预应力锚索参数设计与工程应用

预应力锚索参数设计与工程应用

【1-煤炭科学研究总院北京100013，2-双鸭山矿业（集团）公司物资供应公司黑龙江双鸭山155100】

摘要综合介绍了预应力锚索系列和主要参数设计方法。在计算公式中引入锚具效率系数和张拉应力控制系数等重要参数，对确定锚索安全系数有重要参考价值。

关键词锚索系列参数设计

1 引言

锚索支护技术近年来发展迅速，尤其在我国煤矿巷道支护中占的比例越来越大，应用范围也越来越广。目前锚索支护的应用已从岩巷发展到煤巷，在需要加大支护长度和支护强度的地方，这是一条十分有效的途径。凡是遇到困难条件的支护问题，往往用锚索支护来解决。

锚索支护的显著特点是：锚索长度较长，能够锚入到深部较稳定的岩层中；锚索可施加预应力，承载力大。一般说来，要提高锚索支护的可靠性，首先要保证锚索产品的质量，其次要保证锚索支护有足够的长度、适当的密度以及可靠的承载力。

锚索支护是一种主动支护，它的应用极大地提高了巷道支护的整体水平，对保证安全生产、实现高产高效起到了重要作用。

“九五”攻关以来，锚索支护成为煤矿巷道支护的主要形式，煤矿锚杆支护技术得到大面积推广，煤巷锚索支护也随之得到长足的发展。煤巷锚索支护技术的成功应用有效地解决了煤巷支护的难题。

2 预应力锚索

预应力锚索是向岩层传递力的一种支护手段，它可按给定的方向和荷载大小将力从岩体表面传递到岩层深处，从而使被加固的岩体受到一个有益的预压应力。在这一过程中，岩体得到加固并使其强度增

加，其他力学性能也会得到改善。

预应力锚索的作用有以下几个方面特点：

①预应力锚索由高强度材料组成并有可靠的锚固体系，因而它能提供数量可观的预应力；

②预应力锚索的长度一般较长，能够锚入到深部比较坚固稳定的岩层中去；

③预应力锚索可按给定的载荷大小、方向设计和施工，目标明确，参数可灵活调整；

④施工工艺简便，影响因素小，而且还能与其它加固措施相配合。

预应力锚索在结构上要形成系列，以满足岩巷和煤巷的不同需要；配套机具要小型化、轻型化和实用化；在施工工艺上也要形成一套完整的施工方法。

2.1 预应力锚索分类和系列化

2.1.1 预应力锚索分类

预应力锚索按不同的方法有多种分类，但考虑到正处在发展阶段，锚索类型还比较简单，因此按用途和锚固方式综合分类。

预应力锚索综合分类见图1。

图1 预应力锚索综合分类

2.1.2 预应力锚索系列

目前，预应力锚索系列参数见表1。

表1 预应力锚索系列

（注：计算以Φ15.24mm、强度1860MPa的钢绞线为例。）

单束锚索采用树脂锚固剂卷锚固，在实际应用上具有明显优势，其突出特点是施工简便、可快速承载，已成为煤矿巷道支护中的主要手段，通过大面积推广应用，社会效益、经济效益十分显著。这项技术略加改进也可应用在水工硐室、交通隧道及其它地下工程的初次支护和局部补强支护上。

2.1.3 锚索材料

构成锚索的主要材料通常选用下列三种，即高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝和精轧螺纹钢筋。井下一般应选用强度高、韧性好和低松弛的钢绞线，运输与安装十分方便。Φ15.24mm、强度1860MPa 和Φ17.8mm、强度1860MPa的钢绞线目前使用较为广泛。较大直径

的钢绞线也开始试用。

值得指出的是，也有用玻璃纤维增强塑料杆体作为锚索材料的，这种材料的优点是耐腐蚀，易切割。

锚索所采用的配套锚具需选用符合GB/T14370—2000规定的夹片式锚具，并应与所用钢绞线的规格和强度级别相匹配。

其它附件可采用钢、塑材料制造，但不得采用木质和有色金属材料。特殊需要的防腐材料应保持耐久性和化学稳定性。

2.2 预应力锚索主要参数设计

锚索设计载荷应为：

m n t R S n m N ⋅⋅⋅≤

式中：N t ——设计承载力，N ；

m ——张拉应力控制系数；

n ——钢绞线根数；

S n ——钢绞线参考截面面积，mm 2； R m ——钢绞线抗拉强度，MPa 。

锚索极限载荷应为：

m n a u R S n R ⋅⋅⋅≤η

式中：R u ——锚索极限载荷，N ；

a η——锚具效率系数，取0.95；

n ——钢绞线根数；

S n ——钢绞线参考截面面积，mm 2； R m ——钢绞线抗拉强度，MPa 。

锚索安全系数为：

t

u N R K = 式中：K ——安全系数；

R u ——锚索极限载荷，N ； N t ——锚索设计载荷，N 。

将前两个公式代入，即得出：

m K a

η=

因此，锚索的安全系数与锚具效率系数a η和张拉应力系数m 有关。

也可给出K 值再反算出m 值，但影响安全系数的因素必须明确。由于矿山井巷工程的复杂条件，本文建议张拉应力控制系数取0.60为宜。如果岩层条件较好，也可取0.65。

2.3 岩巷砂浆锚多束固锚索

多束锚索主要用于岩巷、交岔点、大硐室及破损井巷工程的加固，也可用于露天矿边坡治理。多束锚索结构见图2。

（1-钢绞线；2-锚具；3-球铰垫片；4-垫片；5-钢垫座；6-自由段索

体；

7、10-水泥砂浆；8-对中支架；9-架线环；11-导向帽；12-排气管）

图2 多束锚索结构示意图

这种锚索在结构上采用了钢结构垫座和可调角度的球铰垫片，可采取单孔锚自由组合或采用群锚方式。

锚固段是锚索锚固于岩体内借以提供预应力的根基，用于岩巷和边坡的多数大型锚索采用砂浆全长锚固。

锚固长度可按下列两个公式计算，L a 是按砂浆与钢绞线的粘接强