錨桿支護作用機理及應(yīng)用

1、中鐵12局集團有限公司 錨桿支護作用機理及應(yīng)用錨桿支護作用機理及應(yīng)用2007-4-23中鐵十二局集圈第四工程有限公司劇仲林目錄目錄21錨桿的支護作用機理31.1錨桿的懸吊作用31.2錨桿的組合梁作用41.3錨桿的減跨作用61.4彈塑性理論的錨桿支護作用機理71.5單體錨桿支護作用機理91.5.1端頭錨固單體錨桿作用機理91.5.2全長錨固單體錨桿作用機理121.5.3單體錨桿作用機理小結(jié)142群體錨桿支護作用機理及支護參數(shù)的確定142.1小松動圈圍巖狀態(tài)142.2中松動圈圍巖狀態(tài)錨桿支護機理及支護參數(shù)確定162.3大松動圈圍巖狀態(tài)錨稈支護作用機理及支護參數(shù)確定212.4錨桿支護機理的幾個理論問

2、題243錨桿在地下工程中的使用273.1鋼帶273.1.1鋼板梁273.1.2W型鋼帶283.1.3鋼筋梁293.1.4托板303.2頂板桁架313.3點狀錨固錨桿333.4沿全長錨固的錨桿333.5灌漿錨桿的長度確定361 錨桿的支護作用機理錨桿支護的作用機理尚在探討之中。目前己提出的觀點較多，其中影響較大的有懸吊作用、組合梁(拱)作用、加固(提高c、值)作用等幾種。這幾種觀點都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉(力)為前提來解釋錨桿支護作用機理的，因此，圍巖狀態(tài)及錨桿受拉力這兩個前提的客觀性是判定上述理論正確性的標(biāo)準(zhǔn)。1.1 錨桿的懸吊作用 19521962年，Louis A、Pane K經(jīng)過

3、理論分析及實驗室和現(xiàn)場測試，提出錨桿作用機理是將直接頂板懸吊到堅硬巖層上(如圖1-1)。例如，在緩傾斜巖層中錨桿的懸吊作用就是錨桿將下部不穩(wěn)定的巖層(直接頂或塊狀結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)固的巖塊)懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上、阻止巖塊或巖層的垮落。錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量，并據(jù)此設(shè)計錨桿支護參數(shù)。圖1-1 錨桿的懸吊作用（a） 懸吊軟弱層狀頂板；（b）懸吊危巖1- 錨桿；2-不穩(wěn)定巖層；3-危巖；4-穩(wěn)定圍巖這個理論有局限性，大量的工程實踐證明，即使巷道上部沒有穩(wěn)固的巖層，錨桿也能發(fā)揮其作用。1.2 錨桿的組合梁作用為了解決懸吊理論的局限性，1952年德國Jacobio等在層狀地層中提出了組合梁理論。該

4、理論認(rèn)為在沒有穩(wěn)固巖層提供懸吊支點的簿層狀巖層中，可利用錨桿的拉力將層狀地層組合起來形成組合梁結(jié)構(gòu)進行支護，這就是所謂的錨桿組合梁作用(如圖1-2)。圖1-2 錨桿的組合梁作用（a） 未打錨桿；（b）布置頂板錨桿1- 錨桿；2-層狀巖層組合梁作用的本質(zhì)在于通過錨桿的預(yù)拉應(yīng)力將原視為疊合梁(板)的巖層擠緊，增大巖層間的摩擦力；同時，錨桿本身也提供一定的抗剪能力，阻止其層問錯動。錨桿把數(shù)層薄的巖層組合成類似鉚釘加固的組合梁，這時被錨固的巖層便可看成組合梁，全部錨固層能保持同步變形，頂板巖層抗彎剛度得以大大提高。決定組合梁穩(wěn)定性的主要因素是錨桿的預(yù)拉應(yīng)力及桿體強度和巖層的性質(zhì)。這一觀點有一定的影響，

5、但是其工程實例比較少，也沒有進一步的資料供錨桿支護設(shè)計應(yīng)用，尤其是組合梁的承載能力難以計算，而且組合梁在形成和承載過程中，錨桿的作用難以確定。另外，巖層沿巷道縱向有裂縫時梁的連續(xù)性問題、梁的抗彎強度等問題也難以解決。欲使組合梁有足夠維持圍巖穩(wěn)定的承載能力，組合梁的有效組合厚度（略去側(cè)壓影響）為（見圖1-3示）：圖1-3 按組合梁原理計算錨桿參數(shù)式中 Pi作用在組合梁上的垂直荷載；可取Pimin且不小于錨固深度L范圍內(nèi)巖體的自重； K安全系數(shù)。掘進機掘進取23、鉆爆法掘進取35； KP軟巖圍巖荷載增大系數(shù)； L巖體平均抗拉強度，Pa； 巖體抗拉強度折減系數(shù)，去0.60.8； 與組合巖層層數(shù)有關(guān)的

6、系數(shù)，其值見下表。值與組合巖層的關(guān)系組合巖層數(shù)12341.00.750.70.65所選錨桿長度還需驗算組合梁個層面間不發(fā)生相對滑動，并保證最下一層巖層的穩(wěn)定性，即錨桿間距應(yīng)滿足下式要求：式中 L1最下一層巖層的抗拉強度，Pa； K1安全系數(shù)，取810； 1最下一層巖層層抗拉強度折減系數(shù)，去0.30.4； h1、1最下一層巖層的厚度和容重。上式適用于h1 0.10.15m的情況；否則應(yīng)加大托板，且D小于三倍裂隙間距和D0.5L。錨桿長度LM應(yīng)為：式中 L1錨桿外露端長度。根據(jù)錨桿類型與墊板、托板尺寸確定； t有效組合梁厚度，m； L2錨固于穩(wěn)固巖體中的長度，一般L2=0.30.4m；錨桿的單根錨

