锚杆支护作用机理及应用

1、中铁12局集团有限公司 锚杆支护作用机理及应用锚杆支护作用机理及应用2007-4-23中铁十二局集圈第四工程有限公司剧仲林目录目录21锚杆的支护作用机理31.1锚杆的悬吊作用31.2锚杆的组合梁作用41.3锚杆的减跨作用61.4弹塑性理论的锚杆支护作用机理71.5单体锚杆支护作用机理91.5.1端头锚固单体锚杆作用机理91.5.2全长锚固单体锚杆作用机理121.5.3单体锚杆作用机理小结142群体锚杆支护作用机理及支护参数的确定142.1小松动圈围岩状态142.2中松动圈围岩状态锚杆支护机理及支护参数确定162.3大松动圈围岩状态锚秆支护作用机理及支护参数确定212.4锚杆支护机理的几个理论问

2、题243锚杆在地下工程中的使用273.1钢带273.1.1钢板梁273.1.2W型钢带283.1.3钢筋梁293.1.4托板303.2顶板桁架313.3点状锚固锚杆333.4沿全长锚固的锚杆333.5灌浆锚杆的长度确定361 锚杆的支护作用机理锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前己提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁(拱)作用、加固(提高c、值)作用等几种。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准。1.1 锚杆的悬吊作用 19521962年，Louis A、Pane K经过

3、理论分析及实验室和现场测试，提出锚杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上(如图1-1)。例如，在缓倾斜岩层中锚杆的悬吊作用就是锚杆将下部不稳定的岩层(直接顶或块状结构中不稳固的岩块)悬吊在上部稳固的岩层上、阻止岩块或岩层的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。图1-1 锚杆的悬吊作用（a） 悬吊软弱层状顶板；（b）悬吊危岩1- 锚杆；2-不稳定岩层；3-危岩；4-稳定围岩这个理论有局限性，大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用。1.2 锚杆的组合梁作用为了解决悬吊理论的局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。该

4、理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的簿层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是所谓的锚杆组合梁作用(如图1-2)。图1-2 锚杆的组合梁作用（a） 未打锚杆；（b）布置顶板锚杆1- 锚杆；2-层状岩层组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层问错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层的性质。这一观点有一定的影响，

5、但是其工程实例比较少，也没有进一步的资料供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算，而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。另外，岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题、梁的抗弯强度等问题也难以解决。欲使组合梁有足够维持围岩稳定的承载能力，组合梁的有效组合厚度（略去侧压影响）为（见图1-3示）：图1-3 按组合梁原理计算锚杆参数式中 Pi作用在组合梁上的垂直荷载；可取Pimin且不小于锚固深度L范围内岩体的自重； K安全系数。掘进机掘进取23、钻爆法掘进取35； KP软岩围岩荷载增大系数； L岩体平均抗拉强度，Pa； 岩体抗拉强度折减系数，去0.60.8； 与组合岩层层数有关的

6、系数，其值见下表。值与组合岩层的关系组合岩层数12341.00.750.70.65所选锚杆长度还需验算组合梁个层面间不发生相对滑动，并保证最下一层岩层的稳定性，即锚杆间距应满足下式要求：式中 L1最下一层岩层的抗拉强度，Pa； K1安全系数，取810； 1最下一层岩层层抗拉强度折减系数，去0.30.4； h1、1最下一层岩层的厚度和容重。上式适用于h1 0.10.15m的情况；否则应加大托板，且D小于三倍裂隙间距和D0.5L。锚杆长度LM应为：式中 L1锚杆外露端长度。根据锚杆类型与垫板、托板尺寸确定； t有效组合梁厚度，m； L2锚固于稳固岩体中的长度，一般L2=0.30.4m；锚杆的单根锚

7、固力Q为：1.3 锚杆的减跨作用如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁(板)，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度(如图1-4)，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的“减跨”作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。但是，它也未能提供用于锚杆支护参数设计的方法和参数。图1-4 锚杆的减跨作用1- 锚杆；2-无锚杆跨度；3-有锚杆跨度1.4 弹塑性理论的锚杆支护作用机理弹塑性理论在对围岩状态作了正确分析后，对锚杆支护的作用机理提出了2个不同的观点：一个认为利用锚杆提供足够的支护

8、抗力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，并且大量的实验室相似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高50l00(相对于无锚杆情况)，同时据此用摩尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形量的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性围岩状态，见图1-5。另一个观点则认为锚杆的抗拉力主要用来悬吊平衡破碎带内岩石的重量，见图1-6。图1-5 锚杆加固作用（a） 围岩强度曲线；（b）巷道周边最危险应力状态图1-6 弹性理论锚杆的悬吊作用1- 锚杆；2-稳定岩层；3-破例区这两种观点存在2个实际问题有待阐明：对第一种观点来讲，由于现有支护(包括锚杆支护)对弹塑性变形

