摘要：本文作者根據(jù)多年研究經(jīng)驗，對黃土隧道錨桿受力與作用機制做具體分析，希望有一定參考意義。
引言：本文以青蘭高速公路善化隧道為依托工程，開展了較大規(guī)模的現(xiàn)場施工監(jiān)測，結合有限元數(shù)值模擬方法，分析研究了公路黃土隧道系統(tǒng)錨桿的力學特性。
1．依托工程概況
本文選取青蘭高速善化隧道同一位置的左、右線兩個斷面ZK126+70和YK126+70進行了現(xiàn)場測試。善化隧道左線起點里程為ZK126+000.5，終點里程ZK127+666.5，隧道總長度1666m，右線起點里程為YK126+025，終點里程YK127+685，隧道總長1660m。隧道左右線間距為24m。Qml4沿線地層以粉砂性黃土、河流階地河河谷灘地為主，下伏粉砂巖、砂、泥巖等，巖性比較復雜洞口斷面的圍巖類別為Ⅴ級圍巖。
測試斷面為馬蹄形隧道標準斷面結構，隧道襯砌結構由40cm復合式襯砌，初支采用C20噴射混凝土，二襯采用C25模筑鋼筋混凝土；邊墻砂漿錨桿采用長3.5m的22鋼筋，環(huán)縱向間距呈1.0×1.0m梅花形布置；型鋼鋼架支撐作為永久性支撐，縱距為0.8m，每型鋼鋼架兩拱腳處各設兩根長為3.0m的42鎖腳錨管。施工方法采用淺埋暗挖保留核心土的短臺階法，嚴格按照“管超前、少擾動、短進尺、強支護、留核心、勤量測、早封閉”的施工原則進行施工。
2．現(xiàn)場施工監(jiān)測及分析
2.1監(jiān)測內容及方法
在隧道ZK126+70和YK126+70兩個斷面埋設了監(jiān)測元件，進行有無系統(tǒng)錨桿的對比監(jiān)測。兩斷面距洞口70，埋深約60m，其中左線ZK126+70設置了系統(tǒng)錨桿，右線YK126+70無系統(tǒng)錨桿。監(jiān)測項目包括圍巖壓力、鋼拱架內力和砂漿錨桿軸力。監(jiān)測元件均采用鋼弦式傳感器，此類元件具有較高的精度和可靠度，且受現(xiàn)場各種干擾小，可長期有效地工作。Y1～Y10表示壓力盒的埋設位置，WC1～WC6表示鋼筋計在外緣鋼拱架的埋設位置，NC1～NC6表示鋼筋計在內緣鋼拱架的埋設位置，MG1～MG6表示鋼筋計在錨桿中的埋設位置。
2.2監(jiān)測結果及分析
2.2.1圍巖與初期支護間接觸壓力
整理各點所測得的圍巖壓力，繪制成壓力分布圖。
拱腳和仰拱受力偏大，應作為設計控制部位。由于該測試斷面采用保留核心土的短臺階法施工，充分遵循了“早封閉，強支護”的原則，使土體的變形得到了及時有效的控制。左線的Y6、Y7壓力較大，對應位置設置的系統(tǒng)錨桿MG1、MG3拉應力也較大，而右線的Y6、Y7壓力卻明顯偏小，說明此時左線拱腰和拱腳的錨桿在圍巖的變形過程中，起到了有效的支承和約束作用。這也說明系統(tǒng)錨桿在維持隧道圍巖原有的應力狀況，改善隧道圍巖應力的分布以及抑止圍巖產(chǎn)生較大的、可能導致圍巖性質惡化的松弛變形方面有一定作用。
2.2.2型鋼鋼架軸力
在鋼架的內、外緣均布設鋼筋計，以測試鋼架內、外兩側的受力情況。有系統(tǒng)錨桿支護的ZK126+70斷面中型鋼鋼架的鋼筋軸力整體要小于無系統(tǒng)錨桿的YK126+70斷面中鋼筋的軸力。內緣的最大軸力值由26.40kN減小至19.96kN，減小了32.3%；內緣的最小軸力值由16.34kN減小至11.09kN，減小了32.1%；在整個施工過程中，有錨桿作用條件下初期支護軸力最小的地方(WC4點)只達到了無錨桿作用時初期支護軸力的31.5%。因此，在二次襯砌施做之前，系統(tǒng)錨桿和型鋼鋼架形成的聯(lián)合支襯體系相對無系統(tǒng)錨桿的支襯體系擁有更高的安全性能和更好的支護效果。
2.2.3型鋼鋼架彎矩
通過對型鋼鋼架內外緣成對布置鋼筋計的應力監(jiān)測，根據(jù)基本結構力學受力轉換公式可計算拱架不同截面處的彎矩。
有無系統(tǒng)錨桿兩種工況初期支護對應位置彎矩值相差較大，無系統(tǒng)錨桿時的彎矩值總體上明顯大于設置了系統(tǒng)錨桿時的彎矩值，尤其是拱腰位置。而兩種工況下最大的彎矩都出現(xiàn)在了拱腰位置，說明拱腰處是比較危險的部位，與拱腰處錨桿MG1受拉較大相對應，這也再一次的印證了在拱腰和拱腳位置設置系統(tǒng)錨桿的必要性。
2.2.4錨桿軸力
整理各點所測得的錨桿軸力，繪制成軸力分布圖。
