隧道工程(5) 衬砌结构设计
土木工程中的隧道衬砌结构设计原理

土木工程中的隧道衬砌结构设计原理随着城市化进程的不断加快,隧道作为一种重要的交通基础设施,在现代城市交通系统中扮演着至关重要的角色。
而隧道衬砌结构的设计原理则成为土木工程中的一个重要课题。
本文将从材料选择与特性、结构设计和施工技术等方面,探讨土木工程中隧道衬砌结构设计的原理与实践。
首先,材料选择与特性是隧道衬砌结构设计的关键。
传统的隧道衬砌结构多采用混凝土作为主要材料,其具有较强的抗压能力和耐久性。
而近年来,随着工程技术的不断进步,新型的材料也被应用于隧道衬砌结构设计中。
例如,纤维增强材料在隧道衬砌结构中的应用,可以有效提高抗裂性能和抗震能力,避免裂缝的形成和扩展。
其次,结构设计是隧道衬砌设计的核心。
隧道衬砌结构设计时,需要考虑到多种因素,如隧道的地质条件、交通荷载、环境要求等。
在地质条件不稳定的情况下,可以采用灵活衬砌结构,以适应地质变形和地下水的压力。
而在特殊环境下,如高海拔地区或高湿度地区,可以采用防水设计,以保护隧道的结构和功能。
此外,还可以根据隧道的使用要求,采用不同的结构形式,如方形、圆形或椭圆形,以满足不同交通方式的需求。
最后,施工技术是隧道衬砌结构设计实施的关键。
隧道衬砌结构的施工工艺一般分为两种,即顶管法和旋转法。
顶管法是指在隧道地下挖掘过程中,采用大直径顶管进行衬砌施工。
这种方法适用于较小直径的隧道,施工周期较短,但其缺点是施工空间较为狭小,对设备要求较高。
旋转法是指在隧道挖掘过程中,采用旋转机械进行衬砌施工。
这种方法适用于大直径隧道,施工速度较快,但其缺点是成本较高。
总结而言,土木工程中隧道衬砌结构设计的原理与实践,需要考虑到材料选择与特性、结构设计和施工技术等多个因素。
只有在深入了解地质条件、遵循工程规范和采用先进技术的前提下,才能设计出稳定安全的隧道衬砌结构。
为了实现城市交通的便捷与安全,土木工程师们在隧道衬砌结构设计中不断探索创新,为现代交通基础设施的建设和发展做出了重要贡献。
盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)

课件类
5
4.1.1盾构法衬砌设计流程
(1)遵守相关规划、规范或标准 (2
设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。
地铁隧道 公路隧道; 给、排水管道计算流量; 普通管道
课件类
6
4.1.1盾构法衬砌设计流程
(3)荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷
载、超载及盾构千斤顶的推力等 (4)衬砌条件的确定
其中:
pg g
课件类
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不考虑自重对地基的反作用力:
pe2 pe1 pw1 pw2 pe1 D w
课件类
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4.2.2.5 地面超载
地面超载增加了作用于衬砌上的土压力, 道路交通荷载、铁路交通荷载、建筑物的重量
地面超载及其参考值如下: 公路车辆 铁路车辆 建筑物
课件类
设计者应该确定衬砌的条件,如衬砌的尺寸(厚
(5)计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
课件类
7
课件类
8
4.1.1盾构法衬砌设计流程
(6)安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
(7)评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计
衬砌安全但不经济,设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。
• 粘性, 硬质粘土(N≥0)良好地基,H>1~2D时多 采用松弛土压力
• 中等固结的粘土(4≤N<8)和软粘土(2≤N<4), 将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常见。
课件类
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(2)垂直土压力
• 松弛土压力的计算,一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同,但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时, 以地层构成中的支配地层为基础,将地层假设 为单一土层进行计算,或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
隧道设计衬砌计算范例(结构力学方法)

