锚杆支护理论的发展与实践

锚杆支护理论的发展与实践

0锚杆支护史上的共性在维护深层地下道路时，发现支管的护岸力无法承受垂直地幔力。然而,深部巷道使用棚式支架却使其得到了有效维护。由此人们进一步认识到,围岩自身具有自承能力,也就是说巷道围岩更深部的岩体是由靠近巷道表面处的围岩来支承的,进而引发了支护史上的革命性变革——锚杆支护。锚杆支护经过了几10年的探索研究和实践,才发展到了目前能够处理各种松软破碎围岩的技术高度。锚杆支护的理论也由最初的悬吊理论逐渐发展到了组合梁理论、挤压加固理论、松动圈理论和关键承载圈理论等。这些理论和观点在锚杆支护史上起到了一定的积极作用,但对于松软破碎的围岩情况有的不能使用,有的仅有指导意义。因而,建立松软破碎围岩巷道的锚杆支护理论体系和设计方法,在锚杆支护领域具有十分重要的意义。1锚杆支护是一种固定支护体,支护的出发点不同锚杆之所以能对巷道围岩起“支护”作用,是因为围岩自身具有自稳能力,而并不是因为锚杆能够直接抵抗地应力。架棚式支护的出发点是对围岩起直接支撑作用;而锚杆支护的出发点是以围岩自身为支承体,靠围岩自承。这是锚杆支护与架棚式支护作用的本质区别。1.1整体停止变形在原岩中开挖巷道后不进行支护时会出现以下两种情况:(1)巷道围岩变形到一定程度后即停止变形,并能长期稳定而不垮落;(2)巷道围岩变形过程中伴随片帮和顶部冒落,当顶部冒落到一定程度时达到相对稳定平衡。实践证明,巷道围岩在一定的状态下是可以自稳的。巷道自稳时的状态能抵抗正常垂直地应力的作用。1.2巷道材料的尺寸设计目前的一些研究认为,顶板的自承作用在于巷道的顶板内围岩中存在1个挤压加固拱,它能够承受地应力,使巷道保持相对稳定平衡状态。砌碹巷道的破坏多是由于不均匀受压导致的,而料石碹的不均匀受压主要由于开挖巷道的围岩和碹体之间的空隙所造成的。为了克服这种缺陷,提高支承能力,料石可以“原地”取材,这样,围岩与“碹体”之间的空隙就不存在了。也就是说,围岩本身就是料石。问题的关键是,围岩中哪些部位是“有用的料石”,这些有用的料石能否满足承载要求;哪些是“无用的料石”,锚杆的什么作用能使这些无用的料石保持稳定。料石砌碹时,必须将巷道设计为半圆拱形、弧形、三心拱形等,也就是说,只有拱形碹体才能有效地起支承作用。据此,如果料石采用原地取材的方式,必然形成如图1所示的隐形拱。这样的隐形拱在一定的条件下能够保持巷道的稳定,保持巷道在服务期内的正常使用。2道路顶部的自稳形拱2.1单拱巷道变形拱pi在巷道顶板中任意位置画出1条圆拱线,可以形成1个隐形拱,这种隐形拱的承载能力是由拱体本身的强度和隐形拱的假设厚度决定的。一般情况下,圆形拱的承载能力为pi=σc2(1−R1R2)2(1)pi=σc2(1-R1R2)2(1)式中:σc为巷道顶板隐形拱范围内最差岩体的抗压强度,MPa;R1为隐形拱的内半径,m;R2为隐形拱的外半径,m。由式(1)可以进一步推导出这种隐形拱的极限承载能力为pimax=limR2→∞pi=σc/2(2)pimax=limR2→∞pi=σc/2(2)式(2)说明了这种隐形拱的最大承载能力为σc/2,也就是说,当垂直应力大于σc/2时,这种隐形拱不能有效保证巷道顶板稳定。2.2应力与应力质量的概念从上述可以看出,巷道顶板中的隐形拱以圆形模拟是无法解释围岩的自稳现象的,无法指导锚杆的施工。考虑到砌碹巷道的基本原理,即砌碹体之所以起到支护作用,是由于砌体中的每一块料石都处于“相互咬合”的状态。这种相互咬合表现为砌体的料石只要有一块脱落,整个砌体就会完全失去承载能力。其理论含义是,能够有效承载的拱形砌体中只有挤压应力而无拉应力的存在。据此,可以在原岩中刚开挖的巷道顶板中寻找到无拉应力单元和有拉应力单元的分界面,这种从拉应力向压应力转变的分界面在巷道顶板中必然形成1个曲面,这个曲面所形成的拱能够抵抗正常的应力,保持巷道长期稳定,称其为“自稳隐形拱”,见图2。这种自稳隐形拱的位置和形状是由原岩应力和围岩特性所决定的,其具体参数可以应用现代岩石力学有关理论计算。下式是根据连续岩梁的假说近似推导出的自稳隐形拱曲线方程,即y=(3p0w012-12p0x232σc)1/2(3)式中:p0为垂直原岩应力,MPa;w01为巷道顶部宽度,m。3车道底板的岩石划分和保护配置3.1顶部支护的确定虽然巷道两帮的支护在整个支护工作中具有举足轻重的地位,但因为帮部的施工条件比顶部好得多,容易保证施工质量,所以在帮部支护合理的情况下,顶部的支护显得尤为重要。从自稳隐形拱理论观点出发,对巷道顶部进行划分是对顶部支护的基本前提。根据巷道顶部的应力分布情况,可将顶板岩体划分为4类,即稳定岩体、挤压承载岩体、不稳定岩体和易冒落岩体,见图3。3.2锚杆支护时的荷载巷道顶板中的挤压承载岩体抵抗了垂直地应力;自稳隐形拱内的岩体为不稳定和易冒落岩体,这两部分岩体为顶板的直接荷载,支架设计时的荷载应以此为依据。锚杆支护设计时,锚杆长度以其深入挤压承载岩体最为可靠;锚杆荷载以悬吊的岩体重量为准。4自稳变形拱理论(1)巷道在无任何支护的情况下,在一定条件下能够自稳。(2)巷道顶板中任意位置的隐形拱在某些条件下不能抵抗正常的地应力。(3