9、相对不及时和支护手段与围岩的不密贴决定了在围岩处于弹性状态时其支护阻力较小，它不可能有效的阻止并限制围岩破碎带的产生和发展；对第二种观点，由于锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩石的重量(自重)，而是破碎带产生和发展过程中的碎胀变形力，而后者碎胀变形力远大于前者破碎带内岩石的自重。1.5 单体锚杆支护作用机理锚杆是在松动圈的较小状态下以较小的应力安装的。因此，锚杆的工作过程也应该根据这个过程予以分析。由于锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，它与其他传统支护结构不同点在于锚杆深入到围岩内部对岩体进行力学的组合。在松动圈发展过程中，锚杆因其刚度、强度与围岩有较大差别，所以在阻止围岩松动圈的碎胀

10、变形中使其所受拉力不断增大，锚杆的这一应力变化过程与围岩的稳定影响与松动圈的厚度和锚杆的锚固方式(端头锚固或全长锚固)密切相关。1.5.1 端头锚固单体锚杆作用机理端头锚固锚杆受力状态如图1-7所示。实际上锚杆应力来源于围岩松动圈的产生、发展过程，因此，锚杆的受力情况必须结合围岩状态进行阐述。图1-7 端头锚固锚杆受力与松动圈关系A- 围岩表面；B-松动圈边界；C-锚杆锚固点(一)弹塑性围岩状态松动圈为零)假如开挖后围岩只产生弹塑性变形，而没有发生破坏，则围岩松动圈为零，碎胀变形亦为零。由于弹塑性变形发生在锚杆安装之前，因此锚杆的最大应力将只是安装应力，由于这一应力较小，可以认为锚杆在这种围岩

11、状态下不起作用，所以，此时不需采用锚杆支护。(二)松动圈状态如果开挖后产生松动圈，锚杆将因为围岩AB间的碎胀变形，使AC间的距离加大(见图1-6a)，从而使锚杆的拉应力增大，当围岩松动圈达到C点时、锚杆的拉应力达到最大值，其应力增长与松动圈厚度值的关系如图1-6b所示。锚杆沿杆体全长拉应力均相等。如果围岩松动圈厚度值继续发展一直到松动圈厚度值达到C点时、则其C点为锚杆的最大理论应力值，如果松动圈厚度值超过C点，则AC间的围岩将会受到压缩，锚杆的应力将会减小，锚杆的工作应力将取决于围岩松动圈稳定点的位置。另外，在实际工作中考虑到锚杆与围岩的相对不密贴性及锚杆杆体在应力增加时的弹塑性变形，在锚杆达

12、到工作拉力前(3040kN)，产生2050mm的伸长(包括锚杆与围岩的不密贴及锚头的受力滑移等)，这对锚杆受力有相当大的影响，同时它将使围岩松动圈的碎胀力得到部分释放。其端头锚固锚杆受力计算图如图1-8所示。图1-8 端头锚固锚杆受力计算（a）端头锚固锚杆位移图；（b）孔底位移系数变化图由图1-7可见；L+L表=L+L+L底+L头所以，L= L表- L底-L头假设，实测表明为小于1的系数，随孔底深度而定，并与深度大体呈正比关系。如果实测L1.0m或2.0m处的位移系数为12，则存在：从锚杆拉拔试验中可以得到锚头与拉拔试验力P的函数关系S头f(P)，且此函数常可简化为S头P，对于粘结式锚杆则一般

13、假设S头0。将有关公式代入上式，可得：L是锚杆杆体受力后的伸长量，则由虎克定律：式中： 杆体应变； d杆体直径； 杆体应力； E杆体材料弹性模量。1.5.2 全长锚固单体锚杆作用机理围岩松动圈是由巷道表面向深部发展的，因此全长锚固锚杆应力来源于围岩松动圈的产生、发展过程。而且剪应力的大小、方向及中性点的位置亦不是固定不变的而是随着围岩松动圈厚度值的变化而变化，其剪应力为零，且拉应力最大的截面总是在松动圈界面上。所以全长锚固锚杆作用机理必须结合围岩松动圈发展过程才能阐述清楚。（一) 弹塑性因素状态(围岩松动圈为零)当围岩松动圈为零即围岩处于弹塑性围岩状态时，由于锚杆支护是在开巷后才安装上去的，所

