预应力锚杆支护技术

预应力锚杆支护技术（通用11篇）

预应力锚杆支护技术 篇1

1 概述

随着煤矿生产力的不断发展和锚杆支护理论的完善和成熟, 以及“十五”期间的科技攻关, 锚杆支护在煤巷掘进支护中的比重越来越大, 目前全国主要矿区煤巷锚杆支护的比重超过了70%, 一些现代化大型矿井的比重超过了90%, 其主要原因在于煤巷锚杆支护有以下诸多优点:1.1在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论, 锚杆与被锚固围岩共同承载, 属主动支护, 能够调动和利用围岩自身的稳定性, 充分发挥围岩的自身承载能力, 有效地控制巷道围岩变形。1.2适应性强, 支护成本随采深增加、条件恶化的升幅, 不像棚式支护大幅度上升, 相反降低的更多, 支护效果更显著。1.3在相同地质条件下, 参数合理的锚杆支护, 围岩变形量通常比棚式支护减少一半以上, 一般条件下不需要维护, 困难条件下, 只需简单、快捷的维护。1.4所需材料体积小、重量轻, 辅助运量大大降低, 既减轻了工人的劳动强度, 又改善了作业环境。工作面端头不需要撤棚, 节省了回棚工序, 简化了端头管理。

2 煤巷锚杆支护存在一些问题

虽然煤巷锚杆支护有许多优点, 但由于其是隐蔽性较强的支护形式, 参数确定以后, 怎样确保工程质量和施工安全比较困难, 条件恶化或变化时不及时采取针对性的措施常常导致冒顶事故的发生。目前一些特殊地质条件如松软煤层的高帮, 大倾角巷道高帮, 沿空巷道, 高应力巷道的锚杆支护使用程度还很有限。这类巷道在高应力作用下, 帮部变形很大, 常常造成巷道收缩变形致使巷道无法使用, 特别是对于沿空掘巷, 目前的高性能锚杆组合支护技术也显得无能为力, 巷帮的变形量尤其是煤柱帮, 在掘巷之初就有明显的变形, 到回采阶段, 变形量通常达到总变形量的70%以上, 断面收缩近2/3, 巷道无法使用, 甚至造成安全事故, 许多工作面不得不停产翻修巷道或另开掘巷道, 给矿井的安全和生产带来极大的危害, 如何真正有效地解决这些复杂条件下的煤巷锚杆支护问题变得越来越急迫。因此, 我们创新性地提出在煤帮使用预应力桁架进行支护, 可以有效抵抗巷帮与顶板之间的相对错动剪切力, 有效控制帮部向巷内位移, 从而减少巷帮变形, 使巷道满足生产需要。

3 现有常用桁架的种类与特征

3.1 建筑类桁架概念和特征。

目前建筑行业使用的是建筑类桁架, 是指工程中由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的结构, 称为“桁架”, 通常是钢桁架, 主要是一种空间体系的架式结构, 其特征和用途与矿用桁架完全不同。建筑桁架的工程要求:足够的强度-不发生断裂或塑性变形;足够的刚度-不发生过大的弹性变形;足够的稳定性-不发生因平衡形式的突然转变而导致的坍塌;良好的动力学特性-抗震性。3.2简易锚杆桁架结构和特征。目前煤矿常用的桁架是简易锚杆桁架结构, 其主要由两个托板、两根倾斜锚杆和两根拉杆组成。托板的材料为铸钢, 托板上设计有1个倾斜锚杆孔和两个拉杆孔。拉杆为相同的两根螺纹钢或Q235钢筋, 两根钢筋的两端均制有螺纹, 通过螺母与托板联结在一起。简易锚杆桁架是一种能在巷道顶板的水平及垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构。在拉杆和两倾斜锚杆的协调作用下, 随着巷道顶板的弯曲变形, 在巷道顶板内部产生更大的水平挤压应力, 巷道顶板与桁架锚杆之间存在作用与反作用及相互制约的关系。

4 新型预应力桁架支护技术

4.1 预应力桁架的概念。

预应力桁架是将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点, 专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧, 并传递张拉力, 实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固, 控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成。4.2预应力桁架的作用机理。预应力桁架最初应用在顶板, 当支护的预应力达到一定程度时, 能形成预应力承载结构, 该结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应性让压, 同时能够在大变形中保持整体稳定性。具有这种变形让压和整体稳定性特征的层状顶板结构叫预应力承载梁, 它具有连续传递应力的效应, 从而使垂向应力集中程度减缓, 两帮煤体破坏减弱, 消除或大大减缓顶板离层, 并从根本上控制巷道围岩的最终变形量, 以达到最佳支护效果。这种支护方式充分发挥了各自的优势, 刚柔相济、内外并举、标本兼治, 即控制变形又保证安全, 达到了安全和经济效果。4.3预应力桁架与锚索对比的优点。预应力桁架与锚索相比有许多优点:a.桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体, 十分可靠, 而锚索内锚固点在巷道正上方, 可能随顶板垮落而失效;b.桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触, 作用范围大, 松散破碎顶板受力状态好;而锚索与顶板围岩是点接触, 外端煤体易破碎, 并导致锚索松动;c.钢绞线抗剪性强, 能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏;d.随围岩变形易形成闭锁结构, 支护结构不易失效;而锚索随顶板变形, 载荷直线上升, 易拉断失效;e.桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩, 平衡顶板弯曲而产生的拉应力区, 减少顶板破坏, 大大改善了顶板的稳定性。4.4预应力桁架的具体形式。4.4.1顶板桁架。预应力桁架在煤巷顶板已得到了广泛的使用, 施工工艺和技术日趋成熟, 特别是跨度较大的巷道, 应用桁架支护能够有效控制顶板变形, 满足矿井生产和安全需要。当巷道跨度大于4.0m, 直接顶为复合顶板时, 单纯施工锚索无法实现锚索的补强支护作用时, 为加强对顶板岩层的控制, 可垂直巷道走向施工顶板桁架, 桁架锚索以巷道两帮顶部较为稳定的岩层为锚固点, 而后两根锚索中间用桁架连接器联结并强力张拉, 产生的均布的水平方向载荷, 支撑顶板, 增大了护顶面积和强度, 达到护顶的目的。4.4.2帮部桁架。顶板桁架解决了大断面巷道顶板稳定与安全性问题, 但复杂条件下煤巷帮部稳定性问题给我们提出了更大挑战, 通过现场试验, 我们成功将顶板桁架应用于帮部, 支护时以顶底角为锚固点, 桁架产生的均布竖直方向的载荷, 形成“梁”结构, 以煤帮深部稳定围岩的小变形控制巷道外部的大变形, 解决煤巷帮部变形大的技术难题。帮部桁架又有两种方式:一是帮部竖向桁架, 用于实体和沿空, 这已在许多矿区推广应用, 效果良好;一是帮部横向桁架, 这些均是桁架支护在理念和手段的创新。4.5预应力桁架的施工方式。顶板桁架的施工与锚索相比有些区别, 这儿主要对帮部桁架的施工方式给予说明。4.5.1帮部竖向桁架的施工方式。分别在巷帮靠顶底板位置施工钻眼, 锚杆桁架施工60°时效果最好, 而我们通过现场试验, 钻眼角度与水平夹角40°~50°左右时效果良好;然后用扫孔器将眼内煤岩粉吹扫干净;在孔内穿桁架钢绞线, 钢绞线前端放树脂药卷锚固;用桁架专用联接器将两根钢绞线联接, 安装配套索具并用张拉仪进行张拉紧固, 张拉力不低于70k N。4.5.2帮部横向桁架施工方式。帮部竖向桁架在使用过程中出现了问题, 底角锚索钻孔的施工难度大, 锚固效果差, 针对此现象, 我们提出了横向桁架的支护形式, 以张新煤矿实际应用为例, 分别在靠近帮部的下部和上部适当位置施工眼孔, 垂直打入帮部, 为方便施工, 可适当向上10°左右, 仍用桁架联结器连接锚索, 张拉要求同竖向桁架, 完成两个横向桁架跳过两排钢带后安装第二排两个横向桁架。

结束语

预应力桁架支护技术在控制顶板离层、大倾角高帮整体移动、小煤柱松散变形及深井高应力软岩巷道围岩关键部位加固等复杂条件下的应用具有很强的灵活性和针对性。我国每年新掘煤巷10000km以上, 其中20~30%是各类复杂条件下煤巷, 成功应用预应力桁架支护技术, 就为该类煤巷锚杆支护提供了安全和技术保障, 同时给煤炭企业带来巨大的经济效益和社会效益, 应用前景非常广阔。

摘要：锚杆支护已成为当前煤巷的主要支护形式, 但由于复杂条件下仍存在一些安全和技术问题, 必须推陈出新。详细阐述了一种新型预应力桁架支护形式, 包括预应力桁架的概念、作用机理、与锚索对比的优点、具体形式以及施工工艺。最后给出了鸡西张新矿的成功应用实例, 表明了该支护技术在理念和手段上是煤巷锚杆支护的一个突破和创新, 有着很大的推广价值和广阔的应用前景。

关键词：煤巷,锚杆支护,预应力桁架,支护技术,创新

参考文献

[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.

[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.

[3]张益东.桁架锚杆与普通锚杆对顶板的不同支护作用[J].矿山压力与顶板管理, 1999, 6.[3]张益东.桁架锚杆与普通锚杆对顶板的不同支护作用[J].矿山压力与顶板管理, 1999, 6.

