混凝土喷射支护技术与岩石锚杆11

3岩石锚杆与喷射混凝土支护技术所谓岩石锚杆就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山巷道、岩石边坡、岩石基坑等工程中。其中以矿山巷道使用最普遍，包括煤层巷道。在矿山岩石巷道中，我们常称以锚杆和喷射混凝土等技术为主组成的各种联合支护技术为锚喷支护技术；而在煤巷中，我们则称以锚杆和金属网、钢带等组成的联合支护技术为锚网支护技术。3岩石锚杆与喷射混凝土支护技术3.1概述3.2岩石锚杆分类3.3锚杆支护材料3.4锚杆作用原理和参数设计3.5锚杆施工机具和锚杆施工3.6喷射混凝土支护

3.1概述岩土体变形的两个特点：变形的不均匀性和局部性。锚杆的基本工作原理：就是将锚杆杆体的一部分固结在相对较小的地方，利用杆体较岩土有更高的刚度，约束另外部分的岩土体变形与破坏的发展。岩土体自身还有一个特点：存在自平衡性。就是一定条件下，岩土体在出现局部破坏时，它无须外加的作用就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。实现应力调整的条件是变形的连续性和可传递性。锚杆的约束作用就是提供这一条件的有效手段。因此，锚杆必须有一处和岩土体牢固锚结，杆体的其余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土体产生约束作用。3.2岩石锚杆分类3.2.1锚杆的分类方法不同的分类方法，可有不同类型的锚杆：根据锚固形式分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；根据锚固方法分：机械式、水泥砂浆粘结式（包括水泥药卷）、树脂粘结式（包括树脂药卷）和摩擦（缝管、水力）式锚杆；根据杆体材料分：竹锚杆、木锚杆、金属（钢筋）锚杆、钢丝绳锚杆、塑料锚杆、玻璃钢锚杆；特殊功能的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进式锚杆、内注浆锚杆。用于土层中的锚杆则被专门称为土钉。表3-1各种类型锚杆的主要优缺点锚杆类型优点缺点集中（端头）锚固类机械锚固型安装迅速，及时承载对深部围岩强度要求高粘结锚固型易加工，制造简单

对深部围岩强度要求一般全长锚固类机械锚固型易安装，及时承载

易腐蚀，锚固强度易衰减和丧失粘结锚固型

适用范围广，树脂锚固剂承载速度快，锚固力大

树脂锚杆成本高，树脂易燃有毒3.2岩石锚杆分类3.2.2锚杆基本结构形式（1）结构与组成锚杆结构:均可以分为与岩土固结的锚固段、露在岩土体外面的尾部和连接锚固段与尾部的工作部分。工作部分可将岩土作用给外露段锚杆的压力传递给固结段。图3-2锚杆结构示意图

机械式锚固锚杆已经较少使用。粘结式和摩擦式锚固锚杆可以是部分固结，也可是全长固结。

为了约束岩土体，锚杆的外露部分还应有约束和传力装置，如锚杆托盘、螺帽以及喷-网面层等。3.2.2锚杆基本结构形式（2）锚固结构的特点锚固结构方面的进步：机械式锚固→摩擦式锚固→粘结式锚固→全长粘结式锚固不同的锚杆结构各有不同的用途：如适用煤层的竹、木锚杆、塑料锚杆和可卸式锚杆；适应于煤矿巷道变形大的特点，专门有可伸长锚杆；自进式锚杆则适用于破碎岩土层的支护，免得因为拔钻杆时塌孔而无法安装锚杆。土钉则是锚杆拓展到土工中后形成的专用名词。

3.3锚杆支护材料材料：杆体、固结机构或粘结材料、托盘、螺帽等。3.3.1杆体材料常用的杆体材料主要是各种钢筋，包括圆钢、螺纹钢和专用钢材。国内90年代前多用Φ14~18mm的3号圆钢制作，抗断破坏力一般不超过100kN；近年来采用高强度和高刚度锚杆或超高强的螺纹钢锚杆；专门研制了单向左旋无纵筋螺纹钢，用于制作螺纹钢锚杆，并采用专用螺母，形成等强锚杆。国内煤矿还采用有经济的竹、木锚杆。锚杆实现高强和超高强的方法：一是对螺纹钢筋进行整体强化热处理，使直径22mm的螺纹钢锚杆破断力达到300kN以上，大大提高了锚杆的承载能力；另一方面可对螺纹段采用整体滚丝方式加工螺纹，可保证螺纹段的极限承载力不低于杆体破断荷载的90％。3.3.2锚固机构和粘结材料（1）锚固机构机械式锚杆靠机械装置实现锚杆的锚固，包括提高缝管（机构）来实现与孔壁间的固结。