14、以围岩的弹塑性变形量很小，锚杆的应力也很小，仅维持安装时的应力。实际上，在这种围岩状态下，全长锚固锚杆仍然起不到实质性的作用。利用相似模拟试验可以证明锚杆支护可以改善或提高模拟岩石C、等值，对岩石原岩起到加固作用以防止围岩破坏，但这只是实验室理想状态下的结果，而与现场实际工程围岩状态不符，因为在实际地下工程中，有两点不可能实现：一是锚杆支护不可能做到及时支护，总是滞后一段时间；二是围岩的弹塑性变形不能使锚杆的应力达到其工作应力状态。（二) 松动圈围岩状态当开巷后围岩应力大于围岩强度时，巷道周边围岩发生破坏并向深部转移而出现围岩松动圈，围岩产生明显碎胀变形后，即AC间岩石破坏碎胀，见图1-9。图

15、1-9 全长锚固锚杆应力与松动圈的关系（a） 锚杆受力图；（b）围岩应力图1-锚杆；2-锚杆外端；3-锚杆里端；4-锚杆受力中性点靠近巷道表面的围岩松动圈段锚杆因阻止破裂岩体碎胀径向变形，锚杆表面产生指向围岩自由面的剪应力，其余一段锚杆因受AC段拉拔作用，BC段锚杆表面剪应力指向岩体内部，指向相反的分界点，此点剪应力为零(称之为中性点)而轴向力最大。此时中性点应始终在围岩松动圈界面上，从中性点向锚杆两端轴向力不等，而剪应力亦不等(12)。随着围岩松动圈向深部发展，碎胀变形的增大，锚杆的剪应力和轴向力随着围岩松动圈的变化而变化，其中性点位置(围岩松动圈界面点)亦向深部转移。则此时中性点即是围岩松

16、动圈(中小松动圈)边界上的点，即：=LP当围岩松动圈厚度继续发展以致超过锚杆长度后，则整个锚杆均处于围岩松动圈内，则此时锚杆锚固破裂岩体AB段碎胀变形不再增大，而表现为锚杆锚固段AB整体向巷道自由面位移。此时，锚杆所受拉应力可能出现降低的现象，即随着AB段的压实其应力将减小。1.5.3 单体锚杆作用机理小结从上述单体锚杆作用机理探讨中可知： (1)锚杆作用机理必须结合松动圈围岩状态及其发展过程进行正确地阐述； (2)在同样条件下，锚杆单元面积上所受的力，端头锚固锚杆的应力将大于全长锚固锚杆，即要达到相同的锚固效果，端头锚固锚杆所需锚杆杆体直径比全长锚固锚杆杆体直径大； (3)从组合拱观点看，全

17、长锚固锚杆有利于抑制组合拱范围内岩层的碎胀变形，也有利于增强组合拱的强度及整体性，大松动圈围岩(软岩)巷道支护实践证明全长锚固锚杆比端头锚固锚杆锚固效果好，这是由于在软岩巷道小，随着围岩的变形，端头锚固锚杆的托盘有的与巷道壁脱离或破坏，此时锚杆将失去作用； (4)全长锚固锚杆中性点是一个动态点，它随着围岩松动圈的发展而变化，中小松动圈范围内，中性点的位置即是围岩松动圈的外边界点，且随着围岩松动圈的发展而变化，其中性点始终在松动圈的界面上，如果围岩松动圈超过锚杆长度，全长锚固锚杆的中性点才稳定在某一个位置上。2 群体锚杆支护作用机理及支护参数的确定2.1 小松动圈围岩状态依据围岩松动圈分类方法，

18、当围岩松动圈厚度值LP040cm时，为小松动圈稳定围岩。在这类围岩中，松动圈厚度值小，围岩稳定性好，由此而产生的碎胀变形量也较小，一般只有几个毫米，变形量数值一般小于低应力下锚杆弹塑性变形(金属锚杆承受3040kN拉力时，伸长量已达2mm)，故不需考虑碎胀变形压力因素，而且松动圈内围岩的自重亦很小，只用喷射混凝土支护就能保证工程的安全，所以不必采用锚杆支护或其他普通支护形式。现场观测也证明了这一点，例如某一人防工程开挖在石灰岩山体中，埋探30l00m，采用锚喷支护施工后，对锚杆应力进行了长达8个月的跟踪监测，锚杆应力始终为零，表明锚杆支护在岩石没有破坏产生大的变形量之前根本没有起到支护作用。此

19、时喷射混凝土支护作用主要是为了防止围岩的风化潮解和活石(危险岩石)的掉落，如图2-1（a）所示。支护的最大荷载是岩层节理、层理或爆破形成的裂缝所造成的孤立的可能落下的危险岩石重量。因此，只要喷射混凝土的支护抗力大于危石的重量，并提供足够的防止风化的保护喷层即可保证巷道工程安全长期使用。采用喷射混凝土支护危石时，喷层厚度太薄会产生图2-1(b)所示的“冲切型”破坏，喷层与岩面间的粘结力太小会出现图2-1(c)所示的“撕开型”破坏。因此，喷层的厚度可按以下方法确定：图2-1 喷层支护危石（a） 喷层支护；（b）“冲切型”破坏；（c）“撕开型”破坏1- 喷层；2-危石(一)按“冲切型”破坏验算喷层厚

