淺談公路隧道錨桿設計

侯豪斌

（山西交通科學研究院，山西 太原 030006）

中國在20世紀70年代引進并推廣新奧法以來，新奧法早已被隧道設計、施工人員接受并廣泛應用。1981年T.brown教授著文說：“在巖石隧道中（尤其是埋深大時）采用新奧法，允許圍巖產生有限變形，以促進承載拱的形成，減少作用在襯砌上的荷載?！卞^噴支護的延時、柔性的特點正好滿足“允許圍巖產生有限變形，以促進承載拱的形成”，使得錨噴支護與圍巖能很好地形成整體，共同承載，將新奧法的應用推向極致。

在新奧法技術已經較成熟的今天，雖然公路隧道的建設已經能很好地體現其精髓，但還有部分細節需要認真研究，文章將重點針對現代公路隧道復合式襯砌方案中初期支護的錨桿進行探討。

1 錨桿作用機理

錨桿是從內部補強圍巖的技術手段，提高裂隙圍巖的抗裂強度，改善圍巖的物理力學指標，更可以將不連續的巖體聯系在一起，充分發揮圍巖的自承載能力，其作用機理可以從隧道周邊巖體和被節理、裂隙或斷層切割后的局部圍巖兩種情況來考慮：

1.1 錨桿在巖體中的作用機理

1.1.1 硬巖

圍巖強度大，隧道周邊圍巖沒有塑性變化，不需內壓效果，同時，硬巖的力學強度是充分的，其穩定性通常是由裂隙等力學上的不連續面所控制，錨桿可以保持巖塊和控制巖塊移動，使圍巖成為一體，并促進平衡拱的形成。

1.1.2 軟巖

軟巖中，隧道周邊圍巖發生塑性變化，錨桿提供內壓阻止塑性變形范圍的擴展，在此過程中以提供內壓效應和形成平衡拱效應為主。

1.1.3 土砂圍巖

在埋深小的土砂圍巖中，噴射混凝土的效果是明顯的，根據資料顯示，拱頂附近的錨桿幾乎不受拉力而只發生壓力的情況時有發生。因此，土砂圍巖下，錨桿以加強拱腳附近和防止掌子面的崩塌為主。

能夠發揮錨桿效果的圍巖需要具備適當的條件：錨桿和圍巖間要有適當的錨固力；在不連續圍巖中錨桿要橫切不連續面布設；連續圍巖中，在設置錨桿的范圍內，圍巖位移差要大。不滿足這些條件的圍巖，錨桿的作用是比較小的，甚至沒有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注漿等方法處理后才能設置錨桿。

1.2 錨桿在局部圍巖中的作用機理

隧道開挖后圍巖的節理、裂隙或斷層切割情況是千變萬化的，從加固這些軟弱面或斷層的目的出發，錨桿加固的作用機理主要有以下幾種：

1.2.1 懸吊巖塊

由于隧道圍巖被節理、裂隙或斷層切割，開挖爆破震動可能引起局部巖塊失穩，采用錨桿將不穩定巖塊懸，吊在穩定的巖體上，或將應力降低區內不穩定的圍巖，懸吊在應力降低區以外的穩定巖體上。在側壁則用錨桿阻止巖塊滑動。

在一般圍巖中采用以懸吊效果為目的的錨桿時，可采用HPB335，因發生的軸力不大，可采用直徑小的錨桿，但在裂隙發育的圍巖條件下，不能期待錨桿的懸吊效果時，考慮與輔助工法并用。錨桿應視裂隙或節理狀況布設于隧道拱部。

1.2.2 產生內壓和拱效果

軟弱圍巖開挖后，使洞內臨空面變形較大，當坑道周邊布設系統錨桿，向圍巖施加徑向錨桿施加的徑向壓力而形成承載拱后，便與噴射混凝土共同承受圍巖的形變壓力，可減少圍巖的變形，提高圍巖的整體穩定性。

系統錨桿布置應沿隧道周邊均勻布置，呈梅花形布置。在隧道橫斷面內，錨桿方向宜與周邊垂直。在層狀圍巖中，錨桿的方向宜與巖層面垂直。

一般圍巖可采用HPB335，Φ22mm的錨桿，當圍巖變形大于50mm時，可采用高強度或大直徑的錨桿，或者減小錨桿間距。因高強度鋼的延展性差，選擇時要考慮位移值的大小，同時還要考慮施工難度和經濟性。錨桿布設于隧道全斷面或除仰拱以外的部分。