目前锚杆的粘结材料主要有：水泥质粘结材料和树脂类粘结材料。（2）水泥质粘结材料1）水泥砂浆和纯水泥浆液2）快硬水泥药卷（3）树脂类粘结材料1）树脂粘结材料的发展2）树脂药卷结构与性能特点3.3.3托盘（垫板）和螺母托盘（垫板）是锚杆支护系统中的一个重要部件。全长锚固锚杆：用螺帽压紧垫板，可防止垫板附近破碎岩块脱落，且在锚杆受作用时，其外端口附近的粘结材料将出现最大剪应力。端头锚固或全长锚固锚杆，没有托盘都是不合理的。托盘（垫板）形式：平板形托盘、专门的（异形）垫板平板形托盘：一般用铸铁浇铸，或用钢板或废旧矿用工字钢翼缘切割并钻孔而成。各种专门的（异形）垫板可以改善锚杆的锚固性能。一般用高强度钢板制成，平板式垫板厚度≮6mm，截面一般不小于150×l50mm2。也可用铸铁材料，但其力学性能较差，厚度应增大。斗形托板钟形托板三角形托板环形托板图3-3常用异形垫板结构形式（a）BHT－A型（b）BHT－B型图3-4钟形锚杆托盘结构示意图3.3.3托盘（垫板）和螺母螺母是直接传递锚杆作用的受力元件。高强度锚杆均配有高强螺帽和钟形托盘，螺母必须拧紧，以实现对锚杆施加预紧力。采用锚杆钻机安装锚杆时可配套使用扭矩螺母，可以实现低量级预应力（150N.m扭矩可以有30～50kN预紧力），实现锚杆的一次安装。

（a）球形螺母（b）塑料阻尼螺母图3-5专用锚杆扭矩螺母结构示意图3.3.4配合使用的其它配件配合锚杆使用的还有托梁、钢带、金属网等配件，常根据整体稳定的需要而进行各种不同的配置。（1）托梁托梁是用锚杆固定在岩帮上的梁结构，同时梁也将若干锚杆连在一起，形成组合作用。托梁的一定刚度可使锚杆之间的松散岩土保持完整，是使岩土体形成整体稳定的有效手段。目前常用的托梁有两种形式：钢筋梁和W型钢带。3.3.4配合使用的其它配件（2）网网的作用是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块掉落，同时对提高喷层的抗拉性能也有一定的作用。目前网的形式与品质很多，主要有铁丝网、钢筋网与塑料网等。铁丝网一般采用Φ3～4mm的镀锌铁丝编织而成。根据金属网网格的特征不同，可将金属网分为经纬网和菱形网。钢筋网是由钢筋焊接而成的大网格金属网。它由受力筋和分布筋构成。塑料网具有成本低、轻便、抗腐蚀等特点，但是强度和刚度较低，可以与钢筋网配合使用。

3.4锚杆作用原理和参数设计3.4.1传统的巷（隧）道锚杆支护原理3.4.2现代分析方法3.4.3锚杆杆体受力分析3.4.4锚杆参数设计3.4.5锚杆设计中的一些技术问题3.4.1传统的巷（隧）道锚杆支护原理（1）悬吊理论悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石悬吊在更深部比较稳定的岩石上，从而使软弱岩层稳定。（a）悬吊软弱层状岩层（b）悬吊危岩图3-8锚杆悬吊理论示意图3.4.1传统的巷（隧）道锚杆支护原理（2）组合梁理论组合梁理论认为：当顶板岩石是层状分布时，顶板岩石就象若干层梁一样。锚杆可以把分层的梁组合成为单根梁。根据材料力学的观点，同样n根梁组合成单根梁的最大内应力，较一般迭合起来的梁的内应力小1/n，而组合梁的扰度较通常为迭合梁的扰度小1/n2。（a）叠合梁与组合梁的内力比较（b）层状顶板锚杆组合梁图3-9锚杆组合梁作用示意图3.4.1传统的巷（隧）道锚杆支护原理（3）减跨理论减跨理论也是对层状顶板岩石而言的。由于锚杆的作用，跨度为L的顶板岩梁成为（n+1）跨的连续梁，既减小跨度，也优化了梁结构。按照岩梁的承载能力就可以计算连续梁的承载力。图3-10锚杆减跨作用示意图

