圍巖控制中錨桿支護效果分析

【摘 要】為了加固圍巖的穩(wěn)定性，錨桿支護作用原理目前提出的觀點很多，有懸吊作用、組合梁作用、加固作用等研究錨桿支護作用對圍巖的控制效果；這幾種觀點都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉為前提來解釋錨桿支護的作用機理；通過對這幾種理論的對比分析，說明以錨桿為主體來解釋其作用機制對圍巖加固的意義。

【關鍵詞】錨桿；圍巖；作用機理

為了維持巷道的穩(wěn)定性， 防止圍巖發(fā)生垮落或過大的變形，巷道掘出后，一般都要進行支護。隨著采礦深度的增加和地壓理論的發(fā)展， 20世紀初，美國創(chuàng)造了礦山巷道的錨桿支護方法。這種支護方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在世界普遍流行開來，并且被廣泛地應用到隧道、邊坡治理、地基加固等其它巖土工程領域。在實踐應用中不斷發(fā)展，像錨網(wǎng)、錨網(wǎng)噴、錨帶網(wǎng)、錨注等，較為先進的支護技術已被廣泛采用， 它不但克服了傳統(tǒng)支護方式的缺點，提高了巷道的穩(wěn)定性，并節(jié)約了大量的木材、鋼材， 具有省時、簡便、經(jīng)濟、安全可靠等特點。

1、錨桿支護作用原理

1.1擠壓加固作用

將錨桿沿拱形巷道周邊按一定間距徑向排列，在預應力作用下， 每根錨桿都形成以錨頭和緊固部分為頂點的錐形體壓縮區(qū)，每根錨桿周圍形成的錐形體壓縮區(qū)，彼此重疊聯(lián)接，便在圍巖中形成一個厚度為T的均勻連續(xù)壓縮帶，這就是擠壓加固拱或稱為次承載區(qū)。該壓縮帶厚度T隨著錨桿長度L增長，錨桿間排距縮小，錨桿端部約束加強以及巖體強度的提高而變厚，同時，承載能力提高。它不僅能保持自身的穩(wěn)定，而且能夠承受地壓，防止上部圍巖的松動和變形。為了在圍巖中形成一定厚度的擠壓加固拱，一般情況下，錨桿長度應大于兩倍錨桿間距。預應力作用在于，一方面增大了巖體的粘結(jié)力，提高了巖體強度。另一方面，通過錨頭和墊板對圍巖產(chǎn)生的壓應力，改善了圍巖的應力狀態(tài)，從而使巖體強度提高。

1.2組合作用

錨桿支護的組合作用很好理解，平頂巷道的層狀頂板，可看作是以巷道兩幫為支點的疊合梁。疊合梁層間抗剪力不足，在荷載作用下， 將發(fā)生較大的彎曲變形和層間錯動。若用錨桿穿過并把它們緊固， 各層之間便互相擠壓，層間摩擦阻力增加，在外荷載作用下，層間不再發(fā)生離層錯動， 抗彎抗剪強度增強，頂板便由疊合梁變成組合梁。這樣大大提高了頂板巖層的承載能力，錨桿本身還起到抗剪作用，能更加有效地阻止巖層的層間錯動

1.3懸吊作用

錨桿支護的懸吊作用，突出地表現(xiàn)在直接頂較薄，老頂比較堅固的情況下，用錨桿將軟弱巖層或危巖懸吊于完整堅固的巖體上，由錨桿承擔軟巖或危巖的重量，以達到井巷穩(wěn)定的目的。錨桿支護的作用并非各個獨立，一般是同時并存綜合作用，只是在不同的地質(zhì)條件下某種作用占主導地位。

以上這些理論，各自在特定的巖體條件和錨固方式下反映了錨桿的加固作用。但相應的力學模型過于粗糙，都是把錨噴加固的巖體加固圈人為地從厚巖體中脫離開來，因而與實際情況出入較大。但由于其計算方法簡單明了，在目前設計中仍廣泛采用。

2、圍巖松動圈巷道錨桿支護理論

圍巖松動圈巷道錨桿支護理論是基于煤礦生產(chǎn)中大量的地下工程都是在圍巖破壞和發(fā)展中支護的客觀實際狀況而提出的，該理論在對圍巖狀態(tài)進行深入研究后，發(fā)現(xiàn)松動圈的厚度值是一個綜合是一個綜合性指標，它的大小反映了支護的難易程度，而且大量的相似模擬試驗及現(xiàn)場實測表明，它與煤礦巷道的跨度及有無支護等關系不大，巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中的碎脹變形力。當采用錨桿支護時，錨桿受拉是由圍巖松動圈的發(fā)生和發(fā)展而引起的。在錨桿與圍巖相互作用過程中，錨桿通過墊板與錨頭對圍巖提供支護抗力，阻止破裂巖石產(chǎn)生有害變形，使圍巖保持穩(wěn)定并將其變定在允許的范圍內(nèi)。實際上，桿應力來源于圍巖松動圈的產(chǎn)生和發(fā)展過程。假如開巷后圍巖只產(chǎn)生彈塑性變形，沒有發(fā)生破壞，則圍巖松動圈厚度將為零，碎脹變形亦為零。由于彈塑性變形發(fā)生在錨桿安裝之前，錨桿的最大應力將只是安裝應力，考慮到這一應力往往較小，可認為錨桿在這種圍巖狀態(tài)下不起作用。所以，在此種圍巖狀態(tài)下，不必要采用錨桿支護。松動圈厚度大小與錨桿受力及錨桿的作用機理有直接關系，松動圈厚度值類別不同，錨桿支護作用機理不同。

