体有很高的强度，形成一个厚壁圆桶，或很厚的岩拱，与原岩应力相平衡或承载原岩压力。
压密区通过过渡带受松弛带的支护，如果松弛带不破坏，不发展，压密区就会渐趋完善，保护岩体整体稳定。
松弛带、过渡带、压密区，广义的加上支护，形成一个围岩自承体系。
自承体系随时间如何变化？由支护，即对自承体系的保护来决定。
如果不作支护，松弛带岩体张性变形将继续发展，直至由松弛带发展到松动，同时松弛带向深部发展，不仅使过渡带变成松弛带，而且使压密区逐渐消失，岩体因承载力大大减弱，而出现整体失稳（图2.4）。
图2.4 围岩自承体系随时间的破坏
A 为压密区 B为松弛带
如果及时做支护，及时保护了松弛带，随着对岩体径向和切向变形的约束，松弛带就可能情况改善，张性变形减少，松弛带缩小，过渡带成为压密区的一部分，压密区扩大并均匀化，最后达到稳定（图2.5）。
图2.5 在喷锚支护下自承体系的完善
A为压密区 B为松弛带 C为过渡带
这里可以看到几个现象：
（1） 每一个开挖步骤都可引起围岩中的一次调整，所以每一个步骤的影响是好是坏，要作评估；
（2） 洞形可以影响一开挖就形成的自承体系的形态，自承体系形态好，调整得就快，所以开挖的洞形是能促进围岩自承体系的手段之一；
（3） 开挖速度体现在4维中的t这一坐标，要考虑到围岩自承体系产生和调整需要时间；
（4） 开挖断面附近，在刚开挖时松弛带一般还有自稳能力，此时还有掌子面的支撑，产生桥跨作用，此时如及时支护对巩固松弛带的作用很大；
（5） 对于中小跨度的隧道和地下工程，加固松弛带，尤其是加固松弛带的最外层，能起到保护自承体系的作用；
浅埋情况，自承体系不完整。
浅埋土质隧道，由于自承体系不完整，拱部以上土体靠原生结构，靠土、砂的粘滞性和摩擦维持。
附录二.1
软岩隧道围岩中自承体系的形成和发展
钟世航
〔 铁道部科学研究院，北京l00081〕
除浅埋隧道外，一般情况下，隧道的稳定，需要围岩的稳定。关于隧道围岩稳定的机制和理论，以往大多是在二维或三维的条件下进行的。而隧道的开挖和支护，是在四维（三维空间加时间）的条件下发生的；隧道从开挖到稳定，也要经历一段相当的时间。作者通过大量在现场对围岩变形规律的实测后发现，有许多现象需要从隧道的开挖和支护是四维问题这一条件去解释，否则难以理解。实测资料还发现，隧道围岩中可能存在有一定层次的自承体系结构，它们是在四维条件下形成的，并随时间和支护而变化、发展。本文将对此作一系统的阐述。所涉及的是较软弱的岩体，在非大地压的情况，并且暂不考虑块体的平衡和位移等问题。基本上是以实测资料为依据。
一 围岩中的自承体系结构
除浅埋隧道外，隧道能稳定，是由于其围岩中存在有一定结构层次的自承体系，使得围岩能稳定。严格地讲，自承体系也应包括支护系统。因为支护、尤其是喷锚支护往往与围岩结成一体。
图l所示是在普济隧道（砂、泥岩互层）用形变一电阻率法和声波测量测得的。自承体系由内向外包括：内层支护、松弛带、压密区，有时在松弛带外还有一过渡带。松弛带中岩体沿隧道切向和径向因发生张性变形，因而比原岩状态松弛；它常分为
两部分，接近压密区的部分变形较 图1 普济隧道实测围岩中自承体系示意图
松动。压密区中岩体沿隧道切向发生 （根据声波量测和形变-电阻率法量测资料）
压性变形，沿隧道径向有时也受压、岩休整体呈被压缩状态。过渡带中岩体或基本不变形，或在整个变形过程中或成为松弛带的一部分，或成为压密区的一部分。在土质隧道中也能测到同样的自承体系。