预应力锚杆支护技术 篇2

关键词：溪洛渡水电站 右岸导流洞 预应力锚杆 快速施工 1 工程概述

溪洛渡水电站右岸4＃、5＃导流洞下闸室段，分别布置在4＃洞身0+168.0～0+248.0段，5＃洞身0+233.866～0+313.866段。导流洞开挖分上、中下三层进行开挖，导流洞洞身闸室段在上层和中下层开挖后将分别形成14.5×34m（高×宽）、30×34m（高×宽）的特大跨度开挖断面。

导流洞洞身闸室段顶拱及边墙岩性为含斑玄武岩、角砾集块熔岩。层内错动带及高、中、缓倾角裂隙较发育，部分岩性稍好，裂隙闭合、无充填、微风化，腰线以上围岩完整性及稳定性稍好，腰线以下围岩完整性及稳定性较差，局部部位沿长大裂隙渗、滴水。总体上4＃、5＃导流洞洞身闸室段属ⅱ、ⅲ1围岩。

由于闸室段洞径特大，部分位置岩性偏差，洞室结构安全至关重要，为确保右岸闸室段在施工期岩体稳定及建筑物结构安全，避免发生重大地质灾害，设计在原有锚喷支护的基础上，对闸室段顶拱共增设了460根15t预应力锚杆进行加强支护。

预应力锚杆沿闸室段顶拱梅花型布置，间排距长9m，材料采用精轧螺纹钢筋，直径φ32mm。锚杆孔设计钻孔直径为φ48mm，锚固段长3.0m，锚固段灌浆采用水泥浆、水泥砂浆或树脂材料，要求水泥浆或水泥砂浆抗压强度不小于m35,树脂材料抗压强度不小于50mpa，锚杆孔口承压垫座尺寸为150mm×150mm×10mm，高强螺栓锁定。预应力锚杆采用自由段无套管预应力筋，灌浆分两次进行，锚固段灌浆及张拉锚固后，再对自由段进行二次灌浆。2 施工手段的选择

预应力锚杆在导流洞洞身闸室段上层底板平台上进行，同时，要求必须在导流洞中层开挖推进至闸室段前，全部完成预应力锚杆施工，总工期要求在35天以内，以免影响导流洞中下层开挖；另外，预应力锚杆施工期间，闸室段交通不能中断。

预应力锚杆均布置在闸室段顶拱部位，距底板高差9.5～14.5m,若按常规采取搭设脚手架施工平台，排架搭拆周期长，对闸室段交通干扰大，快速钻造孔洞内环境污染严重，且效率低下，工期不能确保。若现场临时加工简易移动式平台，成本增加，搬移不便，不能形成规模化施工，同样效率低下。经综合比较，决定采用现场已有的大型液压凿岩台车造孔，利用吊车液压升降平台作为锚杆安装、张拉等作业施工平台，省略了固定施工平台，顺利解决了施工手段问题，灵活方便，实现了规模化施工，并确保了洞内交通畅通。3 设计的优化调整

预应力锚杆施工结构图如图1所示。

图1 预应力锚杆施工结构图（尺寸单位：cm）

首先，设计要求锚杆钻孔直径为φ48mm，而锚杆直径就达φ32mm，造孔直径仅大于锚杆直径16mm，进浆管与回浆管无法埋设；另外，三臂凿岩台车钻杆最大长度为6m，造9m深孔必须进行钻杆套接后才能完成，钻杆安装连接套后，造孔直径不能小于φ65mm，为了满足施工要求，在征得监理工程师与设计同意下，将孔径优化调整为φ65mm。

锚固段若采用水泥浆或水泥砂浆锚固，施工难度大，不易控制，锚固段张拉前待凝时间长，无法实现快速施工。为此，借鉴龙滩及拉西瓦等工地预应力锚杆施工成熟经验，锚固段采用速凝型锚固药卷，在确保设计要求强度的情况下，锚固段在灌浆完毕24小时后即可进行张拉，实现了快速施工。

孔口承压钢垫板为张拉的主要承力部件，张拉时承压高达6.5mpa以上,为了防止张拉过程中或张拉后承压垫板发生变形、扭曲等，在征求设计同意后，将原设计承压钢垫板尺寸150mm×150mm×10mm调整为200mm×200mm×20mm，施工更加方便，确保了张拉施工顺利进行。4 施工过程简述 4.1 施工程序

预应力锚杆主要施工程序如下：施工准备®钻孔®清孔®内锚段速凝型锚固药卷灌注®杆体安装®封口®孔口垫座安装®张拉®自由段注浆®外露锚杆杆体保护

4.2 机械化造孔

预应力锚杆采用现场正在进行导流洞开挖支护施工的h175三臂液压台车造孔，造孔前应根据设计图纸要求对锚杆孔孔位测量放样，定出孔位，并用红油漆标识。钻孔时要求钻杆垂直岩面，钻孔平直，孔轴方向偏差不大于1°～3°。由于多臂钻钻杆仅6m长，钻杆钻进5m深左右时，安装钻杆连接套，再连接一根3m长钻杆继续钻进至终孔，多臂钻钻进速度为0.5～0.8m/min, 造孔完成后，加大钻臂水阀，边冲边退钎，冲洗钻孔。钻机就位后，在15分钟左右，就可以完成单孔造孔，造孔效率相当高，4.3 内锚段灌注及锚杆安装

利用吊车液压升降平台作为内锚段灌浆及锚杆安装作业平台，速凝型水泥锚固剂药卷使用锚固剂风枪将锚固剂打入内锚段，锚固剂药卷经锚固剂风枪打入输送管（1″pe管），再经输送管打入内锚段孔底（锚固剂输送管插入孔内距孔底50cm左右），每打入一卷锚固剂，输送管向孔外拉出 5cm左右，直至打入锚固剂药卷60支左右或孔内锚固剂距离孔底3.0m处（内锚段长度为3.0m）结束。

锚固剂药卷在打入前现在水中浸泡，浸泡时间控制在2.5分钟左右，浸泡直观效果原则上以药卷中心留有黄豆颗粒大小的白蕊，或药卷在水中不冒或冒少量气泡为止。锚固剂风枪工作风压控制在0.5～0.6mpa左右，在风枪的风管输入端安装压力表进行风压控制。

在锚固段速凝水泥药卷打入结束后立即进行预应力锚杆杆体安装，采用吊车液压升降平台上人工插杆，可利用人工扶杆的情况下，吊车液压升降臂将锚杆缓慢顶入，减轻了作业人员劳动强度，锚杆杆体端部加φ40mm钢管辅助送杆。插杆前对锚杆杆体加工：预应力锚杆朝向孔底的一端应削尖。在距锚杆底部3.0m处设止浆环，每3m设对中环一个,对中环采用φ6.5mm圆钢与锚杆杆体焊接。外露端长度50cm，端头用砂轮切割机切平（套丝长度50cm），以便于安装与精扎螺纹钢筋配套的螺母。在锚杆杆体自由段安装进浆管（内径φ15mmpvc管）和回浆管（内径φ8mm硬质塑料管），回浆管应牢固绑扎在杆体上，管口端部距止浆环15cm处。进回浆管在孔口通过钢垫板预留孔口引出。

锚杆杆体插入内锚段后,立即采用木楔（长度6～10cm）进行锚杆孔口封口,防止锚杆从孔内滑出。木楔应完全打入孔内，不得留出孔外，以免影响锚杆孔口钢垫板安装和锚杆张拉。孔口承压垫座钢垫板面与锚孔轴线垂直，承压垫座必须平整、牢固。若钢垫板面与锚孔轴线不垂直，孔口外侧可用快凝砂浆找平，砂浆强度增长应满足12小时承载15t张拉力的要求。在充分利用吊车液压升降平台的情况下，内锚段灌浆及预应力锚杆安装，在15～20分钟即可完成单根锚杆施工，工效较高。4.4 张拉与锁定

在内锚段锚固剂灌浆完毕后24小时左右开始进行锚杆张拉。

张拉设备采用tg－2000型扭力扳手。锚杆张拉前，对扭力扳手进行率定。施工中扭力扳手易损坏，要求每周率定一次。

张拉前将钢垫板套入锚杆，调整垫板与锚杆垂直后紧锁螺帽。锚杆正式张拉前，取20％的设计张拉荷载（即3t），对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密。张拉力施加值顺序依次为：第一次张拉力为设计值的25％（3.75t），持荷5分钟后进行第二次张拉，张拉力为设计值的50％（7.5t），持荷5分钟后进行第三次张拉，张拉力为设计值的75％（11.25t），持荷5分钟后进行第四次张拉，张拉力为设计值的100％（15t），最后一级张拉力达到设计值后稳压30min结束张拉平锁定。每张拉一次均应量测锚杆杆体的伸长值，并作好原始记录。张拉工效为2根/40～50min左右。

锚杆锁定后48小时内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行补偿张拉。4.5 自由段注浆

张拉结束后开始对锚杆自由段回填灌浆施工，灌浆采用纯水泥浆，2sns型灌浆泵注浆。确认排气管畅通后，才能进行孔内自由段注浆，自由段注浆应饱满，当排气孔不再排气，并有浆液溢出时，可结束自由段注浆。浆体凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔杆体。

预应力锚杆支护技术 篇3

一、预应力锚杆的作用

基坑支扩中，一般选用钢铰线作为预应力筋。利用对其自由段预拉的弹性回缩力对支护结构施以预设的应力，使支护结构得以稳定。预应力锚杆的作用司可以从以下两个方面理解。

1．施加预应力实现荷载平衡

施加预应力的方法可认为是对混凝土面板施加与主动土压力方向相反的荷载，用以抵消部分或全部土压力。混凝土面板为受力对象，一方面受到土体的压力，另一方面受到施加的预应力，在结构平衡时，两者应近似相等。对面层而言，只要能够满足施加预应力时面板不被破坏，再增加其厚度是没有多大作用的。

上述分析在说明预应力和土压力相互关系的同时，也为支护的设计与分析提供了依据，它是支护结构稳定的保证。

2．预加应力使土体和锚固体共同作用，发挥两者的潜力

预加应力可以使锚固体与土体进行协调结合(如图1，其中滑裂面与面板间为非粘结型)。将预应力锚杆分为三段，A点为锁定点，朋为自由段，则AB段预应力筋的应力大小相等，方向A→B；C点为锚固体受土体静摩擦力为0的点，BC间土的剪应力由B到C逐渐减小；CD同土与锚固体的剪应力可以认为等于0。

根据上述，通过预加应力，使自由段处的土体预压，使包裹锚固体的土体产生向基坑外的剪应力，以抵消基坑开挖时释放的土压力，储备抗变形能力。因此，预应力锚杆是一种充分利用高强钢材的能力、改变土体受力状态的有效手段。根据分析，可以看出：

(1)沿锚杆锚固段的黏结应力分布由自由段向坑外逐渐减小，计算时选用的摩阻强度系数只是一种近似，但在施工中可通过现场抗拔实验加以复核修正。

(2)由于土体应力状态的改变，也改变了土体的性能，土体由于受力压紧，其粘聚力C增大：另一方面，由于预应力作用，原来的土压力方向发生了改变，阻碍了滑移面的产生，换言之，即有效地控制了土体的变形。它为变形控制提供了依据。

预应力锚杆作用的两种理解方式，都是建立在基坑自稳、土体未产生变形的基础上。因此也就要求下步开挖是在锚杆张拉，施加预应力之后进行，这对施工步骤提出了严格要求。如果与此工序相反，则预应力锚杆的作用将大打折扣。

二、预应力锚杆的设计

预应力锚杆指的是用水泥浆或水泥砂浆将一组预应力筋锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚体。它所承受的拉力首先通过周边浆体的握裹力而传递到水泥浆中，然后再通过锚固段周边地层的摩阻力而传递到锚固区的稳定地层中。因此，应包括设计和试验两部分。