20、度 b喷层厚度，m；G危石重量，一般由工程调查确定，N； S危石与喷射混凝土接触面的周长，m； Rg喷射混凝土的抗剪计算强度，由施工现场确定，一般取Rg(46)×l05，Pa。(二)按“撕开型”破坏验算喷层厚度式中 ： b喷层厚度，m； G危石重量，一般由工程调查确定； K0岩体抗拉弹性抗力系数，Pa； E喷射混凝土的弹性模量，Pa； S危石与喷射混凝土接触面的周长，m； Rn设计喷射混凝土的粘结强度，由试验确定，一船可取0.2MPa。当按照上述公式计算出喷射混凝土的厚度小于50mm时，则为满足防止围岩风化的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于50mm，考虑到地下工程的特殊性一般采用喷

21、层厚度为80100mm。2.2 中松动圈围岩状态锚杆支护机理及支护参数确定(一) 中松动圈锚杆支护作用机理依据围岩松动圈分类方法，当LP40150cm时，称为中松动圈围岩。中松动圈围岩碎胀变形比较明显，变形量较大。围岩松动圈的碎胀变形将使刚性的喷射混凝土支护产生裂缝或破坏，即单一的喷射混凝土支护不能满足工程安全的要求。因此，必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式，以锚杆为主体支护结构控制其碎胀变形，喷层将只作为锚杆间活石的支护和防止围岩风化。由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆长度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数，锚杆支护的最大荷载，可用下式表示：P(支护力)max 松动圈形成的碎胀变形力

22、，松动圈内岩石自重，弹塑性变形力在此有必要说明的是由于围岩松动圈巷道支护理论从分析围岩客观物理状态入手，认为现有支护手段(包括锚杆支护)在时间上都滞后于巷道开挖一定的时间，而且任何滞后支护都与围岩存在着一个架设的自然间隙(锚杆约为35cm)。这个间隙足以使锚杆在尚未达到工作状态前，围岩松动圈已产生和发展，实际上在锚杆支护达到其设计锚固力之前，其碎胀变形巳释放掉大部分，围岩松动圈已发展到一定程度。再者围岩碎胀力作用时间与松动圈内岩石自重产生的时间也不完全一致(重力滞后)，而且围岩松动圈以外岩石的弹塑性变形量很小，可以在工程中忽略不计。在实际工程中，在中松动圈围岩条件下，用直径1416mm的A3钢

23、制成的锚杆尚没收集到拉断的实例。因此，对于中松动圈围岩状态支护的主要对象(最大荷载)来讲，其碎胀力只有小部分松动圈碎胀变形作用到锚杆上。在目前各类岩石碎胀力研究尚不充分的条件下，其最大荷载可简化为围岩松动圈内岩石的自重。用悬吊理论设计锚杆支护参数将其松动圈内岩石悬吊在围岩松动圈外的围岩中，所以上式可简化为：P(支护力)=松动圈内岩石自重大量的工业性试验证明，中松动圈围岩以悬吊理论进行锚杆支护设计，将支护的最大荷载简化为松动圈内岩石的重力，符合围岩实际物理状态，用其确定的支护参数经济合理安全可靠。(二) 中松动圈锚杆选型及锚杆支护参数设计1. 锚杆类型的选择及布置 (1)锚杆选型。如上所述，在中

24、松动圈围岩中，由于锚杆安装在围岩松动圈形成过程中，其松动圈碎胀变形作用到锚杆上的碎胀力较小，故可简化为重力计算。因其支护荷载不大，所以采用端头锚固锚杆或全长锚固锚杆只要其锚固力符合要求均可。但从施工管理及经济角度看，优先选择端头锚固锚杆支护为宜。(2)锚杆布置。地下工程中，围岩一般有层理、节理面、爆破破裂面，以及在松动圈内以切向为主的破裂面，因此围岩松动圈巷道支护理论主张锚杆的布置一律尽量垂直于巷道的切向(矩形和梯形断面除外)，其间、排距一般相同，见图2-2。 图2-2 锚杆悬吊理论计算1- 喷层；2-锚杆；3-围岩松动圈；4-稳定岩层2锚杆支护参数的确定 (1)锚杆长度的确定。松动圈支护理论