1.1工程概况川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约260km , 西至康定约97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。
二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。
1.2工程地质条件1.2.1 地形地貌二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。
隧道中部地势较高。
隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。
由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。
隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。
主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。
1.2.2 水文气象二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。
由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。
东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。
全年分早季和雨季。
夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中;冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
隧道工程的衬砌结构设计与施工

隧道工程的衬砌结构设计与施工隧道是现代交通建设中重要的基础设施之一,通过地下开挖形成的通道,通常用于道路、铁路和地铁等的交通运输方式。
而隧道的衬砌结构设计与施工是隧道工程的重要环节之一,它直接关系到隧道的使用寿命和安全性能。
一、衬砌结构设计隧道衬砌结构是指将隧道内部的固定土层覆盖以保持其形状和稳定性的一种结构。
它起到保护隧道免受岩石坠落、土方塌方以及地下水侵蚀等问题的影响。
隧道衬砌结构的设计需要根据具体的地质条件、交通要求和工程预算等因素进行综合考虑。
1. 衬砌材料选择隧道衬砌结构的材料选择是设计的重要一环。
常见的隧道衬砌材料有混凝土、预制混凝土块、钢质和纤维增强复合材料等。
不同的材料有着不同的优势和适应性,需要根据具体情况进行综合比较选择,同时还需要考虑到施工的可行性和经济性。
2. 结构形式设计隧道衬砌结构的形式设计是根据具体的隧道类型和地质条件等因素决定的。
常见的衬砌结构形式有方形衬砌、圆形衬砌以及不规则形状的衬砌等。
在设计中需要考虑到隧道的通行能力和安全性能,并进行合理的优化设计。
3. 衬砌厚度设计隧道衬砌结构的厚度设计是保证隧道稳定性和安全性能的关键因素。
根据地质条件和设计要求,需要确定适当的衬砌厚度来满足工程要求。
同时,还需要考虑到隧道的使用寿命和施工成本等因素。
二、衬砌施工隧道衬砌结构的施工是整个隧道工程的重要环节。
衬砌施工的质量直接影响隧道的使用寿命和安全性能,因此需要高度重视。
1. 施工材料准备在进行衬砌施工前,需要对施工材料进行准备。
包括混凝土、预制构件、钢材以及其他施工所需材料的准备和配送。
确保施工材料的质量和供应能够满足施工需求。
2. 衬砌施工方法隧道衬砌的施工方法有多种选择,常见的有预制块施工、浇筑施工等。
不同的施工方法有着不同的适应性和经济性,需要根据具体情况进行选择。
在施工过程中,要注意施工工艺的合理性和施工作业的安全性。
3. 质量控制隧道衬砌施工的质量控制是确保施工质量的关键因素之一。
隧道施工衬砌结构

围岩地质条件,但是若作为永久衬砌,一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
• 复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式,适用于多种围岩地质条
件, 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
• 由于曲线外轨超高,车辆向曲线内侧倾斜,
使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动 了一个距离(d内2)。
加宽值的计算
- 单线曲线隧道加宽值的计算
• 车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1
d内1=
车辆通过曲线时的横断面图
式中 l — 车辆转向架中心距,取18m; R — 曲线半径(m)
