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【摘要】本文主要围绕着钢带锚杆结合碳纤维的锚固方式展开分析，探讨了这种锚固方式的优点和使用方法，及其对延长隧道使用寿命的具体效用，以期可以提高隧道施工的质量。
【关键词】钢带+自进式锚杆锚固方式
中图分类号：U417文献标识码： A
一、前言
在隧道施工过程中，一个很重要的工作就是要尽量提高隧道的使用寿命，这就需要采取合理有效的方法来提高隧道的质量。钢带锚杆结合碳纤维的锚固方法是一种较为科学的方法，在隧道中使用具有很好的收效。
二、钢带、锚杆、锚索的支护作用机理
钢带主要作为顶板组合梁使用，因为裂隙发育的顶板在受到垂直于巷道顶板的剪切力时沿裂隙被剪切断开，利用钢带作为顶板组合梁的一部分能有效抵抗这种剪切力的作用。锚杆、锚索的主要作用机理是组合梁加固作用（即把几层岩层组合加固成为一个共同的承载体，共同承载巷道的压力，控制了巷道复合顶板因受应力作用而产生弯曲变形和离层破碎的发生）和悬吊作用（即利用锚索把巷道掘出后的松动圈与老顶连接起来，有效控制顶板底部岩层因受压而变形垮落）。
三、碳纤维布在隧道工程中的适应性
碳纤维具有良好的可塑性,能适用于曲面和不规则形状结构物;重量轻,基本不增加结构自重;轴向抗拉强度比普通碳素钢大十几倍;在修补混凝土结构时可充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构强度和构件承载力及延性,改善其受力性能,因而在桥梁、房屋建筑工程加固中得到了广泛应用。
对隧道工程而言,碳纤维加固技术的适应性值得探讨。为加固补强,素混凝土衬砌结构的隧道往往采用牺牲建筑界限的套衬方法,而采用碳纤维技术则变得很容易,碳纤维厚度极薄,加固修补后基本不增加原结构自重、不侵入建筑界限。碳纤维材料是柔性的,被加固结构的表面不是非常平整,也可达到99%的有效粘贴率;即使粘贴后发现表面局部有气泡,只要用注射器将树脂注入气泡中,就可以将空气排除,因而能有效保证隧道加固的质量。碳纤维布具有很强的防水性能,粘贴碳纤维布对隧道结构进行封闭,能达到良好的防水效果,因此在渗漏水隧道的治理中,采用碳纤维技术是十分理想的方法。
四、隧道初期支护系统锚杆中玻璃纤维锚杆的力学分析
1、小型水工隧道有限元建模
本水工隧道围岩为破碎的Õ级围岩,隧道跨径为5m,隧道埋深为30m,考虑到边界效应和建模要求,取了隧道跨径的12倍区域为计算分析区域,在计算区域内加上重力场。
模型的边界条件为:左右两边的水平向和底边垂向的位移均为零,具体计算参数如下:隧道埋深h=30m,土体的重度C=18.5kN/m3,泊松比L=0.4,根据侧压力系数K=L/(1-L),可得K=2/3;计算区域的范围为:60m×60m的正方形,隧道位于计算域的中心位置;总共2409个单元,1307个节点。有限元模型见图1。围岩单元的物理力学参数为:变形模量E=1120MPa,泊松比L=0.4,抗拉强度Rt=0MPa,粘结力C=0.1MPa,摩擦角U=30b,膨胀角H=0b,材料为理想弹塑性材料,破坏准则为摩尔)库仑准则。
锚杆为注浆全长粘结型锚杆,毛洞开挖后,为了便于分析对比,分别采用钢锚杆锚喷和玻璃纤维锚杆锚喷进行支护,并进行计算分析,锚杆长度为3m,布置间距为0.8m×1m。
钢锚杆物理力学参数为:5=22mm,E=210GPa,屈服荷载142kN,抗拉荷载F=205kN。
玻璃纤维锚杆物理力学参数为:5=22mm,E=40GPa,抗拉荷载F=189kN。
隧道喷射混凝土为C20混凝土,其物理力学参数为:E=21GPa,L=0.3,厚度h=24cm,抗压强度Rc=10MPa,其残余抗压强度R1c=10MPa,抗拉强度Rt=1.1MPa,残余抗拉强度R1t=0MPa。
2、计算结果分析