25、经过大量工程实验证明，在中松动圈条件下将松动岩石的重量用锚杆悬吊在松动圈以外的围岩中可以有效的进行支护(见图2-3)，因此，其锚杆长度可按下式确定：L=L1+LP+L2式中：L锚杆长度，mm；L1锚杆的外露长度，常取L150100mm；LP围岩松动圈的值，mm；L2锚杆锚入弹塑性区的深度，一般为300400mm,围岩强度较小时取较大值，反之取较小值。从锚杆长度的确定方法可知,锚杆悬吊支护的对象是松动圈内岩石，其悬吊点是松动圈外岩石弹塑性应力区，不再寻找更硬的岩石。这样，悬吊理论的应用范围将扩大，并且所确定的参数将更可靠和合理。(2)锚杆间排距的确定。如果采用等距离布置，每根锚杆所负担的岩体重量

26、为其所承受的荷载，可按下式计算：QLPa2 Q单根锚杆负担岩石重量，kg；岩体的容重，kgm3；a锚杆的间排距,m。从上述公式中可以看出，锚杆的拉应力、间排距、锚杆直径互为函数的关系，即确定了其中任意两个量后，可求出另一个量。在实际工作中，锚杆直径由于施工的要求，其直径不宜小于14mm(多在1625mm范围内选择)；对于锚杆的间排距，往往是根据锚杆间岩体的完整情况及工程类比法确定，如图2-3所示。图中阴影处岩体的稳定与锚杆长度和直径无关，如果计算所选的间排距超过1.0m时，应适当缩小间排距或者采取加网等措施。图2-3 锚杆间活石1-锚杆；2-锚杆支护区；3-锚杆非支护区；4-混凝土喷层(3)锚

27、杆直径的验算。如的所述，锚杆直径不宜小于14mm，根据工程类比法选用后按下式验算：由P=Q得：式中 P锚杆杆体的承载力； Q锚杆的锚固力，根据现场实测锚固力拉拔试验数据确定。 3喷层厚度的确定中松动圈围岩锚杆是支护的主体，松动圈岩体的碎胀力(简化为重力)由锚杆承受。喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化。由于上述按锚杆活石重量的计算方法，仅考虑松动岩块的重量，未考虑围岩变形对喷层的压力，其科学性、准确性难以确定，所以喷层厚度多依据工程类比法确定，中松动圈条件下一般为50100mm。2.3 大松动圈围岩状态锚秆支护作用机理及支护参数确定 (一)大松

28、动圈锚杆支护作用机理依据围岩松动圈分类方法，当LP150cm时，为大松动圈围岩状态。在大松动圈围岩巷道中，围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形最大，初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现大，支护难度大。支护不成功时，巷道底板出现底鼓，在这种条件下，如果用悬吊理论设计锚杆支护参数，常因设计锚杆过长、过粗而失去其普通应用的价值。 如上单体锚杆作用机理所述，锚杆安装总是在围岩松动圈巷道支护形成之前，当松动圈厚度值发展到锚杆端头时，锚杆的拉应力达到最大值，同时围岩松动圈内围岩将承受相等的反作用压应力。在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产生挤压，在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形

29、的受压区，合理的锚杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来，形成一个厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成拱形；对于矩形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成矩形结构，见图2-4，统称之为组合拱作用机理。图2-4 群体锚杆形成的组合拱（a） 组合拱示意图；（b）组合拱参数计算示意图1-锚杆；2-混凝土关于组合拱的存在问题，国外已进行过试探性的模型试验，对组合拱的存在作了概念性的推理和描述，但是未能回答组合拱相关的重要参数。我们在1985年利用当时最完善的真三轴试验台对组合拱进行了相似模型试验，第一次将组合拱拍摄成照片，见图2-5所示。图2-5 相似模型试验组合拱图2-5中，围岩松

30、动圈已经发展到模型的边沿，而锚杆所控制的圆形巷道的围岩形成了组合拱进入支护，保持了巷道的稳定。 (二)锚杆支护组合拱的基本参数1. 组合拱的厚度依据图2-4(b)的几何关系,可用下式计算组合拱的厚度：式中 b组合拱的厚度； l锚杆的有效长度； a锚杆的间排距； 锚杆对破裂岩体压应力的作用角，经试验知接近45° 。因此,组合拱的厚度可按下式计算：b=l-a由上可见，加长锚秆、减少锚杆间排距可以增大组合拱的厚度，使围岩更加稳定。另外值得注意的是：从图2-5模型试验可以看出组合拱的厚度为锚杆的长度，这是组合拱在稳定条件下的现象。2破裂岩体锚固体强度及组合拱的强度松动圈内破裂岩体所形成的组合