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-1A和隧限-1B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-2A和隧限-2B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
d内1=
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
• 车辆两端向曲线外侧的偏移d外
d外=
式中 L— 标准车辆长度,我国为26m。
d外=
• 外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2
d内2=
式中 H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度 E —— 曲线外轨超高值,其最大值不超过15㎝,且
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧道工程第5章-隧道支护结构计算课件.ppt

e
ue
a
e
(4
3
)
a
e
e
(14
15
)
e
2 2
4
14
3
1
4
2
10
当基础无扩展时,墙顶位移为:
0 cp
uc0p
M
0 cp
1
M c0pu1
H
0
cp
2
H c0pu2
eeuee00
墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为:
Mc Hc
c
M
0 cp
X1
X2
另一种是开挖后,洞室围岩产生塑性区,此时洞室都要 采用承载的支护结构,支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得,隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式:
u
பைடு நூலகம்
|r r0
r0 2G
(Hc
sin
C
cos)[(1
sin )
Hc C cot pa C cot
1sin
心某一距离的各点,其应力值是相同的,因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0,那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处),塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡,同时,交界面上的应力
既要满足弹性条件,又要满足塑性条件,可得到在r=R0处:
围岩弹塑性区
p r
p
替,便可得到变位积分的近似计算公式:
ik
S E
ip
S E
MiMk
M
I iM
p
I
11
S E
隧道工程衬砌施工工艺及技术要求

隧道工程衬砌施工工艺及技术要求隧道衬砌要遵循“仰拱超前、墙拱整体衬砌”的原则,初期支护完成后,为有效地控制其变形,仰拱尽量紧跟开挖面施工,仰拱填充采用栈桥平台以解决洞内运输问题,并进行全幅一次性施工。
仰拱施作完成后,利用多功能作业平台人工铺设防水板,绑扎钢筋后,采用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌,采用拱墙一次性整体灌注施工。
混凝土在洞外采用拌和站集中拌和,混凝土搅拌运输车运至洞内,混凝土输送泵泵送入模。
衬砌施工工艺流程见图1。
1 衬砌模板模板衬砌台车必须按照隧道内净空尺寸进行设计与制造,钢结构及钢模必须具有足够的强度、刚度和稳定性。
衬砌台车经施工单位会同监理单位验收合格后方可投入使用。
模板台车长度宜为9~12m,工点设计应根据沉降缝、预留洞室和预埋管线位置综合确定。
模板台车侧壁作业窗宜分层布置,层高不宜大于1.5m,每层宜设置4~5个窗口,其净空不宜小于45cm×45cm。
拱顶部位应预留2~4个注浆孔。
模板安装必须稳固牢靠,接缝严密,不得漏浆。
模板台车的走行轨Ⅰ、Ⅱ级围岩段,宜设在底板垫层(10cm厚的C25钢筋混凝土)面上,Ⅲ~Ⅳ级围岩段,宜铺设在填充混凝土面上。
模板表面要光滑,与混凝土的接触面必须清理干净并涂刷隔离剂。
模板的安装允许偏差和检验方法见表1。
图1 衬砌施工工艺流程图表1 模板安装允许偏差和检验方法序号 项 目允许偏差(mm )检验方法 1 边墙角 ±15 尺量 2 起拱线 ±10 尺量 3 拱顶 +10、0 水准测量 4 模板表面平整度 5 2m 靠尺和塞尺5相邻浇筑段表面高低差±10尺量2 衬砌钢筋钢筋加工弯制前应调直,并将表面油渍、水泥浆和浮皮铁锈等均监控量测确定施作二衬时间 施工准备台车移位台车定位施作止水带隐蔽检查灌筑混凝土台车脱模退出养 护1.敷设防水板及盲沟2.中线水平放样3.铺设衬砌台车轨道1.水平定位立模2.拱部中心线定位3.边墙模板净空定位 1.清理基底2.装设钢制挡头模板3.装设止水条 1.自检2.监理工程师隐检洞外混凝土拌合混凝土运输混凝土泵送捣 固涂刷脱模剂应清除干净;加工后的钢筋表面不应有削弱钢筋截面的伤痕;利用冷拉方法矫直伸长率:Ⅰ级钢筋不得超过2%,Ⅱ级钢筋不得超过1%。