自承体系的范围由许多因素决定，岩体的强度是一个重要因素。岩石隧道围岩的自承体系常仅几米宽，在土质隧道中则可能宽达20~30m。开挖方法，隧道洞形，支护形式和及时与否等，都会影响自承体系的范围。自承体系稳定，隧道的变形才能停止。而松弛带的岩体稳定，变形不再发展，是整个自承体系稳定的前题。可以将包括支护在内的整个自承体系看作一个承载结构，它朝向岩体的外缘的原岩应力对它的作用可看作是它的外荷。
二 隧道围岩中自承体系的形成
隧道围岩中的自承体系是在三维空间十时间这个四维的条件下形成的。在隧道开控后，它将随支护状态而变化，随时间而发展。
隧道的开挖是在三维空间中实现的，量测资料表明，开挖面前方一定距离外，岩体即已开始变形，在较好的岩体中，这距离可能在l—2倍洞径之外(例如普济隧道的量测结果)；在软弱围岩。例如土体中，则可能在3—5倍洞径之外（例如崾岘河黄土隧道和岭前隧道黄土段的测量结果）。这变形是自承体系形成的基础。由于有这变形基础，洞室开挖后围岩中才可能形成自承体系。量测表明开挖面前方岩体在隧道的切向和径向都发生压性变形。可以认为，开挖面前方岩体沿隧道切向的应力增高，使岩体在隧道切向和径向发生压性变形，而周围岩体的约束使沿隧道径向也发生压性变形（见图2、3）。这种应力和变形使岩体向自由空间方向位移，自由空间有两个，一个是开挖面，另一个是地面，所以，若隧道上覆岩体强度较低而又不太厚，地面就可能上升，这已为许多浅埋隧道的量测资料所证明，例如崾岘河隧道、岭前隧道、军都山隧道浅埋黄土段、北京地铁复兴门折返段、地铁西单车站等（见图4）工程均曾观测到。
图2 普济隧道（砂、泥岩互层）开挖前后洞顶上方不同深度围岩沿隧道切向的变形
图 崾岘河黄土隧道各部开挖前后洞顶上方不同深度围岩沿隧道径向和切向的变形
图4 军都山隧道浅埋土质段开挖通过20#测点前后地表及土体内部沉降时态曲线
开挖面前方岩体沿隧道切向的压性变形，是围岩自承的基础。在隧道开控后，虽然在极短的时间内。周边岩体沿隧道切向应力集中，但是，由于出现了隧道这临空面，其周围岩体能量迅速释放，因此。这部分岩体很快沿隧道切向和径向发生张性变形，成为松弛带。即使在黄土质隧道拱脚下方这切向应力最高的部位，在开挖后一个短时间内可能出现压劈，但在不长时间之后，这部分土体即沿径向和切向发生张性变形；成为松弛带的一部分；而且出现压劈的深度也仅0.3~0.5m，如崾岘河黄土隧道和岭前隧道黄土段所观察到的。
隧道开挖后，最靠内的岩体成为松弛带。在一定深度，开挖面前方岩体已经发生的沿隧道切向的压性变形仍然存在，它们处于三维应力状态下，具有较高的承载能力，能在一定时间内保持围岩不发生整体破坏。
从图2、3、4还可见，在多部开挖时，每一开挖步骤，都会引起开挖面前方岩体的压性变形，这些变形是叠加在已有的变形之上的。
为了读者能更好地理解图2、3及后述的一些资料，这里作一说明：这些资料是形变一电阻率法所测。同一岩体，在发生压性变形时，其电阻率会降低，即与原始电阻率值之差是负值，压性变形越大，电阻率降低越剧；若发生张性变形，则电阻率会升高，与原始电阻率值之差为正值，张性变形越大，电阻率增高越多。改变测量电阻率的电极的排列方向，可以测量不同方向的电阻率值。为了解岩体不同方向的变形情况，图2、3的资料是在钻孔中测得的。钻孔是在开挖前在隧道中线位置钻好，然后测量不同深度水平向（隧道切向）和铅垂向（隧道径向）的电阻率作为初始值；在隧道开挖过程中，不断测量开挖面前方开挖后、支护后不同深度的电阻率值。这样就可了解拱顶上方岩体的变形规律。
三 自承体系的变化和发展