7、固力Q為：1.3 錨桿的減跨作用如果把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊合梁(板)，由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點，安設(shè)了錨桿就相當(dāng)于在該處打了點柱增加了支點而減少了頂板的跨度(如圖1-4)，從而降低了頂板巖層的彎曲應(yīng)力和撓度，維持了頂板與巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。這就是錨桿的“減跨”作用，它實際上來源于錨桿的懸吊作用。但是，它也未能提供用于錨桿支護參數(shù)設(shè)計的方法和參數(shù)。圖1-4 錨桿的減跨作用1- 錨桿；2-無錨桿跨度；3-有錨桿跨度1.4 彈塑性理論的錨桿支護作用機理彈塑性理論在對圍巖狀態(tài)作了正確分析后，對錨桿支護的作用機理提出了2個不同的觀點：一個認(rèn)為利用錨桿提供足夠的支護

8、抗力，加固圍巖提高其承載能力、減小其變形量，并且大量的實驗室相似模擬試驗證實通過錨桿錨固可使圍巖的抗壓強度峰值提高50l00(相對于無錨桿情況)，同時據(jù)此用摩爾理論抗剪強度包絡(luò)線解釋，可以使圍巖不產(chǎn)生破碎帶，或者說限制圍巖彈塑性變形量的發(fā)展，從而使圍巖處于穩(wěn)定的彈塑性圍巖狀態(tài)，見圖1-5。另一個觀點則認(rèn)為錨桿的抗拉力主要用來懸吊平衡破碎帶內(nèi)巖石的重量，見圖1-6。圖1-5 錨桿加固作用（a） 圍巖強度曲線；（b）巷道周邊最危險應(yīng)力狀態(tài)圖1-6 彈性理論錨桿的懸吊作用1- 錨桿；2-穩(wěn)定巖層；3-破例區(qū)這兩種觀點存在2個實際問題有待闡明：對第一種觀點來講，由于現(xiàn)有支護(包括錨桿支護)對彈塑性變形

9、相對不及時和支護手段與圍巖的不密貼決定了在圍巖處于彈性狀態(tài)時其支護阻力較小，它不可能有效的阻止并限制圍巖破碎帶的產(chǎn)生和發(fā)展；對第二種觀點，由于錨桿支護的主要對象不是破碎帶內(nèi)巖石的重量(自重)，而是破碎帶產(chǎn)生和發(fā)展過程中的碎脹變形力，而后者碎脹變形力遠(yuǎn)大于前者破碎帶內(nèi)巖石的自重。1.5 單體錨桿支護作用機理錨桿是在松動圈的較小狀態(tài)下以較小的應(yīng)力安裝的。因此，錨桿的工作過程也應(yīng)該根據(jù)這個過程予以分析。由于錨桿是錨固在巖體內(nèi)維護圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物，它與其他傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)不同點在于錨桿深入到圍巖內(nèi)部對巖體進行力學(xué)的組合。在松動圈發(fā)展過程中，錨桿因其剛度、強度與圍巖有較大差別，所以在阻止圍巖松動圈的碎脹

10、變形中使其所受拉力不斷增大，錨桿的這一應(yīng)力變化過程與圍巖的穩(wěn)定影響與松動圈的厚度和錨桿的錨固方式(端頭錨固或全長錨固)密切相關(guān)。1.5.1 端頭錨固單體錨桿作用機理端頭錨固錨桿受力狀態(tài)如圖1-7所示。實際上錨桿應(yīng)力來源于圍巖松動圈的產(chǎn)生、發(fā)展過程，因此，錨桿的受力情況必須結(jié)合圍巖狀態(tài)進行闡述。圖1-7 端頭錨固錨桿受力與松動圈關(guān)系A(chǔ)- 圍巖表面；B-松動圈邊界；C-錨桿錨固點(一)彈塑性圍巖狀態(tài)松動圈為零)假如開挖后圍巖只產(chǎn)生彈塑性變形，而沒有發(fā)生破壞，則圍巖松動圈為零，碎脹變形亦為零。由于彈塑性變形發(fā)生在錨桿安裝之前，因此錨桿的最大應(yīng)力將只是安裝應(yīng)力，由于這一應(yīng)力較小，可以認(rèn)為錨桿在這種圍巖

11、狀態(tài)下不起作用，所以，此時不需采用錨桿支護。(二)松動圈狀態(tài)如果開挖后產(chǎn)生松動圈，錨桿將因為圍巖AB間的碎脹變形，使AC間的距離加大(見圖1-6a)，從而使錨桿的拉應(yīng)力增大，當(dāng)圍巖松動圈達到C點時、錨桿的拉應(yīng)力達到最大值，其應(yīng)力增長與松動圈厚度值的關(guān)系如圖1-6b所示。錨桿沿桿體全長拉應(yīng)力均相等。如果圍巖松動圈厚度值繼續(xù)發(fā)展一直到松動圈厚度值達到C點時、則其C點為錨桿的最大理論應(yīng)力值，如果松動圈厚度值超過C點，則AC間的圍巖將會受到壓縮，錨桿的應(yīng)力將會減小，錨桿的工作應(yīng)力將取決于圍巖松動圈穩(wěn)定點的位置。另外，在實際工作中考慮到錨桿與圍巖的相對不密貼性及錨桿桿體在應(yīng)力增加時的彈塑性變形，在錨桿達

12、到工作拉力前(3040kN)，產(chǎn)生2050mm的伸長(包括錨桿與圍巖的不密貼及錨頭的受力滑移等)，這對錨桿受力有相當(dāng)大的影響，同時它將使圍巖松動圈的碎脹力得到部分釋放。其端頭錨固錨桿受力計算圖如圖1-8所示。圖1-8 端頭錨固錨桿受力計算（a）端頭錨固錨桿位移圖；（b）孔底位移系數(shù)變化圖由圖1-7可見；L+L表=L+L+L底+L頭所以，L= L表- L底-L頭假設(shè)，實測表明為小于1的系數(shù)，隨孔底深度而定，并與深度大體呈正比關(guān)系。如果實測L1.0m或2.0m處的位移系數(shù)為12，則存在：從錨桿拉拔試驗中可以得到錨頭與拉拔試驗力P的函數(shù)關(guān)系S頭f(P)，且此函數(shù)常可簡化為S頭P，對于粘結(jié)式錨桿則一般