1．设计计算

锚杆预应力值的确定对于锚杆的应用起决定性作用，它不仅要考虑安全与经济性，而且对变形的控制尤为重要，其计算步骤如下：

(1)满足基坑稳定的支挡结构的力 根据静力分析；确定基坑稳定时各支护构件的参数，主要是各种力的大小，如桩承受的土压力，土钉的抗拔力等。

(2)预应力值的确定 由计算可知在支护体系中，支挡结构各部位所承受的土压力，再乘以安全系数，即施加的预应力。土钉支护时，土压力用抗拔力代替；其他支护类型用实际求得的土压力进行计算。

(3)预应力锚杆参数的确定 由预应力值，结合勘查的土性参数，确定锚杆参数，包括锚杆长度，自由段长度，预应力筋个数，倾斜角等。

(4)基坑稳定性是否满足要求 各参数计算结束后，再对整体进行稳定计算，如满足要求，则进行下一步工作。

2．试验资料

由于深基坑支护时，场地工程条件千差万别，开挖后与勘察资料不尽相同，因此现场实验必不可少。土层锚杆的抗拔能力取决于孔壁摩阻力。因此土层锚杆浆体的强度可略低，较多工程选用水泥净浆，基本可达到要求。现场实验的目的主要有：

(1)预应力锚杆的受力变化特性 通过分级加载下锚头的位移值，可对土体及锚杆的性质有一定了解，以便调整施工参数。

(2)抗拔力确定 通过抗拔实验，得出锚杆的极限承载力，应使荷载比β(锚杆的锁定荷载与锚杆的极限承载力之比)控制在较小的范围(β≤0．55)，以最大限度发挥预应力锚杆的锚固作用。

(3)安全储备 由实验知预应力设计值与极限承载力的关系，也就知道了安全储备情况，储备越大，其上部施加相同超载时越安全。这也从另一方面说明了支护结构的安全可靠性。

三、锚杆张拉与锁定

锚杆灌浆后，待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度的70％后方可进行张拉。张拉过程中分级加载，当预应力没有明显衰减时，可锁定锚杆。主要存在三个方面的问题：

1．张拉工艺

跳张法：为避免张拉对相邻锚杆的影响，应采用跳张法，即隔一或隔二张拉，尽量减少相邻锚杆张拉引起的预应力损失。

2．锁定值

既然预应力锚杆对变形有控制作用，那么，张拉锁定值是不是越大越好呢?并非如此，主要有以下几个问题：

(1)受地层特性、预应力锚杆及锚具的力学性能限制，预加应力值不可能无限增大；

(2)张拉值过大，使锚杆处于高强度工作状态，容易引起筋体的蠕变，进而导致预应力的损伤；

(3)过大的张拉值，使应力集中现象更明显，也容易引起面板的裂缝与破坏。

但张拉值也不能过小，否则不能完全发挥预应力的作用。

笔者认为，张拉应控制在设计值的110％左右，这样考虑锁定时夹片回缩力损失，张拉锁定的有效应力基本与设计值相等。

3．补偿张拉

有深坑支护中，由于土体蠕变，混凝土面板的徐变以及预应力材料的松弛损失，锁定的预应力值会有不同程度的减小，因此，需要考虑补偿张拉，但必须与基坑的监测数据相配合。在多排锚定结构中，笔者认为，在侧向土压力最大值附近的锚杆应进行补偿张拉；而其余部位锚杆，只要基坑变形符合规范，可不进行补偿张拉。

预应力锚杆支护技术 篇4

1 基本构造

预应力锚杆柔性支护体系包括诸多的组成部分, 如预应力锚杆、面层、锚下承载结构、排水系统等。承载体系指的是预应力锚杆, 构造体系则由面层和锚下承载结构组成, 排水系统则发挥着辅助作用。

具体来讲, 预应力锚杆柔性支护技术指的是在潜在滑移面以外的稳定岩土体中锚固锚杆的锚固段, 通过锚下承载结构和面层, 在潜在滑移面以外的稳定岩土体中施加锚杆增加的预应力。因为存在着预应力, 那么就会有压应力区产生于锚杆周围岩土中, 这样潜在滑动面上的正应力和抗剪阻力就会得到增加, 非稳定土体的下滑力得到减少, 因此, 将预应力施加于锚杆上, 可以对岩土体的变形进行主动控制, 对岩土体的应力状态进行合理调整, 促使基坑的稳定性得到强化。

2 变形和稳定分析

通过研究发现, 传统的深基坑支护结构将稳定性控制的设计方法应用过来, 以此来促使支护结构的安全和稳定得到保证。如今基坑有着越来越大的深度和更加复杂的环境条件, 对深基坑支护结构设计提出了更高的要求。因此, 在基坑工程中, 如今变形控制设计方式逐渐取代了以往的强度控制设计方式。过去传统的极限平衡法, 主要是分析基坑稳定性, 无法对任何有关变形的信息进行获取, 但是基坑开挖数值模拟计算分析则可以全面分析研究基坑支护的受力、变形以及破坏模式等力学行为, 以便更加有效的指导基坑工程的设计和施工。本文主要采用的是FLAC2D, 将显式有限差分格式求解场的微分控制方程给利用了起来, 通过混合离散元模型, 来对材料的屈服、塑形流动进行准确的模拟, 可以对基坑开挖的施工过程进行模拟, 进而实时仿真施工过程。

一是工程概况和计算模型:本文以某大厦深基坑工程为例, 基坑深度为23.5米, 对11排锚杆进行了布置, 锚杆长度在8米到20米之间, 竖向间距和水平间距分别为2米和1.5米, 将高强度低松弛钢绞线作为锚杆杆体。结合地质勘察结果, 场地包括诸多的土质类型, 如杂填土、中风化辉绿岩、微风化辉绿岩等。深基坑模拟宽度和模拟深度分别为50米和35米, 其中, 基坑开挖宽度和开挖深度分别为10米和23.5米, 基坑模拟所划分的平面单元有数千个, 每一个网络单元尺寸为0.25平方米。模型左右两侧对水平位移进行限制, 模型底面对水平位移和垂直位移进行限制。我们将理想弹塑性本构模型—摩尔库仑屈服准则作为土体, 预应力锚杆的模拟利用cable单元来实现。

二是计算结果分析:首先是基坑稳定分析, 我们将极限平衡法和强度折减法给应用了过来, 这样就可以将不同工况下的基坑安全稳定系数给得出来。通过对预应力锚杆进行施加, 前移了基坑潜在滑移面的位移, 在较大程度上提升了基坑的安全稳定系数。

其次是基坑位移分析, 通常是沿着基坑深度, 基坑坑壁的水平位移呈曲线分布形式, 在基坑顶面出现了最大位移, 深度增大的同时, 会逐渐较小。增加锚杆预加力, 会在较大程度上减少基坑坑壁的水平位移, 但是会逐渐减小减小的幅度。如果预加力值在k N以上, 那么对预加力进行提升, 基本上不会影响到坑壁变形。基坑地面的沉降分布规律等同于坑壁水平位移分布规律。越大的水平位移, 就会产生越大的沉降量。因此, 在控制中, 往往将水平位移作为标准, 基坑稳定不受影响的基础上, 对基坑坑壁的水平位移进行控制, 通常就可以控制地面沉降。

最后是基坑滑移场分析, 我们从理论层面来进行分析, 因为将预应力施加于锚杆上, 那么基坑坑壁水平位移和基坑地表沉降就得到了减小, 对岩土体的滑动起到一定程度的约束作用, 对岩土体的剪切变形进行减少, 这样潜在滑动面上岩土体的剪切变形也会得到减小, 对于出现的岩土体塑性区, 也会起到一定的延缓作用, 促使潜在滑移区的范围得到了缩小。通过研究发现, 在不断增加锚杆预应力值的过程中, 会逐渐减小潜在滑移面上剪切应变, 减小滑移区, 如果预应力在400k N以上, 就会大范围消失滑移区, 只会有小范围存在于基坑底处。因此, 通过锚杆预应力的施加, 可以对基坑变形进行减小, 并且基坑岩土体塑性区的范围也得到了缩小, 对于岩土体潜在滑动区的出现, 可以起到延缓或者阻止作用。

3 结语

通过上文的叙述分析我们可以得知, 随着时代的进步和发展, 预应力锚杆柔性支护技术因为具有一系列的优点, 因此被广泛应用到深基坑支护中。通过有限元数值模拟, 可以将锚下承载结构各个构件的最佳匹配尺寸给得出来, 这样可以对设计和施工起到有效的指导作用。在具体的实践施工过程中, 需要结合具体情况, 综合考虑诸多方面的因素, 科学设计应用方案;在施工过程中, 严格依据相关的规定和要求来进行, 以便更好的将预应力锚杆柔性支护技术给应用到深基坑支护中, 推动我国各类建筑事业获得更好的发展。

摘要：随着时代的进步和社会经济的发展, 我国城市化进程在逐步的加快, 在高层建筑、地下商场以及地下车库中出现了大量的深基坑开挖支护工程, 深基坑工程有着越来越大的规模、开挖面积和开挖深度。预应力锚杆柔性支护技术因为具有一系列的优势, 因此被广泛应用到深基坑支护中。本文简要分析了深基坑支护中的预应力锚杆柔性支护技术, 希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：深基坑支护,预应力锚杆,柔性支护

参考文献

[1]魏凤仙, 张略, 郑伟峰.深基坑预应力锚杆柔性支护设计参数的灵敏度分析[J].工程勘察, 2010, 07 (01) :123-125.

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[3]贾金青, 涂兵雄.预应力锚杆柔性支护法在超深基坑中的实践[J].岩土工程学报, 2012, 11 (15) :55-57.