开挖后自承体系的变化由支护决定。图5和图6是一组对比资料，它们来自崾岘河黄土隧道中相邻的两个试验段，其中模注混凝土衬砌段的土质要好于喷锚试验段。模注衬砌段在开挖后第6天开始衬砌，第15天衬砌完成（衬砌厚30cm）。从图5可见，开挖5天后，拱顶松弛带宽约5m，距拱顶5～12m，还有一宽8m的压密区；而开挖20天（衬砌完成5天）后，土体自承体系仍在恶化，松弛带扩展到6m，压密区缩小到仅2.5m宽（拱顶上6~8.5 m），以后土体自承性能仍在恶化，开挖1个月后，压密区完全消失，松弛带扩大到8m宽；不久以后，埋设在衬砌背后的的压力盒测得的压力成倍地增加。这说明，如果不作支护或对岩体保护不好，甚至由于拱顶衬砌与岩体间通常存在的小小的空隙，致使不能限制拱顶松弛带岩体的张性变形的发展和松弛带范围扩大，
在软弱围岩中，松弛带的岩体甚至发展到松动以至坍落，最后压密区缩小以至消失，岩体整体自承能力丧失。图6所示的喷锚衬砌段则不同。由于开挖后几小时 图5 崾岘河黄土隧道模筑混凝土衬砌段弧导开挖后拱顶上方
即及时喷射5～7cm 厚 不同深度土体沿切向ρs的相对变化
混凝土支护，故尽管刚 Δρs =ρs-ρso （单位：Ω.m） Δρs< 0 土体受压
开挖时土体中的压密区 ρso—1979.2.16 Δρs> 0 张松
尚不完整，但十余天后，
已有宽约6m的压密区；两个半月后，虽然隧道断面大小扩挖了一倍，压密区仍扩大到13m宽，松弛带却没有扩大；开挖5个月并将喷射混凝土层加厚到l 5cm后，压密区扩大到17.5m宽并最后趋于稳定。
图 6 崾岘河黄土隧道喷射混凝土衬砌段弧导开挖后拱顶上方不同深度土体沿切向ρs
的相对变化 Δρs =ρs-ρso （单位：Ω.m） Δρs< 0 土体受压
ρso—1979.2.16 Δρs> 0 张松
图7 普济隧道开挖并喷射混凝土支护后拱顶上方不同深度岩体切向ρs随时间的变化
ρ0 1977.6.7 1—1977.6.23 喷射混凝土后
2—1977.8.2～8.6 3—1978.1.24
图7所示是砂泥岩互层的普济隧道拱顶上方围岩变形的形变一电阻率法测量结果。由图可见，由于开挖后及时喷锚支护，隧道周边的松弛带范围逐渐缩小，压密区扩大，最后达到稳定。
实际上，包括喷锚在内的支护系统仅作用于或主要作用于松弛带，图8展示了崾岘河黄土隧道周边土体在喷射混凝土后张性变形是如何减小、土体状态是如何改善的。由图可见，＜0的松弛带岩体，在喷射混凝土支护后，减小。从图7还可见，松弛 图8 崾岘河隧道喷射混凝土衬砌完成后围岩中松弛带
带可分为两部分，最内层是受开 中切向ρs的变化（松弛带土体性状的改善）
挖影响（如爆破、机械破岩等） ρso 1979.1
和岩块本身自重而位移影响最大 1—1979.4.4马口挖过断面1～2m，喷层厚5cm
的部分，它们变形较大；其外的 2—1979.5.8 马口挖过断面20m，喷层加厚到15cm
岩体是由于应力释放而产生张性
变形，变形较小。
四 几个值得讨论的问题
1．开控面前方地面的上升
1979年当第一次公布崾岘河黄土隧道开挖面前方地面上升的资料时，许多人感到难以相信。以后，不少人注意进行了量测，得到了同样的结果。但当将这现象与开挖面前方的土体变形，与围岩中的自承体系的形成相联系，这就不难理解了。地面上升的量值并不大，在工程实践及对地面建筑物影响方面不需于以重视，但在围岩自承理论方面却有重要意义。
2．开挖速度对围岩稳定的影响