13、假設(shè)S頭0。將有關(guān)公式代入上式，可得：L是錨桿桿體受力后的伸長量，則由虎克定律：式中： 桿體應(yīng)變； d桿體直徑； 桿體應(yīng)力； E桿體材料彈性模量。1.5.2 全長錨固單體錨桿作用機理圍巖松動圈是由巷道表面向深部發(fā)展的，因此全長錨固錨桿應(yīng)力來源于圍巖松動圈的產(chǎn)生、發(fā)展過程。而且剪應(yīng)力的大小、方向及中性點的位置亦不是固定不變的而是隨著圍巖松動圈厚度值的變化而變化，其剪應(yīng)力為零，且拉應(yīng)力最大的截面總是在松動圈界面上。所以全長錨固錨桿作用機理必須結(jié)合圍巖松動圈發(fā)展過程才能闡述清楚。（一) 彈塑性因素狀態(tài)(圍巖松動圈為零)當(dāng)圍巖松動圈為零即圍巖處于彈塑性圍巖狀態(tài)時，由于錨桿支護是在開巷后才安裝上去的，所

14、以圍巖的彈塑性變形量很小，錨桿的應(yīng)力也很小，僅維持安裝時的應(yīng)力。實際上，在這種圍巖狀態(tài)下，全長錨固錨桿仍然起不到實質(zhì)性的作用。利用相似模擬試驗可以證明錨桿支護可以改善或提高模擬巖石C、等值，對巖石原巖起到加固作用以防止圍巖破壞，但這只是實驗室理想狀態(tài)下的結(jié)果，而與現(xiàn)場實際工程圍巖狀態(tài)不符，因為在實際地下工程中，有兩點不可能實現(xiàn)：一是錨桿支護不可能做到及時支護，總是滯后一段時間；二是圍巖的彈塑性變形不能使錨桿的應(yīng)力達到其工作應(yīng)力狀態(tài)。（二) 松動圈圍巖狀態(tài)當(dāng)開巷后圍巖應(yīng)力大于圍巖強度時，巷道周邊圍巖發(fā)生破壞并向深部轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)圍巖松動圈，圍巖產(chǎn)生明顯碎脹變形后，即AC間巖石破壞碎脹，見圖1-9。圖

15、1-9 全長錨固錨桿應(yīng)力與松動圈的關(guān)系（a） 錨桿受力圖；（b）圍巖應(yīng)力圖1-錨桿；2-錨桿外端；3-錨桿里端；4-錨桿受力中性點靠近巷道表面的圍巖松動圈段錨桿因阻止破裂巖體碎脹徑向變形，錨桿表面產(chǎn)生指向圍巖自由面的剪應(yīng)力，其余一段錨桿因受AC段拉拔作用，BC段錨桿表面剪應(yīng)力指向巖體內(nèi)部，指向相反的分界點，此點剪應(yīng)力為零(稱之為中性點)而軸向力最大。此時中性點應(yīng)始終在圍巖松動圈界面上，從中性點向錨桿兩端軸向力不等，而剪應(yīng)力亦不等(12)。隨著圍巖松動圈向深部發(fā)展，碎脹變形的增大，錨桿的剪應(yīng)力和軸向力隨著圍巖松動圈的變化而變化，其中性點位置(圍巖松動圈界面點)亦向深部轉(zhuǎn)移。則此時中性點即是圍巖松

16、動圈(中小松動圈)邊界上的點，即：=LP當(dāng)圍巖松動圈厚度繼續(xù)發(fā)展以致超過錨桿長度后，則整個錨桿均處于圍巖松動圈內(nèi)，則此時錨桿錨固破裂巖體AB段碎脹變形不再增大，而表現(xiàn)為錨桿錨固段AB整體向巷道自由面位移。此時，錨桿所受拉應(yīng)力可能出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，即隨著AB段的壓實其應(yīng)力將減小。1.5.3 單體錨桿作用機理小結(jié)從上述單體錨桿作用機理探討中可知： (1)錨桿作用機理必須結(jié)合松動圈圍巖狀態(tài)及其發(fā)展過程進行正確地闡述； (2)在同樣條件下，錨桿單元面積上所受的力，端頭錨固錨桿的應(yīng)力將大于全長錨固錨桿，即要達到相同的錨固效果，端頭錨固錨桿所需錨桿桿體直徑比全長錨固錨桿桿體直徑大； (3)從組合拱觀點看，全

17、長錨固錨桿有利于抑制組合拱范圍內(nèi)巖層的碎脹變形，也有利于增強組合拱的強度及整體性，大松動圈圍巖(軟巖)巷道支護實踐證明全長錨固錨桿比端頭錨固錨桿錨固效果好，這是由于在軟巖巷道小，隨著圍巖的變形，端頭錨固錨桿的托盤有的與巷道壁脫離或破壞，此時錨桿將失去作用； (4)全長錨固錨桿中性點是一個動態(tài)點，它隨著圍巖松動圈的發(fā)展而變化，中小松動圈范圍內(nèi)，中性點的位置即是圍巖松動圈的外邊界點，且隨著圍巖松動圈的發(fā)展而變化，其中性點始終在松動圈的界面上，如果圍巖松動圈超過錨桿長度，全長錨固錨桿的中性點才穩(wěn)定在某一個位置上。2 群體錨桿支護作用機理及支護參數(shù)的確定2.1 小松動圈圍巖狀態(tài)依據(jù)圍巖松動圈分類方法，

18、當(dāng)圍巖松動圈厚度值LP040cm時，為小松動圈穩(wěn)定圍巖。在這類圍巖中，松動圈厚度值小，圍巖穩(wěn)定性好，由此而產(chǎn)生的碎脹變形量也較小，一般只有幾個毫米，變形量數(shù)值一般小于低應(yīng)力下錨桿彈塑性變形(金屬錨桿承受3040kN拉力時，伸長量已達2mm)，故不需考慮碎脹變形壓力因素，而且松動圈內(nèi)圍巖的自重亦很小，只用噴射混凝土支護就能保證工程的安全，所以不必采用錨桿支護或其他普通支護形式?，F(xiàn)場觀測也證明了這一點，例如某一人防工程開挖在石灰?guī)r山體中，埋探30l00m，采用錨噴支護施工后，對錨桿應(yīng)力進行了長達8個月的跟蹤監(jiān)測，錨桿應(yīng)力始終為零，表明錨桿支護在巖石沒有破壞產(chǎn)生大的變形量之前根本沒有起到支護作用。此