煤巷锚杆支护技术研究 篇5

关键词：煤巷锚杆锚索支护技术

0 引言

煤巷树脂锚杆是指对岩层及煤层起锚固作用、维护围岩稳定的杆状结构物及附件，其种类和结构繁杂多样，但各矿井一般都将其作为简单材料，分散加工，规模小质量不稳定，使用效果差，根本原因在于对锚杆加工要求和结构必须具备的基本性能不清楚。随着这一技术的推广应用和普及，客观上要求提高锚杆整体性能及加工精度，特别是困难复杂条件下应用该项技术对锚杆的性能提出了更高的要求，把锚杆作为一种简单的支护材料已不适应全面推广这一新技术的要求，必须使锚杆加工系列化、规范化、标准化，只有高性能的成套锚杆才可能满足地质条件复杂多变的需求。

1 高性能(预拉力)锚杆支护

锚杆结构和加工性能如何规范是十分重要的技术问题，针对目前锚杆加工、使用中存在的缺陷和问题，笔者提出高性能锚杆的概念，它是指杆体材质符合高强度、延伸率要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆。

目前煤巷推广使用的一种高性能锚杆有如下特点：①采用20MnSi无纵筋左旋螺纹钢加工，其强度和延伸率都符合高强度锚杆对材质的要求，材质优良，取材方便，杆体表面凸纹能够满足搅拌阻力和锚固要求，不必二次加工；②外端螺纹部采用低强度损失加工新工艺，螺母、托盘、钢带等附件尺寸匹配、强度相当；③双重减摩措施，保证实现预拉力(初锚力)，并调整锚杆外端受力；④扭矩螺母实现快速机械安装结构；⑤有醒目的标志直观显示安装施工质量。⑥配套的新型附件性能优越，包括顶板用M型钢带和帮用的Ⅱ型轻型带钢，前者是针对W型钢带易撕裂、抗弯模量小的缺陷，经过断面形状优化产生的高翼缘结构；后者是针对钢筋梯子梁焊点不牢，整体性差，与围岩接触困难的缺陷而开发出来的，用料省，整体力学性能好，它们都属于更新换代产品，有多种规格和多个系列。为了强调预拉力的作用，这种锚杆又称高性能预拉力锚杆。

2 小孔径预应力锚索

小孔径预应力锚索由预应力高强度钢绞线、专用托盘、锁具和锚固剂组成，其中钢绞线内锚固段需安设毛刺和挡环，以满足搅拌树脂和锚固要求。

2.1 锚索主要在复杂困难条件下作为加强支护用。与高性能锚杆支护相比，该种支护方式具有如下优点：①钻眼施工机具、锚固材料及搅拌方式沿用树脂锚杆相关技术，较传统的锚索大大简化了施工难度；②钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长，锚固深度大大提高，可以将6.0～9.0m以内的下部不稳定岩层锚固到上部稳定的岩层中，而目前的锚杆长度难以超过巷道高度；③专用设备施加预应力，预紧力大小随意可调，可以及时主动支护围岩，而锚杆预拉力受钻机扭矩限制，目前不超过20～30kN。

2.2 锚杆和锚索联合支护解决了大量的煤巷支护技术难题，已作为经验在现场推广应用，并成为解决复杂条件的基本形式。但从使用效果看，尚存在一些问题：①由于外端头受力不良，实测钢绞线破断力一般在200kN左右，强度区别不明显；②钢绞线延伸率仅有3.5％，抗变形性能差，和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力；过高的预拉力必将进一步加剧锚杆和锚索的不同步承载现象，导致各个击破。③与围岩点接触，软弱岩体受点载荷时，顶板强化效果不明显。

3 钢绞线预应力桁架

顶板的离层破坏从根本上讲是层状顶板的不协调变形，在相同或相近的受力状态下，下位岩体常常表现出更大的弯曲变形，即离层。控制离层或从根本上消除离层的最直接最有效手段是在高预拉力锚杆支护的基础上，进一步强化低位岩体的力学性能，改善其受力状态，美国开发的高预拉力钢绞线桁架系统，将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和支护结构的基础，通过高强度的预应力钢绞线传递张拉力，直接作用于顶板浅部围岩，它大大简化了普通锚杆桁架所必须的复杂结构，并由专用机具实现初张力。该种支护形式可以在顶板未出现离层时强化顶板，减少变形；出现离层时，形成可靠的兜护效应，阻止巷道顶板冒漏，确保巷道的安全使用。

钢绞线预应力桁架与锚索支护所用材料和施工机具工艺十分接近，由预应力高强度钢绞线、锁具和锚固剂组成，另需配置专用桁架连接器，施加预拉力的机具和锚索通用。但作用方式较锚索有很大改进：①内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，而锚索内锚固点在巷道正上方，可能随顶板垮落而失效；②与围岩的作用特点和效果不同，锚索与顶板围岩是点接触，而桁架则是拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，松散破碎顶板受力状态好；同时桁架施加的水平预紧力可以改善顶板的应力状态，在巷道顶板内产生一对对称弯矩，消除了由于顶板弯曲而产生的拉应力区，完全变为压应力状态，使巷道顶板产生向上的垂直位移，使顶板的下沉量被抵消，因而可以消除离层，这对改善顶板的稳定性有着重要的作用。③钢绞线抗剪性能强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；④受力随顶板岩体弯曲，两帮锚固点内移，能形成闭锁结构，受力增加较慢，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；⑤锚固深度一般不需超过3.0～4.0m，施工方便。

因此，钢绞线桁架系统能够解决厚层复合破碎顶板(不稳定层厚累计超过5.0m)、高水平地应力、松散煤层顶板等条件下的支护难题，弥补锚索支护的不足，该种支护方式在大排距(超过两排锚杆)下可以防止顶板垮落，加密排距(小于两排锚杆)可以进一步控制变形。

4 组合支护

两种以上的主动式支护方式的联合即组合支护，常见的是预拉力锚杆和预拉力锚索的组合支护，已有大量的工程实践；高性能预拉力锚杆和钢绞线预应力桁架的联合支护国内刚开始试用，在高地应力厚层复合顶板条件下控制巷道变形和防止顶板离层方面已较锚杆锚索组合支护显示巨大的优越性。组合支护的关键是同步承载和刚度匹配问题，应该指出的是锚索的使用是有误区的，部分设计锚索初张力不低于100～120kN，使围岩初期的变形压力完全集在锚索钢绞线上，不能和锚杆支护有机组合，起不到联合支护的作用。按目前的技术水平，高性能锚杆预拉力仅不超过20～30kN，因而锚索和桁架的预拉力一般不应超过60～80kN，才能形成同步承载。

5 结束语

构造应力区巷道锚杆支护技术探析 篇6

1 工程概况

(1) 巷道地质条件。

黑龙煤业井田南北长6.0 km, 东西宽4.5 km, 面积18.67 km2。井田总体为一轴向北西的向、背斜构造形态, 地层总体走向北北西, 倾向因背、向斜构造分布为北东东向和南西西向, 倾角一般5°～10°, 局部达15°。井田主要可采煤层为2、9+10+11#煤层。矿井涉及生产能力1.20 Mt/a, 服务年限17.7 a。黑龙煤业9+10+11#煤层轨道大巷长1 600 m, 埋深210 m。该煤层平均厚5.58 m。直接顶为砂质泥岩、泥岩, 强度较低;基本顶为较为坚硬的石灰岩层, 全区分布, 致密坚硬, 厚5～10 m, 局部有灰岩溶洞发育, 底板为砂质泥岩。具体岩层综合情况见表1。

(2) 巷道围岩地质力学测试。

在9+10+11#煤层轨道巷开口处进行围岩地质力学测试, 测试结果如图1、图2所示。该测点水力压裂曲线经数据处理软件分析得出:破裂压力Pb=9.36 MPa;重张压力Pr=4.40 MPa;瞬时关闭压力Ps=4.64 MPa。该测段埋深约210 m, 该处实际巷高2.4 m。根据埋深及巷道高度可计算出3个主应力:最大水平主应力σH=9.10 MPa;最小水平主应力σh=4.43 MPa;垂直主应力σv=5.25 MPa。该处埋深相对较浅, 最大水平主应力方向为北偏西36.9°。

2 构造应力区应力分布特点

(1) 构造应力主要表现为水平应力, 且普遍大于垂直应力, 有时甚至是垂直应力的数倍。

(2) 构造应力分布很不均匀, 构造附近主应力的大小、方向变化较剧烈。

(3) 在大的区域构造应力场中, 构造应力具有明显的方向性, 且通常2个方向的水平应力值是不相等的。

(4) 构造应力在坚硬岩层中比较普遍, 主要原因是坚硬岩层强度大, 可积聚大量弹性能。

3 构造应力区巷道围岩变形破坏规律

(1) 构造应力作用下, 巷道两帮容易沿顶、底板或岩层层理面移动, 且构造应力越大, 移动越明显, 移近量成为两帮变形的重要部分;垂直应力则容易沿褶曲核部出现张应力或压应力, 造成顶板下沉或底板底鼓, 导致围岩水平应力和垂直应力的差值变的更大, 触发围岩的剪切破坏, 并向岩层深部发展[4]。

(2) 构造应力作用下, 当煤帮强度较小、顶板强度较大时, 煤帮沿顶底板或软弱层理面错动, 塑性区也随之向围岩深部发展, 使得肩角煤岩体变形严重。

(3) 随着构造应力的增大, 岩层垂直应力峰值增长较快, 对巷道顶底板应力影响明显;从顶板自由面向上, 岩层应力先增大后变小。因为顶板浅部岩层应力通过围岩变形释放出来, 构造应力增大导致中部应力增大;再向顶板深处围岩应力相对变小, 是受构造应力影响有限的缘故。当构造应力进一步增大时, 顶板内的水平应力峰值和范围均增大, 且向岩层深部发展转移, 说明构造应力的增大导致顶底板破坏深度和广度的增大。

(4) 巷宽较小时, 顶板塑性区呈下垂“拱形”;巷宽较大时, 在构造应力作用下, 顶板一定范围内发生剪切破坏变形, 并引起附近煤岩体破坏, 造成顶板不稳定, 甚至发生冒顶失稳。

(5) 构造应力区巷道围岩受力不均衡, 会有一定的侧压系数。随着侧压系数的增大, 顶底板塑性区在宽度、高度方向上均逐渐加大, 肩角或底角的弹性稳定区逐渐减小, 巷帮移近量增长较快, 但两帮塑性区基本保持不变, 表明构造应力对顶底板的破坏作用较大, 对两帮破坏作用较小, 且随着构造应力的增大, 两帮的弹塑性变形量基本不变。

4 构造应力区巷道围岩控制技术关键

(1) 尽可能一次支护就控制住巷道围岩变形破坏, 避免围岩破碎强度较大衰减。

(2) 采用“高强度、高刚度、高预紧力”锚杆支护为主的支护系统, 实现真正的主动及时支护, 充分发挥围岩的稳定性和自承性[5]。

(3) 对于构造应力和垂直应力差值较大的巷道围岩支护, 要认清巷道应力显现的本质原因。当煤帮沿层理面错位时, 采用“让”的支护方式, 避免支护体系破坏, 而对于滑移引起的较大塑性区, 则采取“控”的支护方式;对于未与巷道连通的层理面的滑移则采取“控”的支护方式, 避免滑移引起的破碎区域扩大。