如前所述，隧道围岩的变形需要时间，掌子面前方岩体沿隧道切向的压性变形需要时间，如果开挖速度太快，则围岩来不及变形，在开挖后围岩中不存在自承体系。如图9的崾岘河隧道量测资料所示：在这里．采用下导坑先进．然后开挖弧形上导的方法，在用掘进机开挖圆形下导时，在每天开挖20～30m的情况下。开控面前方土体来不及产生压形变形，下导开挖后围岩中没有压密区，没有出现自承体系（图中I段，拱顶上方土体中不存在＜0的压密区；而在下导扩大和开挖弧形上导时(图中Ⅱ段)。由于日掘进2—5m，给于土体足够的变形时间，所以
尽管开挖断面比圆形下导大，断面形状也不如圆形下导好，在开控后．围岩中仍出现了漂亮的自承体系(图中拱顶上方土体中出现＜0的压密区＝。而相邻的一个量测段，掘进机每天只掘进5～8m，下导开挖后围岩中出现了自承体系。因此，如果开挖速度很快，就一定要注意在开挖后及时支护。
3．支护的作用
对正常埋深的隧道．从围岩中自承体系这个角度出发，支护的主要作用在于维护这个自承体系，促成岩体的变形，使这自承体系结构经过—定时间后达到最佳的形状和力学形态，最终稳定下来。其要点是，使松弛带岩体得到保护和加固，至少使它不发生松动和恶化，就可通过松弛带岩体对压密区给以保护，使岩体，尤其是压密区岩体通过变形自我调整达到最佳状态，最后达到稳定。从这个角度出发，我们的支护可以不一定要求深入到压密区或未受扰动的岩体，而可着眼于加固松弛带岩体，甚至可主要加固松弛带最内层变形最剧烈的那部分岩体。这就是在许多情况下，在隧道中用短密锚杆也能起良好支护作用的原因。而对浅埋隧道，则情况不同。从自承体系的角度来看，隧道的埋深浅到不能包容自承体系，即自承体系结构的边界已经超出了地面，即属于浅埋。因此浅埋隧道围岩的自承性能显然是差的，围岩的稳定更多地依靠岩体的粘滞摩擦，故需采用刚度较大的初期支护。对浅埋土质隧道，更需限制土体变形，以免破坏土体结构。
4．施工应力控制和洞形问题
如上所述，开挖的每一步骤都会引起开挖面前方土体的变形，并且多部的开挖引起的变形是互相叠加的。因此，在设计开挖步骤时应考虑这些变形的叠加关系，有意识地利用之。从保护围岩中的自承体系的角度来看，应当使隧道的施工方法和支护能促进围岩中自承体系尽快地形成并趋于完善。为此，可以从保护开挖全部完成后围岩中自承体系这个角度来考虑开挖顺序；或者在不可能作出合理安排的情况下，考虑到开挖顺序不利于保护自承体系而加强初期支护；在高地应力情况下，也可以从自承体系的发展和变化这个角度考虑应力控制的问题。为了使自承体系结构，尤为压密区的岩体的外形及力学形态能尽快调整到最佳状态，开控的洞形也是十分重要的。洞形若与自承体系的形态匹配较好岩体的自我调整量即较小，调整时间也可短些。
参考文献
[1] 铁道科学研究院西南所、铁建所，软弱围岩隧道全断面开挖时的喷锚支护，铁道科学技术(工务工程分册)，1978年No．2
[2] 钟世航，隧道开挖对围岩扰动状况的分析，喷锚支护及测试文集，l 979年7月
[3] 钟世航，喷射混凝土支护对黄土隧道周围土休自承能力的促成作用，地下工程，1981年No．4
[4] Zhong Shihang,Deformation Characteristics of the Soil Msaasround the Jundushanand Lingqian Shallow Embedded Earth Tunnel, Tunnel and Undreground Works Today and Future. Vol.1.1990.9
第五讲 施工技术
1 喷射混凝土和锚杆联合支护的作用
1.1 岩质隧道
