《交通運輸科學技術新成果推廣目錄》（２０２1）第二部分隧道工程篇《公路隧道泥質(zhì)巖系統(tǒng)錨桿作用效果及應用研究》

完成單位：中交一公局集團有限公司、中交一公局土木工程建筑研究院有限公司、中交公路規(guī)劃設計院有限公司、中交一公局第三工程有限公司；

主要完成人：施正寶、李獻民、巴特爾、陳保祥、魏國濤、古培峰、董志明、楊昭慶、劉龍濤、賈錚。

項目簡介

（一）項目背景

　　隨著近些年對系統(tǒng)錨桿作用機理的研究及現(xiàn)場施工實踐的驗證，部分學者提出軟弱地層系統(tǒng)錨桿作用效果并沒有達到實際預期的支護效果，反而增加了施工難度，造成了一定的經(jīng)濟浪費，另外在軟巖隧道內(nèi)，系統(tǒng)錨桿的施作會進一步對圍巖產(chǎn)生擾動，且在初支尚未成型之前，錨桿施作工序耗時較長，也不利于圍巖的穩(wěn)定。因此，針對不同巖性地層情況的Ⅳ、Ⅴ級圍巖系統(tǒng)錨桿的支護原理及效果，乃至整個支護型式的設計優(yōu)化調(diào)整仍有待分析與驗證。

（二）技術概況

　　本項目依托貴州沿印松高速公路的李家寨隧道和涼風坳隧道試驗段工程項目，對泥質(zhì)巖中系統(tǒng)錨桿作用效果進行研究。在充分借鑒已有研究的基礎上，采用文獻調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等手段，重點對以下內(nèi)容進行了研究：

　?。?）泥質(zhì)巖系統(tǒng)錨桿支護效果調(diào)研，首先通過理論分析、工程經(jīng)驗和現(xiàn)有研究成果調(diào)研，研究分析軟弱泥質(zhì)巖條件下系統(tǒng)錨桿的支護效果以及影響因素。

　?。?）通過數(shù)值模擬的技術手段，結合依托工程李家寨隧道和涼風坳隧道地質(zhì)圍巖條件，研究Ⅳ級圍巖條件下系統(tǒng)錨桿支護效果的影響程度，分析系統(tǒng)錨桿的有無是否能夠保證圍巖及支護結構穩(wěn)定，對控制圍巖變形起到關鍵作用。

　?。?）泥質(zhì)巖取消系統(tǒng)錨桿可行性分析，通過數(shù)值模擬、試驗段監(jiān)測的技術手段，對比研究有、無系統(tǒng)錨桿支護情況下，圍巖與支護結構的受力變形特性及支護型鋼的受力特點，分析Ⅳ級泥質(zhì)巖取消系統(tǒng)錨桿的可能性。

　　（4）分析取消系統(tǒng)錨桿后對施工效率及經(jīng)濟效益的提升，以及對整個工程的經(jīng)濟效益。

（三）適用范圍

　　該項目研究成果主要應用于公路隧道泥質(zhì)巖及類似地層初期支護結構設計優(yōu)化和動態(tài)施工的關鍵技術領域。

（四）獲獎情況

　　該項目研究過程中發(fā)表3篇論文：《軟質(zhì)圍巖隧道系統(tǒng)錨桿作用效果試驗研究》、《泥質(zhì)軟巖公路隧道系統(tǒng)錨桿支護作用試驗研究》、《貴州李家寨隧道系統(tǒng)錨桿作用效果試驗研究》；申報工法《泥質(zhì)巖隧道IV級圍巖無系統(tǒng)錨桿施工工法》獲得評定證書（黔建技科評字[2021]第184號），并評定為2020-2021年度貴州省級工法；完成查新1項；申請了6個實用新型專利和3個發(fā)明專利；獲中國交通運輸協(xié)會2021年“科技進步獎二等獎”。

項目創(chuàng)新點

1.提出不同圍巖級別軟巖隧道支護結構優(yōu)化設計方案；

2.研究提出無系統(tǒng)錨桿下軟弱圍巖隧道施工工藝及技術要點；

3.提出取消或優(yōu)化系統(tǒng)錨桿后軟弱圍巖隧道支護結構全過程質(zhì)量控制技術及標準。

應用案例

　　在李家寨隧道和涼風坳隧道工程圍巖系統(tǒng)錨桿是否取消的可行性進行分析得出：

　　（1）系統(tǒng)錨桿對圍巖變形、支護結構受力及圍巖塑性區(qū)發(fā)展均有一定的控制效果，但支護效果不明顯；取消系統(tǒng)錨桿可實現(xiàn)噴射混凝土在最佳時間支護，在考慮時間效應下，取消系統(tǒng)錨桿，圍巖的變形、圍巖的塑性區(qū)發(fā)展均能得到有效控制。

　?。?）兩試驗段圍巖壓力發(fā)展趨勢基本一致，壓力大小差異不大。有、無系統(tǒng)錨桿試驗段的型鋼應力明顯具有不均勻性。無論是否施作系統(tǒng)錨桿，鋼架內(nèi)外應力值都不大，小于型鋼自身的抗拉、抗壓強度，安全滿足要求。

　?。?）實測系統(tǒng)錨桿的應力值很小，遠遠小于錨桿的設計抗拔力，甚至很多錨桿處于受壓狀態(tài)，錨桿并沒有發(fā)揮其真正的作用。

　?。?）綜合考慮系統(tǒng)錨桿支護效果以及工程造價的因素，試驗研究結果表明：在李家寨隧道和涼風坳隧道工程IV級圍巖取消系統(tǒng)錨桿，足以保證隧道結構的穩(wěn)定性，技術上是安全可行的。

社會效益與經(jīng)濟效益

　　該研究成果的推廣應用，取消或優(yōu)化系統(tǒng)錨桿將極大程度的降低隧道工程造價，加快施工進度，有利于高效、低耗的隧道建設，本項目在立項時預期的“節(jié)省隧道施工成本5～10%”、“提高隧道施工工效10～15%”、和“隧道施工節(jié)能減排效果顯著”三大目標均完全實現(xiàn)。其實踐價值和意義如下：

　　（1）解決隧道支護結構設計、施工工藝技術難點，具有重要示范工程意義；

　?。?）提出隧道支護結構設計和施工的新理念和新方法，為相關行業(yè)規(guī)范修訂提供參考；

　?。?）提高施工工效、節(jié)省投入成本、加快施工進度，經(jīng)濟效益顯著；

　?。?）研究成果的推廣應用，保障隧道施工質(zhì)量和安全，減少隧道支護結構施工運營期缺陷和病害，可大大降低建設投入成本和維護費用，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。