软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理与力学特性研究

During the soft surrounding rock tunnel excavation, due to the insufficient of surrounding rock bearing capacity and rigidity, the arch appears sinking, followed by relaxation area expansion, the surrounding rock deformation and a significant reduction in stability are caused, which is a direct threat to construction safety. Feet-lock bolt (pipe) is the effective measure to control the arch settlement. The applicant intend to take the highway tunnels as the background, revealing the supporting mechanism of feet-lock bolt (pipe) in soft ground, establishing the mechanics calculation of feet-lock bolt (pipe), and proposing the supporting design methods and parameters of feet-lock bolt (pipe) in soft ground. The research methods intended to equal the emphasis on experimental and theoretical, using the tunnels 3D geomechanical model test platform, through the laboratory model experiments of the feet-lock bolt (pipe) on different diameter, angles and length, to analyze the force deformation behavior of the feet-lock bolt (pipe) and explore its mechanical mechanism; By field testing the mechanics state of the feet-lock bolt (pipe) on different diameter, angles and length, clearing the reasonable supporting and designing parameters; According to the force of the feet-lock bolt (pipe) and surrounding rock deformation test results, establishing the supporting mechanical and analysing model; revealing the law which is the supporting parameters controlling the settlement of the arch and the change of mechanical properties, to fill the theory research gap in this field. The research can lay the foundation for the theoretical study in the soft ground tunnel support.

软弱地层隧道开挖过程中，常因围岩承载力和刚性不足，导致拱部出现沉降，随之松弛区扩大，引起周边围岩变形过大，稳定性显著降低，直接威胁施工安全。锁脚锚杆（管）是控制拱部沉降的有效措施。本项申请拟以公路隧道为背景，揭示软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理，创建软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）力学计算方法，提出软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护设计方法和参数。研究方法拟以理论与试验并重，利用隧道三维地质力学模型试验平台，对打设不同直径、角度和长度锁脚锚杆（管）的隧道进行室内模型试验，分析锁脚锚杆（管）受力变形行为，探索其支护机理；开展不同直径、角度和长度锁脚锚杆（管）力学状态现场测试，明确其合理的支护设计参数；依据锁脚锚杆（管）受力和围岩变形测试结果，建立其支护力学分析模型，揭示其支护参数控制拱部沉降的规律及其力学特性变化，以期填补在这一领域理论研究的空白。研究成果可为软弱围岩隧道支护技术研究奠定理论基础。

软弱围岩隧道在修建过程中，常因围岩承载力不足，导致拱部出现沉降，并引起周边围岩变形，直接威胁施工安全。锁脚锚杆（管）作为隧道施工中控制变形沉降的最有效支护手段之一，其支护机理和力学特性的研究直接关系到隧道结构的稳定性。本项目以公路隧道为背景，首先对锁脚锚杆（管）在支承钢架、自身加固围岩、超前支护和注浆加固围岩四个方面的作用机理进行了分析和总结，然后通过理论与试验相结合的方法，创建了锁脚锚杆（管）力学计算模型，设计研发了锁脚锚管受力特性测试方法和装置，对锁脚锚管的力学特性进行了现场模拟试验和现场实测，并根据测试结果，确定了其合理支护设计参数。主要研究内容如下：. 建立了锁脚锚杆（管）横向分析的Winkler弹性地基梁计算模型以及轴向分析的荷载传递计算模型。在此基础上考虑其端头弯矩传递的影响，建立了锁脚锚杆（管）—钢架联合承载模型。将计算结果与现场实测值对比分析，研究了锁脚锚杆（管）受力和变形特性，并对其合理打设角度进行了研究。当上台阶拱部矢跨比≥0.3时，建议取 30°为宜；在矢跨比≥0.5的拱脚和墙脚，建议以≥45°打设；最终给出了不同级别围岩锁脚锚杆（管）支护设计参数建议值。. 利用研发的锁脚锚管端头竖向加载装置和电阻应变片测试法，在黄土隧道洞口边坡上对不同角度打设的锁脚锚管的管身应变和端头位移进行了测试。试验结果表明，锁脚锚管应变主要分布在其端部1.5m范围内；在相同荷载作用下，锁脚锚管端头竖向位移随打设角度增大而减小。故建议Ⅳ、Ⅴ级黄土隧道锁脚锚管合理打设长度取2.5m，并以大角度打设。. 将研发的光纤光栅测力锚管分别以15°和30°打设到软岩隧道拱脚，对锚管管身应变和端头位移进行现场测试，表明采用光纤光栅测力锚管的可行性。在测试初期，锁脚锚管主要受钢架的压弯作用，随着钢架沉降不断增大，压弯作用不断减弱，并最终由压弯作用转变为钢架的拉拔作用；从测试情况看，30°优于15°打设角度，故建议应以大角度（≥30°）打设；各测点应变沿锚管长度方向具有先增大后减小的趋势，最大应变位于距锚管端口1.15m处；锁脚锚管尾端应变在测试后期仍有增大趋势，说明2.5m长的锁脚锚管无法满足该隧道支护需要。建议Ⅵ级超软岩（大变形）围岩中锁脚锚管合理打设长度应在4m以上。