（1） 加固局部岩块，防止岩体中不不稳定结构体的冒落及大位移；
（2） 约束松弛带的切向和径向的张性变形；
（3） 加固松弛带的岩体，使之整体性加强，形成整体结构；
（4） 有一定的结构承载作用；
强调的是喷锚的及时性，特别是喷射混凝土的及时性；面接触的支护形式；喷锚联合支护的作用。
一组块状围岩喷锚支护模型实验结果（冶金建筑科学研究院）：用砌块组成断面，净跨2000mm的混凝土拱，矢高500mm，作为裂隙发育的不稳定块状岩体。
实验结果
试件名称
试件形式
破坏荷载
50吨荷载时拱中挠度
绝对（吨）
相对
绝对（mm）
相对
块状围岩性
7.3
1
9
1
砂浆锚杆支护
50.7
6.95
1.2
1/7.5
喷混凝土支护
70.1
9.6
0.4
1/22.5
1.2 土质隧道
1.2.1 砂浆锚杆在土质隧道中的支护作用
黄土有垂直节理、构造斜节理和层，某些土体也有一些裂隙和层面，全长粘结砂浆锚杆可以将它们加固，将土块连接；系统的砂浆锚杆能将砂浆、土体改性，增加其整体强度。
现场试验证明了砂浆锚杆都在土质隧道中的支护作用（见附录四.1）
附录四.1
全长粘结式锚杆在黄土隧道中的支护作用
钟世航
（铁道部科学研究院铁建所）
在土质隧道中，锚杆对土体能否有足够的锚固力? 锚杆能否作为土质隧道中的—种有效的加固手段？这是在土质隧道中推广喷锚支护时需要解答的问题。为此，铁道部第一工程局第三工程处和铁道部科学研究院铁建所首先在两座黄土隧道——崾岘河隧道和岭前隧道进行了有关实验。主要包括：
（1）锚杆的抗拔力试验；
（2）拉拔锚杆时锚杆及周围土体变形的观测；
（3）全长粘结锚杆对隧道导坑周边不稳定土体加固能力的试验；
（4）全长粘结锚杆在黄土隧道中支护作用的对比试验。
一、 黄土中锚杆的拉拔试验
1. 抗拔力
试验锚杆分两类；
a)摩擦锚杆—将钢筋直接打入土中；
b)全长粘结锚杆—先在土中钻孔，注入水泥砂浆，然后插入钢筋，待水泥固结28天后拉拔。
拉拔结果见表1～表4
表1 摩擦锚杆抗拔力（锚杆铅垂向下）
锚杆编号
1
2
3
4
5
锚杆参数
Φ22mm钢筋，锚入深度为1.3m
抗拔力（kN）
2.94
2.94
1.96
3.33
2.94
平均抗拔力（kN）
2.82
试验地点
崾岘河隧道进口外边坡未受扰动的黄土中
黄土主要
物理力学指标
含水率
%
比重
容重
g/cm³
液限
%
塑限
%
塑性
指数
C
kg /cm²
φ
压缩模量
kg /cm²
11.9
2.69
1.61
28.01
21.1
6.91
0.81
22º
94
表2 全长粘结锚杆抗拔力（锚杆铅垂向下）
锚杆编号
6
7
8
9
10
平均
锚杆参数
Φ22mm钢筋，锚入深度为1.3~1.4m；注浆孔为Φ60mm，灌注浆配比为1：1，400号水泥
抗拔力（kN）
27.4
23.5
33.3
29.4
23.5
27.4
单位长度抗拔力（kN/m）
21.1
18.1
25.5
22.5
18.1
21.1
拔动时带动的土体范围（m）
0.6
0.8
1.2
1.2
0.6
0.8~1.0
试验地点
同表1
黄土的主要
物理力学参数
同表1
备注
拉拔前曾遭晃动
表3 全长粘结锚杆的抗拔力（锚杆水平锚入）
锚杆编号
11
12
13
14
平均
锚杆参数
Φ22mm钢筋，注浆孔为Φ60mm，注入水泥砂浆配比为1：1，水泥为400号
锚入深度l=2.25m
l=2.5m
l=2.5m
l=2.25m
l=2.3m
抗拔力（kN）
61.3
>80
54.9
>80
>70
