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　　引言

 

　　 錨桿支護(hù)技術(shù)始于國(guó)外，是維護(hù)圍巖穩(wěn)定的支護(hù)技術(shù)[1]。1872年英國(guó)北威爾士露天頁(yè)巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡。19世紀(jì)初期美國(guó)首先將錨桿支護(hù)用于礦山建設(shè)。1934年阿爾及利亞的Cheurfas大壩的加高工程首次采用10000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨桿作為抗傾覆錨固，這是世界上第一例采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固壩體，并獲得成功。50年代初，瑞典生產(chǎn)出高效的噴漿機(jī)，隨著速凝劑的出現(xiàn)錨噴支護(hù)在全世界迅速推廣。

 

 

　　 當(dāng)前錨桿錨固技術(shù)以其技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)正在隧道巖體支護(hù)中廣泛應(yīng)用并且發(fā)展迅速。美國(guó)、澳大利亞的礦井巷道支護(hù)中，錨桿支護(hù)占90%以上。錨桿錨固技術(shù)合理地調(diào)動(dòng)巖體的自身強(qiáng)度和自承載能力改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)。

 

　　1.1錨桿支護(hù)

 

　　 錨桿支護(hù)通常與剛帶、網(wǎng)、混凝土等共同作用對(duì)巖體進(jìn)行加固。我國(guó)煤礦1955年開(kāi)始試用錨桿。當(dāng)時(shí)的錨桿只起懸吊作用，被動(dòng)承載而不與圍巖共同作用，效果不理想。借鑒國(guó)外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，加上我國(guó)技術(shù)人員科技研究，錨帶網(wǎng)和錨梁網(wǎng)等支護(hù)方法在現(xiàn)場(chǎng)得到了大量的應(yīng)用，支護(hù)效果顯著增強(qiáng)。這時(shí)錨桿不僅起到懸吊作用，更重要的是起到組合拱或組合梁作用。目前有各種各樣的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，例如錨桿帶網(wǎng)、錨桿帶剛帶、錨桿帶梁、錨桿桁架及其多種組合廣泛地用于各種工程中。

 

　　1.2錨桿的分類

 

　　 目前錨桿的種類很多，幾十乃至上百種。分類目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。按照錨桿與巖體錨固方式可將其劃分為機(jī)械式、粘結(jié)式、和摩擦式；按桿體材料又分為木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、聚酯錨桿；按照錨固長(zhǎng)度劃分可分集中錨固類錨桿和全長(zhǎng)錨固類錨桿；按錨固體傳力方式分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿；按錨固體形態(tài)分為圓柱型錨桿、端部擴(kuò)大型錨桿和連續(xù)球型錨桿等。

 

　　 我國(guó)最早應(yīng)用于礦山建設(shè)的是木錨桿和竹錨桿，其價(jià)格低廉取材廣泛，但其錨固力較小，在工程中起到的作用不是很明顯。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，金屬錨桿已逐漸將其取代。在眾多錨桿中預(yù)應(yīng)力錨桿是應(yīng)用較廣泛的一種錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿是在安裝錨桿時(shí)給錨桿施加相當(dāng)量的預(yù)應(yīng)力，這樣的作用能有效地阻止圍巖的開(kāi)裂、滑移和弱化。不僅消除了錨桿的初始滑移量，而且還能給圍巖施加一定的預(yù)壓應(yīng)力，提高圍巖抗剪切能力和抗拉能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，新工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在的錨桿不但錨固力符合工程的需要，其設(shè)計(jì)逐漸更符合優(yōu)化的要求，象德國(guó)的可伸長(zhǎng)的讓壓性錨桿[2]、俄羅斯的桿體彎曲型可延伸錨桿，可回收錨桿及抗腐蝕性、重量輕、可切割的塑料錨桿[3]等等，它們廣泛用于生產(chǎn)建設(shè)，在支護(hù)強(qiáng)化領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用。

 

 

　　 錨桿和巖體之間的相互作用機(jī)理非常復(fù)雜，很難通過(guò)力學(xué)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[4]，，，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)錨桿作用機(jī)理做了大量的深入研究與探討，揭示了錨桿支護(hù)的機(jī)理。

 

　　2.1國(guó)外的錨桿支護(hù)技術(shù)理論

 

　　 (1)組合拱理論

 

　　 組合拱理論是蘭氏(T·A·Lang)和彭德(Pender)提出的。在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，在桿體兩端將形成圓錐體形式分布的壓應(yīng)力。如圖1。如果按照一定規(guī)律布置一系列錨桿，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將交錯(cuò)重疊，形成一個(gè)防止破裂區(qū)擴(kuò)展的承壓拱（組合拱），這個(gè)承壓拱可承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載，能阻止不穩(wěn)定巖石的滑移，促使巖石之間的間隙面壓緊[5]。承壓拱厚度W可按（1）式近似計(jì)算，即

 

　　W＝L-S（1）

 

　　 式中：W—承壓拱厚度；L—錨桿長(zhǎng)度；S—錨桿間排距

 

