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江苏省南京市玄武区玄武湖

张丽芹

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OB体育APP:锚杆支护

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  锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道采场等地下硐室施工中采用的一种方式。用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱,打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中,利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板(亦可不用),或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果,以达到支护的目的。具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。

  锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态,在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带,利用锚杆与围岩共同作用,达到维护巷道稳定的目的。

  锚杆的力学作用主要有悬吊作用 、组合梁作用 、 组合拱作用、减跨作用 、加固作用。

  锚杆不但支护效果好,且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩,防止围岩风化;不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。

  1911年关国Aberschlesin的Friedens煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板;

  1918年关国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护,以后锚固技术的应用范围开始扩大;

  1934年阿尔及利亚的Cheurfas大坝的加高工程首次采用10 000 kN级预应力锚杆作为抗倾覆锚固,这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体,并获得成功;在以后的时间里,先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同样采用了预应力锚杆加固;

  60年代,捷克斯洛伐克的Lipno电站主厂房(宽32 m)、西德的Walbeck 1I地下电站主厂房(宽33.4 m)等大型地下洞室采用了高预应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式。

  20世纪50年代后期,我国锚杆支护技术的开始应用,当时有京西矿务局、河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等使用了楔缝式锚杆支护矿山巷道;

  60年代,除了矿山巷道之外,我国开始在铁道隧道、边坡工程、水库大坝、地下工程等大量地采用锚固技术,1964年安徽梅山水库首次采用了30 m -47 m的预应力锚索加固坝基,提高坝基抗滑稳定性;

  70年代开始在深基坑支挡工程中应用了土层锚杆,先后有北京国际信托大厦、王府井宾馆、京城大厦、上海太平洋饭店、上海展览中心、沈阳中山大厦等基坑工程采用了土层锚杆支护;

  1989年我国首台6 000 kN级预应力锚杆及张拉设备研制成功,并应用于丰满大坝加固工程,8000kN级预应力锚杆在石泉大坝加固工程应用成功;

  90年代,10000kN级预应力锚杆在龙羊峡水电工程中试验成功,并在多个工程中获得应用。

  1952~1962年路易斯 阿·帕内科(Louis A·Panek)等发表了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶板均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚杆及时将其挤压,并悬吊在老顶上,直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度,层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量,还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早,满足其前提条件时,有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明,即使巷道上部没有稳固的岩层,锚杆亦能发挥支护作用。例如,在全煤巷道中,锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的,说明这一理论有局限性。

  组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板,可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁,这种岩梁支承其上部的岩层载荷。使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下,这种较厚的组合梁比单纯的迭加梁,其最大弯曲应变和应力将大大减小,挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大,补强效果愈好。但是,这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。

  组合拱理论是由兰氏(T A Lang)和彭德(Pender)通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为,在拱形巷道围岩的破裂区中,安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力维体相互交错,这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱)。

  这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷,如同碹体起到岩层补强的作用,承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨,与实际情况有一定差距,在分析过程中没深入探索围岩 —支护的相互作用。

  澳大利亚学者盖尔(W J Gale)在20世纪90年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为:矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1. 3~2. 0倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1. 5~2. 5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响,且有三个特点: ①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; ②与最大水平应力呈锐角相交的巷道。其顶板变形破坏偏向巷道某一帮; ③与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差。

  最大水平应力理论,论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下,巷道顶底板岩层发生剪切破坏,因而会出现错动与松动引起层间膨胀,造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动,因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。

  锚杆设计应根据隧洞围岩地质情况工程断面和使用条件等分别选用下列类型的锚杆:

  应遵守下列规定:杆体材料宜采用Ⅰ、Ⅱ级钢筋,钻孔直径为18~32mm的小直径锚杆的杆体材料宜用Q235钢筋;杆体钢筋直径宜为16~32mm;杆体钢筋保护层厚度采用水泥砂浆时不小于8mm,采用树脂时不小于4mm;杆体直径大于32mm的锚杆应采取杆体居中的构造措施;水泥砂浆的强度等级不应低M20;对于自稳时间短的围岩宜用树脂锚杆或早强水泥砂浆锚杆。

  应遵守下列规定:杆体材料宜用Ⅱ级钢筋杆体直径为16~32mm,树脂锚固剂的固化时间不应大于10min,快硬水泥的终凝时间不应大于12min,树脂锚杆锚头的锚固长度宜为200~250mm,快硬水泥卷锚杆锚头的锚固长度宜300~400mm,托板可用Q235钢厚度不宜小于6mm,尺寸不宜小于150mm*150mm,锚头的设计锚固力不应低于50kN,服务年限大于5年的工程应在杆体与孔壁间注满水泥砂浆。

  应遵守下列规定:缝管锚杆的管体材料宜用16锰或20锰硅钢壁厚为2.0~2.5mm;楔管锚杆的管体材料可用Q235钢,壁厚为2.75~3.25mm;缝管锚杆的外径为30~45mm,缝宽为13~18mm;楔管锚杆缝管段的外径为40~45mm,缝宽宜为10~18mm,圆管段内径不宜小于27mm;钻孔直径应小于摩擦型锚杆的外径。宜采用碟形托板材料为Q235钢,厚度不应小4mm,尺寸不应小于120mm*120mm;杆体极限抗拉力不宜小于120kN;挡环与管壁焊接处的抗脱力不应小于80kN;缝管锚杆的初锚固力不应小于25kN/m,当需要较高的初锚固力时,可采用带端头锚塞的缝管锚杆或楔管锚杆;水胀式锚杆材料宜选用直径为48mm,壁厚2mm的无缝钢管并加工成外径为29mm,前后端套管直径为35mm的杆体;水胀式锚杆的托板材料规格同摩擦型锚杆。

  应遵守下列规定:硬岩锚固宜采用拉力型锚杆,软岩锚固宜采用压力分散型或拉力分散型锚杆;设计锚杆锚固体的间距应考虑锚杆相互作用的不利影响;确定锚杆倾角应避开锚杆与水平面的夹角为-10°~+10°这一范围;预应力筋材料宜用钢绞线高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋,对穿型锚杆及压力分散型锚杆的预应力筋应采用无粘结钢绞线;当预应力值较小或锚杆长度小于20m时,预应力筋也可采用Ⅰ级或Ⅱ级钢筋;预应力锚杆的锚固段灌浆体宜选用水泥浆或水泥砂浆等胶结材料,其抗压强度不宜低于30MPa,压力分散型锚杆锚固段灌浆体抗压强度不宜低于40MPa;预应力锚杆的自由段长度不宜小于5m。

  应遵守下列规定:自钻式锚杆杆体应采用厚壁无缝钢管制作,外表全长应具有标准的连接螺纹,并能任意切割和用套筒联接加长;自钻式锚杆结构应包括中空杆体垫板螺母联接套筒和钻头,用于锚杆加长的联接套筒应与锚杆杆体具有同等强度。

  应遵守下列规定:在隧洞横断面上锚杆应与岩体主结构面成较大角度布置,当主结构面不明显时可与隧洞周边轮廓垂直布置;在岩面上锚杆宜呈菱形排列,锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2,Ⅳ、Ⅴ级级围岩中的锚杆间距宜为0.5~1m,并不得大于1.25m。

  江波. 锚杆支护理论发展与现状[J]. 山西建筑, 2007, 33(21):101-103.

  冶金工业部. 锚杆喷射混凝土支护技术规范[M]. 国家计委基本建设标准定额局, 1985.


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