单位长度抗拔力（kN/m）
27.2
>32
24.4
>36
>30
拔动时带动的
土体范围（m）
~1
未破坏
~1
未破坏
~1
备注
反复拉拔过2次
反复拉拔过4次
反复拉拔过2次
试验地点
崾岘河隧道进口外边坡
黄土主要
物理力学指标
含水率%
比重
容重g/cm³
液限%
塑限%
塑性指数
C
φ
压缩模量
8.41
2.71
1.52
29.7
22.7
7.01
24.4o
注：土体为棕红色砂粘土，含水率高，雨后拉拔
全长粘结锚杆在被拉动时，首先是锚杆周围一定范围(0.8～1.4m)的土体出现裂缝。然后这一范围的土体连同锚杆—起被拉动，而此时，只有维持锚杆出现滑动的拉拔力，才能将锚杆继续拔出。由表2、3、4还可以看到，适当降低所注水泥砂浆的强度(配比由1：1降到1：2，水泥由400号降到300号)，锚杆的拉拔力仍可满足要求。
表4 全长粘结锚杆抗拔力（锚杆水平锚入）
锚杆编号
15
16
17
18
19
20
21
22
23
平均
锚杆参数
Φ22mm钢筋，注浆孔为60mm，注入水泥砂浆配比为1：2， 300号水泥，锚杆锚深L=2m
抗拔力（KN）
44.1
42.1
47.5
47.5
57.3
58.3
52.4
44.1
55.4
49.9
单位长度抗拔力（KN/ m）
22.1
21.1
23.7
23.7
28.6
29.1
26.3
22.1
27.6
24.9
拔动时带动的
土体范围（m）
1.4
1.2
1.1
1.1
1.0
1.1
1.0
1.2
1.0
1.1
备注
曾被
撞弯
土的含水率低
试验地点
岭前隧道出口外边坡
黄土的主要
物理力学参数
比重
干容重g/cm3
液限%
塑限%
C
塑性指数
压缩模量
2.70
1.37
29.6
20.4
19o
9
以上资料表明
(1)摩擦锚杆抗拔力小，不能对土体起足够的支护作用。
(2)全长粘结锚杆可提供较大的抗拔力。锚杆长1.3m的全长粘结锚杆可有超过23.5kN的抗拔力，平均每米的锚杆抗拔力超过21.1 kN ，锚入2m的锚杆，可有超过42.1kN的抗拔力，平均每米锚杆抗拔力大于24．5kN。这样大的抗拔力可使锚杆用于加固和支护隧道周边土体。
从锚杆被拔动时的情况可知，全长粘结锚杆与土体间的粘结力和摩擦力大于土体的抗剪能力。拉拔锚杆时，锚杆通过与周边土体的粘结和摩擦，将拉力传递到周围土体中，当土体中剪应力大于其抗剪强度时，锚杆周围一定范围土体便破坏，在后述资料中有更清楚的反应。
二 拉拨锚杆时的应力及其周围土体的变形
为了了解锚杆与周围土体间的相互作用，布置了加下一组试验：
在空心钢管内沿其轴向贴电阻应变片，然后用它代替全长粘结锚杆中的钢筋进行拉拔，以量测拉拔时钢管不同深度的受力状况；在拉拔锚杆周围不同距离(0.2m ,0.3m ,0.4m )平行拉拔锚杆的钻孔中，注入低标号水泥砂浆并插入铝制量测锚杆，用以量测在拉拔钢锚杆时周围土体不同深度沿锚杆方向的变形。所有锚杆均水平地埋入岭前隧道出口边坡的黄土中。
图1 拉拔锚杆时周围土体沿锚杆方向的变形
拉拔锚杆时周围土体沿锚杆方向的变形资料表明(图1)：
(1)拉拔锚杆时，周围一定范围内土体发生变形，并且随拉拔力增加土体变形范围加大。拉拔力为l9.6KN时(锚杆锚入1.8m深)，周围0.3m半径范围内土体明显变形，但＜+20，远未达破坏限；当拉拔力为39.2KN时，明显变形的土体半径超过0.4m。但 ＜+30 仍在安全范围内。随拉拔力的增加，土体沿拉拔方向的变形也明显地增大。