19、時噴射混凝土支護作用主要是為了防止圍巖的風(fēng)化潮解和活石(危險巖石)的掉落，如圖2-1（a）所示。支護的最大荷載是巖層節(jié)理、層理或爆破形成的裂縫所造成的孤立的可能落下的危險巖石重量。因此，只要噴射混凝土的支護抗力大于危石的重量，并提供足夠的防止風(fēng)化的保護噴層即可保證巷道工程安全長期使用。采用噴射混凝土支護危石時，噴層厚度太薄會產(chǎn)生圖2-1(b)所示的“沖切型”破壞，噴層與巖面間的粘結(jié)力太小會出現(xiàn)圖2-1(c)所示的“撕開型”破壞。因此，噴層的厚度可按以下方法確定：圖2-1 噴層支護危石（a） 噴層支護；（b）“沖切型”破壞；（c）“撕開型”破壞1- 噴層；2-危石(一)按“沖切型”破壞驗算噴層厚

20、度 b噴層厚度，m；G危石重量，一般由工程調(diào)查確定，N； S危石與噴射混凝土接觸面的周長，m； Rg噴射混凝土的抗剪計算強度，由施工現(xiàn)場確定，一般取Rg(46)×l05，Pa。(二)按“撕開型”破壞驗算噴層厚度式中 ： b噴層厚度，m； G危石重量，一般由工程調(diào)查確定； K0巖體抗拉彈性抗力系數(shù)，Pa； E噴射混凝土的彈性模量，Pa； S危石與噴射混凝土接觸面的周長，m； Rn設(shè)計噴射混凝土的粘結(jié)強度，由試驗確定，一船可取0.2MPa。當(dāng)按照上述公式計算出噴射混凝土的厚度小于50mm時，則為滿足防止圍巖風(fēng)化的要求，對于噴射混凝土一般噴厚應(yīng)大于50mm，考慮到地下工程的特殊性一般采用噴

21、層厚度為80100mm。2.2 中松動圈圍巖狀態(tài)錨桿支護機理及支護參數(shù)確定(一) 中松動圈錨桿支護作用機理依據(jù)圍巖松動圈分類方法，當(dāng)LP40150cm時，稱為中松動圈圍巖。中松動圈圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大。圍巖松動圈的碎脹變形將使剛性的噴射混凝土支護產(chǎn)生裂縫或破壞，即單一的噴射混凝土支護不能滿足工程安全的要求。因此，必須采用以錨桿為主體構(gòu)件的錨噴支護方式，以錨桿為主體支護結(jié)構(gòu)控制其碎脹變形，噴層將只作為錨桿間活石的支護和防止圍巖風(fēng)化。由于圍巖松動圈厚度小于常用錨桿長度，因此可采用錨桿懸吊作用機理來設(shè)計支護參數(shù)，錨桿支護的最大荷載，可用下式表示：P(支護力)max 松動圈形成的碎脹變形力

22、，松動圈內(nèi)巖石自重，彈塑性變形力在此有必要說明的是由于圍巖松動圈巷道支護理論從分析圍巖客觀物理狀態(tài)入手，認(rèn)為現(xiàn)有支護手段(包括錨桿支護)在時間上都滯后于巷道開挖一定的時間，而且任何滯后支護都與圍巖存在著一個架設(shè)的自然間隙(錨桿約為35cm)。這個間隙足以使錨桿在尚未達到工作狀態(tài)前，圍巖松動圈已產(chǎn)生和發(fā)展，實際上在錨桿支護達到其設(shè)計錨固力之前，其碎脹變形巳釋放掉大部分，圍巖松動圈已發(fā)展到一定程度。再者圍巖碎脹力作用時間與松動圈內(nèi)巖石自重產(chǎn)生的時間也不完全一致(重力滯后)，而且圍巖松動圈以外巖石的彈塑性變形量很小，可以在工程中忽略不計。在實際工程中，在中松動圈圍巖條件下，用直徑1416mm的A3鋼

23、制成的錨桿尚沒收集到拉斷的實例。因此，對于中松動圈圍巖狀態(tài)支護的主要對象(最大荷載)來講，其碎脹力只有小部分松動圈碎脹變形作用到錨桿上。在目前各類巖石碎脹力研究尚不充分的條件下，其最大荷載可簡化為圍巖松動圈內(nèi)巖石的自重。用懸吊理論設(shè)計錨桿支護參數(shù)將其松動圈內(nèi)巖石懸吊在圍巖松動圈外的圍巖中，所以上式可簡化為：P(支護力)=松動圈內(nèi)巖石自重大量的工業(yè)性試驗證明，中松動圈圍巖以懸吊理論進行錨桿支護設(shè)計，將支護的最大荷載簡化為松動圈內(nèi)巖石的重力，符合圍巖實際物理狀態(tài)，用其確定的支護參數(shù)經(jīng)濟合理安全可靠。(二) 中松動圈錨桿選型及錨桿支護參數(shù)設(shè)計1. 錨桿類型的選擇及布置 (1)錨桿選型。如上所述，在中

24、松動圈圍巖中，由于錨桿安裝在圍巖松動圈形成過程中，其松動圈碎脹變形作用到錨桿上的碎脹力較小，故可簡化為重力計算。因其支護荷載不大，所以采用端頭錨固錨桿或全長錨固錨桿只要其錨固力符合要求均可。但從施工管理及經(jīng)濟角度看，優(yōu)先選擇端頭錨固錨桿支護為宜。(2)錨桿布置。地下工程中，圍巖一般有層理、節(jié)理面、爆破破裂面，以及在松動圈內(nèi)以切向為主的破裂面，因此圍巖松動圈巷道支護理論主張錨桿的布置一律盡量垂直于巷道的切向(矩形和梯形斷面除外)，其間、排距一般相同，見圖2-2。 圖2-2 錨桿懸吊理論計算1- 噴層；2-錨桿；3-圍巖松動圈；4-穩(wěn)定巖層2錨桿支護參數(shù)的確定 (1)錨桿長度的確定。松動圈支護理論