有限元平面问题分析考虑了开挖后,洞内周边围岩荷载释放率为30%,初期支护阶段荷载释放率为70%,从而模拟空间的围岩应力重分布状况。由图2可以看出:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护均能够有效地抑制隧道开挖后的围岩变形,且在两种支护方式下,隧道位移基本相当。图3说明:在上述隧道位移基本相同的情况下,钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。从图4中可以得出:隧道开挖后在两种不同方式的锚喷支护作用下,围岩的安全系数基本相同。图5可以表明:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护作用下均能够很好地控制隧道开挖后塑性区的范围,且隧道开挖后分别在两种支护作用下的塑性区范围基本一致。
不同工况下喷射混凝土的内力及锚杆最大轴力比较见表1。由图2~图5及表1的计算结果可以看出,隧道开挖后,在钢锚杆锚喷与GFRP锚杆锚喷两种不同形式的初期支护条件下,隧道的位移、塑性区范围、围岩的安全系数基本相当,而钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。计算结果表明,玻璃纤维锚杆锚喷和钢锚杆锚喷对隧道的支护效果相当,由于钢锚杆的弹性模量大于玻璃纤维锚杆,同等隧道变形条件下,钢锚杆受力较大而进入屈服阶段,隧道变形迅速增大;而GFRP锚杆则继续持续弹性阶段,能够有效地控制隧道的变形。
五、纤维增强塑料筋锚杆
近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家，开始用纤维增强塑料筋取代建筑钢筋，试图从根本上解决由钢筋腐蚀所引起的土木工程的耐久性问题。以英国为首的欧洲诸国于1996年成立了研究纤维增强塑料筋的联合攻关组织，同时设立了研究该材料的重大欧共体合作研究项目(简称EUROCRETE)，并投入了雄厚的人力、物力。该项目的目的是研制适宜的纤维增强塑料筋以及制定相应的纤维增强塑料筋用于土木工程的试验方法标准和设计施工规程。在北美，加拿大在1995年成立了专门研究纤维增强塑料筋的专家委员会(简称ISIS)。
纤维增强塑料筋锚杆是以纤维增强塑料筋为拉杆、以与纤维增强塑料筋受力特性相适应的粘结型传力锚具为锚头的一种新型锚杆，这种锚杆的拉杆以纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂(如交联单体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等)，经拉挤成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。它具有优良的抗腐蚀性能，耐久性好；抗拉强度高(等于甚至高于预应力钢筋)；自重轻，只有预应力钢筋的15%～20%；低松弛性，荷载损失较小；抗疲劳特性优良；对电磁场不敏感。由于岩土锚杆是一轴向受拉杆件，因此，纤维增强塑料筋作为拉杆，其高轴向抗拉强度可以得到较充分发挥，高抗腐蚀能力使锚杆更耐久，并且不需做防腐处理，也使其制造更为简单。放置纤维增强塑料筋锚杆只需较小的孔径就足够了，这就节省了制造和钻孔的费用，且运输、加工、安装变得更容易、更高效，特別在进出场地受到限制的工程中，象水坝和地基的施工，这种优势更加突出。纤维增强塑料筋的抗电磁特性可使其应用在一些特殊的场合，如电厂、电气化路轨等附近有散乱电流的地方。与钢筋相比，纤维增强塑料筋的弹性模量较低，这能使因徐变和锚固系统及地层的松弛引起的荷载损失降低。因此，用纤维增强塑料筋制作锚杆代替钢锚杆具有不需要防腐保护，结构简单，重量轻，易于制造、运输和安装，预应力损失小等优点。
六、结束语
综上所述，钢带+自进式锚杆锚固方式确实具有很好的加固效果，可以对隧道的结构起到很好的稳固效果。因此，在今后隧道的施工过程中，可以考虑采用钢带+自进式锚杆锚固方式来进行加固。
【参考文献】
[1]陈建勋,杨善胜,罗彦斌,王梦恕.软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究[J].岩土力学.2011(01)
[2]陈建勋,轩俊杰,乔雄.浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用的数值模拟[J].长安大学学报(自然科学版).2011(01)