这说明，黄土中的全长粘结锚杆在受拉拔力时，可带动周围—定范围的土体变形,即全长粘结锚杆可施加作用于一定范围的土体。
(2)在锚杆被拔动时，其周围1～1.4m范围土体出现裂缝。这大致反映了全长粘结锚杆的影响范围。
(3)随拉拔力增加，周围土体的变形由浅部向深部发展。
这些均说明：全长粘结锚杆通过与包裹它的土体的粘结与摩擦，可以加固一定范围的土体。当拉拔力小时，只有较小范围的土体与之一起变形；而当拉拔力大时，则有更大范围的土体参与共同作用。试验所采用的锚杆参数己提供了砂浆柱与周围土壁间足够的粘结力与摩擦力。拔出锚杆时的极限强度不取决于锚杆本身，而主要取决于周围土体的强度。试验结果还表明，锚杆的作用半径大于0.4m，—般达0.5～0.7m，故锚杆间距选用1m是合适的。另有试验表明若间距过小，则敷设锚杆时的施工有可能破坏土体本身结构。在岭前隧道试验中，当锚杆间距缩小到0.6m时，施工时即破坏了土体，出现了贯通各锚杆的裂缝。
图2为拉拔时锚杆本身沿杆体方向的应变资料，可以看到：
(1) 随拉力增大，锚杆本身的变形增大，拉力与锚杆的拉应变接近线性。
(2) 锚杆浅部的变形大于深部变形。如b、c两根锚杆的最深部(1.7m处)，在拉拔力为34.3KN、土体开始破坏时，应变仍极小，表明主要承力的部分仍集中在锚杆浅部及其周围土体。a锚杆深部局部变形很大，这可能是由于这里的注浆不够饱满，使得锚杆在注浆不实处应力集中。这提示我们，必须保证水泥砂浆的密实，否则将大大影响锚杆的锚固力。
图2 拉拔锚杆时锚杆本身沿杆体方向的应变
三、 长粘结锚杆在黄土隧道中的实际加固效果
1、对隧道周边不稳定土体的加固
黄土隧道中通常存在原生的X型节理，它们构成软弱结构面，使土体易于在隧道开控后顺着这些节理张松（图3）[1]；在采用梯形断面导坑时，其顶角附近是应力集中部位，土体也易于在这些部位因应力过高而剪断。崾岘河隧道在开挖梯形下导坑后，因上述原因，普遍出现片帮(因4)，导坑顶也屡屡坍塌。
图3 崾岘河隧道马口开挖面上黄土中的X节理 图4 崾岘河隧道梯形下导坑的片帮
为实地考察全长粘结锚杆的加固效果，进行了如下的试验：在崾岘河隧道开挖梯形下导坑后，选择一试验段，在其侧壁和顶部敷设全长粘结锚杆，待所注入的砂浆固结后、开挖马口，观察锚杆的加固效果。锚杆的参数为：Φ22mm 钢筋，注浆孔径Φ60mm，注入水泥砂浆配比为1：1，采用400号普通硅酸盐水泥，锚杆锚入深度为1.3m,锚杆间距为1m，按梅花形布置（图５）
图5 崾岘河隧道下导试验段锚杆布置示意图
试验说明，在黄土隧道中，全长粘结锚杆可以较好地将不稳定土块锚固住。事实上，在将局部不稳定土块锚固住的同时，即加强了隧道周边土体的整体性，改善了隧道周围介质的力学特性。如果锚杆与喷射混凝土支护联合使用，将能更好地发挥其支护效果。
2、铁路黄土隧道中全长粘结锚杆与喷射混凝土联合支护的效果。
为了检验全长粘结锚杆在黄土隧道中的实际支护效果，探讨其主要作用机理，布置了如下的试验：在岭前黄土隧道中，选择了土质相近的两个相邻地段，用基本相同的施工方法、施工速度和设计参数施工，仅其中之一采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护（简称喷锚段），另一段仅采用钢筋网、喷射混凝土支护（简称喷网段）。通过对土体的径向应变量测（甩电阻应变片式空心量测铝锚杆量测，它是将电阻应变片粘贴于壁厚1mm、直径15mm的铝管中构成，用低标号水泥砂浆固定在Φ60mm的土体中的钻孔中）、隧道周边与5m外土体相对径向位移量测（用单点机械式锚杆位移计量测）、喷层沿隧道切向应变量测（用钢弦式应变计）等资料作两试验段的对比，以鉴定全长粘结锚杆的实际支护效果。隧道设计断面及支护参数见图６。 图6 岭前隧道黄土喷锚段断面及
