锚杆支护技术的应用现状与发展前景

锚杆支护技术的应用现状与发展前景于富才1）杨宏2）冉启发3）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［１－１１］．1.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．1.1 锚杆支护理论岩土体在工程开挖之后，其初始的应力平衡状态会遭到破坏，为了达到新的平衡状态，应力场将重新分布，从而导致岩土体在一定范围内出现弹塑性变形、地层膨胀变形，使岩土体出现碎裂带；若地层开始处于高应力状态，还可能发生岩爆，严重的影响工程质量，威胁施工人员的安全．锚杆加固技术是一种柔性加固技术，它能充分利用岩土体自身的承载力保持岩体的稳定，使加固体不被破坏．它本质就是通过锚固加强岩土体的整体性，控制开挖后岩土体的变形，避免应力的突然释放，从而保证工程顺利、安全地进行．1）目前，已经广为接受的锚杆支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论和组合拱（压缩拱）理论．①悬吊理论认为锚杆的作用是将松散、软弱的岩土体悬吊在坚硬、稳定的岩土体上，从而起到加固作用．②组合梁理论将锚杆看做螺栓，将各薄层岩土体看作是叠合在一起的梁结构，通过锚杆的锚固将其紧固成一个组合梁，且锚固力越大，梁之间的摩擦力越大，岩土体也就越稳定．③组合拱理论是在光弹试验的基础上提出的，试验证实了锚杆对地层的挤压加固作用．锚杆进入岩土体后，会使岩土体出现以锚杆两头为顶点的塑性压缩区，若有一排锚杆适当排列，则会形成一定厚度的连续压缩带，从而起到加固岩土体的作用．1.2 锚杆类型、选择及作用机理从锚杆的初次使用到现在，锚杆作为一种支护方式已经发展出了多种型．按锚杆与被支护岩土体的锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式3类．另外锚杆也可按照锚固段位置与长度、锚杆作用特点、锚杆工作特点及锚杆材料划分为各种不同类型．各种新型的锚杆如：树脂锚杆、缝管锚杆、可伸缩式锚杆、可抽芯式锚杆、预应力锚杆等已经在工程中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果．由于施工条件越来越复杂，工程标准越来越苛刻，锚杆逐渐向高强度、超高强度的方向发展．例如，澳大利亚于1989年在Warragamba重力坝加固工程中所采用的由65根直径15.2mm的钢绞线组成的锚杆［２］，最大承载力均达16500KN，很好地满足了工程要求．锚杆强度的提高，主要应从创新锚杆材料及锚杆布置方式等方面入手．工程应用中应综合考虑不同类型锚杆的工作特征、传力机制、材料性质和地层的状态、锚杆工作条件及年限等因素，合理、经济的选用不同类型的锚杆．已有的锚杆作用机理研究［１］表明：锚杆加固改变了围岩的受力状况，增大了围压，使锚固体更加紧固地结合在一起，从而改善了它的力学性能．同时，在破坏过程中，锚杆的约束作用和抗剪作用能控制围岩破碎区、塑性区的发展，增强锚固体的稳定性．锚杆加固的作用主要是提高围岩产生塑性破坏后的残余强度及承载力．不同类型的锚杆的基本的作用机理是一致的，但也有一些不同之处．非预应力锚杆在岩土体产生变形之后开始起作用，而预应力锚杆则在岩土体变形前就预先施加了一个力；单孔复合锚固能克服单孔单一锚固严重的应力集中问题，能将集中应力分散为较小而均匀的力；摩擦型锚杆对围岩施加的预应力是三向预应力，使围岩处于三维压缩状态．最终，各种类型的锚杆最终都是依靠围压及自身的约束作用去加固岩土体以达到工程目的．1.3 锚杆支护的防腐传统上，锚杆杆体主要由钢、铸铁、竹、木等材料制成，现今应用最多的是杆体由钢筋、钢管或钢绞线制成的锚杆．由于钢制锚杆在地层中极易受到腐蚀，且试验研究结果显示［１５］，锚杆在受腐蚀以后，其延伸率的损失要远大于极限承载力的损失，这就使得锚杆在发生破坏之前难以测得明显的变形，极易发生突发性的事故，因此，对锚杆防腐研究是极为重要的．为了取得良好的防腐效果，应确保锚杆的防腐期不小于锚杆的设计使用年限，确保锚杆施工的标准化和高质量并防止锚杆本身制作及运输过程中的损坏．目前，锚杆的防腐主要采用外套注满填充料的护管或护套的方法．例如，根据锚杆防护等级的要求，暴露在空气中的锚头部分可外套过度管或锚具罩进行保护；对于存在高应力区的自由张拉段，应采用注入水泥浆的光滑塑料管或注入油脂的护套进行保护；而锚固段则应外套注入水泥浆的波形管或采用注浆措施进行处理［１，１６］．1.4 锚杆支护的施工机具完善的锚杆施工配套机具是锚杆施工的高效性的前提条件，也是锚杆支护技术得到快速发展的重要原因．工程中应用较多的是奥钢联合乔伊公司生产的掘锚联合机组，另外，我国的施工机具的设计、研发与生产也已取得了可喜的成果［１８］．目前，由无锡探矿机械厂、宣化英格索兰工程机械有限公司和东北岩土工程公司等单位生产的钻孔直径从65-165mm 的岩锚钻机［２］，以及冶金部建筑研究总院研制的YM160步履式土锚钻机［２］均具有良好的工作性能．