錨固技術(shù)及其理論研究現(xiàn)狀和方向

1、錨固技術(shù)及其理論研究現(xiàn)狀和方向錨固技術(shù)及其理論研究現(xiàn)狀和方向孔恒馬念杰王夢(mèng)恕張成平（1北方交通大學(xué)隧道與地下工程試驗(yàn)研究中心，北京，100044；2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京校區(qū)）資源系，北京，100083）摘要基于國(guó)內(nèi)外大量而廣泛的錨固技術(shù)實(shí)踐與研究，全面概括分析了錨固技術(shù)與理論研究的現(xiàn)狀。指出必須引入巖體錨固系統(tǒng)才能有效研究和解決錨固技術(shù)存在的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞錨固技術(shù)設(shè)計(jì)理論巖體錨固系統(tǒng)機(jī)理錨固技術(shù)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣統(tǒng)稱為錨桿支護(hù)技術(shù)，國(guó)

2、外一般稱錨固技術(shù)或錨桿加固技術(shù)。自1872年英國(guó)北威爾士露天頁(yè)巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡及1912年德國(guó)謝列茲礦最先在井下巷道采用錨固技術(shù)以來，錨固技術(shù)至今已有100多年的發(fā)展歷史。錨固技術(shù)是一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越的技術(shù)手段，目前不僅廣泛應(yīng)用于世界主要產(chǎn)煤國(guó)家，而且也推廣應(yīng)用于冶金、水利水電、鐵路公路、軍工及建筑等工程之中，伴隨著“21世紀(jì)－地下工程的世紀(jì)”的來臨，可以預(yù)見，該技術(shù)必將得到更廣泛深入的研究和推廣應(yīng)用。盡管國(guó)內(nèi)錨固技術(shù)與理論研究

3、在近10余年取得了豐碩的研究成果，但還遠(yuǎn)不適應(yīng)我國(guó)錨固技術(shù)推廣與發(fā)展的需要，因此有必要在全面總結(jié)國(guó)內(nèi)外錨固技術(shù)與理論發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出新的研究思路去研究和解決錨固技術(shù)推廣與發(fā)展中的問題。1國(guó)外錨固技術(shù)與理論研究的發(fā)展現(xiàn)狀就目前而言，國(guó)外錨固技術(shù)以澳大利亞、美國(guó)發(fā)展最為迅速，兩國(guó)錨桿支護(hù)比重已接近100％，其錨固技術(shù)水平居于世界前列。到20世紀(jì)80年代以后，一些曾以U型鋼或工字鋼支架為煤巷主要支護(hù)形式的國(guó)家（如英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、前蘇

4、聯(lián)、波蘭、日本等），也大力發(fā)展并應(yīng)用了錨固技術(shù)。11關(guān)于錨桿加固圍巖的作用機(jī)理美國(guó)因其巷道埋深較淺、巖層強(qiáng)度高且地應(yīng)力比較低，因此傾向于懸吊理論和組合梁（加固巖梁）理論，而英國(guó)、澳大利亞巷道以受水平應(yīng)力影響為主，尤其是澳大利亞相對(duì)英國(guó)其巷道圍巖變形量及最大水平應(yīng)力更劇烈，一般而言，英國(guó)、澳大利亞錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)理論傾向于加固拱（擠壓支承拱）理論。12關(guān)于錨桿加固設(shè)計(jì)方法美國(guó)目前有兩種基本設(shè)計(jì)方法：一為經(jīng)驗(yàn)法，即是建立在以往解決巖層控

5、制的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。該方法的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了頂板控制問題的本身，而缺乏對(duì)引起頂板不穩(wěn)定的內(nèi)在原因的注意，即由于頂板條件的不同，經(jīng)驗(yàn)法并不全都有效。二為理論法，亦稱客觀法，即是建立在解決頂板支護(hù)問題的頂板和巖石力學(xué)理論基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。該方法一般是通過公式或者估算確定有關(guān)參數(shù)，有代表性的是蘭和比肖夫RRU準(zhǔn)則和帕內(nèi)克設(shè)計(jì)諾模圖。實(shí)踐中常采用將上述兩種方法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。澳、英兩國(guó)在原采用理論法和經(jīng)驗(yàn)性或試探法的基礎(chǔ)上，認(rèn)為錨桿加

6、固設(shè)計(jì)必須保證巷道始終處于可靠的狀態(tài)，而可靠的設(shè)計(jì)方法必須以對(duì)開挖引起的巖層變形、錨桿受力及加固效果的精確測(cè)量為基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上認(rèn)為應(yīng)采用以下兩種手段相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法：一進(jìn)行巷道監(jiān)測(cè)，確定圍巖礦壓顯現(xiàn)及掘進(jìn)和回采期間錨桿加固特性；二利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，模擬可能遇到的應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)巖層礦壓顯現(xiàn)與錨桿加固的特性，以及評(píng)價(jià)新選擇的各種錨桿加固。澳大利亞把該設(shè)計(jì)方法的實(shí)施具體分為4個(gè)步驟：（1）地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，包括對(duì)巷道圍巖（頂?shù)装寮懊簩樱┝W(xué)性質(zhì)