盾构隧道衬砌结构及计算

2021年3月第9章盾构隧道衬砌结构1.基本概念1.1隧道衬砌隧道衬砌,英文为Tunnel Lining 。
盾构隧道的衬砌一般为预制管片,预制管片英文为Segment 。
1.2衬砌结构分类(1)按施工方法分类衬砌分为:预制管片、二次浇筑衬砌即拼装管片的内部,做了现浇的二次衬砌、压注混凝土衬砌(ECL 工法)。
是否需要内部做二次衬砌,取决于隧道的用途及结构计算,例如南水北调工程穿越黄河的盾构隧洞及珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞,就做了内部二衬。
(2)按材料分类,管片可分为:钢筋混凝土管片(RC )(如图9.1所示)、铸铁管片、钢管片、钢纤维混凝土管片、合成材料。
图9.1盾构管片试拼装(佛山地铁)(错缝拼装,5+1块)1.3管片外形与尺寸管片外形可分为四边形的,六角蜂窝形的。
四边形的,例如:深圳地铁快线长隧道,例如11号线、14号线等。
管片外径6700mm ,内径6000mm ,厚度350mm ,宽度1.5m ,纵向螺栓16个,管片分度22.5°,采用左右转弯环+标准环的形式。
管片统一采用1+2+3形式(即:1块封顶块(F ),2块邻接块(L1)、(L2)、3块标准块(B1)、(B2)、(B3))。
止水条采用三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶条,如图9.2所示。
K 块图9.2用于深圳地铁的Փ6700盾构管片(14号线,2020年)日本的一个六角形管片的案例,并采用插销式接头的案例:隧道直径为Ф6600mm,单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片,环宽1600mm,厚320mm,管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。
部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。
如图9.3、图9.4所示。
图9.3日本的六角蜂窝状管片示意图图9.4在盾构隧道中待拼装的六角形管片(傅德明2012)中国在引水隧道中也用过六角形管片(山西万家寨引水工程)。
1.4管环类型:为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要,应设计楔形衬砌环。
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初期支护设计
间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范,按 其围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷 支护类型与参数。
初期支护设计
(二)锚喷支护的类型及参数表 锚喷支护参数应当是广义的、既包括支护类型、支
护参数,又应包括开挖方法,仰拱施作时间和最终支护 时间等。
不过我国目前的锚喷支护规范还没有达到这一水 平,只是规定了最终支护的施作时间。而在锚喷支护参 数表中只给出了锚喷支护类型与参数。
③ 摩擦型锚杆有:缝管锚杆、楔管锚杆、水胀 锚杆等。
④ 预应力锚杆。
锚杆类型 ① 全长粘结型
全长粘结型
② 端头锚固型
端头锚固型
③ 摩擦型 ④ 预应力型
涨壳式锚杆
南非贝尔公司 涨壳锚杆
法国生产的 涨壳锚杆
机械固定与胶结料固定相结合的锚杆
涨壳式中空灌浆锚杆
美国威廉姆斯(williams)生产的涨壳式锚杆结构
防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙 烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材,或用 喷涂乳化沥青等防水剂
复合式衬砌最适宜在Ⅱ~Ⅵ级围岩中使用,是我国 公路、铁路部门推荐采用的衬砌结构形式 遇到下列情况时,应慎重对待。必要时应辅以相应 的加固措施。 •- 拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时; •- 有明显偏压力时; •- 在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时; •- 在大膨胀性的地层中时; •- 在大涌水的地层中时; •- 在严重冻害的地区中时。
5 衬砌结构设计(新奥法)
5.1 建筑材料 5.2 结构参数经验法选取 5.3 结构参数理论计算校核
5.1常用建筑材料