1.5 锚固参数的研究岩体的锚固参数一般包括锚固类型、锚杆结构、锚杆材料及形式、锚杆长度及直径、锚杆群间距、粘结类型及相关参数、托盘与螺母等许多内容．但至今锚杆的选取还主要是停留在经验阶段，不能合理地确定锚固参数．目前，针对锚杆的长度与直径的研究已经表明［１］，它们都存在着极限值，并不是越长越好，越粗越好．在这方面，比较有代表性的研究成果主要有：东北大学王明恕等人提出的“中性点”理论［５］，中国矿业大学（北京校区）袁文伯等人［５］的基于弹塑性理论的研究，空军工程学院郑颖人等人［５］的利用计算机对近万个数据进行的研究及中国矿业大学（北京校区）马念杰等人［５］对锚杆直径、钻孔直径与锚固药卷直径的参数匹配对支护效果、成本和效率等因素之间关系的研究等．近来，许多工程研究人员［１９－２０］开始利用正交设计的方法对各锚固参数敏感性进行分析．敏感性分析是指通过测定一个或多个不确定性因素的变化所导致的研究指标的变化程度，从而了解各参数对研究指标的影响程度．正交分析时利用现成表格对试验结果进行统计分析，从而找出最优方案的一种科学方法．在对预应力大小、锚杆长度及锚杆间距3个参数的研究中发现，预应力大小影响最大，锚杆间距次之，锚杆长度影响最小，这就为锚杆参数的最优设计提供了很好的参考．2.锚杆支护存在的问题尽管锚杆支护已经成功的应用于许多工程实践之中，但是岩土工程的复杂性使得锚杆支护仍存在着许多不能忽视的重大问题．主要表现在如下几个方面：1）如上所述，各种锚杆支护理论都是在半经验、半理论的基础上发展起来的，难以完全消除主观因素的影响，这也就决定了各种理论天然就存在着诸多缺陷．2）锚杆支护是以工程地质条件、支护类型及锚固参数等资料为基础设计资料进行设计的；但是，岩土体稳定性实际上与施工顺序、爆破方法和施工时间等因素也是密切相关的．因此，在以后锚固设计中应综合考虑这些因素，研发出更合理的设计方法，并最终将其规范化．3）锚杆支护中常用的锚杆杆体材料是钢材，它的强度及韧性有限，抗腐蚀性能极差．这些特性都限制了更高强度锚杆的发展，增加了工程应用成本．在以后的研究中应时刻关注新材料方面的发展，将更多的性能更好、成本更低的材料引入锚杆支护系统中．4）质量控制与施工管理环节十分薄弱．目前，我国经济、社会正处于转折期，法制不健全及有法不依的现象十分普遍，这也直接导致了一起起悲剧的发生．所以，在工程实践中，相关部门应努力提高劳动者素质，加强监督．3.锚杆支护的发展趋势1）由于岩土体本身所具有的复杂性及不确定性，传统的理论在研究上经常会出现计算繁杂、定量描述不够准确等问题．因此，在锚杆支护的研究中，将各种数值分析软件（如FLAC2D/3D、MIDAS/GTS、ANSYS、ADINA、ABAQUS、GEO－SLOPE、MATLAB等），各种不确定性理论（如概率论、模糊数学、灰色理论、神经网络理论、遗传算法、突变理论、混沌理论、粗糙集等）及各种力学理论（如塑性力学、断裂力学等）引入其中，以使计算更加精确，评价更加合理，理论假设更符合实际．2）随着地理信息系统及全球定位系统在锚杆监测中的广泛应用，锚杆监测正在朝着自动化、全天候、实时动态的方向发展．这不仅大大地促进了预测技术的发展，也使锚杆支护设计过程更加合理．3）工程经验是工程人员最宝贵的设计“资料”，但其主观性太强，很难保证精确度；现场监测能获得最准确的数据，但其具有滞后性；理论计算由于具有天然的半经验性及理论假设的不合理性等缺陷而受到了极大地应用限制．所以，将工程经验、现场监测和理论计算相结合的综合研究方法，已经成为发展趋势．4）目前，对岩土体在动荷载（主要包括地震荷载、冲击荷载和变异荷载）作用下的稳定问题的研究还处于初级阶段．但是，汶川地震之后频繁发生的重大地质灾害及今年以来发生的滑坡、泥石流灾害已经为我们敲响了警钟．未来，对动荷载作用下锚杆支护系统的理论研究是一大趋势．参考文献[1]程良奎，范景伦，韩军，许建平．岩土锚固［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，2002，1-47，75-91[2] 程良奎．岩土锚固的现状与发展［Ｊ］．土木工程学报，2001，34（3）：7-12，34[3] 程良奎．岩土锚固研究与新进展［Ｊ］．岩石力学与工程学报，2005，24（21）：3803-3811[4] 程良奎，胡建林，张培文．岩土锚固技术新进展［Ｊ］．工业建筑，2010，40（1）：98-101[5] 姚爱敏，孙世国，刘玉福．锚杆支护现状及其发展趋势［Ｊ］．北方工业大学学报，2007，19（3）:90-94[6] 徐祯祥．岩土锚固工程技术发展之回顾与展望［Ｊ］．市政技术，2009，27（2）：1136-1140,185[7］孔恒，马念杰，王梦恕，张成平．锚固技术及其理论研究[8］李英杰，兰永伟．锚杆支护技术的发展与应用［Ｊ］．煤炭技术，2007，26（8）:66-67。