[3]童建军,王明年,李培楠,王玉锁.公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究[J].岩土力学.2011(S1)
【关键词】钢带+自进式锚杆锚固方式
中图分类号：U417文献标识码： A
一、前言
在隧道施工过程中，一个很重要的工作就是要尽量提高隧道的使用寿命，这就需要采取合理有效的方法来提高隧道的质量。钢带锚杆结合碳纤维的锚固方法是一种较为科学的方法，在隧道中使用具有很好的收效。
二、钢带、锚杆、锚索的支护作用机理
钢带主要作为顶板组合梁使用，因为裂隙发育的顶板在受到垂直于巷道顶板的剪切力时沿裂隙被剪切断开，利用钢带作为顶板组合梁的一部分能有效抵抗这种剪切力的作用。锚杆、锚索的主要作用机理是组合梁加固作用（即把几层岩层组合加固成为一个共同的承载体，共同承载巷道的压力，控制了巷道复合顶板因受应力作用而产生弯曲变形和离层破碎的发生）和悬吊作用（即利用锚索把巷道掘出后的松动圈与老顶连接起来，有效控制顶板底部岩层因受压而变形垮落）。
三、碳纤维布在隧道工程中的适应性
碳纤维具有良好的可塑性,能适用于曲面和不规则形状结构物;重量轻,基本不增加结构自重;轴向抗拉强度比普通碳素钢大十几倍;在修补混凝土结构时可充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构强度和构件承载力及延性,改善其受力性能,因而在桥梁、房屋建筑工程加固中得到了广泛应用。
对隧道工程而言,碳纤维加固技术的适应性值得探讨。为加固补强,素混凝土衬砌结构的隧道往往采用牺牲建筑界限的套衬方法,而采用碳纤维技术则变得很容易,碳纤维厚度极薄,加固修补后基本不增加原结构自重、不侵入建筑界限。碳纤维材料是柔性的,被加固结构的表面不是非常平整,也可达到99%的有效粘贴率;即使粘贴后发现表面局部有气泡,只要用注射器将树脂注入气泡中,就可以将空气排除,因而能有效保证隧道加固的质量。碳纤维布具有很强的防水性能,粘贴碳纤维布对隧道结构进行封闭,能达到良好的防水效果,因此在渗漏水隧道的治理中,采用碳纤维技术是十分理想的方法。
四、隧道初期支护系统锚杆中玻璃纤维锚杆的力学分析
1、小型水工隧道有限元建模
本水工隧道围岩为破碎的Õ级围岩,隧道跨径为5m,隧道埋深为30m,考虑到边界效应和建模要求,取了隧道跨径的12倍区域为计算分析区域,在计算区域内加上重力场。
模型的边界条件为:左右两边的水平向和底边垂向的位移均为零,具体计算参数如下:隧道埋深h=30m,土体的重度C=18.5kN/m3,泊松比L=0.4,根据侧压力系数K=L/(1-L),可得K=2/3;计算区域的范围为:60m×60m的正方形,隧道位于计算域的中心位置;总共2409个单元,1307个节点。有限元模型见图1。围岩单元的物理力学参数为:变形模量E=1120MPa,泊松比L=0.4,抗拉强度Rt=0MPa,粘结力C=0.1MPa,摩擦角U=30b,膨胀角H=0b,材料为理想弹塑性材料,破坏准则为摩尔)库仑准则。
锚杆为注浆全长粘结型锚杆,毛洞开挖后,为了便于分析对比,分别采用钢锚杆锚喷和玻璃纤维锚杆锚喷进行支护,并进行计算分析,锚杆长度为3m,布置间距为0.8m×1m。
钢锚杆物理力学参数为:5=22mm,E=210GPa,屈服荷载142kN,抗拉荷载F=205kN。
玻璃纤维锚杆物理力学参数为:5=22mm,E=40GPa,抗拉荷载F=189kN。
隧道喷射混凝土为C20混凝土,其物理力学参数为:E=21GPa,L=0.3,厚度h=24cm,抗压强度Rc=10MPa,其残余抗压强度R1c=10MPa,抗拉强度Rt=1.1MPa,残余抗拉强度R1t=0MPa。
2、计算结果分析