31、拱必须有足够的支护能力，才具有支护的充分条件。它的支护能力决定于巷道的形状和破裂岩体(松动圈内围岩)锚固体的强度和性质。组合拱的单位面积承载力为：式中 p组合拱单位面积承载能力，MPa； 破裂岩体锚固体强度，可取岩块强度的8090；R巷道净半径； b组合拱厚度。则组合拱单位长度的承载能力为：P2Rp2.4 锚杆支护机理的几个理论问题(一) 锚杆支护作用机理应根据围岩状态判定 锚杆支护的机理问题总处在争论状态，其争论点总是对围岩状态的确定。全煤巷锚杆支护的应用(甚至包括黄土窑洞)，使人们对最古老的悬吊理论和组合梁理论产生了怀疑，围岩松动圈理论的出现可以使人们看到弹性理论观点的局限性。围岩松动圈支

32、护理论根据厚度值的大小来确定锚秆的支护机理。如果在开巷后围岩处在弹性状态(小松动圈状态)，围岩可以自稳，不存在支护问题，这是喷射混凝土单独支护的应用范围，喷射混凝土可以防止围岩的风化和危岩的掉落。当围岩松动圈处在中松动圈状态时，松动圈以外的围岩可以自稳*用悬吊理论所确定的锚杆支护参数最优；当松动围厚度值大于15m时、围岩将显现出各种软岩支护的特征，则可以利用锚杆的应力使破裂的围岩恢复强度形成可缩的组合供进行支护即组合拱理论。当然，在大松动圈围岩状态下，采用悬吊理论也是可行的，但是锚杆支护的参数不合理。因此，锚杆支护的作用机理不能用某一个理论去解释、应当根据围岩状态采用不同的机理确定支护参数，以

33、达到安全经济的目的。(二) 围岩加固理论的商榷锚杆对围岩的加固作用已被较多的人接受，但是存在着不同的理解，弹塑性理论认为锚杆能对原岩起加固作用，因此假设锚杆一开始就在设计应力下对原岩起作用，将一般锚杆仟当作预应力锚杆。如果将锚杆看作开始时只有较小应力，随着锚头与垫板间岩石破裂膨胀(碎胀)，锚杆的应力才能逐步提高。则锚杆对原岩的加固能力就比较有限了。从对破裂岩石锚固体强度的试验可以看出，有无锚杆在岩石未破裂前其曲线基本上是重合的，不能得出锚杆能对原岩有加固作用的结论。只有当岩石破裂后，产生了较大的碎胀变形，锚杆对破裂岩体的加固作用才显现出来。因此，锚杆对围岩的加固作用，应解释为对破裂岩体的加固、

34、或者说锚杆岩石只有在岩石破裂后(弱化)才能真正发挥加固作用。(三)中松动圈围岩状态下采用组合拱理论问题的讨论关于中松动圈围岩状态是否可采用组合拱理论来设计锚杆支护参数问题，从理论上讲可以采用，但由于松动圈厚度值较小，用组合拱设计的锚杆长度较短，在实际地下工程支护中存在着两方面的不安全因素：一是巷道壁表面施工质量问题，由于围岩客观情况的变化及施工管理上的难度，目前很难严格达到光面爆破标谁，不可避免的存在着超(欠)挖问题，二是锚杆施工质量问题，由于围岩松动圈厚度值较小，采用组合拱理论设计时，其锚杆的长度一般均小于常用锚杆的长度(1.11.5m)，一旦某几根锚杆因角度、间排距或锚固力等问题在施工质量

35、上不合格，则由于锚杆较短，形成的组合拱太薄而可能导致组合拱的失效。因此，在中松动圈围岩状态下，为达到安全、经济的目的，应该采用悬吊理论设计锚杆支护参数。(四)锚杆的时效性锚杆杆体长度方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸，力学上属于杆件。可以提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪作用。抗弯能力和抗压能力非常小。锚杆的作用(1) 锚杆的早期作用锚杆早期作用：阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层。锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好。锚杆没有预紧力，只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，不能控制在这以前顶板岩层的离层和失稳。预应力太小也不能起到良好效果。锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生

36、滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，不会取得良好的锚固效果。(2) 锚杆的中期作用随着时间推移，围岩破坏范围逐渐扩大。锚杆能伸入稳定岩层时，其作用为：将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落。锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力。锚杆不能伸入稳定岩层时，其作用主要是在破坏区内形成次生承载层，它可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层。次生承载层厚度的影响因素很多，而且是不断变化的。当其远小于巷道尺寸时，必须考虑压曲失稳和弯曲失稳。(3) 锚杆的后期作用当次生承载层压曲失稳后，如果能满足块体咬合平衡，巷道顶板仍能保持稳定。两倾斜锚杆作用明显，它