❖ 混凝土C50,C40,C30,C25,C20,C15、C10 ❖ 石材MU100, MU80, MU6O, MU50, MU40 ❖ 水泥砂浆M25,M20,M15,M10,M7.5,M5 ❖ 喷射混凝土C30,C25,C20 ❖ 混凝土砌块MU30 , MU20 ❖ 钢筋HPB235 , HRB335 , HRB400 ❖ 锚杆的杆体直径宜为20一32mm,杆体材料宜
初期支护设计
初期支护一般指锚杆喷射混凝土支护,必要时配合 使用钢筋网和钢拱架。
目前,国内一些锚喷支护设计规范都明确规定, 锚喷支护设计应采用工程类比法为主,必要时辅以监控 量测法和理论验算法。
初期支护设计
工程类比设计法常有直接对比法和间接类比法两种。 直接对比法一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、 地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程 的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求 等方面因素,将设计的工程与上述条件基本相同的已建 工程进行对比,由此确定锚喷支护的类型与参数
❖ 永久支护的锚杆应为全长粘结型锚杆或预应 力注浆锚杆。其它类型的锚杆不能作为永久 支护,当需作永久支护时,锚孔内必须注满 砂浆或树脂。
❖ 自稳时间短的围岩,宜采用全粘结树脂锚杆 或早强水泥砂浆锚杆。
在III,IV,V,VI级围岩条件下,锚杆应按系统锚 杆设计,并符合下列规定:
❖ 锚杆一般应沿隧道周边径向布置,当结构面 或岩层层面明显时,锚杆应与岩体主结构面 或岩层层面呈大角度布置。
❖ 钢架支护间距宜为0.5一1.5m
一、喷锚衬砌
公路隧道设计规范
铁路隧道设计规范
二、复合式衬砌
复合式衬砌
外衬(亦称初次衬砌)— 使用能达到早强的喷射混凝 土和锚杆,使柔性的外衬既能容许围岩有所变形, 而又约束它不让它变形发展太大太快
内衬(亦称二次衬砌)— 内衬可以用喷射混凝土层柔 性结构,也可以用较厚的模筑混凝土
形很小,且很快趋于稳定,故二次衬砌不承受围岩压力,
其主要作用是防水、利于通风和修饰面层;
用速凝(黑色)和缓凝(带点色)树脂固定的岩石锚杆
(a)树脂固定的张拉锚杆 (b)全长用速凝和缓凝树脂 的张拉锚杆 (c)全长用树脂锚固的非张 拉锚杆
缝管锚杆外形
水胀式锚杆(swellex bolt)
机械整形
Φ41mm Φ28mm
水胀式锚杆
普通中空注浆锚杆
适用于各类隧道与洞室工程,特别是隧道与洞 室的顶部。
初期支护设计
(二)锚喷支护的类型及参数表 确定锚喷支护类型与参数时,应当体现如下原则:
(1)根据不同的围岩压力的特点,对拱墙采用相应的支 护参数。 (2)力求体现使用锚喷支护类型的灵活性及允许进行局 部加固围岩的特点。对不同的岩体和围岩的不同部位采 用不同的支护类型与参数。
初期支护设计
(二)锚喷支护的类型及参数表 确定锚喷支护类型与参数时,应当体现如下原则:
(3)锚喷支护参数表中给出的锚喷支护参数是根据工程 类比确定的。但确定最终支护参数有的还要借助于监控 设计与理论设计。 (4)锚喷支护表中的锚喷参数,一般是根据本部门以往 修建工程的设计参数,经统计和分析研究后确定的。
二次衬砌设计
(一)二次衬砌的主要作用 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异: 1)对于I级稳定硬质围岩,因围岩和初期支护的变
❖ 锚杆应按矩形排列或梅花形排列。
❖ 锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时,可采 用长短锚杆交错布置。
❖ 两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2 m,三 车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m
一、喷锚衬砌
❖E 钢架
❖ 在围岩条件较差地段或地面沉降有严格限制 时,应在初期支护内增设钢架。
❖ 常用的钢架有:钢筋格栅钢架HRB335钢、HRB400钢;垫板材料宜 采用HPB235钢
公路隧道
公路隧道
5.2 衬砌结构参数经验法选取
衬砌结构分为:
❖ 喷锚衬砌(仅由锚杆和喷射混凝土等构成) ❖ 整体式衬砌(仅模筑钢筋混凝土等构成) ❖ 复合式衬砌(由锚杆和喷射混凝土、模筑钢
筋混凝土构成)
一、喷锚衬砌
A 喷射混凝土:厚度不应小于50mm,不
宜大于300mm
B 钢筋网:网格应按矩形布置,钢筋间距
宜为150一300mm
C 纤维:钢纤维;合成纤维
一、喷锚衬砌
❖D 锚杆:
① 全长粘结型锚杆有:普通水泥砂浆锚杆、早 强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、 中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。
② 端头锚固型锚杆有:机械锚固锚杆、树脂锚 固锚杆、快硬水泥卷端头锚杆等。