有限元平面问题分析考虑了开挖后,洞内周边围岩荷载释放率为30%,初期支护阶段荷载释放率为70%,从而模拟空间的围岩应力重分布状况。由图2可以看出:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护均能够有效地抑制隧道开挖后的围岩变形,且在两种支护方式下,隧道位移基本相当。图3说明:在上述隧道位移基本相同的情况下,钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。从图4中可以得出:隧道开挖后在两种不同方式的锚喷支护作用下,围岩的安全系数基本相同。图5可以表明:GFRP锚杆锚喷支护和钢锚杆锚喷支护作用下均能够很好地控制隧道开挖后塑性区的范围,且隧道开挖后分别在两种支护作用下的塑性区范围基本一致。
不同工况下喷射混凝土的内力及锚杆最大轴力比较见表1。由图2~图5及表1的计算结果可以看出,隧道开挖后,在钢锚杆锚喷与GFRP锚杆锚喷两种不同形式的初期支护条件下,隧道的位移、塑性区范围、围岩的安全系数基本相当,而钢锚杆的最大轴力大约为GFRP锚杆的5倍。计算结果表明,玻璃纤维锚杆锚喷和钢锚杆锚喷对隧道的支护效果相当,由于钢锚杆的弹性模量大于玻璃纤维锚杆,同等隧道变形条件下,钢锚杆受力较大而进入屈服阶段,隧道变形迅速增大;而GFRP锚杆则继续持续弹性阶段,能够有效地控制隧道的变形。
五、纤维增强塑料筋锚杆
近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家，开始用纤维增强塑料筋取代建筑钢筋，试图从根本上解决由钢筋腐蚀所引起的土木工程的耐久性问题。以英国为首的欧洲诸国于1996年成立了研究纤维增强塑料筋的联合攻关组织，同时设立了研究该材料的重大欧共体合作研究项目(简称EUROCRETE)，并投入了雄厚的人力、物力。该项目的目的是研制适宜的纤维增强塑料筋以及制定相应的纤维增强塑料筋用于土木工程的试验方法标准和设计施工规程。在北美，加拿大在1995年成立了专门研究纤维增强塑料筋的专家委员会(简称ISIS)。
纤维增强塑料筋锚杆是以纤维增强塑料筋为拉杆、以与纤维增强塑料筋受力特性相适应的粘结型传力锚具为锚头的一种新型锚杆，这种锚杆的拉杆以纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂(如交联单体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等)，经拉挤成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。它具有优良的抗腐蚀性能，耐久性好；抗拉强度高(等于甚至高于预应力钢筋)；自重轻，只有预应力钢筋的15%～20%；低松弛性，荷载损失较小；抗疲劳特性优良；对电磁场不敏感。由于岩土锚杆是一轴向受拉杆件，因此，纤维增强塑料筋作为拉杆，其高轴向抗拉强度可以得到较充分发挥，高抗腐蚀能力使锚杆更耐久，并且不需做防腐处理，也使其制造更为简单。放置纤维增强塑料筋锚杆只需较小的孔径就足够了，这就节省了制造和钻孔的费用，且运输、加工、安装变得更容易、更高效，特別在进出场地受到限制的工程中，象水坝和地基的施工，这种优势更加突出。纤维增强塑料筋的抗电磁特性可使其应用在一些特殊的场合，如电厂、电气化路轨等附近有散乱电流的地方。与钢筋相比，纤维增强塑料筋的弹性模量较低，这能使因徐变和锚固系统及地层的松弛引起的荷载损失降低。因此，用纤维增强塑料筋制作锚杆代替钢锚杆具有不需要防腐保护，结构简单，重量轻，易于制造、运输和安装，预应力损失小等优点。
六、结束语
综上所述，钢带+自进式锚杆锚固方式确实具有很好的加固效果，可以对隧道的结构起到很好的稳固效果。因此，在今后隧道的施工过程中，可以考虑采用钢带+自进式锚杆锚固方式来进行加固。
【参考文献】
[1]陈建勋,杨善胜,罗彦斌,王梦恕.软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究[J].岩土力学.2011(01)
[2]陈建勋,轩俊杰,乔雄.浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用的数值模拟[J].长安大学学报(自然科学版).2011(01)
[3]童建军,王明年,李培楠,王玉锁.公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究[J].岩土力学.2011(S1)