淺談地下通道工程錨固機(jī)理的研究現(xiàn)狀

趙繼華

摘 要：作為地下通道工程初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，錨桿支護(hù)不僅可以約束加固區(qū)巖體的變形，提高巖體的強(qiáng)度，還可以為洞室圍巖提供托錨力，進(jìn)而提高圍巖的穩(wěn)定性。但是，目前對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究還不夠成熟。簡(jiǎn)要敘述了地下通道工程錨固機(jī)理的研究現(xiàn)狀，以期為日后的相關(guān)工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：地下通道工程；錨桿支護(hù)；圍巖穩(wěn)定性；巖體強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.108

21世紀(jì)是地下通道工程發(fā)展的黃金時(shí)期，這不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，還是響應(yīng)國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略、開邊通海戰(zhàn)略的迫切需要。特別是在我國(guó)城市建設(shè)方面，地下通道工程取得了前所未有的大發(fā)展。

1963年，奧地利隧道工程師L.V.RabCewiCz突破傳統(tǒng)的巖體支護(hù)理論提出了新奧法隧道施工方法（NEW Austrian Tunnelling Method，NATM）。新奧法的出現(xiàn)為隧道等地下施工建設(shè)開辟了一個(gè)嶄新的局面。新奧法強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，以錨桿和噴射混凝土為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖有一定的變形，通過(guò)監(jiān)控圍巖變形情況及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法。

1 錨桿錨固機(jī)理的研究現(xiàn)狀

隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錨桿錨固機(jī)理的研究不斷深入，但是，仍然沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前，對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究主要從以下兩方面入手：在微觀方面，主要以錨桿為研究對(duì)象，研究錨桿與巖土體之間力的相互作用；在宏觀方面，主要以加固體（巖土體）為研究對(duì)象，研究錨固體對(duì)巖體的加固效果。針對(duì)這兩方面的研究對(duì)象，研究人員采取了不同的研究方法，即試驗(yàn)分析法、理論分析法和數(shù)值模擬分析法。

1.1 試驗(yàn)分析法

試驗(yàn)分析法與其他兩種分析方法相比，能更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映錨桿與圍巖的相互作用，而且這方面的研究成果也比較多。錨桿試驗(yàn)主要包括室內(nèi)模擬試驗(yàn)和錨桿拉拔測(cè)試。其中，國(guó)外學(xué)者D.N.Jarred和C.M.Haberfield等人完成了注漿錨桿室內(nèi)相似試驗(yàn)，研究了注漿錨桿的注漿長(zhǎng)度、側(cè)限剛度和水泥含量對(duì)錨固體力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿錨桿的側(cè)限剛度越大，錨桿體與注漿體之間的剪切強(qiáng)度越大。

1.2 理論分析法

隨著巖土彈性、彈塑性和黏彈性理論的發(fā)展，許多研究人員也開始試著采用這些力學(xué)理論原理解釋錨桿支護(hù)機(jī)理。其中，Gunnar Wijk運(yùn)用彈性理論中的Mindlin解很好地解釋了預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機(jī)理；H.Stille、B.Inderarance和P.K.Kaiser等人運(yùn)用彈塑性理論研究了錨桿錨固時(shí)的受力狀態(tài)；Selvadura通過(guò)研究黏彈性介質(zhì)中錨桿的錨固機(jī)理，建立了錨桿支護(hù)的力學(xué)模型。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在積極討論相關(guān)問(wèn)題。尤春安從彈性理論出發(fā)，運(yùn)用Mindlin問(wèn)題的位移解推導(dǎo)出全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿沿桿體所受的剪切力分布彈性解，并分析了錨桿的受力特征。

1.3 數(shù)值模擬分析法

數(shù)值模擬法是在解析法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種近似計(jì)算方法，具有快捷、直接、可重復(fù)計(jì)算等特點(diǎn)。目前，它已經(jīng)逐漸成為人們研究錨桿支護(hù)的重要手段之一。數(shù)值模擬法主要包括有限元法、邊界元法、離散元、有限差分法和顯示差分元法等。在數(shù)值分析建模時(shí)，錨桿計(jì)算模型的建立一直困擾著人們，特別是錨桿與膠結(jié)材料的相互作用。在相關(guān)研究中，有些學(xué)者提出了在錨桿與膠結(jié)材料之間設(shè)置接觸單元的構(gòu)想。外國(guó)學(xué)者Aydan提出了大膽的構(gòu)想，即錨桿單元由4個(gè)結(jié)點(diǎn)組成——2個(gè)與錨桿相連，剩余2個(gè)與膠結(jié)材料相連。但是，這種構(gòu)想并沒(méi)有考慮到錨桿與膠結(jié)材料之間的剪切作用。

2 結(jié)論與展望

錨桿支護(hù)作為現(xiàn)代工程施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在控制圍巖變形方面發(fā)揮著很大的作用。在工程實(shí)踐過(guò)程中，主要采用工程類比經(jīng)驗(yàn)法。在實(shí)際錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中，普遍存在以下2個(gè)問(wèn)題：①錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)大，造成不必要的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；②錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)小，達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)效果，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去其安全性。鑒于此，應(yīng)該不斷優(yōu)化分析地下通道工程初期支護(hù)的錨桿參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣樹屏.我國(guó)公路隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].公路交通技術(shù)，1999（2）：32-41.

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