3.4.1传统的巷（隧）道锚杆支护原理（4）组合拱理论组合拱理论认为：对于拱形巷道，通过锚杆的预紧力作用，在锚杆的两端将形成压缩的锥形体。当锚杆布置在拱形巷道周围并且尺寸合适时，这些锥形体将相互重叠而形成拱形压缩带（称为压缩拱）。此压缩拱可以承受外面传来的载荷。即使是破碎的岩石，这个压缩拱也是可以存在的。组合拱理论的计算方法，采用了比较多的现代研究成果。图3-12锚杆组合拱作用示意图3.4.2现代分析方法（1）概述上述理论分析相对比较简单，只反映了锚杆作用的表面和直观现象，缺乏内在原因的分析。主要表现在：1）上述理论是以岩梁或岩石拱承载，另有外载荷作用的分析方法。实际上，岩石的两个作用是同时存在的，既是承载体，又是施力体。2）没有反映锚杆是一种内部加固的构件。锚杆是通过岩石内部的作用来实现岩层稳定的。3）没有反映地下岩石工程中的“共同作用原理”这一重要观点。4）岩土工程稳定主要是变形问题。而上述分析的出发点主要集中在强度影响方面，这不能满足实际工程稳定问题的要求。总之，缺乏充分的根据和深刻的分析。3.4.2现代分析方法（2）锚固体强化效果的分析采用锚固体试件，其试验结论如下：1）弹性参数（弹性模量）的变化锚杆对弹模有正变的影响，且随锚杆密度增加呈增加的趋势。2）强度参数（C、φ）的变化影响破坏前后岩石单元强度的参数主要是粘结力。3）脆性（软化角）的变化有的试验表明有锚杆情况下单元体的脆性减弱，这是有利于岩石稳定的，也有的结果与此相反。4）扩容起始应力的影响扩容的实质是裂隙的开裂，锚杆约束裂隙开裂的作用就是保持岩石的完整性，从而可以提高岩石的强度。3.4.2现代分析方法（3）最大水平应力理论1）最大水平应力理论的基本观点最大水平应力理论认为：矿井岩层的水平应力通常是大于垂直应力。因此，锚杆支护应考虑水平应力的影响。水平应力对巷道稳定影响有三种情况，即：最大水平应力和巷道走向平行、垂直和斜交。图3-13最大水平应力理论的应力场效应3.4.2现代分析方法（3）最大水平应力理论1）最大水平应力理论的基本观点最大水平应力理论还认为：由于最大水平应力基本沿层理方向，岩层容易出现水平错动和离层，以及沿轴向的岩层膨胀（巷道两帮收缩）。于是锚杆起到约束离层和抑制岩层膨胀的作用。