(4) 采用预应力锚索支护技术, 提高支护系统的刚度和强度, 减小锚杆锚固区外围岩的变形和离层。

(5) 加强关键部位预紧支护, 如肩角处, 避免巷道局部破坏而导致整体变形失稳, 并保证支护系统的可靠性。

5 井下工程实例分析

5.1 巷道支护方案

顶板采用Ø20 mm×2.4 m 的335#左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护, 锚固剂规格为MSK2335、MSZ2360, 加长锚固, 辅以高强拱形托板、钢筋梯梁 (间距1.0 m) 及金属网 (50 mm×50 mm;4.7 m ×1.1 m) 进行支护力扩散。帮部采用Ø20 mm×2.0 m 的335#左旋无纵筋螺纹钢锚杆支护, 采用1支MSZ2360进行端锚支护。锚杆钢筋极限拉断力为154 kN, 屈服力为105 kN, 延伸率20%。锚杆预紧力矩设计不低于300 N·m。顶板锚索采用Ø17.8 mm×6.3 m预应力钢绞线制作而成, 配套300 mm×300 mm×16 mm高强拱形钢板及对应锁具, 锚索预紧力要求超张拉至200 kN, 损失后不低于150 kN。在构造应力明显的右帮打设短锚索进行补强支护, 锚索规格Ø17.8 mm×4.3 m;每2排3根、2根隔排布置。锚杆、锚索支护如图3所示。

5.2 巷道矿压监测

(1) 顶板离层。

如图4 (a) 所示, 9+10+11#煤轨道巷顶板离层值不太大, 深部离层最大值不到50 mm, 且深部离层和浅部离层值均在10 m范围内达到基本稳定。说明10 m巷道顶板深部和浅部均处于稳定状态, 巷道顶板基本得到有效控制。

(2) 巷道表面位移。

如图4 (b) 所示, 巷道顶板和右帮位移量较大且增长迅速, 巷道左帮位移量较小, 仅50 mm, 且在5 m内就基本稳定。巷道顶板下沉量较大, 但变形较缓慢, 周期较长些, 直到25 m外才基本稳定, 最大移近量近160 mm, 这可能是受到水平构造应力的影响。巷道右帮变形量最大, 且变形迅速剧烈, 在5 m范围内变形量就达到130 mm之多, 且还在继续增加, 直到20 m外, 右帮移近量才基本停止, 此时约185 mm。这有力说明巷道受到构造应力的影响, 在锚索补强支护后, 巷道总体支护状况良好, 围岩变形得到有效控制。

6 支护效果分析

高预应力锚杆锚索组合支护是主动及时支护, 其中预紧力是关键参数, 是判别锚杆属主动支护还是被动支护的根本所在, 只有高预紧力的锚杆支护才属于主动支护, 锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果起着决定性作用。根据复杂困难巷道地质条件确定合理的预应力, 并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。同时, 巷道受到构造应力作用, 围岩应力增大, 巷道变形严重, 单纯的帮锚杆无法控制煤壁变形偏帮, 必须施加强度更高、延伸率更大的锚索进行补强支护。补强锚索不但将帮锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连, 提高次生承载结构的稳定性, 还能调动深部围岩的承载能力, 使更大范围内的岩体共同承载, 保持围岩完整性及围岩强度[6]。

7 结论

(1) 通过井下测试及分析可知, 构造应力场以水平应力为主, 对巷道围岩变形破坏影响较大, 尤以顶板和巷帮某一侧显著。

(2) 高强度、高刚度、高可靠性及低密度是高预应力锚杆锚索支护的精髓所在, 其中在保证系统强度的前提下, 实现系统的高刚度是巷道支护的关键。

(3) 在构造应力区开挖巷道, 由于受到构造应力的不均衡作用, 在进行锚杆支护时, 对巷道顶板或煤壁一侧进行适当的锚索补强, 可有效控制巷道围岩变形, 消除构造应力对巷道带来的安全隐患。

参考文献

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[2]康红普, 王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2007.

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预应力锚杆支护技术 篇7

基坑工程已广泛应用于建筑工程、地下轨道、地下电站等工程建设,其规模已呈现出深、赋存条件复杂、成本高、管理难度大等特点,因此基坑支护成为了土木工程界十分关注的问题。其中锚杆支护作为有效措施之一已积累了大量的设计和施工经验。自1912年,锚杆作为一种有效的岩土加固技术已在建筑基坑、交通边坡、矿井隧道、库坝等工程中得到了广泛应用,并一直对岩土加固起着非常重要的作用。

随着建筑材料研发技术的发展和工程师们思维不断创新,预应力锚杆柔性支护作为一种新型加固类型,也得到了工程界和学界的普遍重视和关注。预应力锚杆柔性支护具有支护结构简单、受力性能好、支护深度大、施工灵活等优越性,在基坑支护工程中凸显特色。随着国民经济的快速发展,大规模、超大规模的深挖基坑工程处处皆是,由于工程条件的复杂和施工队伍素质的差异,由此带来的安全隐患日益增多,然而基坑一旦坍塌破坏,其后果是灾难性的,会造成人员伤亡和大量财产损失。为此笔者主要从基坑支护特点和预应力锚杆柔性支护结构组成出发,就预应力锚杆柔性支护施工技术在基坑中的应用加以探讨,其研究结果对基坑工程的支护与减灾实践提供借鉴。

2 预应力锚杆柔性支护及施工技术

预应力锚杆柔性支护技术是一种新型的基坑支护型式,该支护体系主要由钢筋网混凝土面层、预应力锚杆和锚固结构下承载结构组成,在实施过程中与基坑土体形成整体结构来增强基坑的稳定性[1,2]。其支护结构见图1所示。

预应力锚杆柔性支护施工之前最重要的一点就是根据岩土勘察报告准确地判定建筑场地稳定的地下水位,切记初见水位对该支护的影响[3]。如果地下水位标高位于预应力锚杆柔性支护结构之上,必须首先要进行基坑降水处理,待降深达到要求后方可施工,其施工的主要流程如下:

1)成孔

(1)施钻前,必须根据岩土勘察报告和地层分布情况结合设计规范和工程经验,确定锚杆在土层的有效锚固长度,以保证足够的锚固力同时要避免不必要的材料浪费,再根据锚杆长度来确定成孔长度。

(2)根据工程地质和水文地质条件,考虑工期的影响,在成孔过程中分别拟用人工成孔或机械成孔,并保证孔壁稳定性,防治塌孔阻塞发生。

(3)为便于成孔施工,应严格控制锚杆工作平台标高,并且不得超挖或欠挖,保证工作面平整。

(4)按照设计要求,完成成孔工作,保证排距、间距的合理布置和孔口的保护,以免造成堵塞。

2)灌浆

(1)为确保锚杆注浆压力,在锚杆自由段和锚固段交接处设止浆装置。注浆压力应以中低压为主,一般不大于0.6MPa。灌注过程中重点监测并及时反馈注浆量和地表位移变化,防止跑浆、漏浆、地表深降等现象发生,一旦产生应立即停止注浆工作,分析原因,控制地表位移和注浆量后,再进行注浆工作。

(2)注浆一般分为水泥浆和水泥砂浆,预应力锚杆柔性工程中以水泥砂浆为主,通常情况下掺入膨胀剂减水剂,控制浆体的强度。

(3)确保注入密实,孔壁注浆平整,通过定位架务必让锚杆位于浆体中心位置,且浆体充分将锚杆包裹,这是预应力锚固效果的关键所在,一旦锚杆跑偏应及时纠正,防止砂浆握裹厚度的变化和开裂现象的发生。

(4)注浆完成后,应立即将注浆管、压浆泵、搅拌机等设备用清水洗净,避免结硬成块影响设备性能。

3)锚杆腰梁制作、安装

①腰梁多采用热轧型钢或混凝土筑块。

②严格按设计要求制作腰梁,确保质量。

(3)腰梁施工宜在锚杆注浆完成7天后开始,同时采用加设套管措施对锚杆进行保护。

4)张拉

(1)锚杆张拉前应对张拉设备进行标定。

(2)张拉螺栓应与钻杆焊接牢靠,连接位置不宜靠近钢梁锚垫板,避免张拉过程中因钻杆前端顶紧锚垫板而使张拉中断。

(3)注浆体强度达到15MPa(根据同条件试块强度)时方可张拉。先施加预紧力30~50KN,确保钢梁与支护桩紧密结合;然后正式张拉至设计超张拉值,并持荷不小于3分钟。

(4)为避免预应力损失,必要时可以进行二次张拉。

5)施工过程中的几个关键问题:修坡放线、锚杆灌浆、锚杆预应力的施加和超开挖。安全系数取值、支护结构承载力和稳定性双重控制的分析设计法、坡角的设计、最下面一排锚杆的位置确定、锚杆锚固段长度和自由段长度分析、基础桩的作用分析、伸缩缝的设置。

综上所述,在预应力锚杆支护的施工和验收过程中应严格遵守《建筑基坑支护技术规程》,且预应力锚杆支护的锚杆必须进行抗拔试验达到支护效果。

3 工程实例

本工程位于湖南省境内某小区住宅楼为含三层地下室,三层裙楼及三栋32层塔楼的住宅群。拟建住宅楼基坑东侧塞坝涌、西侧有三层框架结构的幼儿园,地下室基坑周边敷设有给水管、排水管、电力管及电信管线。基坑整体呈工形,最长边约153米,最大宽度约为66米,最小宽度约30米,周长452米,深约12米。基坑采用预应力锚杆柔性支护形式。基坑西侧及北侧基坑安全等级为一级,东侧及南侧安全等级为二级。设计业主需要,此基坑安全等级为一级,拟采用全长粘结式预应力锚杆柔性支护,其设计典型剖面见图2所示。

为了验证预应力锚杆柔性支护的效果,笔者对该基坑的预应力锚杆受力进行了监测,其监测结果见图3所示。

从图3的锚杆监测结果可以看到:在预应力锚杆柔性支护施工过程中可以对锚杆采用不同的预应力进行基坑工程支护,以满足效果最佳的预应力值。从图3中可以很明显地看到该锚固施工过程中预应力损失率和锚头位移值均有很大的离散性[4]。监测结果显示:荷载为170k N级的预应力锚杆,锚头的位移是12mm,其位移值为最大,但是预应力损失率只有9%;荷载为200k N级的预应力锚杆,锚头位移为10mm,而预应力损失率为25%,损失值较前面偏大,结合规范要求该设计荷载还是满足工程要求的。但是在面层作用下,达到该柔性支护设计剖面锚杆中位移值为最小。

4 结语

预应力锚杆柔性支护是一种有效的支护措施,其结构简单、施工快捷方便、安全性好、可控性好,已在岩土工程领域得到了广泛的应用[5]。同时,在该类工程的施工和设计过程中应重点考虑锚杆的锁定荷载、预应力损失率和锚头位移等关键量。

参考文献

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[4]杨果林,申权,杨啸,等.基覆边坡支挡结构的加速度放大系数数值与试验研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(2):374-381.

