前言： 岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支. 锚固技术,国内习惯统称为锚杆支护技术,国外一般称锚固技术或锚杆加固技术.它是一种结构简单的主动支护,它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展,充分发挥围岩自身的支撑作用,把围岩从荷载变为承载体,变被动支护为主动支护,且具有运输施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点. 自1872 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912 年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来,锚固技术至今已有100 多年的发展历史. 锚固技术作为一种技术经济优越的技术手段,越来越广泛地应用于各个工程领域,目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家,而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中,伴随着“21 世纪- 地下工程的世纪”的来临,可以预见,该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用。
1 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:
1. 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。
1. 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。
1. 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。
2 国外锚固技术与理论研究的发展现状
世界主要产煤国家, 近些年来锚杆支护技术发展很快。继几乎全部使用锚杆支护的美国、澳大利亚之后, 英国也迅速赶了上来,经过几年的发展, 锚杆支护在煤矿占了主导地位英国自年从澳大利亚引进技术之后, 到年的锚杆支护比例从年的零上升到以上。目前, 澳、英两国正向国外积极推销他们的锚杆支护技术。印度、印尼、波兰、日本、南非等国都程度不同地予以引进。一向以型钢可缩性支架支护技术著称的德国, 虽然采深大、地压大, 但近年来也在积极探索锚杆支护的可行性。这些事实表明, 巷道锚杆支护技术已成为世界性发展趋势。
2、1 关于锚杆加固围岩的作用机理
美国因其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低,因此倾向于悬吊理论和组合梁(加固岩梁)理论,而英国、澳大利亚巷道以受水平应力影响为主,尤其是澳大利亚相对英国其巷道围岩变形量及最大水平应力更剧烈,一般而言,英国、澳大利亚锚杆支护的设计理论倾向于加固拱(挤压支承拱) 理论。
2、2 关于锚杆加固设计方法
美国目前有两种基本设计方法: 一为经验法,即是建立在以往解决岩层控制的经验基础上的设计方法。该方法的主要缺点是强调了顶板控制问题的本身,而缺乏对引起顶板不稳定的内在原因的注意,即由于顶板条件的不同,经验法并不全都有效。二为理论法,亦称客观法,即是建立在解决顶板支护问题的顶板和岩石力学理论基础上的设计方法。该方法一般是通过公式或者估算确定有关参数,有代表性的是兰和比肖夫RRU 准则和帕内克设计诺模图。实践中常采用将上述两种方法相结合的设计方法。澳、英两国在原采用理论法和经验性或试探法的基础上,认为锚杆加固设计必须保证巷道始终处于可靠的状态,而可靠的设计方法必须以对开挖引起的岩层变形、锚杆受力及加固效果的精确测量为基础。在此基础上认为应采用以下两种手段相结合的设计方法:一进行巷道监测,确定围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆加固特性;二利用计算机模拟技术,模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与锚杆加固的特性,以及评价新选择的各种锚杆加固。澳大利亚把该设计方法的实施具体分为4个步骤 : (1) 地质力学评估,包括对巷道围岩(顶底板及煤层) 力学性质测定、地应力(3 个主应力的大小和方向) 测试和现场调查; (2) 初始设计(即利用计算机数值模拟方法在巷道开掘以前进行) ; (3) 现场监测(即利用测力锚杆及位移计等对锚杆受力及围岩位移进行适时观测) ; (4) 信息反馈和修改、完善设计(根据现场监测的数据与曲线与初始设计进行对比,若相同则证明初始设计正确,否则应修正初始设计,调整锚固结构和参数,完成最终设计) 。这个设计方法已被证明是成功的。
3 国内锚固技术与理论研究的发展现状
我国在1955 年开始使用锚杆,但只是在近些年,我国锚固技术尤其是煤炭锚杆支护技术才得到迅速发展。回顾我国锚固技术的发展,大体可分3个阶段:
(1) 初期阶段。50～60 年代,以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表,锚杆没有托板(盘) ,锚杆相互间缺乏联系,在这种情况下,锚杆只起悬吊作用,被动承载而不与围岩共同作用。当时由于盲目扩大这类锚杆的应用范围,致使部分井巷冒顶失修,实际上阻碍了锚杆支护的发展。