25、經(jīng)過大量工程實驗證明，在中松動圈條件下將松動巖石的重量用錨桿懸吊在松動圈以外的圍巖中可以有效的進行支護(見圖2-3)，因此，其錨桿長度可按下式確定：L=L1+LP+L2式中：L錨桿長度，mm；L1錨桿的外露長度，常取L150100mm；LP圍巖松動圈的值，mm；L2錨桿錨入彈塑性區(qū)的深度，一般為300400mm,圍巖強度較小時取較大值，反之取較小值。從錨桿長度的確定方法可知,錨桿懸吊支護的對象是松動圈內(nèi)巖石，其懸吊點是松動圈外巖石彈塑性應(yīng)力區(qū)，不再尋找更硬的巖石。這樣，懸吊理論的應(yīng)用范圍將擴大，并且所確定的參數(shù)將更可靠和合理。(2)錨桿間排距的確定。如果采用等距離布置，每根錨桿所負(fù)擔(dān)的巖體重量

26、為其所承受的荷載，可按下式計算：QLPa2 Q單根錨桿負(fù)擔(dān)巖石重量，kg；巖體的容重，kgm3；a錨桿的間排距,m。從上述公式中可以看出，錨桿的拉應(yīng)力、間排距、錨桿直徑互為函數(shù)的關(guān)系，即確定了其中任意兩個量后，可求出另一個量。在實際工作中，錨桿直徑由于施工的要求，其直徑不宜小于14mm(多在1625mm范圍內(nèi)選擇)；對于錨桿的間排距，往往是根據(jù)錨桿間巖體的完整情況及工程類比法確定，如圖2-3所示。圖中陰影處巖體的穩(wěn)定與錨桿長度和直徑無關(guān)，如果計算所選的間排距超過1.0m時，應(yīng)適當(dāng)縮小間排距或者采取加網(wǎng)等措施。圖2-3 錨桿間活石1-錨桿；2-錨桿支護區(qū)；3-錨桿非支護區(qū)；4-混凝土噴層(3)錨

27、桿直徑的驗算。如的所述，錨桿直徑不宜小于14mm，根據(jù)工程類比法選用后按下式驗算：由P=Q得：式中 P錨桿桿體的承載力； Q錨桿的錨固力，根據(jù)現(xiàn)場實測錨固力拉拔試驗數(shù)據(jù)確定。 3噴層厚度的確定中松動圈圍巖錨桿是支護的主體，松動圈巖體的碎脹力(簡化為重力)由錨桿承受。噴層只起局部支護作用，即錨桿間的表面支護、控制錨桿間非錨固區(qū)危石的墜落以及防止圍巖風(fēng)化。由于上述按錨桿活石重量的計算方法，僅考慮松動巖塊的重量，未考慮圍巖變形對噴層的壓力，其科學(xué)性、準(zhǔn)確性難以確定，所以噴層厚度多依據(jù)工程類比法確定，中松動圈條件下一般為50100mm。2.3 大松動圈圍巖狀態(tài)錨稈支護作用機理及支護參數(shù)確定 (一)大松

28、動圈錨桿支護作用機理依據(jù)圍巖松動圈分類方法，當(dāng)LP150cm時，為大松動圈圍巖狀態(tài)。在大松動圈圍巖巷道中，圍巖表現(xiàn)出軟巖的工程特征，圍巖松動圈碎脹變形最大，初期圍巖收斂變形速度快，變形持續(xù)時間長，礦壓顯現(xiàn)大，支護難度大。支護不成功時，巷道底板出現(xiàn)底鼓，在這種條件下，如果用懸吊理論設(shè)計錨桿支護參數(shù)，常因設(shè)計錨桿過長、過粗而失去其普通應(yīng)用的價值。 如上單體錨桿作用機理所述，錨桿安裝總是在圍巖松動圈巷道支護形成之前，當(dāng)松動圈厚度值發(fā)展到錨桿端頭時，錨桿的拉應(yīng)力達到最大值，同時圍巖松動圈內(nèi)圍巖將承受相等的反作用壓應(yīng)力。在單根錨桿作用下每根錨桿因受拉應(yīng)力而對圍巖產(chǎn)生擠壓，在錨桿兩端周圍形成一個兩端圓錐形

29、的受壓區(qū)，合理的錨桿群可使單根錨桿形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)系起來，形成一個厚度為b的均勻壓縮帶。對于拱形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成拱形；對于矩形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成矩形結(jié)構(gòu)，見圖2-4，統(tǒng)稱之為組合拱作用機理。圖2-4 群體錨桿形成的組合拱（a） 組合拱示意圖；（b）組合拱參數(shù)計算示意圖1-錨桿；2-混凝土關(guān)于組合拱的存在問題，國外已進行過試探性的模型試驗，對組合拱的存在作了概念性的推理和描述，但是未能回答組合拱相關(guān)的重要參數(shù)。我們在1985年利用當(dāng)時最完善的真三軸試驗臺對組合拱進行了相似模型試驗，第一次將組合拱拍攝成照片，見圖2-5所示。圖2-5 相似模型試驗組合拱圖2-5中，圍巖松

30、動圈已經(jīng)發(fā)展到模型的邊沿，而錨桿所控制的圓形巷道的圍巖形成了組合拱進入支護，保持了巷道的穩(wěn)定。 (二)錨桿支護組合拱的基本參數(shù)1. 組合拱的厚度依據(jù)圖2-4(b)的幾何關(guān)系,可用下式計算組合拱的厚度：式中 b組合拱的厚度； l錨桿的有效長度； a錨桿的間排距； 錨桿對破裂巖體壓應(yīng)力的作用角，經(jīng)試驗知接近45° 。因此,組合拱的厚度可按下式計算：b=l-a由上可見，加長錨稈、減少錨桿間排距可以增大組合拱的厚度，使圍巖更加穩(wěn)定。另外值得注意的是：從圖2-5模型試驗可以看出組合拱的厚度為錨桿的長度，這是組合拱在穩(wěn)定條件下的現(xiàn)象。2破裂巖體錨固體強度及組合拱的強度松動圈內(nèi)破裂巖體所形成的組合