37、不仅可以阻止破坏岩层滑落，同时有一定的控制转动的作用。但是，当转动角度较大时，要求倾斜锚杆承受的载荷很大，平衡不易满足，因此，锚杆群支护很容易失稳、垮落，而且倾斜锚杆端部的岩层因受力过大也会发生破坏。组合构件的作用，减小了顶板岩层发生转动失稳的可能性。同时，托梁均衡了角锚杆端头岩层受力，使其工作阻力得以充分发挥，阻止顶板岩层的滑落失稳。托梁与角锚杆共同作用组成了一个组合支护统，即使顶板中部锚杆的作用不大，也能保持顶板岩层的稳定性。3 锚杆在地下工程中的使用3.1 钢带在地压大、围岩松软破碎的情况下，为了增大锚杆承载面积，防止或减少锚杆之间岩石冒落，并将各单个锚杆联接起来组成一个整体承载结构，我

38、国矿山通常采用钢带或各种钢粱与锚杆组合，形成锚杆钢带或锚杆钢粱加固系统。3.1.1 钢板梁将4mm厚的钢板用电弧枪切割成宽100mm左右、长1.01.8m的条带，再在钢板梁上按锚杆设计的间排距钻锚杆眼，即成为钢板梁，但应特别注意锚杆孔的位置、孔间距要和梁孔间距相适应，否则无法安装。钢板梁的刚度和受力性能较差，因而用的较少。3.1.2 W型钢带为改善钢带的受力状况，增加钢带的整体刚度和强度，最近几年我国一些矿务局普遍采用W型钢带。W型钢带可由钢板加工而成，也可由轧钢厂生产专门的定型产品，其断面形式为W型，故称为W型钢带，这种钢带的刚度和抗弯能力比钢板钢带高46倍，控制杆间岩体的能力大大增加，但其

39、制作较麻烦，成本较高。W型钢带的结构如图3-1。图3-1 W型钢带结构图 W型钢带参数系列见下表。W型钢带参数表宽度W（mm）厚度T（mm）高度H（mm）L0（mm）B（mm）长度L（mm）2202.50251502001302.03.42502.75251503.64.42803.00251503.65.0W型钢带的力学参数见下表。W型钢带的力学参数表宽度（mm）展宽（mm）厚度（mm）孔宽度（mm）截面积（mm2）初始屈服载荷（kN）拉断力（kN）惯性矩（mm4）单位重量（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 钢筋梁W型钢带制作比较麻烦，锚杆眼距要求严格、钢材消耗量大，且价格较高。因而，许多煤矿用钢筋制作钢筋梁（梯形钢带或圆钢钢带）。其结构如图3-2。图3-2 钢筋梁结构图钢筋托梁参数系列见下表。钢筋托梁参数系列表钢筋直径（mm）托梁宽度W（mm） 加强筋间距L1（mm）L0（mm）长度L（m）1460100601001002002.02.6162.43.0182.63.4203.24.0钢梁的选料范围较宽，可以采用槽钢、角钢或U型钢制成，如图3-3、图3-4所示。

41、图3-3 钢带和钢梁结构示意图（a）钢带；（b）槽钢梁；（c）角钢梁；（d）U型钢梁 图3-4 W、M型钢钢带3.1.4 托板托板也称垫板或托盘。是锚杆支护系统中的一个重要部件，它的力学性能直接影响整个锚杆的支护效果。选择托板的原则是使托板的承载能力与锚杆杆体的承载能力相匹配。1.木托板 用于木锚杆和竹锚杆，规格一般为400mm×200mm×50mm ，可用普通木材制作。2.铸铁托板150mm，厚1015mm。3.钢板托板由钢板切割而成，规格为150mm 200mm×150mm200mm，厚810mm。4.BHT型托板(1)BHT-A型托板：该托板是与顶板垂直锚杆

42、配套使用的，具有较高的承载能力和较好的变形量。规格为128mm×30mm-150kN，见图3-5。图3-5 BHT-A型托板 （2）BHT-B型托板：该托板是与靠巷帮布置的倾斜锚杆配套使用。托板同样具备较高的承载能力与变形性能，而且有利于倾斜锚杆的最佳工作状态。托板包括两部分，即托板与托板座，如图3-6 所示。图3-6 BHT-B型托板3.2 顶板桁架锚杆是喷锚支护中的一个重要组成部分。有时在喷锚联合支护中锚杆起着主要作用。锚杆除去与喷射混凝土联合使用外也可以单独使用。在隧道开挖的过程中用锚杆作为保证施工安全的临时支护是很方便的。在一些小跨度的巷道，为了简化工序，节省材料，也常常单独