(2) 组合锚杆支护阶段。70～80 年代,国家“七五”和“八五”科技攻关将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方向之一,使锚杆支护技术有了新的发展,进入了以钢带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段。尽管这一阶段开发了多种结构形式的锚杆如各结构形式的可拉伸锚杆等,但仍以水泥药卷钢筋锚杆为主且尾部增加了托盘(板) 和螺母。这一阶段中虽然也提出了锚杆施加预紧力问题,如我国规范规定锚杆螺母拧紧扭矩不应小于100N ·m ( 对于«16mm锚杆相应的预紧力不足20kN) ,然而规定的数值过低,施工中又缺乏保证,因而围岩和锚杆体系仍不能共同协调承担载荷,固岩和锚杆易被“各个击破”,限制了锚杆支护的进一步扩大应用。以下为锚杆技术在我国的发展情况。
3. 1 应用领域和规模不断扩大
锚杆支护技术除在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程中继续保持着良好的发展态势外,在重力坝加固工程、桥梁工程以及抗倾覆、抗地震工程中也有了长足的进展。我国锚杆的发展,自1993 年至1999 年,据初步统计,仅边坡工程与深基坑工程,锚杆的年用量约为3 000 km～3 500 km
1. 2 标准化建设日趋完善
中国于1986 年颁发了国家标准GBJ 86285 锚杆喷射混凝土支护技术规范,1990 年颁发了CECS 22∶90 土层锚杆设计施工规范,2001 年,修订后的GB 5008622001 锚杆喷射混凝土支护技术规范已经出台。锚杆支护标准化建设的逐步完善,对我国锚杆应用的健康发展发挥了重要作用。
1. 3 高承载力锚杆的应用稳步增长
近十年来,用于加固重力坝的锚杆的极限承载力、长度和锚固力的集中度均有稳步增长的趋势。国内石泉、李家峡等电站的混凝土重力坝相继采用承载力设计值为6 000 kN～10 000 kN 的预应力锚杆加固。李家峡电站在大坝加固中应用了承载力设计值为10 000 kN 的预应力锚杆。我国高承载力锚固体系的设计和施工开始进入世界先进行列。
4 现存的主要问题
(1) 锚杆各种作用效应的实现有赖于轴向承载能力的充分发挥,而全长锚固时锚杆中的最大轴力产生于锚杆中部区域的中性点,即最大轴力没有完全转化为对巷道围岩表面的托锚力,使围岩应力状态没有得到最大程度的改善。
(2) 对锚固结构的变形机理及变形适应性的认识还很缺乏。对锚固体的结构特征及作用机理的认识还不够全面、准确。对锚杆支护的对象及任务的认识还不够明确与具体。
(3) 深部围岩所受地压大,围岩条件复杂,锚杆支护难度大。
(4) 现有锚杆支护理论存在一定的局限性,难以满足复杂条件下,尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。
(5) 锚杆支护结构与围岩间的相互作用规律及效果尚不清楚,即不同的锚杆支护结构在不同的围岩条件下将会起到什么样的支护效果还无法把握,尤其是对破碎及松动变形范围内的锚固体所能形成的平衡结构形式及其力学特性还缺乏较深入的研究。有关整体锚固结构的研究比较缺乏。
5 锚杆支护技术的发展方向及应用前景
5、1 进一步完善锚杆支护理论和技术
现有锚杆支护理论存在一定的局限性,难以满足复杂条件下,尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。现有的悬吊、组合梁、加固拱等理论,也均是针对一般巷道提出的;而对于回采巷道,仍沿袭传统的锚杆支护设计方法,缺乏合理性和可靠性。所以,有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上,探索锚杆支护理论。
5、2 锚杆支护监测技术及设计方法的研究
新的巷道支护监测技术,力争在不破坏围岩及支护结构的前提下,能够实现对围岩支护结构的应力、变形、离层以及破坏状态等信息的快速量测,为及时修正支护设计提供可靠依据,为准确揭示锚杆的作用机理、把握锚杆的作用创造条件,建立完善的锚杆支护设计体系。
5、3 发展组合锚杆支护技术
实践证明,对于岩体较破碎巷道或煤层巷道,单纯的锚杆支护不能满足支护要求,需根据不同的地质条件,采用适当的锚棚联合支护、锚杆金属网联合支护等等。因此,注重研究组合锚杆是锚杆技术发展的方向之一。
5、4 支护材料标准化
对锚杆杆体、螺帽、木垫板、铁托盘、锚固剂等严格按照质量标准和检验标准进行检查,不合格产品严禁入井,确保锚杆支护发挥最大作用。锚杆支护能主动地加固围岩,最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,控制围岩变形、位移和裂隙的发展,充分发挥围岩自身的支承作用,变被动支护为主动支护,有效地改善矿井的支护状况,具有施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好,已经成为当今巷道支护改革的主要趋势。
6 结语
锚杆支护施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低,支护效果好,并且技术还有许多提高的空间,它在岩土工程中的应用范围和地位也会随着其技术水平的提高而不断地扩大和发展。
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