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　　一、前言

 

　　在隧道施工過程中，一個很重要的工作就是要盡量提高隧道的使用壽命，這就需要采取合理有效的方法來提高隧道的質量。鋼帶錨桿結合碳纖維的錨固方法是一種較為科學的方法，在隧道中使用具有很好的收效。

 

 

　　鋼帶主要作為頂板組合梁使用，因為裂隙發(fā)育的頂板在受到垂直于巷道頂板的剪切力時沿裂隙被剪切斷開，利用鋼帶作為頂板組合梁的一部分能有效抵抗這種剪切力的作用。錨桿、錨索的主要作用機理是組合梁加固作用（即把幾層巖層組合加固成為一個共同的承載體，共同承載巷道的壓力，控制了巷道復合頂板因受應力作用而產生彎曲變形和離層破碎的發(fā)生）和懸吊作用（即利用錨索把巷道掘出后的松動圈與老頂連接起來，有效控制頂板底部巖層因受壓而變形垮落）。

 

 

　　碳纖維具有良好的可塑性，能適用于曲面和不規(guī)則形狀結構物；重量輕，基本不增加結構自重；軸向抗拉強度比普通碳素鋼大十幾倍；在修補混凝土結構時可充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結構強度和構件承載力及延性，改善其受力性能，因而在橋梁、房屋建筑工程加固中得到了廣泛應用。

 

　　對隧道工程而言，碳纖維加固技術的適應性值得探討。為加固補強，素混凝土襯砌結構的隧道往往采用犧牲建筑界限的套襯方法，而采用碳纖維技術則變得很容易，碳纖維厚度極薄，加固修補后基本不增加原結構自重、不侵入建筑界限。碳纖維材料是柔性的，被加固結構的表面不是非常平整，也可達到99%的有效粘貼率；即使粘貼后發(fā)現表面局部有氣泡，只要用注射器將樹脂注入氣泡中，就可以將空氣排除，因而能有效保證隧道加固的質量。碳纖維布具有很強的防水性能，粘貼碳纖維布對隧道結構進行封閉，能達到良好的防水效果，因此在滲漏水隧道的治理中，采用碳纖維技術是十分理想的方法。

 

　　四、隧道初期支護系統(tǒng)錨桿中玻璃纖維錨桿的力學分析

 

　　1、小型水工隧道有限元建模

 

　　本水工隧道圍巖為破碎的Õ級圍巖，隧道跨徑為5m，隧道埋深為30m，考慮到邊界效應和建模要求，取了隧道跨徑的12倍區(qū)域為計算分析區(qū)域，在計算區(qū)域內加上重力場。

 

　　模型的邊界條件為：左右兩邊的水平向和底邊垂向的位移均為零，具體計算參數如下：隧道埋深h=30m，土體的重度C=18.5kN/m3，泊松比L=0.4，根據側壓力系數K=L/(1-L)，可得K=2/3；計算區(qū)域的范圍為：60m×60m的正方形，隧道位于計算域的中心位置；總共2409個單元，1307個節(jié)點。有限元模型見圖1。圍巖單元的物理力學參數為：變形模量E=1120MPa，泊松比L=0.4，抗拉強度Rt=0MPa，粘結力C=0.1MPa，摩擦角U=30b，膨脹角H=0b，材料為理想彈塑性材料，破壞準則為摩爾)庫侖準則。

 

　　錨桿為注漿全長粘結型錨桿，毛洞開挖后，為了便于分析對比，分別采用鋼錨桿錨噴和玻璃纖維錨桿錨噴進行支護，并進行計算分析，錨桿長度為3m，布置間距為0.8m×1m。

 

　　鋼錨桿物理力學參數為：5=22mm，E=210GPa，屈服荷載142kN，抗拉荷載F=205kN。

 

　　玻璃纖維錨桿物理力學參數為：5=22mm，E=40GPa，抗拉荷載F=189kN。

 

　　隧道噴射混凝土為C20混凝土，其物理力學參數為：E=21GPa，L=0.3，厚度h=24cm，抗壓強度Rc=10MPa，其殘余抗壓強度R1c=10MPa，抗拉強度Rt=1.1MPa，殘余抗拉強度R1t=0MPa。

 

　　2、計算結果分析

 