预应力锚杆支护技术 篇8

该试验巷道为:东荣二矿南二上十七号煤层二面下料道。南二上采区十六、十七煤层层间距2～6m, 层间距较近, 由于简化系统有、利生产的需要, 在布置巷道时选择将十七煤二面下料道与十六层二面下料道水平位置重叠布置, 十六层一面皮带道与十六层二面下料道留设有二十米保安煤柱, 可见, 十七层二面下料道正处在此煤柱的高应力区内。

该巷所属十七号煤层, 赋存稳定, 厚度3.65m, 倾角较小, 地质构造简单。巷道埋深330m左右, 沿煤层顶板掘进, 矩形断面, 3.0m×3.0m, 掘进长度760m。巷道地质概况见表1。

2 支护方式的选择

由于十七层为南二上采区主采层, 十七层二面也是全公司重点面之一, 维护要求高, 我们将传统支护方式和锚杆支护方式进行了对比。

由于该巷道处于高应力区, 顶板和煤体的完整性均已受到一定的影响, 层理裂隙的发育、延伸, 使岩层和煤体变得破碎, 整体强度降低, 掘巷后, 原岩应力重新分布, 巷道围岩处于应力集中状态, 岩体将更为破碎, 巷道支护将更为困难。

传统的工字钢棚子支护为被动支护, 支护初撑力很小, 不能主动加固围岩, 随着顶板破坏深度的延伸, 其支护载荷越来越大, 棚子将被压跨, 不能有效控制顶板, 支护效果差, 支护成本高;别外, 工字钢棚子辅助运输量大、工人劳动强度大, 巷道掘进速度慢, 维护困难, 用工多, 支护成本高。

锚杆支护是主支支护、及时支护, 且支护强度高, 通过加固围岩, 使围岩由单纯的载荷变为支护体, 利用锚杆的约束作用和围岩的残余强度, 形成一种能够适应围岩变形并能有效控制围岩变形的可缩性支护体, 对于受采动压力影响的巷道, 锚杆支护有着棚式支护不可比拟的优点。另外, 锚杆支护的机械化程度高, 施工速度快, 辅助运输量小, 维护成本低。

通过对比, 我们采用了锚杆支护方案。

3 锚杆支护技术

3.1 锚杆的形式。

3.1.1锚杆杆体。我国已经能够轧制无纵筋左旋螺纹钢锚杆, 并采用优质钢材或经频调质, 达到高强度或超高强度级别, 如Ф22mm的杆体极限载荷可以达到342k N, 比以前采用的普通杆体强度提高了3～4倍, 适合于高应力区巷道的支护;螺纹钢杆体表面具有凹凸纹理, 不需作任何处理即能保证锚杆与锚固剂之间较大的粘结力, 采用高强度螺纹钢锚杆支护, 围岩强度、刚度能够得到显著提高, 有效地控制巷道围岩的变形, 因而在服务时间较长的巷道应采用螺纹钢锚杆支护;另外, 为了减少锚杆支护密度, 提高掘进速度, 高强度螺纹钢锚杆也应是自选对象。A3圆钢锚杆的屈服载荷、破断载荷与螺纹钢锚杆的1/2～1/3, 因而在围岩相对稳定的巷道煤帮可采用A3圆钢锚杆。根据上述分析, 顶板采用高强度螺纹钢锚杆, 两帮采用A圆钢锚杆支护。3.1.2锚固方式。大量实践经验表明, 在目前已有的锚固方式中, 树脂锚固式锚杆具有锚固力大、稳定可靠、安装方便、使用范围广等多种优点, 在煤巷中, 是一各比较理想的锚固方式。因此, 我们采用树脂锚固。按照锚固长度的不同可分为全长锚固、加长锚固和端锚三种。全长锚固:锚固剂、钻孔壁、锚杆三者之间全长粘结, 围岩产生的变形较小, 锚杆能提供较大的支护阻力, 因而锚固体强度、刚度较大;锚杆锚固力大、可靠性高, 即使局部锚固失效, 也不会影响到整根锚杆的锚固力;另外, 锚杆受力状态好, 锚杆中部受力大, 两端受力小, 锚杆尾部螺纹及钢筋梯子梁、锚杆附件不易破坏, 但全长锚固时树脂药卷量大, 费用高, 且施工较难。端锚:锚杆尾端受力大, 锚杆尾部螺纹及锚杆附件等易破坏, 局部锚固失效导致整根锚杆失效, 因而锚固力不易保证。但树脂或水泥药卷用量少、费用低, 在围岩完整性较好、锚固力能得到保证、围岩变形不大的巷道可以采用闻风而端部锚固方式。加长锚固:加长锚固介于以上两者之间, 但锚固力显著高于端锚, 树脂药卷费用与端锚相比, 增加不大, 在围岩变形较大、完整性相对较差的巷道锚杆支护时可以使用加长锚固。

根据上述分析, 顶板及两帮均采用树脂加长锚固。

3.2 锚杆支护技术参数。

通过采用数值计算和工程类比, 确定支护方案如下:3.2.1顶板支护。采用Ф20L2400mm的高强度螺纹钢锚杆, 每排4根, 并配有Ф14mm圆钢焊接的钢筋梯子梁, 铺设金属网, 锚杆间距为800mm, 排距为1000mm。树脂加长锚固, 每根锚杆采用1支K2330和1支CK2360型锚固剂锚固, 锚固长度1200mm, 锚固力应达到100kN, 两顶角锚杆应保证20°的外偏角。为加强顶板支护, 在巷道顶板正中布置1排锚索, 间距为3m, 锚索长为7.3m, 每根锚索采用1支K2360和2支Z2360型锚固剂锚固。3.2.2两帮支护。采用Ф20L2000mm的A3圆钢锚索, 每排每帮3根, 间距为1000mm, 配有Ф14mm圆钢焊制的钢筋梯子梁, 铺设金属网;树脂锚固, 每根锚杆采用1支CK2360型锚固剂锚固, 锚固长度800mm, 锚固力达到60kN。

4 矿压监测

4.1 监测内容及测站布置。

为保证支护施工的安全性和设计的合理性, 要对锚杆支护作矿压监测, 包括顶板离层、锚杆受力巷道表面位移以及锚杆预紧力和锚固力。施工时, 在工作面巷道顶板正中每隔30m安设1个双基点顶板离层指示仪, 以观测顶板锚固工内和锚固区外顶板离层情况;在巷道掘进20m时, 用1排CN-200型测力锚杆代替普通锚杆, 通过电阻应变仪来测量其受力情况, 并在该断面两侧安设两个表面位移测站。

4.2 矿压监测指标。

根据工程实践、计算机数值模拟分析, 确定了如下指标:

A——锚固区内顶板离层值, 20mm;

B———锚固区外顶板离层值, 30mm;

C———两帮相对移近量, 100mm。

如在掘进影响期间, 上述观测内容超过指标值, 锚杆支护参数要作相应调整。一是锚固区内顶板离层值大于20mm, 每排顶锚杆增加1根;二是顶煤锚固区外离层值大于30mm, 锚杆排距减小100mm;三是两帮相对移近量大于100mm, 锚杆排距减小100mm。

4.3 观测要求。

顶板离层指示仪要求每班观测1次;锚杆预紧力和锚杆锚固力每2天抽检1次, 每次不少于5根;锚杆受力和表面位移, 在测站设置2个星期内每天观测1次, 2～4个星期每周观测2～3次, 然后1周观测1次, 变形稳定后 (顶底板、两帮相对移近速度小于0.5mm/d为变形稳定) 1个月观测1次。

5 施工核技术要点

5.1 锚杆间排距误差不超过50mm;

5.2 锚杆外露长度应大于20mm、小于50mm;

5.3 钻孔深度应保持在2300mm±30mm (顶) 和1900mm 30mm (帮) ;

5.4锚杆的预紧力:顶锚杆150kN, 帮锚杆:100kN;

5.5 锚索预紧力:8t～10t;

5.6 巷道超高300mm, 两帮各补打1根帮锚杆;巷道超宽300mm, 顶板补打1根顶锚杆。

5.7 要经常观测巷道顶帮变化情况, 发现问题

及时采取措施, 锚索要紧跟工作面及时打设并张拉, 确保施工安全。

6 实施效果

预应力锚杆支护技术 篇9

戊8-22160综采工作面位于平顶山天安煤业股份有限公司一矿二水平戊二采区西翼中下部, 南临已回采的戊8-22180采空区, 北临戊8-22140采空区, 西临一、四矿矿井边界煤柱, 东接戊二皮带和轨道下山, 该工作面上下顺槽平行布置, 与相邻工作面煤柱中对中7～8 m。切眼长度164 m, 工作面标高-300～-350 m, 垂深560～670 m。

戊组煤层的顶板岩性以砂岩、砂质泥岩组成。直接顶岩石以砂质泥岩为主, 其抗压强度在15.687-61.15 MPa之间, 分为高强度岩层 (组成稳定) 和低强度岩层 (组成不稳定) 两种顶板, 其稳定顶板表面光滑、完整, 易于维护;不稳定顶板受软弱层、节理的影响, 极易形成块状和条状的冒落。

2 巷道支护理论分析

2.1 巷道围岩动态工程分类技术

“巷道围岩动态工程分类技术”简称DEC, 其指导思想是:根据巷道用途类别提出围岩控制的定量要求, 然后根据DEC围岩的质量诊断顶、底、帮的基本结构, 根据采动应力及其他扰动因素对基本结构施加的应力, 诊断出基本结构的演化特性;并用合理的方法表达出围岩的结构参数, 最后根据围岩的结构参数选择合适的支护方案。DEC的3个基本因素是:巷道工程要求控制的程度、围岩的基本结构和影响基本结构稳定性的采动条件, 即围岩受动压后的演化结构[1]。

分析该巷道顶底板岩性, 巷道角部由于应力集中造成破坏, 因而围岩塑性区以帮、角为最大。应在顶板和煤层、煤层和底板的“装配弱面”处加强支护。采用顶角锚杆防止顶板岩层剪切错动;底角锚杆加固巷道帮、角, 控制两帮变形。加固围岩软弱的帮和角 (主要是底角) 作用是:减弱巷道角部应力集中程度并在两帮和底角尽快强化围岩的强度, 控制塑性区的发展, 防止和减少因底板围岩塑性变形、粘塑性流动和破裂围岩体积膨胀造成的底鼓和顶板离层。加固帮、角可提高巷道两帮围岩的自承能力, 减少两帮下沉量, 从而减少底鼓量和顶板下沉量[2]。

2.2 锚杆支护设计动态信息法[3]

锚杆支护设计的信息法就是以工程本身提供的和通过测试及地质力学评估提供的有关工程信息, 运用锚杆支护理论和锚杆支护机理, 采用全过程动态分析手段进行锚杆支护的跟踪设计。