　　錨桿支護(hù)力最大值[1]可由下式確定：（2）

 

　　如果考慮剪切滑移，錨桿提供最大支護(hù)力為：

 

　?。?）

 

　　式中：—破壞剪切角；—巖石滑移線最大傾角；—錨桿的錨固力；

 

　　 —錨桿排距；—錨桿間距；

 

　　英國(guó)與澳大利亞等國(guó)家的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)傾向于此理論。

 

　　 (2)懸吊理論

 

　　 1952年路易斯阿·帕內(nèi)科(LouisA·Panek)等發(fā)表了懸吊理論。該理論認(rèn)為把由于開(kāi)挖、爆破等造成的松動(dòng)巖塊穩(wěn)固(懸吊)在穩(wěn)定巖層上，防止破碎巖塊的冒落，在堅(jiān)硬節(jié)理發(fā)育的巖塊處，錨桿通常起這種作用。錨桿長(zhǎng)度可按下式確定，即

 

　　L＝L1+L2+L3（4）

 

　　式中：L1：錨桿外露長(zhǎng)度(一般取0.15m)；L2：錨桿有效長(zhǎng)度；

 

　　 L3：錨桿錨固長(zhǎng)度(一般取0.3～0.4m)；

 

　　錨桿有長(zhǎng)度的確定：①當(dāng)直接頂需要懸吊而它們的范圍易于劃定時(shí)，應(yīng)大于等于直接頂?shù)暮穸取＂诋?dāng)通過(guò)實(shí)測(cè)已確定圍巖松動(dòng)圈范圍時(shí)，應(yīng)大于等于松動(dòng)圈（即破碎帶或冒落帶）的高度。錨桿直徑按桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定，即

 

　　(5)

 

　　 式中：—錨桿的錨固力(由拉拔試驗(yàn)確定)；—錨桿桿體材料的抗拉強(qiáng)度；

 

　　 (3)組合梁理論

 

　　1952年德國(guó)Jacobio等發(fā)表了組合梁作用理論，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊，增大層間的摩擦力，同時(shí)錨桿的抗剪能力也阻止層間錯(cuò)動(dòng)，從而將疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁。在美國(guó)，由于其巷道埋深較淺、巖層強(qiáng)度高且地應(yīng)力比較低，此理論的應(yīng)用較多。

 

　　 (4)加固補(bǔ)強(qiáng)

 

　　 該理論認(rèn)為，對(duì)于節(jié)理密集破碎巖體或是較為軟弱的土體，施加錨桿可使破碎巖體具有完整性，在軟弱土體中增加筋骨，從而增強(qiáng)錨固區(qū)圍巖土體的強(qiáng)度(如彈性模量E，粘聚力c)。

 

　　 (5)銷釘理論

 

　　 銷釘作用表現(xiàn)為兩方面：①利用錨桿將不穩(wěn)定塊體釘?shù)缴畈糠€(wěn)定的圍巖上。②軟巖洞室圍巖常發(fā)生壓剪破壞，破壞了的巖體將沿最不利的滑移面滑動(dòng)。如沿洞室周邊徑向布置錨桿，由于錨桿與滑移面斜交，錨桿就會(huì)起到防剪抗滑作用。

 

　　2.2國(guó)內(nèi)的錨桿支護(hù)技術(shù)理論

 

　　 (1)全長(zhǎng)錨固中性點(diǎn)理論 全長(zhǎng)錨固中性點(diǎn)理論由東北大學(xué)王明恕教授提出。該理論認(rèn)為在靠近巖石壁面部分(錨桿尾部)，錨桿阻止圍巖向壁面變形，剪力指向壁面。在圍巖深處(錨桿頭部)，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動(dòng)。錨桿上的剪力指向相背的分界點(diǎn)，稱為中性點(diǎn)，該點(diǎn)處剪應(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力為最大。由中性點(diǎn)向錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減少。這個(gè)理論存在著一定的價(jià)值。但是它難以解釋錨桿尾部的斷裂機(jī)理。

 

　　 (2)松動(dòng)圈理論

 

　　 將圍巖中產(chǎn)生的松弛破碎帶定義為圍巖松動(dòng)圈。圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授在對(duì)圍巖狀態(tài)進(jìn)行深入研究后提出的。松動(dòng)圈理論是現(xiàn)有支護(hù)條件下，試圖采用支護(hù)手段阻止圍巖的松動(dòng)破動(dòng)是不可能的。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)就愈困難。因此松動(dòng)圈理論認(rèn)為，支護(hù)的作用是限制圍巖松動(dòng)圈形成過(guò)程中碎脹力所造成的有害變形。該理論的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)中小松動(dòng)圈有極重要價(jià)值，但對(duì)大松動(dòng)圈尤其是高應(yīng)力軟巖以及采準(zhǔn)巷道，實(shí)踐表明，該理論有一定的局限性。

 

　　 (3)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論

 