　　有限元平面問題分析考慮了開挖后，洞內周邊圍巖荷載釋放率為30%，初期支護階段荷載釋放率為70%，從而模擬空間的圍巖應力重分布狀況。由圖2可以看出：GFRP錨桿錨噴支護和鋼錨桿錨噴支護均能夠有效地抑制隧道開挖后的圍巖變形，且在兩種支護方式下，隧道位移基本相當。圖3說明：在上述隧道位移基本相同的情況下，鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。從圖4中可以得出：隧道開挖后在兩種不同方式的錨噴支護作用下，圍巖的安全系數基本相同。圖5可以表明：GFRP錨桿錨噴支護和鋼錨桿錨噴支護作用下均能夠很好地控制隧道開挖后塑性區(qū)的范圍，且隧道開挖后分別在兩種支護作用下的塑性區(qū)范圍基本一致。

 

　　不同工況下噴射混凝土的內力及錨桿最大軸力比較見表1。由圖2~圖5及表1的計算結果可以看出，隧道開挖后，在鋼錨桿錨噴與GFRP錨桿錨噴兩種不同形式的初期支護條件下，隧道的位移、塑性區(qū)范圍、圍巖的安全系數基本相當，而鋼錨桿的最大軸力大約為GFRP錨桿的5倍。計算結果表明，玻璃纖維錨桿錨噴和鋼錨桿錨噴對隧道的支護效果相當，由于鋼錨桿的彈性模量大于玻璃纖維錨桿，同等隧道變形條件下，鋼錨桿受力較大而進入屈服階段，隧道變形迅速增大；而GFRP錨桿則繼續(xù)持續(xù)彈性階段，能夠有效地控制隧道的變形。

 

 

　　近年來，在歐洲、北美、日本等發(fā)達國家，開始用纖維增強塑料筋取代建筑鋼筋，試圖從根本上解決由鋼筋腐蝕所引起的土木工程的耐久性問題。以英國為首的歐洲諸國于1996年成立了研究纖維增強塑料筋的聯(lián)合攻關組織，同時設立了研究該材料的重大歐共體合作研究項目(簡稱EUROCRETE)，并投入了雄厚的人力、物力。該項目的目的是研制適宜的纖維增強塑料筋以及制定相應的纖維增強塑料筋用于土木工程的試驗方法標準和設計施工規(guī)程。在北美，加拿大在1995年成立了專門研究纖維增強塑料筋的專家委員會(簡稱ISIS)。

 

　　纖維增強塑料筋錨桿是以纖維增強塑料筋為拉桿、以與纖維增強塑料筋受力特性相適應的粘結型傳力錨具為錨頭的一種新型錨桿，這種錨桿的拉桿以纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑(如交聯(lián)單體、引發(fā)劑、促進劑、蝕變劑、阻燃劑、陰聚劑、填料、顏料等)，經拉擠成型和必要的表面處理形成的一種新型復合材料。它具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，耐久性好；抗拉強度高(等于甚至高于預應力鋼筋)；自重輕，只有預應力鋼筋的15%～20%；低松弛性，荷載損失較??；抗疲勞特性優(yōu)良；對電磁場不敏感。由于巖土錨桿是一軸向受拉桿件，因此，纖維增強塑料筋作為拉桿，其高軸向抗拉強度可以得到較充分發(fā)揮，高抗腐蝕能力使錨桿更耐久，并且不需做防腐處理，也使其制造更為簡單。放置纖維增強塑料筋錨桿只需較小的孔徑就足夠了，這就節(jié)省了制造和鉆孔的費用，且運輸、加工、安裝變得更容易、更高效，特別在進出場地受到限制的工程中，象水壩和地基的施工，這種優(yōu)勢更加突出。纖維增強塑料筋的抗電磁特性可使其應用在一些特殊的場合，如電廠、電氣化路軌等附近有散亂電流的地方。與鋼筋相比，纖維增強塑料筋的彈性模量較低，這能使因徐變和錨固系統(tǒng)及地層的松弛引起的荷載損失降低。因此，用纖維增強塑料筋制作錨桿代替鋼錨桿具有不需要防腐保護，結構簡單，重量輕，易于制造、運輸和安裝，預應力損失小等優(yōu)點。

 

 

　　綜上所述，鋼帶+自進式錨桿錨固方式確實具有很好的加固效果，可以對隧道的結構起到很好的穩(wěn)固效果。因此，在今后隧道的施工過程中，可以考慮采用鋼帶+自進式錨桿錨固方式來進行加固。