锚杆支护及其应用分析

锚杆支护及其应用分析

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

0 引言

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 锚杆的含义

锚杆是一种埋设于围岩中的受拉构件，它是用金属或其它高抗拉材料制作的杆状构件。它通过一些机械装置或粘结材料与围岩结

技术、经济方面都有着巨大的优越性，而且能够适应不同地质条件的性质，基于这些优点锚杆在地下工程中得到了广泛应用和迅速发展[1]

地下工程中所使用的锚杆一般由锚固体(或称内锚头)、锚杆及垫板三个基本部分组成，具体如图1[2]

图1 地应力场示意图

(1)垫板是支护结构与锚杆的连接部分，它能够有效改变锚杆的受力分布，使锚杆的轴力分布比较均匀，提高锚杆的支护效果。同时还能够使锚杆与初期支护连成整体，有利于共同承担围岩压力。

(2)锚杆位于锚杆装置的中心线上，其作用是将来自垫板的拉力传递给锚固体，进而约束围岩的变形，提高围压，对控制围岩变形具有十分关键的作用。由于锚杆通常都要承受一定的荷载，所以它一般采用抗拉强度较高的钢材制成。

(3)锚固体在锚杆的尾部，通过机械装置或粘结材料与围岩紧密相连。它的作用是将来自锚杆的力通过摩阻抵抗力(或支撑抵抗力)传递给稳定的围岩。

2 锚杆锚固的特点

锚杆支护是一种安全、经济的支护方式,它是以锚杆为主体的支护结构的总称,它包括锚杆、锚喷、锚喷网等支护形式。其技术就是在土层中斜向成孔,埋入锚杆后灌注水泥(或水泥砂浆) ,依赖锚固体与土之间的摩擦力,拉杆与锚固体的握裹力以及拉杆强度共同作用来承受作用于支护结构上的荷载。锚杆支护以其结构简单、施工方便、成本低和对工程适应性强等特点,在土木工程(包括采矿工程) 中得到了广泛应用。

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. 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:

2.1 支护效果好

锚杆支护在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论,属于“主动”支护。锚杆安装以后,在围岩内部对围岩进行加固,迅速形成一个围岩—支护的整体承载结构,因而能够调动和利用围岩自身的稳定性,充分发挥围岩的自身承载能力,有效地控制巷道围岩变形,所以锚杆支护更有利于保护巷道围岩的稳定,改善巷道维护状况。与传统的架棚式支护相比,锚杆支护能更好地适应回采巷道围岩变形大的特点,并能保持围岩的完整性和稳定性,其支护效果优于工字钢支架,在工作面回采期间,工作面端头维护明显得到改善,提高了工作面的推进速度。

2..2 劳动强度低、效率高

与传统架棚式支护相比,由于锚杆支护所采用的支护材料较少、重量较轻,巷道掘进时,极大地减少了支护材料的运输量,劳动强度也大为降低,有利于提高掘进工效。工作面回采时,也省去了钢棚支架的回撤工作,既降低了工人的劳动强度,又提高了安全系数。锚杆施工操作工序简单,可紧跟掘进工作面,便于组织掘进支护平行作业和一次成巷,有利于实现快速掘进支护机械化。

2.3 经济效益明显

采用锚杆支护可减少支护材料投入,降低直接支护成本。由于锚杆支护基本不占用巷道的有效断面,所施工的断面即为净断面,因而在支护设计时,可以相应减少巷道断面,节省大量材料。锚杆支护可以减少巷道维修量,节约维护费用。总之,锚杆支护从支护材料、辅助运输、断面设计和维护费用等方面均可降低成本,经济效益明显。

3 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。

3.1 锚杆的支护基本理论

随着锚杆支护工程实践的不断丰富，锚杆支护的作用机理研究也在不断得到发展和完善。传统的锚杆支护理论有悬吊作用、组合梁作用、减跨作用、组合拱(压缩拱)理论等。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准[3]。同时也涌现出许多新的锚杆支护作用理论，如锚固力中性点理论、最大水平应力理论、松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理论等等

3.1.1 传统锚杆支护理论[3]

3.1.1.1 锚杆的悬吊作用

LouisA.Panek于1952一1962年间，经过理论分析及实验室和现场测试提出，在坚硬围岩中，锚杆的作用是将松动围岩直接悬吊到上部坚硬岩层上;在软弱围岩中，锚杆的作用是将破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上，平衡拱的高度可采用普氏压力拱理论估算。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，据此便可设计锚杆支护参数。

图2 锚杆的悬吊作用

悬吊理论能较好地解释坚硬岩层中锚杆的支护作用。但对于跨度较大的软岩隧道中，普氏拱高往往超过锚杆长度，悬吊作用难以解释锚杆支护获得成功的原因。大量的工程实践证明，即使隧道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用，这从一个侧面说明了悬吊理论在应用中的局限性。

3.1.1.2 锚杆的组合梁作用

为了解决悬吊理论局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。该理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的簿层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是所谓的锚杆组合梁作用(如图3)。