浅谈地下通道工程锚固机理的研究现状

赵继华

摘 要：作为地下通道工程初期支护结构中重要的组成部分，锚杆支护不仅可以约束加固区岩体的变形，提高岩体的强度，还可以为洞室围岩提供托锚力，进而提高围岩的稳定性。但是，目前对锚杆支护理论的研究还不够成熟。简要叙述了地下通道工程锚固机理的研究现状，以期为日后的相关工作提供参考和借鉴。

关键词：地下通道工程；锚杆支护；围岩稳定性；岩体强度

中图分类号：U455 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.108

21世纪是地下通道工程发展的黄金时期，这不仅是国民经济发展的需要，还是响应国家西部大开发战略、开边通海战略的迫切需要。特别是在我国城市建设方面，地下通道工程取得了前所未有的大发展。

1963年，奥地利隧道工程师L.V.RabCewiCz突破传统的岩体支护理论提出了新奥法隧道施工方法（NEW Austrian Tunnelling Method，NATM）。新奥法的出现为隧道等地下施工建设开辟了一个崭新的局面。新奥法强调充分发挥围岩的自承能力，以锚杆和喷射混凝土为初期支护结构，允许围岩有一定的变形，通过监控围岩变形情况及时调整设计参数和施工方法。

1 锚杆锚固机理的研究现状

随着锚杆支护技术的应用和推广，国内外学者对锚杆锚固机理的研究不断深入，但是，仍然没有达成统一的认识。目前，对锚杆支护理论的研究主要从以下两方面入手：在微观方面，主要以锚杆为研究对象，研究锚杆与岩土体之间力的相互作用；在宏观方面，主要以加固体（岩土体）为研究对象，研究锚固体对岩体的加固效果。针对这两方面的研究对象，研究人员采取了不同的研究方法，即试验分析法、理论分析法和数值模拟分析法。

1.1 试验分析法

试验分析法与其他两种分析方法相比，能更真实、准确地反映锚杆与围岩的相互作用，而且这方面的研究成果也比较多。锚杆试验主要包括室内模拟试验和锚杆拉拔测试。其中，国外学者D.N.Jarred和C.M.Haberfield等人完成了注浆锚杆室内相似试验，研究了注浆锚杆的注浆长度、侧限刚度和水泥含量对锚固体力学性能的影响。试验结果表明，注浆锚杆的侧限刚度越大，锚杆体与注浆体之间的剪切强度越大。

1.2 理论分析法

随着岩土弹性、弹塑性和黏弹性理论的发展，许多研究人员也开始试着采用这些力学理论原理解释锚杆支护机理。其中，Gunnar Wijk运用弹性理论中的Mindlin解很好地解释了预应力锚杆的锚固机理；H.Stille、B.Inderarance和P.K.Kaiser等人运用弹塑性理论研究了锚杆锚固时的受力状态；Selvadura通过研究黏弹性介质中锚杆的锚固机理，建立了锚杆支护的力学模型。与此同时，国内学者也在积极讨论相关问题。尤春安从弹性理论出发，运用Mindlin问题的位移解推导出全长黏结式锚杆沿杆体所受的剪切力分布弹性解，并分析了锚杆的受力特征。

1.3 数值模拟分析法

数值模拟法是在解析法基础上发展起来的一种近似计算方法，具有快捷、直接、可重复计算等特点。目前，它已经逐渐成为人们研究锚杆支护的重要手段之一。数值模拟法主要包括有限元法、边界元法、离散元、有限差分法和显示差分元法等。在数值分析建模时，锚杆计算模型的建立一直困扰着人们，特别是锚杆与胶结材料的相互作用。在相关研究中，有些学者提出了在锚杆与胶结材料之间设置接触单元的构想。外国学者Aydan提出了大胆的构想，即锚杆单元由4个结点组成——2个与锚杆相连，剩余2个与胶结材料相连。但是，这种构想并没有考虑到锚杆与胶结材料之间的剪切作用。

2 结论与展望

锚杆支护作为现代工程施工支护结构的重要组成部分，在控制围岩变形方面发挥着很大的作用。在工程实践过程中，主要采用工程类比经验法。在实际锚杆支护设计中，普遍存在以下2个问题：①锚杆支护设计参数过大，造成不必要的资源浪费和经济浪费；②锚杆支护设计参数过小，达不到预期的支护效果，导致结构失去其安全性。鉴于此，应该不断优化分析地下通道工程初期支护的锚杆参数。

参考文献

[1]蒋树屏.我国公路隧道工程技术的现状及展望[J].公路交通技术，1999（2）：32-41.

〔编辑：白洁〕