31、拱必須有足夠的支護能力，才具有支護的充分條件。它的支護能力決定于巷道的形狀和破裂巖體(松動圈內(nèi)圍巖)錨固體的強度和性質(zhì)。組合拱的單位面積承載力為：式中 p組合拱單位面積承載能力，MPa； 破裂巖體錨固體強度，可取巖塊強度的8090；R巷道凈半徑； b組合拱厚度。則組合拱單位長度的承載能力為：P2Rp2.4 錨桿支護機理的幾個理論問題(一) 錨桿支護作用機理應(yīng)根據(jù)圍巖狀態(tài)判定 錨桿支護的機理問題總處在爭論狀態(tài)，其爭論點總是對圍巖狀態(tài)的確定。全煤巷錨桿支護的應(yīng)用(甚至包括黃土窯洞)，使人們對最古老的懸吊理論和組合梁理論產(chǎn)生了懷疑，圍巖松動圈理論的出現(xiàn)可以使人們看到彈性理論觀點的局限性。圍巖松動圈支

32、護理論根據(jù)厚度值的大小來確定錨稈的支護機理。如果在開巷后圍巖處在彈性狀態(tài)(小松動圈狀態(tài))，圍巖可以自穩(wěn)，不存在支護問題，這是噴射混凝土單獨支護的應(yīng)用范圍，噴射混凝土可以防止圍巖的風(fēng)化和危巖的掉落。當(dāng)圍巖松動圈處在中松動圈狀態(tài)時，松動圈以外的圍巖可以自穩(wěn)*用懸吊理論所確定的錨桿支護參數(shù)最優(yōu)；當(dāng)松動圍厚度值大于15m時、圍巖將顯現(xiàn)出各種軟巖支護的特征，則可以利用錨桿的應(yīng)力使破裂的圍巖恢復(fù)強度形成可縮的組合供進行支護即組合拱理論。當(dāng)然，在大松動圈圍巖狀態(tài)下，采用懸吊理論也是可行的，但是錨桿支護的參數(shù)不合理。因此，錨桿支護的作用機理不能用某一個理論去解釋、應(yīng)當(dāng)根據(jù)圍巖狀態(tài)采用不同的機理確定支護參數(shù)，以

33、達到安全經(jīng)濟的目的。(二) 圍巖加固理論的商榷錨桿對圍巖的加固作用已被較多的人接受，但是存在著不同的理解，彈塑性理論認(rèn)為錨桿能對原巖起加固作用，因此假設(shè)錨桿一開始就在設(shè)計應(yīng)力下對原巖起作用，將一般錨桿仟當(dāng)作預(yù)應(yīng)力錨桿。如果將錨桿看作開始時只有較小應(yīng)力，隨著錨頭與墊板間巖石破裂膨脹(碎脹)，錨桿的應(yīng)力才能逐步提高。則錨桿對原巖的加固能力就比較有限了。從對破裂巖石錨固體強度的試驗可以看出，有無錨桿在巖石未破裂前其曲線基本上是重合的，不能得出錨桿能對原巖有加固作用的結(jié)論。只有當(dāng)巖石破裂后，產(chǎn)生了較大的碎脹變形，錨桿對破裂巖體的加固作用才顯現(xiàn)出來。因此，錨桿對圍巖的加固作用，應(yīng)解釋為對破裂巖體的加固、

34、或者說錨桿巖石只有在巖石破裂后(弱化)才能真正發(fā)揮加固作用。(三)中松動圈圍巖狀態(tài)下采用組合拱理論問題的討論關(guān)于中松動圈圍巖狀態(tài)是否可采用組合拱理論來設(shè)計錨桿支護參數(shù)問題，從理論上講可以采用，但由于松動圈厚度值較小，用組合拱設(shè)計的錨桿長度較短，在實際地下工程支護中存在著兩方面的不安全因素：一是巷道壁表面施工質(zhì)量問題，由于圍巖客觀情況的變化及施工管理上的難度，目前很難嚴(yán)格達到光面爆破標(biāo)誰，不可避免的存在著超(欠)挖問題，二是錨桿施工質(zhì)量問題，由于圍巖松動圈厚度值較小，采用組合拱理論設(shè)計時，其錨桿的長度一般均小于常用錨桿的長度(1.11.5m)，一旦某幾根錨桿因角度、間排距或錨固力等問題在施工質(zhì)量

35、上不合格，則由于錨桿較短，形成的組合拱太薄而可能導(dǎo)致組合拱的失效。因此，在中松動圈圍巖狀態(tài)下，為達到安全、經(jīng)濟的目的，應(yīng)該采用懸吊理論設(shè)計錨桿支護參數(shù)。(四)錨桿的時效性錨桿桿體長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其它兩個方向的尺寸，力學(xué)上屬于桿件。可以提供兩方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪作用?？箯澞芰涂箟耗芰Ψ浅Ｐ?。錨桿的作用(1) 錨桿的早期作用錨桿早期作用：阻止破碎巖塊掉落并抑制淺部圍巖擴容和離層。錨桿安裝越及時，預(yù)緊力越大，支護效果越好。錨桿沒有預(yù)緊力，只有當(dāng)巖層產(chǎn)生一定變形時錨桿才有載荷，不能控制在這以前頂板巖層的離層和失穩(wěn)。預(yù)應(yīng)力太小也不能起到良好效果。錨桿安裝不及時，較大范圍內(nèi)的巖層已產(chǎn)生

36、滑動、失穩(wěn)、離層，巖層承載能力喪失很大，再打錨桿，不會取得良好的錨固效果。(2) 錨桿的中期作用隨著時間推移，圍巖破壞范圍逐漸擴大。錨桿能伸入穩(wěn)定巖層時，其作用為：將破壞區(qū)巖層與穩(wěn)定層相連，阻止破壞巖層垮落。錨桿提供徑向和切向約束，阻止破壞區(qū)巖層擴容、離層、滑動，從而提高其承載能力。錨桿不能伸入穩(wěn)定巖層時，其作用主要是在破壞區(qū)內(nèi)形成次生承載層，它可以阻止上部破壞巖層的進一步擴容和離層。次生承載層厚度的影響因素很多，而且是不斷變化的。當(dāng)其遠(yuǎn)小于巷道尺寸時，必須考慮壓曲失穩(wěn)和彎曲失穩(wěn)。(3) 錨桿的后期作用當(dāng)次生承載層壓曲失穩(wěn)后，如果能滿足塊體咬合平衡，巷道頂板仍能保持穩(wěn)定。兩傾斜錨桿作用明顯，它