1.2.3 組合梁作用

在水平或傾角較小的層狀巖體中，錨桿能使巖層緊密結合，形成類似組合梁結構，能增加層面間的抗剪強度和摩擦力，從而提高圍巖的穩定性。一般可采用HPB335鋼。

2 錨桿類型及適用性

錨桿支護設計應根據隧道的圍巖條件、斷面尺寸、作用部位、施工條件等合理選擇錨桿的支護類型和參數。其類型一般有以下幾種：

2.1 全長黏結型錨桿

包含有普通水泥砂漿錨桿、早強水泥砂漿錨桿、樹脂卷錨桿、水泥藥卷錨桿、中空注漿錨桿、自鉆式注漿錨桿等。

一般是在錨孔內填充錨固材料插入錨桿錨固，或者是錨桿插入后壓注錨固材料錨固的方法。因用錨固材料全長黏結，錨桿全長范圍都能約束圍巖。長黏結型錨桿在硬巖、中硬巖、軟巖、土砂圍巖中均可采用。

2.2 端頭錨固型錨桿

機械錨固錨桿、樹脂錨固錨桿、快硬水泥卷錨固錨桿等。

機械錨固錨桿包含有楔縫式、脹殼式、倒楔式，適用于硬巖或中硬巖。黏結錨固錨桿包含樹脂卷式、快硬水泥卷式，除應用于硬巖、中硬巖外，也可用于軟巖。端頭錨固型錨桿的作用主要取決于錨頭的錨固強度，在錨頭型式選定后，其錨固強度是隨著圍巖情況而變化的。因此，使用前應在現場進行錨桿的抗拔試驗，以檢驗選定的錨頭是否與圍巖條件相適應。由于地下水或潮濕空氣易使桿體和錨頭發生銹蝕，因此，服務年限大于5年的端頭錨固型錨桿應采取灌注水泥砂漿或其他防腐措施。

2.3 摩擦型錨桿

包含有縫管錨桿、楔管錨桿、水脹式錨桿。

摩擦型錨桿主要有全長摩擦型（縫管式）和局部摩擦型（楔管式）兩種，其特點是安裝后能立即提供支護抗力，有利于及時控制圍巖變形，能對圍巖施加三向預應力，使圍巖處于壓縮狀態，在某些特定條件下，需要提高摩擦型錨桿的初錨固力時，可采用帶端頭錨楔的縫管式或楔管式錨桿，可使初始錨固力增加50kN以上。摩擦型錨桿適用于硬巖、中硬巖、軟巖。

2.4 預應力錨桿

預應力錨桿是指預拉力大于200 kN，長度大于8m的巖石錨桿。它能主動對圍巖提供大的支護抗力，有效地抑制圍巖位移，提高軟弱結構面和塌滑面的抗剪強度，按一定規律布置的預應力錨桿群使錨固范圍內的巖體形成壓應力區而有利于圍巖的穩定。錨固段灌漿宜采用水泥漿或水泥砂漿等膠結材料，自由段長度不少于5m。硬巖采用拉力型錨桿，軟巖宜采用壓力分散型或拉力分散型錨桿。

永久支護的錨桿應為全長黏結型錨桿或預應力注漿錨桿，其他類型的錨桿作為永久支護時，錨孔內需注滿水泥砂漿或樹脂。

3 錨桿設計

在錨桿設計時，根據外業踏勘和地堪給出隧道圍巖的巖質、堅硬程度、完整程度、地下水、埋深、隧道開挖寬度和斷面形狀等情況，首先確定設置錨桿的類型，然后根據計算并參考經驗確定錨桿長度、直徑和間距。

3.1 錨桿材料

全長黏結型錨桿宜采用HRB335，HRB400鋼，桿體直徑宜為16mm～32mm，采用水泥砂漿時保護層厚度不小于8mm，采用樹脂時不小于4mm；端頭錨固型錨桿宜采用HRB335鋼筋，桿體直徑16mm～32mm；摩擦型錨桿中縫管錨桿管體宜采用16錳或20錳硅鋼，壁厚2.0mm～2.5mm；楔管錨桿管體可用HPB235鋼，壁厚2.75mm～3.25mm；預應力錨桿宜采用鋼絞線、高強鋼絲或高強精軋螺紋鋼筋，當預應力值較小或長度小于20m時，也可采用HRB335或HRB400鋼。

灌漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿等膠結材料，錨桿露頭均應設置墊板，墊板可采用HPB235鋼，厚度不小于6mm，尺寸不宜小于150mm×150mm。

3.2 設計參數

錨桿屬于點狀支護的類型，須網狀布設以發揮群錨作用。因此，錨桿布設參數（長度、間距）要符合群錨的工作原則。西南交通大學關寶樹教授在《隧道工程施工要點集》一書中，定性地給出了錨桿布設參數與圍巖的關系，見圖1。目前錨桿設計參數還主要倚重經驗，其計算公式多以經驗為主。

圖1 錨桿定性布設原則

3.2.1 系統錨桿

由于圍巖中各處變形的不均勻性，隧道周邊一定范圍內的圍巖中將產生類似于拱結構切向壓緊的作用，即拱效應。系統錨桿能從內部補強圍巖，增強其物理參數，充分利用圍巖的拱效應。