该设计方法的主要内容包括4个方面:工程地质力学评估、初始设计、施工监测信息反馈和修正设计。即在进行支护设计前要对工程所处的围岩特征和地层应力进行测试。地质力学评估和围岩分类提供设计所需的全部信息资料, 在此基础上利用支护理论和设计方法进行初始设计, 确定支护参数并用于工程施工, 施工过程中利用监测理论, 监测方法和监测仪器进行锚杆受力测试和围岩位移、离层、收敛等变形监测, 根据监测结果进行分析验证初始设计并进行进一步的修正设计参数, 以使设计质量完全符合工程实际情况最终达到设计正确参数合理, 经济高效。

由于切眼顶板易于呈柱状或条状冒落, 且在局部地段, 顶板呈现软岩特性, 在施工中应特别注意增加钢筋梁及加大承压锚杆托板, 以保证顶板的稳定。如存在巷道倾斜节理时, 应加长锚杆或加大锚索支护密度。

2.3 锚杆支护作用机理分析

传统的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、加固拱等理论, 在生产实践中起到积极作用, 但具有一定的局限性。切眼支护设计采用高强锚杆支护: (1) 通过锚杆支护控制锚固区围岩的离层、滑动等变形与破坏, 尽量使围岩处于受压状态, 抑制围岩变形、拉伸与剪切破坏的出现, 提高锚固区围岩的整体强度和稳定性; (2) 在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构, 阻止锚固区外岩层离层, 改善围岩深部的应力状态; (3) 单根锚杆预应力的作用范围有限, 必须通过托板、钢梁和金属网等构件将预应力深入到离锚杆更远的围岩中; (4) 通过锚索加强支护可以将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连, 提高次生承载结构的稳定性;锚索施加较大预紧力, 挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面, 增加不连续面之间的抗剪力, 从而提高围岩的整体强度。

3 切眼支护设计方案

由前述分析, 确定切眼支护断面为宽5.6 m、中高2.4 m的矩形断面。结合顶板岩层和煤层覆存稳定性情况, 切眼顶板采用锚网梁索联合支护。顶板采用φ20 mm, 长2 000 mm左旋高强预应力锚杆, 锚杆间排距800 mm×700 mm, 布置8根;两帮采用φ18 mm, 长2 000 mm树脂锚杆, 锚杆间排距700 mm×700 mm, 每帮布置3根。锚索采用φ15.24 mm, 长6 000 mm高强度低松弛钢绞线, 锚固端长度1 500 mm, 预紧力大于100 kN, 极限拉断力大于270 k N, 延展率大于3%, 每1.5 m布置1组, 每组3根。托盘为120 mm×l20 mm×10 mm钢板, ZK2335树脂药卷, 金属网采用φ4 mm冷拔丝金属网, 网格为40 mm×40 mm, 切眼支护布置如图1所示。

4 矿压观测研究

矿压观测与分析是动态信息法的核心内容之一, 监测内容包括:巷道表面位移观测、顶板离层和围岩深部位移观测和锚杆锚固力动态监测3方面的内容。切眼支护完成后, 在切眼内每隔50 m设1个观察站, 每个测站安设1套离层指示仪, 深基点深6 m, 浅基点深3 m, 对切眼的顶板岩层位移量进行观测。从切眼支护完成后到设备安装的5个月时间内, 通过每隔10 d的定期观察, 发现切眼中部顶板岩层位移量最大, 向两端逐渐减缓。切眼中部监测站岩层位移量与时间关系曲线如图2所示。

掘进期间巷道顶板位移量最大35 mm, 下沉速率平均0.43 mm/d;巷道帮位移量最大86.37 mm, 平均位移量75 mm, 位移速率平均2.31 mm/d。巷道深部观测:深部下沉量0, 浅部最大下沉量38 mm, 平均33.5 mm。锚杆受力观测:最大受力4.5 t, 平均4.2 t。

安装期间巷道顶板位移量最大63.5 mm;平均下沉量55.1 mm, 下沉速率平均5.23 mm;两帮位移量最大124.15 mm, 平均位移量103.1 mm, 平均位移速率12.5 mm/d。

事实证明, 一次成巷锚杆支护断面收敛后, 断面完全满足安装需要, 保证了综采支架在切眼里的顺利安装。

5 技术经济分析

5.1 支护费用比较

传统的综采支架切眼需要两次施工, 先施工小断面, 再采用炮掘扩大至综采支架安装所需断面, 这样既造成巷道一帮锚杆、金属网、药卷等材料浪费, 又要消耗雷管等火工品, 工期长, 影响采面安装。一次成巷节约了支护材料、火工品, 提高了掘进工效。

5.2 掘进速度比较

采用掘进机一次成巷施工, 实际进尺天数为35 d。若按分两次施工完成, 按进度7 m/d计算, 需47 d完成, 考虑到设备翻移, 实需50 d, 一次成巷施工技术可提前15 d。

5.3 经济效益比较

按提前15 d投产, 每天出煤2 500 t, 每吨煤纯利润120元计算, 则可增效450万元。

6 结论

(1) 高强预应力锚杆联合支护一次成巷的突出优点表现在降低了劳动强度, 提高了效率, 改变支护参数, 提高支护强度, 改善了巷道的作业环境, 巷道维护效果好, 节省大量材料, 降低了矿井综合成本, 安全可靠性大。

(2) 高强预应力锚杆在孤岛工作面切眼一次成巷技术在一矿的成功应用, 为今后平煤矿区大跨度切眼支护技术改进提供了实际依据, 具有很高的推广价值。对于综采支架在切眼内的快速安装, 提前回采产生经济效益、节约材料消耗奠定了良好的基础。

摘要：以平煤一矿孤岛工作面切眼为例, 介绍了高强预应力锚杆、托梁、钢筋网、锚索联合支护技术。结合矿压监测资料, 对该切眼支护技术进行了分析, 评价了支护效果。高强预应力锚杆联合支护在孤岛工作面大断面切眼一次成巷中的成功应用, 为平煤矿区同类条件下的巷道支护提供了经验。

关键词：孤岛,预应力,锚杆支护,一次成巷

参考文献

[1]姜福兴, 谭云亮, 韩继胜, 等.巷道围岩动态工程分类技术研究[J].工程地质学报, 1999 (3) :243-248

[2]马念杰, 侯朝炯.回采巷道围岩整体下沉及其力学分析[J].煤炭学报, 1993 (2) :11-18

预应力锚杆支护技术 篇10

煤巷锚杆是作为一项技术上较先进、在经济上较合理的巷道支护技术，因为有着具有支护的效果好、支护成本低、工人劳动强度低、作业环境好、安全可靠等一些优越性，在近年来煤矿回采巷道支护中得到了长足的发展，带来了巨大的一个社会和经济效益。据不完全统计，在1995 年国有重点煤矿在当年新掘煤巷中锚杆支护比重仅为15%左右，而且主要使用在围岩条件比较简单的Ⅰ，Ⅱ类回采巷道；到2003年后煤巷锚杆支护比重达到了30%以上，其中国有矿井已达到50%以上，而且逐渐推广应用到围岩条件复杂的Ⅲ、Ⅳ类巷道中，使我国的煤矿巷道支护技术发展到一个崭新的阶段。在美国、澳大利亚等一些国家对锚杆支护技术进行了全面的研究，都取得了良好的效果，但是，这些国家的开采地质条件相对比较好，开采深度小，与我国煤矿巷道条件有比较大的区别。我国煤矿的软岩地层分布十分的广泛，已初步地将锚梁网、锚喷网、锚索等一些应用到软岩巷道支护中，但采准巷道还要经受采动的频繁影响，大部分巷道服务年限内所产生的围岩变形量都很大，锚杆支护的安全可靠性仍是尚待解决的一个技术难题。因此，本文就影响锚杆支护效果的因素和提高锚杆支护安全可靠性的措施作以分析，以便和同行交流学习。

1 国内锚杆支护理论发展历程

锚杆支护技术在20世纪40年代美国、前苏联就已在井下巷道中使用了。经过了几十年的快速发展，美国、澳大利亚等一些国家锚杆支护使用很普遍。锚杆支护机理研究在随着锚杆支护实践在不断的发展，在支护理论方面而言，目前，在我国较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为分4 大类:

1.1 基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论，该理论认为把由于开挖、爆破等一些造成的松动岩块稳固（悬吊）在稳定岩层上，防止破碎岩块的冒落，在坚硬节理发育的岩块处，锚杆通常起这种作用。

1.2 基于锚杆的挤压作用提出的组合梁理论，其实质是通过锚杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧，增大层间的摩擦力，同时锚杆的抗剪能力也阻止层间错动，从而将叠合梁转化为组合梁。

1.3 基于锚杆的加固作用提出的组合拱理论，该理论认为锚杆能限制、约束围岩土体变形，并向围岩土体施加压力，从而使处于二维应力状态的地层外表面岩土体保持三维应力状态，锚杆的组合拱作用机理是锚杆制约围岩纵向和横向变形的能力的组合。

1.4 国内很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨，综合锚杆各方面的作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、典型类比分析法、锚注理论、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。

2 影响锚杆支护技术的因素

2.1 在现有锚杆支护设计方法的欠缺目前煤巷锚杆支护设计主要是以工程类比法和理论分析法为主的。采用工程类比的方法，凭经验，缺乏科学的设计依据。在采用理论分析法时，井下工程实践中，各种条件不断的发生变化，无论是采用哪种的设计方法，实际要求的支护参数不可避免地与计算的支护参数之间产生偏差，目前尚未形成综合各种支护原理的锚杆支护参数计算方法。实际用于设计的基础参数是巷道周围某几个点(甚至仅一个点)的综合地质技术资料的平均值，设计出的锚杆参数为整条巷道服务，导致巷道绝大部分区域设计的锚杆参数过高，又使巷道的某些局部地质技术条件变化区域设计的锚杆支护参数不足，引发局部冒顶事故。

2.2 地质条件预测不全面煤矿岩体是一个极其复杂的地质体，在进行巷道布置和支护设计时，很多的煤矿生产部门不充分的了解围岩各类地质条件。在实际生产中，很少采取有效的手段对围岩强度、围岩结构、锚固性能进行测试，支护设计理想化，各种弱面尤其是沿巷道走向方向的弱面，不能够被及时的发现并采取针对性的加强支护措施，很容易发生顶板事故。

2.3 锚杆施工工程质量不是绝对的。在煤巷锚杆支护作业的工程质量中有一定的隐蔽性，顶板破坏失稳一般无明显预兆，一旦发生了冒顶，规模会经常比较大。另外在实践中，由于受施工机具、安装工艺、操作人员素质等一些的影响，高预拉力锚杆很难实现，不能预加锚杆足够的初锚力。