（a）约束岩层膨胀（b）约束岩层错动图3-14锚杆加固作用示意图3.4.2现代分析方法（3）最大水平应力理论2）最大水平应力理论的认识和分析最大水平应力理论反映了地应力测量的基本情况。世界实测统计结果是：竖直应力基本符合重力值，水平应力在深于150m以后有许多超过竖直应力；而在3000m以后将趋近于1。无论矩形或拱形巷道，开挖以后的顶板主应力均发生主应力转向水平的情况。因此，从力学原理讲,巷道的布置应顺着最大水平应力方向。3.4.2现代分析方法（3）最大水平应力理论2）最大水平应力理论的认识和分析最大水平应力理论也存在如下缺点：“最大水平应力”仅是地应力的赋存特点，和锚杆的本质无关系。原岩应力尽管水平占多数，但对巷道开挖后，是否以水平应力为主，理论并没有说明。除顶板外，实际也可能与之不符。如煤层采空后，岩层下沉引起的两帮竖向，使巷道两帮的竖向应力远超过水平应力。没有充分说明锚杆的作用机理。仅说明最大水平应力情况而未解释诸如竖直应力更大时的情况。3.4.2现代分析方法（4）其它理论观点锚杆提供第三向约束的观点——使岩石处在三向受力状态而能提高岩石的强度；锚杆提高岩石的强度系数（C、φ）值；锚杆以其擅长抗拉的性能使岩石受压——锚杆作为受拉杆件有较大的弹性模量，在岩石变形时能提供反作用于岩石压缩力，使岩石表现出较强的抗压性能。3.4.2现代分析方法（5）锚固作用的认识1）维护岩石原有强度的作用锚杆的作用就是在岩石裂隙弥散性扩展过程中，起到适当的约束作用，延迟贯穿过程。2）整体变形条件——三连杆的例子锚杆对完整岩石的影响是比较小的，对于不连续岩石的作用明显。3）控制变形——约束岩层膨胀和剪切膨胀变形锚固作用，使岩土的剪胀或膨胀受到抑制，而限制其强度的降低。3.4.3锚杆杆体受力分析（1）端头锚固锚杆的受力分析端头锚固时，锚固端以内的岩石向岩面空间方向变形，越靠近岩面变形越大，锚杆总体上是受拉的。此拉力就是锚杆对岩石的约束作用。不同位置的岩石，变形大小不同。锚杆受力也各不相同。如在巷道（隧道）中总是两帮肩窝处和底角处有较大的应力。锚杆的受力大小还和锚杆长短、施工质量等有关。实测表明，锚杆也可能处在受压的情况。除因为锚杆受偏心弯曲为主的变形之外，还和周围岩石的破坏变形特性有关。（2）全长锚固锚杆的受力分析全长锚固锚杆的约束作用主要由锚杆或粘结材料的剪切应力提供。锚杆的端头与锚尾的剪应力最大，且方向相反，整个长度上呈曲线分布。因此，在锚杆中间某部位存在一个剪应力为零的中性点，中性点处有最大拉应力。此即所谓的中性点理论。3.4.4锚杆参数设计（1）经验法参数设计1）基本概念经验法是指通过众多经验的累积，运用分类表进行对照、比较和归类，给出经验参数，或略作修正应用于工程。因此经验法也称为工程类比法。2）基本方法首先要有科学的锚杆应用分类表。其次就是正确对现有工程进行科学归类，并由分类表提供合理的参数或修正。3）有关锚杆支护施工的工程分类合理的锚杆支护分类表应包括三部分，即：岩石的（地质）分类、工程的分类和相关的支护方法和锚杆参数。3.4.4锚杆参数设计①岩石的地质分类可从工程地质的角度对岩石进行分类。这些分类主要有：国家围岩分类标准：分为5类（I、II、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），第Ⅴ类为散体状结构岩石；岩石工程地质分类表（谷德正）：按岩体结构分整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构共四大类八大亚类；岩石工程地质分类表（孙广忠）：按岩体结构分块裂结构、板裂结构、完整结构、断续结构、碎裂状结构和散体结构。3.4.4锚杆参数设计②岩石工程分类考虑各种因素对工程的影响。有的还考虑工程实际情况，如工程的规模、期限、工程开挖后的稳定状况等。这些内容均分列在相应的分类表中。如：国外双指标分类（迪尔-米勒）;美国（迪尔）RQD岩石分类;日本按岩石声速分类;普氏（俄罗斯）分类;美国根据工程自稳时间的分类（美国劳非）;前苏联巷道巷道稳定性（系数）分类表；行业性分类：如煤炭部岩石分类标准将岩石分为5类（I、II、…、V），第V类为不稳定岩石。3.4.4锚杆参数设计③国内锚杆支护施工分类煤矿锚喷巷道围岩分类（表3-16）回采巷道围岩稳定性分类与合理支护技术指标（表3-17）；巷道围岩松动圈分类（表3-18）；铁道部隧道围岩分类标准。