錨桿應垂直隧道周邊輪廓梅花形布設，當遇層狀巖層時，尚應增設與主結構面成最大角度的錨桿；錨桿間距不宜大于錨桿長度的1/2，Ⅳ、Ⅴ級圍巖中的錨桿間距宜為0.5m～1.2m，并不得大于1.25m。

（1）日本鐵道建設公團

一般圍巖：D22mm，L＝2m～3m；

膨脹性圍巖：D25mm，L＝3m～4m；

增設錨桿的場合要比標準錨桿長1.5倍。

（2）日本道路公團

錨桿長度：L＝W/3～W/5 或 L≥t；

式中：L：錨桿長度；

W：隧道開挖寬度；

t：掌子面到完成支護地段的距離。

設置間距：0.5 L～0.7 L。

（3）日本道路學會

硬巖：L≥2P，L≥3S，L≥（1/3～1/5）B

式中：L：錨桿長度；

P：錨桿間距；

S：節理平均間距；

B：隧道開挖寬度。

（4）山本試驗公式（灌漿錨桿）

L≥（D+α）

R≥γ·L·D1·D2=W

式中：L：錨桿長度；

W：松弛荷載；

R：錨桿的錨固力；

D1：周向間隔；

D2：縱向間隔（D2>D1）；

α：確保錨桿錨固力的必要長度；

γ：圍巖的單位容重。

（5）預應力錨桿

鋼筋截面尺寸A＝kNt/fptk；

式中：A：預應力鋼筋的截面積/mm2；

Nt：錨桿軸向拉力設計值/kN；

fptk：預應力筋抗拉強度標準值/N·mm2

K：安全系數（臨時錨桿取1.6，永久錨桿取1.8）。

預應力錨桿采用黏結型錨固體時，錨固段長度可按下列公式計算并取大值。

La=kNt/（πDqr）

La=kNt/（nπdεqs）

式中：La：錨固段長度/mm；

Nt：錨桿軸向拉力設計值/kN；

K：安全系數（取 1.4～2.2）；

D：錨固體直徑/mm；

d：單根鋼筋或鋼絞線直徑/mm；

n：鋼絞線或鋼筋根數；

qr：水泥結石體與巖石孔壁間的黏結強度設計值（取0.8倍標準值）；

qs：水泥結石體與鋼絞線或鋼筋間的黏結強度設計值（取0.8倍標準值）；

ε：采用兩根或以上鋼絞線或鋼筋時，介面黏結強度降低系數（取 0.60～0.85）。

3.2.2 局部錨桿

拱腰以上應向著有利于錨桿受拉的方向布設，拱腰以下及邊墻宜逆著不穩定巖塊滑動方向布設。

錨桿加固危石時，可按下式計算，當設置局部錨桿時也可參照下式：

錨桿截面積：

A s=KG/nfst

式中：K：安全系數；

G：錨桿承受危石重力；

A s：單根錨桿截面積；

n：錨桿根數；

fst：錨桿設計抗拉強度。錨桿長度：

L＝L錨+L支+L超

L：錨桿長度，L錨：錨桿錨固長度，L支：錨桿支護長度，L超：錨桿超出孔口長度。

其中L錨＝kP錨/πdτ黏。P錨：錨桿錨固力（規范規定不小于60 kN），k：安全系數，d：錨桿直徑，τ黏：錨桿與砂漿的黏聚力。

3.2.3 錨桿加強

在錨桿受力較大的區段，錨桿多因下述兩種原因失效。第一種是由于錨桿本身的強度不夠被拉斷；第二種是由于錨固力不足而被拉出（施工現場多為這一種），錨固力不足表現為錨桿與黏結材料間或黏結材料與圍巖間的黏結力不足?？刹捎酶邚姸儒^桿或增大錨桿直徑、增大鉆孔直徑、增加錨桿根數3種措施提高錨桿支護效果。

4 結束語

隧道設計、施工中需重視初期支護的作用，錨桿、噴射混凝土、鋼筋網是常用的支護手段，當圍巖穩定性差時還需結合鋼拱架、超前小導管和預注漿一起承受來自圍巖的變形壓力，并加固圍巖，充分發揮圍巖的自承載能力，共同構成有效、經濟的圍巖－支護體系。根據施工監控量測及時進行初支、二襯支護，允許圍巖－支護體系產生有限制的變形，充分協調地發揮兩者的共同作用，盡量使圍巖－支護體系全面、牢固接觸、應力均勻分布，形成理想的D類接觸（全斷面牢固接觸），以期能經濟、安全、有效率地進行洞內作業。

雖然，隨著中國隧道及地下工程的大量建設和新奧法技術的廣泛應用，公路隧道的建設已經能很好地體現其精髓，但還有部分細節需要認真研究，文章重點針對公路隧道復合式襯砌方案中初期支護的錨桿進行探討。從作用機理、錨桿類型、適用性和設計參數出發，較為詳細地對錨桿的應用進行了闡述，希望能在隧道設計、施工中有一定的指導和借鑒作用。

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