锚杆支护技术的应用现状与发展前景

锚杆支护技术的应用现状与发展前景

于富才1）杨宏2）冉启发3）

摘要：针对我国锚杆支护的现状做了初步分析。运用支护设计中常用理论及方法，对其中的优缺点进行了分析和评价，同时对实际支护工程中的某些不足进行了具体讨论，并对未来的发展趋势进行了初步分析。

关键词锚杆支护；应用现状；发展趋势

锚杆支护作为岩土工程加固的一种重要形式，由于其具有安全、高效、低成本等优点，在国际岩土工程领域得到了越来越多的应用．1872年，英国北威尔士的煤矿加固工程中首次采用钢筋加固页岩之后，1905年美国矿山中也出现了类似的加固工程．到了20世纪40年代，锚杆支护在地下工程中的应用在国外得到了迅猛发展．目前，在澳大利亚和美国的地下工程支护中，锚杆支护已经占到了将近100％．我国的锚杆加固技术于20世纪50年代开始起步，在最近20年得到了快速发展，目前已经得到了广泛的应用．据估计，在1993年至1999年间，我国仅在边坡工程和深基坑工程中的锚杆年用量就达到了3000-3500KM．目前，我国正在进行大规模的基础设施与各类矿山及隧道工程建设，锚杆支护得到了普遍应用［１－１１］．

1.锚杆支护的现状

锚杆加固技术在工程中的应用十分广泛．目前，它已经在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程、重力坝加固工程、桥梁工程以及抗倾覆、抗震工程的地层锚固应用中得到了发展．近年，我国正在进行的高速铁路、跨海大桥、海底隧道、地铁等在内的大规模基础设施建设中所遇到地基处理、边坡加固、地下空间结构加固、水下空间结构坚固等各方面的问题中，将锚杆加固方式得到了很大的扩展．

1.1 锚杆支护理论

岩土体在工程开挖之后，其初始的应力平衡状态会遭到破坏，为了达到新的平衡状态，应力场将重新分布，从而导致岩土体在一定范围内出现弹塑性变形、地层膨胀变形，使岩土体出现碎裂带；若地层开始处于高应力状态，还可能发生岩爆，严重的影响工程质量，威胁施工人员的安全．锚杆加固技术是一种柔性加固技术，它能充分利用岩土体自身的承载力保持岩体的稳定，使加固体不被破坏．它本质就是通过锚固加强岩土体的整体性，控制开挖后岩土体的变形，避免应力的突然释放，从而保证工程顺利、安全地进行．

1）目前，已经广为接受的锚杆支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论和组合拱（压缩拱）理论．①悬吊理论认为锚杆的作用是将松散、软弱的岩土体悬吊在坚硬、稳定的岩土体上，从而起到加固作用．②组合梁理论将锚杆看做螺栓，将各薄层岩土体看作是叠合在一起的梁结构，通过锚杆的锚固将其紧固成一个组合梁，且锚固力越大，梁之间的摩擦力越大，岩土体也就越稳定．③组合拱理论是在光弹试验的基础上提出的，试验证实了锚杆对地层的挤压加固作用．锚杆进入岩土体后，会使岩土体出现以锚杆两头为顶点的塑性压缩区，若有一排锚杆适当排列，则会形成一定厚度的连续压缩带，从而起到加固岩土体的作用．

1.2 锚杆类型、选择及作用机理

从锚杆的初次使用到现在，锚杆作为一种支护方式已经发展出了多种型．按

锚杆与被支护岩土体的锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式3类．另外锚杆也可按照锚固段位置与长度、锚杆作用特点、锚杆工作特点及锚杆材料划分为各种不同类型．各种新型的锚杆如：树脂锚杆、缝管锚杆、可伸缩式锚杆、可抽芯式锚杆、预应力锚杆等已经在工程中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果．由于施工条件越来越复杂，工程标准越来越苛刻，锚杆逐渐向高强度、超高强度的方向发展．例如，澳大利亚于1989年在Warragamba重力坝加固工程中所采用的由65根直径15.2mm的钢绞线组成的锚杆［２］，最大承载力均达16500KN，很好地满足了工程要求．锚杆强度的提高，主要应从创新锚杆材料及锚杆布置方式等方面入手．工程应用中应综合考虑不同类型锚杆的工作特征、传力机制、材料性质和地层的状态、锚杆工作条件及年限等因素，合理、经济的选用不同类型的锚杆．已有的锚杆作用机理研究［１］表明：锚杆加固改变了围岩的受力状况，增大了围压，使锚固体更加紧固地结合在一起，从而改善了它的力学性能．同时，在破坏过程中，锚杆的约束作用和抗剪作用能控制围岩破碎区、塑性区的发展，增强锚固体的稳定性．锚杆加固的作用主要是提高围岩产生塑性破坏后的残余强度及承载力．不同类型的锚杆的基本的作用机理是一致的，但也有一些不同之处．非预应力锚杆在岩土体产生变形之后开始起作用，而预应力锚杆则在岩土体变形前就预先施加了一个力；单孔复合锚固能克服单孔单一锚固严重的应力集中问题，能将集中应力分散为较小而均匀的力；摩擦型锚杆对围岩施加的预应力是三向预应力，使围岩处于三维压缩状态．最终，各种类型的锚杆最终都是依靠围压及自身的约束作用去加固岩土体以达到工程目的．

1.3 锚杆支护的防腐

传统上，锚杆杆体主要由钢、铸铁、竹、木等材料制成，现今应用最多的是杆体由钢筋、钢管或钢绞线制成的锚杆．由于钢制锚杆在地层中极易受到腐蚀，且试验研究结果显示［１５］，锚杆在受腐蚀以后，其延伸率的损失要远大于极限承载力的损失，这就使得锚杆在发生破坏之前难以测得明显的变形，极易发生突发性的事故，因此，对锚杆防腐研究是极为重要的．为了取得良好的防腐效果，应确保锚杆的防腐期不小于锚杆的设计使用年限，确保锚杆施工的标准化和高质量并防止锚杆本身制作及运输过程中的损坏．目前，锚杆的防腐主要采用外套注满填充料的护管或护套的方法．例如，根据锚杆防护等级的要求，暴露在空气中的锚头部分可外套过度管或锚具罩进行保护；对于存在高应力区的

自由张拉段，应采用注入水泥浆的光滑塑料管或注入油脂的护套进行保护；而锚固段则应外套注入水泥浆的波形管或采用注浆措施进行处理［１，１６］．

1.4 锚杆支护的施工机具

完善的锚杆施工配套机具是锚杆施工的高效性的前提条件，也是锚杆支护技术得到快速发展的重要原因．工程中应用较多的是奥钢联合乔伊公司生产的掘锚联合机组，另外，我国的施工机具的设计、研发与生产也已取得了可喜的成果［１８］．目前，由无锡探矿机械厂、宣化英格索兰工程机械有限公司和东北岩土工程公司等单位生产的钻孔直径从65-165mm 的岩锚钻机［２］，以及冶金部建筑研究总院研制的YM160步履式土锚钻机［２］均具有良好的工作性能．

1.5 锚固参数的研究

岩体的锚固参数一般包括锚固类型、锚杆结构、锚杆材料及形式、锚杆长度及直径、锚杆群间距、粘结类型及相关参数、托盘与螺母等许多内容．但至今锚杆的选取还主要是停留在经验阶段，不能合理地确定锚固参数．目前，针对锚杆的长度与直径的研究已经表明［１］，它们都存在着极限值，并不是越长越好，越