7、的主攻方向之一，使錨桿支護(hù)技術(shù)有了新的發(fā)展，進(jìn)入了以鋼帶網(wǎng)和錨梁網(wǎng)為代表的組合錨桿支護(hù)階段。盡管這一階段開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的錨桿如各結(jié)構(gòu)形式的可拉伸錨桿等，但仍以水泥藥卷鋼筋錨桿為主且尾部增加了托盤（板）和螺母。這一階段中雖然也提出了錨桿施加預(yù)緊力問題，如我國(guó)規(guī)范規(guī)定錨桿螺母擰緊扭矩不應(yīng)小于100Nm（對(duì)于16mm錨桿相應(yīng)的預(yù)緊力不足20kN），然而規(guī)定的數(shù)值過低，施工中又缺乏保證，因而圍巖和錨桿體系仍不能共同協(xié)調(diào)承擔(dān)載荷，固巖和錨桿

8、易被“各個(gè)擊破”，限制了錨桿支護(hù)的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。（3）逐漸步入高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿體系階段。近年隨澳大利亞先進(jìn)錨固技術(shù)與理論在我國(guó)的實(shí)地演示以及由煤科院北京開采所、建井所、上海分院和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與邢臺(tái)礦務(wù)局聯(lián)合對(duì)原煤炭部“九五”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目《邢臺(tái)礦務(wù)局煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究》的攻關(guān)，在設(shè)計(jì)方法、錨桿材質(zhì)、監(jiān)測(cè)儀器、單體錨桿鉆機(jī)、快速安裝、部分復(fù)雜困難條件的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)等6個(gè)方面共15個(gè)研究子項(xiàng)目中，取得了一批代表國(guó)內(nèi)水平的具先

9、進(jìn)性及實(shí)用性的成果，使我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)水平上了一個(gè)新臺(tái)階，步入了一個(gè)新的發(fā)展階段。具體表現(xiàn)為:①以地應(yīng)力為基礎(chǔ)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法已初見效果并漸漸發(fā)展成熟；②開始采用高強(qiáng)度全長(zhǎng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)，如邢臺(tái)局桿體材料選用20MnSi建筑用高強(qiáng)度螺紋鋼，桿體直徑采用大直徑22mm，采用全長(zhǎng)樹脂錨固并使用碟形托盤及高強(qiáng)度螺母，為提高錨桿預(yù)緊力創(chuàng)造了條件。據(jù)試驗(yàn)，22mm無縱筋左旋螺紋鋼錨桿經(jīng)熱處理后其屈服載荷為254kN，延伸率為20％，與澳大

10、利亞相當(dāng)，取得了顯著的支護(hù)效果；③開發(fā)研制的頂板離層指示儀和測(cè)力錨桿為實(shí)施圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法提供了技術(shù)支持手段。22理論研究現(xiàn)狀221錨桿加固圍巖的作用機(jī)理研究國(guó)內(nèi)在對(duì)公認(rèn)的錨桿加固圍巖的三大機(jī)理基礎(chǔ)上，對(duì)其機(jī)理的行為特征具體給出了以下解釋。(1)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出巷道錨固圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論，其要點(diǎn)是:①錨桿加固圍巖的實(shí)質(zhì)是改變了巷道圍巖的受力狀況，增加了圍壓，從而提高了巖石的力學(xué)參數(shù)（δ、E、C、），改善被錨固巖體的力學(xué)性能

11、；②巷道圍巖存在著破碎區(qū)（松動(dòng)區(qū)）、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的巖體的峰值強(qiáng)度或峰后強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度都能得到強(qiáng)化；③能較好地控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而更有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。(2）煤炭科學(xué)研究總院北京開采所對(duì)煤巷錨桿加固作用機(jī)理的研究表明：錨桿加固對(duì)于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果，但在圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對(duì)提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著作用。在巷道周圍，錨桿與其錨固范圍內(nèi)的巖石構(gòu)成一種錨固支護(hù)體，當(dāng)這個(gè)錨

12、固體中的巖石在圍巖集中應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時(shí)，其承載能力降低并產(chǎn)生變形，同時(shí)圍巖的集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，使錨固體卸載。在此過程中，錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動(dòng)的巖石構(gòu)成具有一定承載能力和適應(yīng)自身變形卸載的錨固平衡拱。222錨桿加固設(shè)計(jì)理論的研究國(guó)內(nèi)目前錨桿加固設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇方法基本上還停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，即工程類比法是主要的設(shè)計(jì)方法。近年隨研究的深入，國(guó)內(nèi)亦漸漸應(yīng)用理論方法，有影響的主要有