3.4.4锚杆参数设计（2）锚杆参数的估算1）锚杆长度按杆体与粘结材料的粘结强度验算：按粘结材料与孔壁的粘结强度验算：为锚杆的工作长度。锚杆的工作长度应满足加固要求。通常加固要求应考虑例如悬吊高度、免压拱高度、松动圈厚度、塑性层高度、滑动面深度等。3.4.4锚杆参数设计2）锚杆直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，则3）锚杆间排距根据悬吊重量计算（设间排距相等原则）间排距也可以按组合梁假设计算，以及其它专用的经验法、图解法。因此，只要能先确定需要的锚固力，其他问题就可解决。国内锚杆的长度偏短，而间排距也偏小。国外采用的长度与间排距之比为1.2～2.0之间，国内在1.8～2.8之间。3.4.4锚杆参数设计4）设计过程由上面的叙述可以看出，锚杆的计算方法还相当肤浅。其中作为计算关键内容的锚固力大小的原则和计算方法，在设计方法中却没有明确给出。因此，目前的锚杆设计计算带有一定的随意性。一般还是以工程类比法为主，然后加以适当的修正。对于浅埋隧道工程：由太沙基公式计算荷载高度。通过荷载高度可以确定锚杆的工作长度，以及按悬吊理论计算锚杆荷载（锚固力），然后是其它锚杆参数。3.4.4锚杆参数设计对于矿山巷道工程：通常采用工程类比法确定锚固力、锚杆长度和间排距等参数，然后可以用其它一些方法核算、修正。最后设计锚杆的具体细节。对于基坑或边坡工程：边坡工程的设计计算首先要确定可能的滑动面位置。然后比较滑动力和抗滑力或者滑动力矩与抗滑力矩，通过锚杆提供的抗剪力、抗滑力矩使设计满足稳定性系数。基坑锚杆一般水平或倾斜某个有利的角度。边坡的锚杆一般也是水平向布置，但也可以竖直布置。要根据地形情况和可能的滑动情况。3.4.4锚杆参数设计总之，岩土锚杆设计的二个基本内容就是：确定需要提供的作用力大小，以及不稳定部分岩土滑动界面、塑性界面等和它可能的变形或位移运动情况。（3）分析法设计锚杆参数目前许多研究工作采用有限元法设计锚杆长度。如澳大利亚有专门的程序，输入岩石性质参数、地应力参数、巷道几何参数等，就可以获得巷道需要采取的支护参数。3.4.5锚杆设计中的一些技术问题（1）“三径”配合问题所谓“三径”，指锚杆直径、钻孔直径和药卷直径。（2）锚杆全长锚固的问题全长锚固和端头锚固锚杆的支护效果差别很大，表现在：1）全长锚固锚杆能提供更高的锚固力。2）全长锚固时锚杆的受力状态更好。3）全长锚固时锚杆使岩石的受力更合理。4）全长锚固锚杆能提供更高的抗剪能力和抗剪刚度。5）全长锚固有较高的可靠性。6）全长锚固能起到“防微杜渐”的作用。全长锚固后的岩石变形更小，而且变形的性质也不一样。3.4.5锚杆设计中的一些技术问题（3）锚杆延性对岩土位移的适应性基坑的允许变形大约在0.5%（2cm）左右，边坡略为大一些。这对于锚杆自身的延性变形是足够的；为适应巷道变形达1m甚至更多的情况，德国、俄国、中国等国家研制了可伸长锚杆。讨论了两个问题：（1）锚杆控制的范围中，岩石变形有多大；（2）高强锚杆和柔性支护的一致性。3.5锚杆施工机具和锚杆施工3.5.1锚杆施工机具施工机具主要有：锚杆钻机（顶锚杆钻机、帮锚杆钻机、锚索钻机）及各种规格风动凿岩机、钻具、锚杆安装器等。钻头包括

27mm、

42mm、

45mm、

50m、

55mm等。3.5.2锚杆施工锚杆施工时主要应控制锚杆安设质量，包括锚杆间排距、锚杆的角度、锚固质量与锚固力。决定锚杆锚固力大小的因素：岩石性质、锚固形式、锚杆和锚固材料、机具配合、钻孔清洁、搅拌控制、三径配合、锚尾处理（密贴、网以及安装的时间配合等）。决定锚固作用大小的因素：锚杆能力、锚固力、锚杆布置设计与施工实施情况、作用时间、反馈处理等。3.6喷射混凝土支护喷射混凝土是以压缩空气为动力，将细骨料混凝土湿拌料采用喷射的方法覆盖到需维护的岩土层表面，从而形成混凝土结构的支护方式。喷射混凝土也可以单独使用，也可以