隧道系统锚杆技术参数

导读：由于地下工程地质条件的复杂性，以及目前的研究现状，在选择锚杆支护最合理的参数问题上，往往是根据经验公式进行估算，或者采用工程类比法来确定。通常意义上的理论方法包括解析法和数值法，它们在喷锚支护设计中已取得了一些有价值的成果，并逐渐成为喷锚支护设计的重要组成部分。这两种方法应该密切结合，互为补充，并在工程实践中推广使用信息化设计和反分析设计，通过实践不断修正。

锚杆长度的确定

锚杆长度的确定应根据锚杆的作用及受力方式、地层条件及围岩级别，以及洞室的跨度大小等因素来确定。不论是起悬吊作用的局部锚杆还是组合作用和挤压作用的系统锚杆，都可采用经验类比法或通过理论计算进行锚杆长度设计。我国制定的锚杆喷射混凝土技术规范中，针对不同围岩级别和洞室跨度所规定的锚杆长度就属于经验类比法。

按经验类比法确定锚杆长度时，可考虑采用如下估算方法：

1．锚杆长度L应与隧道开挖宽度B及地质条件相适应，对于中等以上硬岩及开挖后可以自稳的隧道，L≥（1/3-1/4）B，软弱围岩可采用L≥（1/2-1/3）B。

2．围岩的变形不应超过允许最大变形，在深埋情况下（覆盖层大于50m）采用端部锚固式锚杆时，围岩的变形不应超过锚杆长度的2%，即u≤2%L（u为围岩允许最大变形量）；采用全长胶结式锚杆时，围岩变形不应超过锚杆长度的5%，即u≤5%L。

3．根据围岩稳定状况确定。如围岩稳定，仅为防止围岩表面松动开裂，锚杆长度一般为1.5-2.5 m；如果围岩不稳定，需要用锚杆限制围岩变形，或起到有效的支护作用时，锚杆长度不宜小于2.5 m，最长可达隧道开挖宽度之半。

4．对于锚固有限松动块体，锚杆应穿过松动块体深入到稳定岩体内1-2 m，此时锚杆长度为：

其中：L—锚杆长度；h—锚杆穿过松动块体的长度；L2—锚杆外露部分长度，取0.1-0.15 m。

5 . 对于隧道拱部的系统锚杆，其锚固的作用是使围岩中形成承载拱圈，此时锚杆长度可按下式估算：

其中：B为隧道的跨度。

锚杆长度的理论计算是根据钢筋抗拉能力与砂浆粘结力相等的等强度原则，求出锚杆插入稳定岩体中的长度L1（L=1.40+0.184B即锚固深度）。等强度公式为：

故：

式中：[C]——砂浆与锚杆间的设计粘结力；

[σt]——锚杆钢材的抗拉强度；

 D——锚杆直径，一般用Φ16-22mm螺纹钢。

工程实践中，要求L1≥300mm。

锚杆间距的确定

如果采用等距离布置锚杆，每根锚杆所负担的岩体重量即为其所承受的荷载：

式中：i——锚杆间距（m）；

γ——岩体的容重(kN/m3)；

ha——围岩压力计算高度；

K——安全系数，通常取k=2-3。

锚杆受拉作用时，其所承受的荷载应小于锚杆的允许抗拉能力。

即：

因此，砂浆锚杆的间距按下式计算：

上式表明，锚杆的允许拉应力、间距和锚杆直径是互为函数的关系，确定其中任意两个量，即可求出另一个量。不过，为了使各锚杆作用力的影响范围能彼此相交，在围岩中形成一个完整的承载体系（承载拱），锚杆长度应为锚杆间距的两倍以上，即L≥2i。

锚杆支护一般可分为局部锚杆和系统锚杆两种布置形式。在硬质岩中，由于岩层倾斜或呈水平产状，拱顶部位容易产生受拉区，这种情况常用锚杆进行局部加固。这种锚杆的布置往往是不规则的，一般根据节理裂隙的产状，以加固或悬吊松动块体围岩为主要目的，锚杆的方向按实际需要进行布置。

系统锚杆的布置是沿隧道开挖周边纵横方向规则地布置，其目的是大范围加固深层围岩，使之形成承载结构，改善围岩的力学性能，增强其稳定性，充分发挥围岩自身的自承能力。系统锚杆多用于软岩或节理裂隙发育的破碎岩体。

系统锚杆布置方式有两种，即矩形和梅花形。工程实践表明，矩形布置在围岩中所产生的压缩带往往是不连续的。若要使其连续，必须加密锚杆，缩小间距，很不经济。而梅花形布置在围岩中能够形成连续性较好的压缩带，因此在实际工程中多以梅花形布置为主。

系统锚杆的密度应根据岩层性质、裂隙发育状况来确定。一般沿隧道断面周边布置，纵横间距视地质条件不同约为0.6-1.5 m，其密度约为0.6-3.6根/ m2。

我国铁路部门根据隧道围岩分级，以及隧道周边不同部位，并参照有关资料，将单、双线隧道系统锚杆的长度、间距及密度等参数列于下表，供工程实践参考。

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