錨桿軸力的最大拉力值出現(xiàn)在拱腳位置(MG6-2)，同時拱腰位置的錨桿受拉也比較明顯(MG1-2)，說明鎖腳錨桿在整個系統(tǒng)錨桿中的作用很重要，在施工時要特別注意鎖腳位置錨桿的施工質量。每根錨桿的最大軸力均位于靠近隧道面的測點，錨桿軸力普遍不大，邊墻及墻腳最大值小于10kN，拱腳最大值小于17kN。這主要是因為錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果，在初期支襯體系受力性能很好的情況下，型鋼鋼架和噴射混凝土承擔了大部分的圍巖壓力。但是，可以預見，當圍巖產(chǎn)生塑性破壞，型鋼鋼架和噴射混凝土失效的瞬間，系統(tǒng)錨桿將凸顯其作用，錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動的破碎圍巖構成具有一定承載力和適應自身變形的錨固平衡拱，從而使支護體系重新回歸平衡狀態(tài)或者延緩結構失穩(wěn)破壞的過程，為施工人員爭取逃生時間。
3．數(shù)值模擬分析
3.1有限元計算模型
根據(jù)隧道圍巖的工程地質條件與力學性態(tài)，采用平面彈塑性有限元模型進行模擬計算，計算中采用D-P屈服準則。模型邊界計算范圍：在水平方向和隧道底部方向取4倍洞徑，上部取至原地面。計算時將不同地層的土體視為均質介質，圍巖和支護結構都采用平面等參單元模擬。其中砂漿錨桿采用桿單元模擬，襯砌支護結構采用梁單元模擬，圍巖采用平面單位模擬。模型共劃分為1936個單元，1841個節(jié)點。隧道圍巖上部為新黃土，下部為古土壤，圍巖及支護結構參數(shù)。
3.2有限元計算結果及分析
3.2.1襯砌結構內力
襯砌結構內力的計算結果，最大彎矩出現(xiàn)在拱腳和仰拱中心位置，說明仰拱和拱腳位置比較重要，應作為設計控制部位，這也與實測的結果吻合。而軸力從拱頂沿著拱肩一直減小，到拱腰處最小，拱腳處又有所增加，整體上襯砌的上部軸力較大，下部軸力較小。
3.2.2錨桿軸力
錨桿軸力的計算結果，拱腳位置的錨桿受拉最大，拱腰位置的錨桿受力較小，整體上錨桿軸力普遍較小，并且沿著隧道洞徑向圍巖深部延伸，錨桿軸力逐漸減小。
3.2.3圍巖塑性區(qū)
圍巖塑性區(qū)的計算結果，為了便于分析系統(tǒng)錨桿的作用效果，分別對無襯砌無錨桿、無襯砌有錨桿和有襯砌有錨桿三種工況的塑性區(qū)進行了計算對比，錨桿設置與實際施工相同。沒有襯砌和錨桿時，開挖后塑性區(qū)范圍最大，沿著拱肩直到拱腳位置，并且塑性應變最大值分布在拱腰的上下兩側；沒有襯砌有錨桿時，圍巖的塑性應變明顯得到了改善，塑性區(qū)相應縮小，由于設置了系統(tǒng)錨桿的位置，最大的塑性應變也移動到了拱腰的上部；有襯砌和錨桿時，整個洞周的塑性區(qū)都明顯縮小，只在拱腰到拱腳范圍少量分布，拱腰以上到拱頂塑性區(qū)消失，較大塑性應變依舊處于拱腰附近，但是最大值只有前面兩種工況的50%，可見圍巖的受力得到明顯改善。
由此可見，有系統(tǒng)錨桿的支襯體系在控制圍巖變形，保障結構穩(wěn)定，確保施工安全方面具有不可替代的作用，錨桿和支襯體系兩者缺一不可。同時，系統(tǒng)錨桿在沒有襯砌的情況下，發(fā)揮了重要的支撐作用，這也再一次印證了實測的結果。
4結語
本文通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬對有無系統(tǒng)錨桿的不同工況進行了對比分析，得出如下結論。
(1)通過有系統(tǒng)錨桿與無系統(tǒng)錨桿試驗對比，發(fā)現(xiàn)拱腰和拱腳的錨桿在圍巖的變形過程中，
起到了有效的支承和約束作用。有系統(tǒng)錨桿的左線拱架軸力明顯小于無系統(tǒng)錨桿的右線，左線的最大值和最小值比右線減小了約32%；拱架彎矩對比，左線的最大值約為右線最大值的61%，由此可見拱腰和拱腳的錨桿作用還是比較明顯的，建議設計施工中保留。
(2)系統(tǒng)錨桿和格柵拱架形成的聯(lián)合支襯體系在開挖后的最大塑性應變只有單一支襯體系塑性應變的50%，可見聯(lián)合支襯體系在控制圍巖變形，保障結構穩(wěn)定，確保施工安全方面具有不可替代的作用，兩者缺一不可。
(3)在數(shù)值模擬中，對沒有襯砌的模型進行了有無系統(tǒng)錨桿的對比，發(fā)現(xiàn)模型在設置系統(tǒng)錨桿的部位塑性區(qū)明顯縮小，塑性應變也只有無錨桿模型的一半。可以預見，當圍巖產(chǎn)生塑性破壞，格柵拱架和噴射混凝土失效的瞬間，系統(tǒng)錨桿將凸顯其作用。
(4)拱頂和拱肩位置襯砌承受較大的軸向壓力，但是彎矩很小，而拱腳和仰拱處承受較大的彎矩，而軸向壓力較小，因此可適當調整混凝土厚度和格柵拱架的密度，不同部位進行區(qū)別設計。
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