锚杆支护的现状与前景

锚杆支护的现状与前景

岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支.锚固技术,国内习惯统称为锚杆支护技术,国外一般称锚固技术或锚杆加固技术.它是一种结构简单的主动支护,它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展,充分发挥围岩自身的支撑作用,把围岩从荷载变为承载体,变被动支护为主动支护,且具有运输施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点.自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来,锚固技术至今已有100多年的发展历史.锚固技术作为一种技术经济优越的技术手段,越来越广泛地应用于各个工程领域,目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家,而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中,伴随着“21世纪-地下工程的世纪”的来临,可以预见,该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用.

1.锚杆支护的特点

与传统的支护方式相比较,锚杆锚固技术有其自身的鲜明特点.锚杆锚固是在地层中,通过锚杆将结构物与地层紧紧连锁在一起,依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力,使地层自身得到加固,达到保持结构物和岩体稳定的目的.

(1)能在地层开挖后,立即提供支护抗力,有利于保护地层的固有强度,有效阻止地层的进一步扰动,控制地层变形的发展,将结构物、地

层紧密连锁在一起,形成共同的工作体系,提高施工过程的安全性.

(2)提高地层软弱结构面、潜在滑移面的抗剪强度,改善地层的力学性能、应力状态,使其向有利于稳定的方向发展.

(3)锚杆的作用部位、方向、结构参数、密度和施工时机可以根据需要方便地设定和调整,能以最小的支护抗力获得最佳的稳定效果.锚杆亦可以显著节约工程材料,有效地提高场地的利用率,经济效益十分显著.

2.我国的锚杆支护现状

1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡以来,从最初人们的怀疑、疑虑,发展到今天已有100多年的历史,锚杆支护凭借显著的技术经济优越性,已经几乎不受限制地广泛应用于岩土工程的各个领域.

我国于20世纪50年代开始试用锚杆支护技术,至70年代前期还处于探索阶段,直到1978年才开始重点推广,至80年代向英国学习锚杆支护技术后推广到煤巷支护,90年代又向澳大利亚学习引进成套先进的锚杆支护技术,目前已得到较广泛的推广和应用.在一些矿区的锚杆支护巷道比例达到90%以上,有些矿井甚至达到了100%,取得了较好的技术与经济效益.

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．

3.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．

目前，已经广为接受的锚杆支护理论主要有:

(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．

(4)最大水平应力理论.它由澳大利亚学者盖尔提出.最大水平应力理

论认为,矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力,水平应力具有明显的方向性,最大水平应力一般为最小应力的 1.5~2.5倍.巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响,且有以下特点:其一,与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好;其二,与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶底板变形破坏偏向巷道的某一侧壁;其三,与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差.

(5)锚杆支护围岩强度强化理论.它由中国矿业大学压力研究所在分析已有成果的基础上研究提出的.该理论揭示了锚杆的作用原理和加固围岩的实质,并为合理确定锚杆支护参数提供了合理的理论依据. (6)围岩松动圈理论.它是中国矿业大学针对煤矿巷道的锚喷支护首次提出的.该理论认为,由于巷道的掘进,破坏了原岩应力的平衡,改变了原岩应力状态,当围岩应力升高范围的岩体强度低于其应力时,发生屈服破坏,这种破坏将由巷道周边向深部发展.由于巷道周围形成了不利于围岩稳定的松动围岩,由此,松动圈的范围就决定了巷道的稳定性,也是锚杆支护设计的依据.该理论还提出了与之相应的支护参数,并提出可以用声波测试确定松动圈的范围.它的创新之处在于:明确了巷道支护对象,既不是弹塑性支护理论中的塑性区岩体,也不是冒落拱内的岩石重量,并强调了松动圈形成的时间性,以及发展的渐进性和动态变化.不足之处:它并没有体现支护于围岩的相互作用,再者当软弱破裂岩不同程度地含有粘土质膨胀物时,很难通过声波测试出确切的松动圈范围.

4.锚固技术的发展特点

一个世纪以来,国内外岩土锚固技术无论在理论研究、技术创新或工程应用方面,都取得了飞速的发展.近20年以来,岩土锚固的主要成就和最新的发展主要表现在以下几点:

(1)锚杆的应用领域和规模不断扩大.锚杆锚固技术除了在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程继续保持着良好的发展势态之外,还在重力坝加固工程、桥梁路基工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固方面有了长足的发展.

(2)锚杆类型的多样化.目前世界各国均在结合本国岩土工程的地质及生产条件,发展适宜的锚杆类型,比如:美国使用了树脂锚固钢筋锚杆、机械式锚杆、管缝式、水力膨胀式锚杆、混合式锚杆等.德国除了发展树脂锚固金属锚杆以外,还大力发展可伸长锚杆.他们认为,安装锚杆的目的是为了控制围岩的变形,但在围岩大变形的情况下,要使锚杆本身不受损坏,发展即具有足够的支护阻力,又有一定延伸性的可伸长锚杆是必要的,目前他们已经研制出了若干种类型,有的伸长量可达50%.

(3)锚杆的标准化建设日益完善.20世纪70年代以后,由于岩土锚杆的迅速发展和广泛应用,前德国、瑞士、英国、美国、中国的香港特别行政区、国际预应力混凝土协会、澳大利亚、日本以及我国等许多国家、地区或机构先后制定了锚杆规范与推荐性标准,从而使岩土锚固的应用沿着经济合理、技术先进、安全可靠的轨道发展.

(4)锚杆日益向高强度、超高强度发展,其技术途径主有以下两点:一是研制强度高和具有较好延性的新型材料;二是加大锚杆直径.