　　 其要點(diǎn)是：①錨桿加固圍巖的實(shí)質(zhì)是改變了巷道圍巖的受力狀況，增加了圍壓，從而提高了巖石的力學(xué)參數(shù)（δ、E、C、），改善被錨固巖體的力學(xué)性能；②巷道圍巖存在著破碎區(qū)（松動(dòng)區(qū)）、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的巖體的峰值強(qiáng)度或峰后強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度都能得到強(qiáng)化；③能較好地控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而更有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

 

　　 (4)錨固平衡拱理論

 

　　 該理論認(rèn)為，錨桿加固對(duì)于提高圍巖自身的最大承載能力沒(méi)有明顯的效果。但在圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對(duì)提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著作用。在洞室周圍，錨桿與其錨固范圍內(nèi)的巖石構(gòu)成一種錨固支護(hù)體。當(dāng)這個(gè)錨固體中的巖石在圍巖集中應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時(shí)，其承載力降低并產(chǎn)生變形，同時(shí)圍巖的集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，使錨固體卸載。在這個(gè)過(guò)程中，錨固體通過(guò)錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動(dòng)的巖石構(gòu)成具有一定承載力和適應(yīng)自身變形卸載的錨固平衡拱。

 

　　這些理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極的作用，有效的指導(dǎo)了工程實(shí)踐。在這些理論中，其多數(shù)是以定性的方法進(jìn)行分析，還不能滿足工程建設(shè)與應(yīng)用研究。其對(duì)巖土錨桿的傳力機(jī)制也只是定性描述，錨桿加固機(jī)理、錨桿的長(zhǎng)期工作性能也沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，另外在變化的荷載等條件下錨桿的性能還有待于研究。

 

 

　　在我國(guó)，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)及參數(shù)選主要依靠經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)的方法。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件簡(jiǎn)單、圍巖穩(wěn)定時(shí)，直接采用工程類比法確定錨桿支護(hù)參數(shù)，再用懸吊理論、組合拱理論或松動(dòng)圈理論加以校核即可。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，采用試驗(yàn)方法確定錨桿支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，一般先進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)錨桿。

 

　　 目前，支護(hù)設(shè)計(jì)方法有以下幾種。專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)法它是工程類比法的發(fā)展，但由于是建立在眾多專家知識(shí)和大量的經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)行之有效的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，因而支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性和合理性大為提高。理論設(shè)計(jì)法是建立在錨桿支護(hù)力學(xué)分析與模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，需要預(yù)先測(cè)試圍巖力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)的錨桿支護(hù)作用機(jī)理和圍巖變形機(jī)理研究，才能成為指導(dǎo)圍巖控制實(shí)踐的科學(xué)方法。實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)法又稱現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法，是由澳大利亞和英國(guó)先后發(fā)展起來(lái)的，該設(shè)計(jì)法從地質(zhì)評(píng)估開(kāi)始，先進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，然后通過(guò)對(duì)錨桿的現(xiàn)場(chǎng)特征、巖體特征及巷道在加固條件下特征的詳細(xì)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，最后確定錨桿加固系統(tǒng)，并繼續(xù)進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)。圍巖松動(dòng)圈設(shè)計(jì)法該方法含有專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)法的內(nèi)涵，簡(jiǎn)單直觀，易為現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員所接受，且對(duì)巖巷有著良好的適應(yīng)性，但對(duì)煤巷尤其是動(dòng)壓煤巷的適應(yīng)性仍有待深入研究，故圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論與設(shè)計(jì)方法也是今后發(fā)錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展前景與制約因素展的重要方向。

 

　　 在現(xiàn)有的地下工程支護(hù)加固設(shè)計(jì)中，由于諸多未知參數(shù)難以確定，且地質(zhì)因素復(fù)雜，現(xiàn)在仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上，沒(méi)有到把錨固支護(hù)看作一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)作研究設(shè)計(jì)。這事必造成一些不合理因素。這種研究是今后的方向，應(yīng)該說(shuō)這是一套切實(shí)有效的方法。它可以克服過(guò)去單一重視錨桿本身行為的弊端，從而可以充分發(fā)揮系統(tǒng)各要素的功能，以使系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。在歐美一些國(guó)外對(duì)這個(gè)已有所研究，并取得了一定的進(jìn)展。

 

 

　　錨桿支護(hù)方法發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年的歷史，其無(wú)論在工業(yè)民用建筑、隧道橋梁、礦山建設(shè)還是在高陡邊坡、大型地下洞室、大型弧門閘墩、大壩及壩基各類建筑物的加固中都發(fā)揮著積極的作用。雖然錨桿無(wú)論在強(qiáng)度、抗腐、與周圍體的粘結(jié)力等都有提高，但錨桿支護(hù)的理論及設(shè)計(jì)滯后于工程應(yīng)用研究，理論分析和數(shù)值分析與實(shí)際情況出入較大。最主要的就是力學(xué)模型和分析方法方面還不夠完善。分析支護(hù)效果的各種影響因素，研究錨桿結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理、長(zhǎng)期受力特性，對(duì)工程質(zhì)量效益的提高有著深刻的現(xiàn)實(shí)意義。