支护参数示意图
图7 喷锚网试验段时间—位移曲线
图8 喷锚网试验段喷层切向应变—时间曲线
资料证明，作为一种支护手段，全长粘结锚杆可仰制土体变形，使土体整体变形均匀，促使隧道稳定：
(1)加设锚杆后，隧道中同一点向洞内的位移及衬砌切向应变均显著减小。如图7所示的喷锚段的位移一时间曲线及图8所示喷锚段喷层的切向应变—时间曲线及相应的表5及表6都反映了这一现象。
（2）全长粘结锚杆可仰制土体径向变形，并使隧道周边土体变形均匀化。
表5 喷锚衬砌段边墙衬砌表面在敷设锚杆前后径向位移速率对比
位 移 计 号
1#
2#
8#
锚前5天平均
0.148mm/天
0.164mm/天
0.178mm/天
锚后4天平均
0.064mm/天
0.050mm/天
0.015mm/天
表6 喷锚衬砌段在敷设锚杆前后喷层切向应变速率对比
位 移 计 号
3#
4#
5#
6#
7#
锚前3天平均
9/天
18/天
15/天
15/天
22/天
锚后3天平均
0
11/天
0
2/天
3/天
图9 喷网段及喷锚网段周边土体径向变形曲线
图9为分别安设在喷锚段和喷网段的量测锚杆量测的土体径向变形资料。
a)喷锚杆仅从拱腰以下设锚杆，拱腰以上拱顶两侧共7m弧长范围内末设锚杆，故拱部实际上没有锚杆支护，其拱顶土体远在单根锚杆的作用范围之外。图9表明，两试验段的拱部均穿过红色砂粘土，但喷锚段较深部的拉应变大于喷网段。这是因为喷锚土体的含水率高于纯喷段，喷锚段所在的土体的力学性能要差于喷网段，因此在支护条件相同的拱部，喷锚段土体变形大于喷网段。这样，如果加了锚杆支护的部位，其上体变形等小于未加锚杆的喷网段，这些试验结果就有说服力，而不至被怀疑是喷锚杆土体的自然条件优越所致；这是选择试验段位置时考虑到的。
b)喷锚段右拱腰的量测锚杆所处位置在施工锚汗上方0.5m。施工锚杆的作用范围之内。与喷网段相应位置量测锚杆量测资料相比，喷锚段拱腰处土体的径向应变，随时间没有多少发展，不同深度土体的应变值也相，差不多。而喷网段拱路上体的径向应变则随时有较大变化，并且不同深度土体的应变值相差较大。
c)两个试验段拱脚下2m处的量测锚杆均在红色砂粘土中，但变形形态差别甚大。喷网段为锚杆变形值大(最大达+3500με)；不同深度土体的应变值相差悬殊(+500με～+3500με)，反映了不同深度土体的径向变形很不均匀。黄土中存在构造斜节理，大于2000～3500με的拉应变值有可能反映了节理的张开，500με左右的拉应变值则可能反映了较完整的土体的应变。而喷锚段的量测得的应变值则远小于喷网段之最大仅100余με，并且不同深度的各点的变形值相差也不大，反映了加设锚杆后土体不同深度的变形较一致。
总之，土体径向变形的量测资料反映，增设全长粘结锚杆后，可仰制土体变形，阻止土体中裂缝张开，从而使锚杆作用范围内的土体变形均匀，并加强隧道周边土体的整体性。
（3）及时敷设全长粘结锚杆，可减小隧道周边的径向位移，促进隧道及早趋于稳定。
表7 喷锚段与纯喷段衬砌及周边土体位移对比
喷锚段
纯喷段
备注
变形最大处
锚杆位移计号
1#
2#
8#
9#
平均
1#
2#
8#
9#
平均
位于边墙
开
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