37、不僅可以阻止破壞巖層滑落，同時有一定的控制轉(zhuǎn)動的作用。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)動角度較大時，要求傾斜錨桿承受的載荷很大，平衡不易滿足，因此，錨桿群支護很容易失穩(wěn)、垮落，而且傾斜錨桿端部的巖層因受力過大也會發(fā)生破壞。組合構(gòu)件的作用，減小了頂板巖層發(fā)生轉(zhuǎn)動失穩(wěn)的可能性。同時，托梁均衡了角錨桿端頭巖層受力，使其工作阻力得以充分發(fā)揮，阻止頂板巖層的滑落失穩(wěn)。托梁與角錨桿共同作用組成了一個組合支護統(tǒng)，即使頂板中部錨桿的作用不大，也能保持頂板巖層的穩(wěn)定性。3 錨桿在地下工程中的使用3.1 鋼帶在地壓大、圍巖松軟破碎的情況下，為了增大錨桿承載面積，防止或減少錨桿之間巖石冒落，并將各單個錨桿聯(lián)接起來組成一個整體承載結(jié)構(gòu)，我

38、國礦山通常采用鋼帶或各種鋼粱與錨桿組合，形成錨桿鋼帶或錨桿鋼粱加固系統(tǒng)。3.1.1 鋼板梁將4mm厚的鋼板用電弧槍切割成寬100mm左右、長1.01.8m的條帶，再在鋼板梁上按錨桿設(shè)計的間排距鉆錨桿眼，即成為鋼板梁，但應(yīng)特別注意錨桿孔的位置、孔間距要和梁孔間距相適應(yīng)，否則無法安裝。鋼板梁的剛度和受力性能較差，因而用的較少。3.1.2 W型鋼帶為改善鋼帶的受力狀況，增加鋼帶的整體剛度和強度，最近幾年我國一些礦務(wù)局普遍采用W型鋼帶。W型鋼帶可由鋼板加工而成，也可由軋鋼廠生產(chǎn)專門的定型產(chǎn)品，其斷面形式為W型，故稱為W型鋼帶，這種鋼帶的剛度和抗彎能力比鋼板鋼帶高46倍，控制桿間巖體的能力大大增加，但其

39、制作較麻煩，成本較高。W型鋼帶的結(jié)構(gòu)如圖3-1。圖3-1 W型鋼帶結(jié)構(gòu)圖 W型鋼帶參數(shù)系列見下表。W型鋼帶參數(shù)表寬度W（mm）厚度T（mm）高度H（mm）L0（mm）B（mm）長度L（mm）2202.50251502001302.03.42502.75251503.64.42803.00251503.65.0W型鋼帶的力學(xué)參數(shù)見下表。W型鋼帶的力學(xué)參數(shù)表寬度（mm）展寬（mm）厚度（mm）孔寬度（mm）截面積（mm2）初始屈服載荷（kN）拉斷力（kN）慣性矩（mm4）單位重量（kg/m）220265.82.5040564.468.3246.734317.15.2250295.12.754070

40、1.583.5306.639277.26.3280324.43.0040853.21001.0372.943884.57.63.1.3 鋼筋梁W型鋼帶制作比較麻煩，錨桿眼距要求嚴(yán)格、鋼材消耗量大，且價格較高。因而，許多煤礦用鋼筋制作鋼筋梁（梯形鋼帶或圓鋼鋼帶）。其結(jié)構(gòu)如圖3-2。圖3-2 鋼筋梁結(jié)構(gòu)圖鋼筋托梁參數(shù)系列見下表。鋼筋托梁參數(shù)系列表鋼筋直徑（mm）托梁寬度W（mm） 加強筋間距L1（mm）L0（mm）長度L（m）1460100601001002002.02.6162.43.0182.63.4203.24.0鋼梁的選料范圍較寬，可以采用槽鋼、角鋼或U型鋼制成，如圖3-3、圖3-4所示。

41、圖3-3 鋼帶和鋼梁結(jié)構(gòu)示意圖（a）鋼帶；（b）槽鋼梁；（c）角鋼梁；（d）U型鋼梁 圖3-4 W、M型鋼鋼帶3.1.4 托板托板也稱墊板或托盤。是錨桿支護系統(tǒng)中的一個重要部件，它的力學(xué)性能直接影響整個錨桿的支護效果。選擇托板的原則是使托板的承載能力與錨桿桿體的承載能力相匹配。1.木托板 用于木錨桿和竹錨桿，規(guī)格一般為400mm×200mm×50mm ，可用普通木材制作。2.鑄鐵托板150mm，厚1015mm。3.鋼板托板由鋼板切割而成，規(guī)格為150mm 200mm×150mm200mm，厚810mm。4.BHT型托板(1)BHT-A型托板：該托板是與頂板垂直錨桿

42、配套使用的，具有較高的承載能力和較好的變形量。規(guī)格為128mm×30mm-150kN，見圖3-5。圖3-5 BHT-A型托板 （2）BHT-B型托板：該托板是與靠巷幫布置的傾斜錨桿配套使用。托板同樣具備較高的承載能力與變形性能，而且有利于傾斜錨桿的最佳工作狀態(tài)。托板包括兩部分，即托板與托板座，如圖3-6 所示。圖3-6 BHT-B型托板3.2 頂板桁架錨桿是噴錨支護中的一個重要組成部分。有時在噴錨聯(lián)合支護中錨桿起著主要作用。錨桿除去與噴射混凝土聯(lián)合使用外也可以單獨使用。在隧道開挖的過程中用錨桿作為保證施工安全的臨時支護是很方便的。在一些小跨度的巷道，為了簡化工序，節(jié)省材料，也常常單獨

