浅谈公路隧道锚杆设计

侯豪斌

（山西交通科学研究院，山西 太原 030006）

中国在20世纪70年代引进并推广新奥法以来，新奥法早已被隧道设计、施工人员接受并广泛应用。1981年T.brown教授著文说：“在岩石隧道中（尤其是埋深大时）采用新奥法，允许围岩产生有限变形，以促进承载拱的形成，减少作用在衬砌上的荷载。”锚喷支护的延时、柔性的特点正好满足“允许围岩产生有限变形，以促进承载拱的形成”，使得锚喷支护与围岩能很好地形成整体，共同承载，将新奥法的应用推向极致。

在新奥法技术已经较成熟的今天，虽然公路隧道的建设已经能很好地体现其精髓，但还有部分细节需要认真研究，文章将重点针对现代公路隧道复合式衬砌方案中初期支护的锚杆进行探讨。

1 锚杆作用机理

锚杆是从内部补强围岩的技术手段，提高裂隙围岩的抗裂强度，改善围岩的物理力学指标，更可以将不连续的岩体联系在一起，充分发挥围岩的自承载能力，其作用机理可以从隧道周边岩体和被节理、裂隙或断层切割后的局部围岩两种情况来考虑：

1.1 锚杆在岩体中的作用机理

1.1.1 硬岩

围岩强度大，隧道周边围岩没有塑性变化，不需内压效果，同时，硬岩的力学强度是充分的，其稳定性通常是由裂隙等力学上的不连续面所控制，锚杆可以保持岩块和控制岩块移动，使围岩成为一体，并促进平衡拱的形成。

1.1.2 软岩

软岩中，隧道周边围岩发生塑性变化，锚杆提供内压阻止塑性变形范围的扩展，在此过程中以提供内压效应和形成平衡拱效应为主。

1.1.3 土砂围岩

在埋深小的土砂围岩中，喷射混凝土的效果是明显的，根据资料显示，拱顶附近的锚杆几乎不受拉力而只发生压力的情况时有发生。因此，土砂围岩下，锚杆以加强拱脚附近和防止掌子面的崩塌为主。

能够发挥锚杆效果的围岩需要具备适当的条件：锚杆和围岩间要有适当的锚固力；在不连续围岩中锚杆要横切不连续面布设；连续围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注浆等方法处理后才能设置锚杆。

1.2 锚杆在局部围岩中的作用机理

隧道开挖后围岩的节理、裂隙或断层切割情况是千变万化的，从加固这些软弱面或断层的目的出发，锚杆加固的作用机理主要有以下几种：

1.2.1 悬吊岩块

由于隧道围岩被节理、裂隙或断层切割，开挖爆破震动可能引起局部岩块失稳，采用锚杆将不稳定岩块悬，吊在稳定的岩体上，或将应力降低区内不稳定的围岩，悬吊在应力降低区以外的稳定岩体上。在侧壁则用锚杆阻止岩块滑动。

在一般围岩中采用以悬吊效果为目的的锚杆时，可采用HPB335，因发生的轴力不大，可采用直径小的锚杆，但在裂隙发育的围岩条件下，不能期待锚杆的悬吊效果时，考虑与辅助工法并用。锚杆应视裂隙或节理状况布设于隧道拱部。

1.2.2 产生内压和拱效果

软弱围岩开挖后，使洞内临空面变形较大，当坑道周边布设系统锚杆，向围岩施加径向锚杆施加的径向压力而形成承载拱后，便与喷射混凝土共同承受围岩的形变压力，可减少围岩的变形，提高围岩的整体稳定性。

系统锚杆布置应沿隧道周边均匀布置，呈梅花形布置。在隧道横断面内，锚杆方向宜与周边垂直。在层状围岩中，锚杆的方向宜与岩层面垂直。

一般围岩可采用HPB335，Φ22mm的锚杆，当围岩变形大于50mm时，可采用高强度或大直径的锚杆，或者减小锚杆间距。因高强度钢的延展性差，选择时要考虑位移值的大小，同时还要考虑施工难度和经济性。锚杆布设于隧道全断面或除仰拱以外的部分。

1.2.3 组合梁作用

在水平或倾角较小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合，形成类似组合梁结构，能增加层面间的抗剪强度和摩擦力，从而提高围岩的稳定性。一般可采用HPB335钢。

2 锚杆类型及适用性

锚杆支护设计应根据隧道的围岩条件、断面尺寸、作用部位、施工条件等合理选择锚杆的支护类型和参数。其类型一般有以下几种：

2.1 全长黏结型锚杆

包含有普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆、水泥药卷锚杆、中空注浆锚杆、自钻式注浆锚杆等。