3、效果分析

軟巖及破碎圍巖存在著三種不同的圍巖壓力類型， 即松動壓力、變形壓力和膨脹壓力。松動壓力可以采用剛性支護來支撐圍巖，而變形壓力和膨脹壓力則是巷道主要壓力顯現(xiàn)形式，它要求合理設計支護剛度，控制支護時間和支護施工順序，即允許圍巖有適當?shù)淖冃?，以利于能量釋放，又能將變形控制在一定范圍之?nèi)，使之不發(fā)展松動壓力。錨桿支護的發(fā)展和實踐應用，充分顯示了它的實用性與優(yōu)越性，結(jié)合以上實例，具體分析其支護技術效果如下:(1)普通錨桿支護施工方便，使用設備簡單，易操作。(2)錨桿能把各種斷裂面所切割的巖塊聯(lián)合成整體，提高抗剪強度，又可給圍巖表面施加正應力和圍巖內(nèi)部造成承載層，這是與其它形式支護的本質(zhì)區(qū)別。(3)松軟巖層中采用一次成巷，圍筑永久支護，往往收不到應有效果，而錨桿支護先柔后剛的特性，具有第二次支護的特點，一次支護可收到良好效果。

4、錨桿支護研究存在的問題及發(fā)展方向

在大量的工程實踐中，早期沿用結(jié)構工程概念，對作用機理提出諸如懸吊理論、組合梁理論、成拱理論等簡單的模型。巖體工程概念促使巖土錨固理論上了一個新臺階。通過大量的物理模型試驗、數(shù)值仿真模擬、現(xiàn)場觀測等手段，深入探討了錨桿加固機理。雖然錨固理論研究工作取得了一定進展，但也存在不少問題。結(jié)合以上錨桿的研究現(xiàn)狀，對錨桿的支護機理提出以下幾點研究展望:

（1）對錨桿的橫向作用進行深入研究:在工程設計中和錨桿支護機理研究中，強調(diào)錨桿的軸向作用，忽略橫向效應的現(xiàn)象十分明顯，應加強錨桿橫向作用研究，以引起學者和工程技術人員的重視。目前提出的抗剪錨桿的“導軌作用”觀點，認為抗剪強度存在不足和錨固力偏低的不安全因素，給錨固工程帶來危險，并對傳統(tǒng)的錨桿支護機理提出質(zhì)疑。因此，必須對非連續(xù)巖體錨桿抗剪作用機理進一步加以研究。

（2）基于巖體錨固系統(tǒng)的錨固作用機理的研究。目前，對錨固作用機理已做了大量深入和拓寬延展研究工作，但大都是以錨桿為主體來解釋其作用機制。這種重在研究錨桿本身行為的思路一方面難以解釋為什么錨桿有別于其它支護形式而能有效地控制圍巖大變形，且用料極省;另一方面對為什么同一錨桿形式，不同巖性、不同錨固方式、不同粘結(jié)劑以及不同托盤其錨固效果卻相差很大也很難解釋。針對目前以錨桿為主體來解釋其作用機制存在的弊端，提出了巖體錨固系統(tǒng)的概念。無論全錨或端錨系統(tǒng)都可視為由圍巖體單元、錨桿單元、圍巖體內(nèi)部固定物單元、圍巖體表面聯(lián)接固定物單元四大要素構成。這四個要素之間互相作用，共同完成加固圍巖的功能并與周圍如外部或深部圍巖體環(huán)境進行力傳遞作用，這四個要素構成巖體錨固系統(tǒng)的結(jié)構，隨系統(tǒng)結(jié)構的不同匹配組合，系統(tǒng)相應產(chǎn)生不同的功能如串聯(lián)或并聯(lián)功能。系統(tǒng)的功能體現(xiàn)是四個要素之間相互作用匹配耦合的結(jié)果，任何一個要素的功能體現(xiàn)都是在規(guī)定其它要素功能的基礎之上，它不可能超越系統(tǒng)的功能。由巖體錨固系統(tǒng)很容易解釋單一錨桿支護系統(tǒng)所不能解釋的一些問題。因此從巖體錨固系統(tǒng)出發(fā)，以巖體結(jié)構為研究中心，是巖體錨固作用機理的研究方向。

5、結(jié)論

在大量的工程實踐中，早期沿用結(jié)構工程概念，對作用機理提出諸如懸吊理論、組合梁理論、成拱理論等簡單的模型。巖體工程概念促使巖土錨固理論上了一個新臺階。但這些理論只反映了在特定條件和錨固方式下錨桿的加固作用，而且相應的力學模型還顯粗糙，與實際情況出入較大。而且都是以錨桿為主體來解釋其作用機制，存在不少弊端。就目前，從總體上看來，錨固技術的研究仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上，尚沒有上升到把錨固技術看作一個系統(tǒng)來整體研究。

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