43、用錨桿來支護。在這些情況下，為了防止兩根錨桿之間巖塊的掉落可輔以鐵絲網(wǎng)、橫梁、背板等。在礦山工程中國外曾采用過一種“頂板桁架” (roof truss)來支護巷道的頂板。所謂“頂板桁架”乃指在頂板安裝兩根呈倒八字形的傾斜方向的錨桿，將錨桿的外留部分用一根水平拉桿聯(lián)結(jié)在一起，安設(shè)木楔塊，然后通過擰緊螺旋將拉桿拉緊。這樣，錨桿、拉桿、楔塊和巖石組合在一起，形成一種類似桁架的結(jié)構(gòu)，以支護地層。頂板們架的結(jié)構(gòu)形式及作用原理分別示于圖3-2及圖3-3。錨桿的種類很多，可根據(jù)具體工程對象、圍巖條件和支護要求加以選用。圖3-2 頂板桁架圖3-3 頂板桁架作用原理示意圖按對圍巖的作用方式，可把錨桿分為“點狀錨

44、固”及“沿全長錨固”兩種。3.3 點狀錨固錨桿各種類型的機械錨固的錨桿按其對圍巖作用的方式而論均屬于“點狀錨固”錨桿。這類錨桿通過端部的錨頭(或稱錨索)錨固在圍巖中，在桿體另一端則由墊板同巖面接觸，并通過擰緊螺栓使墊板與巖面貼緊。很明顯，“點狀錨固”的錨桿僅僅在兩端同圍巖聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)圍巖變形時，錨桿的變形在錨頭和墊板這兩點上與之協(xié)調(diào)。在這種變形過程中，錨桿通過墊板對圍巖提供一個集中的支護抗力，與此同時在錨頭處也對巖體作用一相應(yīng)集中力，從而對圍巖產(chǎn)生支護作用。相應(yīng)地，錨桿自身也在兩端受到兩個集中力的張拉。因此，在點狀錨固錨桿的桿體中應(yīng)力是均勻分布的(見圖23d)。點狀錨固的錨桿的特點是安裝容易

45、、工藝簡單、安裝后立即起到支護作用。缺點是由于在巖孔中桿體與巖壁間存在可隙，所以在地下水的作用下桿體容易銹蝕。而且，時間久了錨頭容易滑動，特別是在軟巖中，錨頭的錨固是不可靠的。因此，這種類型的錨桿一般宜于用作施工中的臨時支護或用于服務(wù)年限不太長的隧道中。3.4 沿全長錨固的錨桿各種類型的灌漿錨桿例如水泥砂漿錨桿、樹脂錨桿等按對圍巖的作用方式而論均屬“沿全長錨固”的錨桿。這種錨桿的特點是安裝時必須在巖孔中灌漿，使桿體與孔壁間的空隙用水泥砂漿(或樹脂等其他材料)填充，當(dāng)其凝結(jié)、硬化后，桿體就“沿全長”錨固在圍巖中。這種錨桿同圍巖的聯(lián)結(jié)通過灌漿材料硬化后所產(chǎn)生的巖壁與桿體之間的粘結(jié)力。沿全長錨固的灌

46、漿錨桿與點狀錨固錨桿相比，防止了桿體的銹蝕，錨固作用耐久可靠。同時由于這種錨桿沿全長同圍巖結(jié)合在一起，當(dāng)圍巖變形時，錨桿的變形將沿全長與之協(xié)調(diào)。如果說點狀錨固錨桿的安裝相當(dāng)于在圍巖中的兩點之間增加了一根拉桿(二力構(gòu)件)，那么沿全長錨固的錨桿的安裝相當(dāng)于在巖體中配置了一根沿全長與之結(jié)合在一起的鋼筋。后者對圍巖的支護顯然更為有效茲舉例說明之：如圖3-4所示，圍巖頂板中有一節(jié)理面，為了阻止頂板的離層安設(shè)了25米長的錨桿。當(dāng)頂板在該節(jié)理面發(fā)生離層時錨桿受到張拉，同時對圍巖產(chǎn)生作用力，防止離層的進一步發(fā)展。如果安裝的是點狀錨固的錨桿，則離層時整根桿體都產(chǎn)生均勻拉伸，當(dāng)離層位移1mm時，錨桿中產(chǎn)生的應(yīng)變：

47、圖3-4 點狀錨固式錨桿錨桿中的應(yīng)力：錨桿所提供的防止圍巖離層的支護抗力：式中：F支護抗力；s桿體截面積，取s=3.14厘米2。若采用沿全長錨固的灌漿錨桿(如圖3-5)，則頂板離層時桿體的變形主要集中在節(jié)理面附近處。該處由于離層時桿體的拉伸，有一部分砂漿粘結(jié)強度被破壞。假定粘結(jié)強度被破壞的長度a25厘米，則當(dāng)巖層產(chǎn)生離層位移1mm時，該處桿體中的應(yīng)變?yōu)椋簣D3-5 沿全長錨固式錨桿錨桿中的應(yīng)力：錨桿所提供的防止圍巖離層的支護抗力：從此例可見沿全長錨固的灌漿錨桿所提供的支護抗力比點狀錨固描桿大10倍。當(dāng)然，沿全長錨固錨桿粘結(jié)強度被破壞的砂漿長度a是根據(jù)砂漿粘結(jié)強度的不同而變的，所以不能說沿全長錨固錨桿所提供的抗力正好是點狀錨固錨桿的10倍。但可以肯定，沿全長錨固錨桿所提供的抗力比點狀錨固的錨桿大得多。洛陽總參工程兵科研三所的顧金才教授在2006年11月8日11月10日在上海同濟大學(xué)召開的中國土木工程學(xué)會第十二屆年會暨隧道及地下工程分會第十四屆年會中作了巖土工程抗爆結(jié)構(gòu)模型試驗裝置及其工程應(yīng)用的報告，試驗的主要目的是找出一種合理的地下工程結(jié)構(gòu)模型來有效抵抗導(dǎo)彈及核武器對地下工程的破壞，通過試驗發(fā)現(xiàn)：全長錨固式錨桿對于加固圍