一般是在锚孔内填充锚固材料插入锚杆锚固，或者是锚杆插入后压注锚固材料锚固的方法。因用锚固材料全长黏结，锚杆全长范围都能约束围岩。长黏结型锚杆在硬岩、中硬岩、软岩、土砂围岩中均可采用。

2.2 端头锚固型锚杆

机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆等。

机械锚固锚杆包含有楔缝式、胀壳式、倒楔式，适用于硬岩或中硬岩。黏结锚固锚杆包含树脂卷式、快硬水泥卷式，除应用于硬岩、中硬岩外，也可用于软岩。端头锚固型锚杆的作用主要取决于锚头的锚固强度，在锚头型式选定后，其锚固强度是随着围岩情况而变化的。因此，使用前应在现场进行锚杆的抗拔试验，以检验选定的锚头是否与围岩条件相适应。由于地下水或潮湿空气易使杆体和锚头发生锈蚀，因此，服务年限大于5年的端头锚固型锚杆应采取灌注水泥砂浆或其他防腐措施。

2.3 摩擦型锚杆

包含有缝管锚杆、楔管锚杆、水胀式锚杆。

摩擦型锚杆主要有全长摩擦型（缝管式）和局部摩擦型（楔管式）两种，其特点是安装后能立即提供支护抗力，有利于及时控制围岩变形，能对围岩施加三向预应力，使围岩处于压缩状态，在某些特定条件下，需要提高摩擦型锚杆的初锚固力时，可采用带端头锚楔的缝管式或楔管式锚杆，可使初始锚固力增加50kN以上。摩擦型锚杆适用于硬岩、中硬岩、软岩。

2.4 预应力锚杆

预应力锚杆是指预拉力大于200 kN，长度大于8m的岩石锚杆。它能主动对围岩提供大的支护抗力，有效地抑制围岩位移，提高软弱结构面和塌滑面的抗剪强度，按一定规律布置的预应力锚杆群使锚固范围内的岩体形成压应力区而有利于围岩的稳定。锚固段灌浆宜采用水泥浆或水泥砂浆等胶结材料，自由段长度不少于5m。硬岩采用拉力型锚杆，软岩宜采用压力分散型或拉力分散型锚杆。

永久支护的锚杆应为全长黏结型锚杆或预应力注浆锚杆，其他类型的锚杆作为永久支护时，锚孔内需注满水泥砂浆或树脂。

3 锚杆设计

在锚杆设计时，根据外业踏勘和地堪给出隧道围岩的岩质、坚硬程度、完整程度、地下水、埋深、隧道开挖宽度和断面形状等情况，首先确定设置锚杆的类型，然后根据计算并参考经验确定锚杆长度、直径和间距。

3.1 锚杆材料

全长黏结型锚杆宜采用HRB335，HRB400钢，杆体直径宜为16mm～32mm，采用水泥砂浆时保护层厚度不小于8mm，采用树脂时不小于4mm；端头锚固型锚杆宜采用HRB335钢筋，杆体直径16mm～32mm；摩擦型锚杆中缝管锚杆管体宜采用16锰或20锰硅钢，壁厚2.0mm～2.5mm；楔管锚杆管体可用HPB235钢，壁厚2.75mm～3.25mm；预应力锚杆宜采用钢绞线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋，当预应力值较小或长度小于20m时，也可采用HRB335或HRB400钢。

灌浆体宜选用水泥浆或水泥砂浆等胶结材料，锚杆露头均应设置垫板，垫板可采用HPB235钢，厚度不小于6mm，尺寸不宜小于150mm×150mm。

3.2 设计参数

锚杆属于点状支护的类型，须网状布设以发挥群锚作用。因此，锚杆布设参数（长度、间距）要符合群锚的工作原则。西南交通大学关宝树教授在《隧道工程施工要点集》一书中，定性地给出了锚杆布设参数与围岩的关系，见图1。目前锚杆设计参数还主要倚重经验，其计算公式多以经验为主。

图1 锚杆定性布设原则

3.2.1 系统锚杆

由于围岩中各处变形的不均匀性，隧道周边一定范围内的围岩中将产生类似于拱结构切向压紧的作用，即拱效应。系统锚杆能从内部补强围岩，增强其物理参数，充分利用围岩的拱效应。

锚杆应垂直隧道周边轮廓梅花形布设，当遇层状岩层时，尚应增设与主结构面成最大角度的锚杆；锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，Ⅳ、Ⅴ级围岩中的锚杆间距宜为0.5m～1.2m，并不得大于1.25m。