43、用锚杆来支护。在这些情况下，为了防止两根锚杆之间岩块的掉落可辅以铁丝网、横梁、背板等。在矿山工程中国外曾采用过一种“顶板桁架” (roof truss)来支护巷道的顶板。所谓“顶板桁架”乃指在顶板安装两根呈倒八字形的倾斜方向的锚杆，将锚杆的外留部分用一根水平拉杆联结在一起，安设木楔块，然后通过拧紧螺旋将拉杆拉紧。这样，锚杆、拉杆、楔块和岩石组合在一起，形成一种类似桁架的结构，以支护地层。顶板们架的结构形式及作用原理分别示于图3-2及图3-3。锚杆的种类很多，可根据具体工程对象、围岩条件和支护要求加以选用。图3-2 顶板桁架图3-3 顶板桁架作用原理示意图按对围岩的作用方式，可把锚杆分为“点状锚

44、固”及“沿全长锚固”两种。3.3 点状锚固锚杆各种类型的机械锚固的锚杆按其对围岩作用的方式而论均属于“点状锚固”锚杆。这类锚杆通过端部的锚头(或称锚索)锚固在围岩中，在杆体另一端则由垫板同岩面接触，并通过拧紧螺栓使垫板与岩面贴紧。很明显，“点状锚固”的锚杆仅仅在两端同围岩联结在一起，当围岩变形时，锚杆的变形在锚头和垫板这两点上与之协调。在这种变形过程中，锚杆通过垫板对围岩提供一个集中的支护抗力，与此同时在锚头处也对岩体作用一相应集中力，从而对围岩产生支护作用。相应地，锚杆自身也在两端受到两个集中力的张拉。因此，在点状锚固锚杆的杆体中应力是均匀分布的(见图23d)。点状锚固的锚杆的特点是安装容易

45、、工艺简单、安装后立即起到支护作用。缺点是由于在岩孔中杆体与岩壁间存在可隙，所以在地下水的作用下杆体容易锈蚀。而且，时间久了锚头容易滑动，特别是在软岩中，锚头的锚固是不可靠的。因此，这种类型的锚杆一般宜于用作施工中的临时支护或用于服务年限不太长的隧道中。3.4 沿全长锚固的锚杆各种类型的灌浆锚杆例如水泥砂浆锚杆、树脂锚杆等按对围岩的作用方式而论均属“沿全长锚固”的锚杆。这种锚杆的特点是安装时必须在岩孔中灌浆，使杆体与孔壁间的空隙用水泥砂浆(或树脂等其他材料)填充，当其凝结、硬化后，杆体就“沿全长”锚固在围岩中。这种锚杆同围岩的联结通过灌浆材料硬化后所产生的岩壁与杆体之间的粘结力。沿全长锚固的灌

46、浆锚杆与点状锚固锚杆相比，防止了杆体的锈蚀，锚固作用耐久可靠。同时由于这种锚杆沿全长同围岩结合在一起，当围岩变形时，锚杆的变形将沿全长与之协调。如果说点状锚固锚杆的安装相当于在围岩中的两点之间增加了一根拉杆(二力构件)，那么沿全长锚固的锚杆的安装相当于在岩体中配置了一根沿全长与之结合在一起的钢筋。后者对围岩的支护显然更为有效兹举例说明之：如图3-4所示，围岩顶板中有一节理面，为了阻止顶板的离层安设了25米长的锚杆。当顶板在该节理面发生离层时锚杆受到张拉，同时对围岩产生作用力，防止离层的进一步发展。如果安装的是点状锚固的锚杆，则离层时整根杆体都产生均匀拉伸，当离层位移1mm时，锚杆中产生的应变：

47、图3-4 点状锚固式锚杆锚杆中的应力：锚杆所提供的防止围岩离层的支护抗力：式中：F支护抗力；s杆体截面积，取s=3.14厘米2。若采用沿全长锚固的灌浆锚杆(如图3-5)，则顶板离层时杆体的变形主要集中在节理面附近处。该处由于离层时杆体的拉伸，有一部分砂浆粘结强度被破坏。假定粘结强度被破坏的长度a25厘米，则当岩层产生离层位移1mm时，该处杆体中的应变为：图3-5 沿全长锚固式锚杆锚杆中的应力：锚杆所提供的防止围岩离层的支护抗力：从此例可见沿全长锚固的灌浆锚杆所提供的支护抗力比点状锚固描杆大10倍。当然，沿全长锚固锚杆粘结强度被破坏的砂浆长度a是根据砂浆粘结强度的不同而变的，所以不能说沿全长锚固锚杆所提供的抗力正好是点状锚固锚杆的10倍。但可以肯定，沿全长锚固锚杆所提供的抗力比点状锚固的锚杆大得多。洛阳总参工程兵科研三所的顾金才教授在2006年11月8日11月10日在上海同济大学召开的中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会中作了岩土工程抗爆结构模型试验装置及其工程应用的报告，试验的主要目的是找出一种合理的地下工程结构模型来有效抵抗导弹及核武器对地下工程的破坏，通过试验发现：全长锚固式锚杆对于加固围