（1）日本铁道建设公团

一般围岩：D22mm，L＝2m～3m；

膨胀性围岩：D25mm，L＝3m～4m；

增设锚杆的场合要比标准锚杆长1.5倍。

（2）日本道路公团

锚杆长度：L＝W/3～W/5 或 L≥t；

式中：L：锚杆长度；

W：隧道开挖宽度；

t：掌子面到完成支护地段的距离。

设置间距：0.5 L～0.7 L。

（3）日本道路学会

硬岩：L≥2P，L≥3S，L≥（1/3～1/5）B

式中：L：锚杆长度；

P：锚杆间距；

S：节理平均间距；

B：隧道开挖宽度。

（4）山本试验公式（灌浆锚杆）

L≥（D+α）

R≥γ·L·D1·D2=W

式中：L：锚杆长度；

W：松弛荷载；

R：锚杆的锚固力；

D1：周向间隔；

D2：纵向间隔（D2>D1）；

α：确保锚杆锚固力的必要长度；

γ：围岩的单位容重。

（5）预应力锚杆

钢筋截面尺寸A＝kNt/fptk；

式中：A：预应力钢筋的截面积/mm2；

Nt：锚杆轴向拉力设计值/kN；

fptk：预应力筋抗拉强度标准值/N·mm2

K：安全系数（临时锚杆取1.6，永久锚杆取1.8）。

预应力锚杆采用黏结型锚固体时，锚固段长度可按下列公式计算并取大值。

La=kNt/（πDqr）

La=kNt/（nπdεqs）

式中：La：锚固段长度/mm；

Nt：锚杆轴向拉力设计值/kN；

K：安全系数（取 1.4～2.2）；

D：锚固体直径/mm；

d：单根钢筋或钢绞线直径/mm；

n：钢绞线或钢筋根数；

qr：水泥结石体与岩石孔壁间的黏结强度设计值（取0.8倍标准值）；

qs：水泥结石体与钢绞线或钢筋间的黏结强度设计值（取0.8倍标准值）；

ε：采用两根或以上钢绞线或钢筋时，介面黏结强度降低系数（取 0.60～0.85）。

3.2.2 局部锚杆

拱腰以上应向着有利于锚杆受拉的方向布设，拱腰以下及边墙宜逆着不稳定岩块滑动方向布设。

锚杆加固危石时，可按下式计算，当设置局部锚杆时也可参照下式：

锚杆截面积：

A s=KG/nfst

式中：K：安全系数；

G：锚杆承受危石重力；

A s：单根锚杆截面积；

n：锚杆根数；

fst：锚杆设计抗拉强度。锚杆长度：

L＝L锚+L支+L超

L：锚杆长度，L锚：锚杆锚固长度，L支：锚杆支护长度，L超：锚杆超出孔口长度。

其中L锚＝kP锚/πdτ黏。P锚：锚杆锚固力（规范规定不小于60 kN），k：安全系数，d：锚杆直径，τ黏：锚杆与砂浆的黏聚力。

3.2.3 锚杆加强

在锚杆受力较大的区段，锚杆多因下述两种原因失效。第一种是由于锚杆本身的强度不够被拉断；第二种是由于锚固力不足而被拉出（施工现场多为这一种），锚固力不足表现为锚杆与黏结材料间或黏结材料与围岩间的黏结力不足。可采用高强度锚杆或增大锚杆直径、增大钻孔直径、增加锚杆根数3种措施提高锚杆支护效果。

4 结束语

隧道设计、施工中需重视初期支护的作用，锚杆、喷射混凝土、钢筋网是常用的支护手段，当围岩稳定性差时还需结合钢拱架、超前小导管和预注浆一起承受来自围岩的变形压力，并加固围岩，充分发挥围岩的自承载能力，共同构成有效、经济的围岩－支护体系。根据施工监控量测及时进行初支、二衬支护，允许围岩－支护体系产生有限制的变形，充分协调地发挥两者的共同作用，尽量使围岩－支护体系全面、牢固接触、应力均匀分布，形成理想的D类接触（全断面牢固接触），以期能经济、安全、有效率地进行洞内作业。

虽然，随着中国隧道及地下工程的大量建设和新奥法技术的广泛应用，公路隧道的建设已经能很好地体现其精髓，但还有部分细节需要认真研究，文章重点针对公路隧道复合式衬砌方案中初期支护的锚杆进行探讨。从作用机理、锚杆类型、适用性和设计参数出发，较为详细地对锚杆的应用进行了阐述，希望能在隧道设计、施工中有一定的指导和借鉴作用。

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