3 提高锚杆支护安全可靠性的建议

3.1 科学的锚杆支护的设计方法在借鉴国外经验的基础上，结合我国的具体实际情况，以地应力现场实测值为基础，总结出“地应力学评估→初始支护设计→现场监测→信息反馈及设计的修正完善”的动态设计方法，该设计方法的针对性强，可靠性比较高，可以预测巷道顶板围岩的稳定性，工程质量上容易于保证，有利于科学化地管理，从而简化了设计基础数据的采集工作。另外在进行地应力学评估时，生产部门应运用先进的设备和技术，对地应力大小、围岩强度和结构、围岩位移及破坏范围进行测试，要弄清煤层围岩体物理力学性质，认真的分析井下生产地质资料，为合理支护设计提供科学依据。

3.2 高强度、高预应力组合式锚杆支护体系

3.2.1 开发推广等强锚杆。在一般地螺纹钢锚杆加工时采用先车后滚丝的工艺，螺纹处的杆体强度损失了20%左右。当巷道顶板受动压或冲击地压影响时，往往在螺纹部位突然断裂而使锚杆体失效。因此，应采取措施提高螺纹部位的强度，使的锚杆在整体上具有等强性。

3.2.2 预应力锚杆和锚索、桁架的组合支护。在高地应力厚层复合顶板条件下控制巷道变形和防止顶板离层方面显示出其巨大的优越性，组合支护的关键就是同步承载和刚度匹配问题，按照目前的技术水平，高性能锚杆预拉力仅不超过20～30kN，因而锚索和桁架的预拉力一般不应超过60～80kN，才能够形成同步承载。

3.2.3 可靠实用的矿压监测技术。锚杆支护属于隐蔽性工程，在设计不合理或者说施工质量不符合要求，常常会造成顶板离层冒落。矿压监测是锚杆支护的一道重要的安全防线，支护参数是否合理，支护效果如何，全靠是常矿压监测提供数据资料。按照不同用途可分为3 类:锚杆支护巷道安全监测的内容主要有两方面: 一是巷道围岩位移量的监测，例如LBY—3 型顶板离层指示仪和多点位移计；二是支护构件(锚杆、锚索)受力的监测，例如GYS—300 型锚杆(索)测力计。三是用于监测锚杆性能及安设质量的锚杆拉力计，包括杆体性能质量、锚固剂质量和锚杆施工质量。锚杆巷道的监测与锚杆巷道的设计和施工同等重要，应尽早尽快规范监测手段，规范监测内容。及时掌握巷道顶板下沉及离层状况，发现异常，及时采取补强措施，确保锚杆支护效果及安全可靠性。

3.2.4 完善和发展配套的锚杆机具。在我国目前所使用的锚杆钻机存在钻头、钎杆的零部件质量不可靠、打眼及药卷和拧螺母安装速度慢等一些主要问题。因此，要实现快速掘进，一定要研制新型锚杆钻机及其配套的系统零部件。当前由煤炭科学研究总院上海分院设计、中国矿业大学机械厂生产的MDS3 型电动锚杆钻机性能较好，有良好的应用前景。另外现有掘进机不带锚杆钻机，不能实现切割与锚杆支护平行作业，严重影响掘进速度。现在澳大利亚液压工程公司生产的机载锚杆机，拥有ARO4000 系列顶锚杆钻机、ARO5500 系列帮锚杆钻机等型号，可安装在任何型号掘进机上，能够实现顶帮锚杆的快速安装。

3.2.5 加強施工人员的技术施工管理，要求工人严格按施工组织设计施工。在锚杆的安装时，要严格按照施工顺序和操作程序施工，无论是帮部锚杆或者顶部锚杆，在合理使用打眼锚杆机的同时，要做到如下几点很重要：第一，杜绝干打眼，保证在风水电正常情况下工作。第二，在装树脂药卷时，一定要把药卷的顺序搞对，快速和中速的不能搞混。第三，按要求安装完锚杆后，必须用预应力扳手将锚杆托盘螺丝拧紧，使其紧贴岩面，达到预应力值。

在“八五”期间，我国在原有掘进机上进行了机载锚杆钻机的研究，效果有点欠佳。研制掘锚联合机组，它将是我国煤巷快速掘进的又一发展方向。

参考文献：

[1]崔光华，王金华.我国煤巷锚杆支护技术的基本特点[J].煤矿开采.1999.4.

[2]侯朝炯，郭励生，勾攀峰，等.煤矿巷道锚杆支护[M].北京:煤炭工业出版社.1999.

预应力锚杆支护技术 篇11

在框架预应力锚杆柔性支护结构中,由于锚杆预应力的存在,锚杆在一定的锚固区域内形成压应力带,通过框架及挡土板形成压应力面,从根本上改善土体的力学性能,变传统刚性支挡结构的被动挡护为充分利用土体本身自稳能力的主动挡护,有效地控制了土体位移。另外,这种支护结构立面美观,锚杆与框架的空间协同工作性能较好,因此其在边坡加固和基坑开挖工程中得到了广泛应用[1~5]。

由于框架预应力锚杆支护结构是利用土体自身的阻抗去制约另一部分土体的变形和结构破坏,因而在使用中一般要对锚杆施加一定的预应力,以更好地发挥锚杆的自我约束系统。实践证明,锚杆的初始预应力总是变化的,这种变化通常表现为预应力损失。对基坑等临时性工程而言,预应力的损失可能不是很危险;但是对于边坡这种永久性加固结构,预应力的损失对锚固工程的稳定性是极为不利的。因为潜在破坏的土体通过锚杆的拉力作用,使其稳固地依附在稳定地层上,锚杆的拉力作用增加了潜在滑动面上的法向应力,从而提高了抗剪强度,使地层得到加固。一旦锚杆预应力损失达到一定值,致使地层抗剪强度下降到稳定值以下,锚杆有可能随锚固体被拔出,将导致锚固失效,即被加固地层失稳,给工程带来极大危害,甚至威胁人民生命财产的安全[6]。因此,锚杆预应力的变化直接影响到锚固工程的安全,有必要对其进行长期观测。本文分析了影响锚杆预应力损失的各项因素,给出了预应力损失大小的简单定量估算方法;另外,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,研究结果表明本文给出的简单定量估算方法是可行的。

1 锚杆预应力损失变化规律及过程

文献[7]在根据对某基坑锚杆预应力监测的基础上给出了锚杆预应力变化的三个阶段,如图1所示。已知基坑开挖深度范围内地层主要为粉土和粉质细砂,渗透性一般。图1中(1)表示自张拉初期开始,预应力快速下降阶段;(2)表示预应力上升阶段;(3)表示预应力稳定变化阶段。实际上,图1显示的结果和规律对于上述土质条件或近似土质条件下的基坑工程预应力锚杆具有一般性,由于基坑工程属于临时性工程,而边坡加固工程属于永久性工程,两者在预应力锚杆的施工工艺和构造措施处理上都有差异,所以图1对于边坡工程预应力锚杆的预应力损失的结果和规律而言还不具有代表性。

1.1 预应力快速下降阶段

此阶段发生在张拉锁定前后,历时较短,主要受锚具、土体压密、孔道摩阻、施加预应力大小等因素的影响。虽然该阶段历时较短,但是所引起的预应力损失相对较大,占总损失量的损失百分比大约在45%左右。

1.2 预应力上升阶段

从图1可以看出,这个过程主要表现为预应力值的增加。这是由于土体变形引起的预应力增加量大于松弛效应引起的预应力损失,预应力荷载呈现增加的趋势,增加的幅度取决于土体变形量的大小。

1.3 预应力稳定变化阶段

在经历前两阶段后,锚杆预应力值趋于稳定变化。此阶段由于土体变形模量发生较小规模的变化,使得预应力值略有增加,当土体变形趋于稳定时,预应力值也趋于稳定。

2 锚杆预应力损失影响因素分析

2.1 锚杆张拉锁定时引起的预应力损失

(1)张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1

锚杆张拉时引起的预应力损失,表现为锚杆测力计输出值小于油压千斤顶显示的压力。张拉过程的预应力损失主要由预应力锚杆同孔壁的摩擦和张拉千斤顶的摩阻力大小决定。如果钻孔平直,锚杆安置后不与孔壁接触,则锚杆预应力损失很小甚至不产生预应力损失。文献[8]指出张拉千斤顶的摩擦损失一般只有1%左右,因此可以通过超张拉来补偿。但根据有关文献及测试[9],张拉系统的摩阻损失一般为2%~4%,也即油压千斤顶显示的压力要比锚杆测力计输出值大2%~4%。笔者曾在施工现场询问锚杆张拉人员,发现他们对锚杆预应力损失没有引起重视,所以一般张拉都是以油表上所显示的压力作为最终施加的预应力值,因此,应该考虑张拉系统引起的预应力损失量。

(2)锁定后锚具回缩引起的预应力损失σl2

锚杆张拉程序完成后,卸荷时是靠夹片与锚垫板间的相互作用来锁定预应力,在锁定时,锚杆自由段难免会产生一定量的弹性变形,钢筋的回缩量大小决定了锚杆预应力损失量的大小。锚杆锁定后回缩量大小与锚夹具及其制造工艺有关。除此之外,组成外锚头的其它构件,如混凝土垫墩、垫板及外锚头的强度及加工、安装的质量也会影响锚杆预应力损失。

2.2 钢材应力松弛引起的预应力损失σl3

钢材在长期应力作用下会发生应力松弛现象,应力松弛量通常和锚杆张拉后的预应力初始值和受荷时间有直接的关系。钢材的应力松弛实验表明:长期受荷的钢材预应力松弛损失量大约为5%~10%,在相同的应力作用下,受荷100h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2倍;受荷1000h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2.5倍[7]。当施加的应力大于钢材强度的50%时,应力松弛会显著增加,而且荷载越大松弛量也就越大[10]。

2.3 土体蠕变引起的预应力损失σl4

土体是一流变体,具有明显的流变特征,在外荷载作用下,土体发生流变现象,从而引起锚杆预应力的降低。在施工期间,土体开挖卸载,使土体内部应力得到释放,土体向边坡临空面方向发生变形,从而增加预应力值,这种增加预应力值的效果具有明显的时间效应,随着施工期的结束,锚杆预应力的变化趋于平缓。另外,由于锚杆预应力的作用使得土体物理力学性质发生改变,土体产生压缩变形,在施加预应力初期,土体的压缩变形比较显著,预应力降低明显。

工程实践表明坚硬完整岩体在长期剪力作用下发生蠕变的量很小,对锚杆预应力的影响不大[10]。但是设置在土层中的锚杆一般都在固定5d内呈现出预应力值明显降低,在今后几年甚至几十年都会有持续降低的现象。这一规律与土体蠕变的趋势相一致,进一步说明土体蠕变是引起锚杆预应力损失的主要因素之一,这个损失量一般都在15%以内[6]。

2.4 群锚效应和张拉顺序引起的预应力损失σl5

在群锚张拉过程中,锚杆施工对已安装的锚杆的锚固力有一定的影响,这种影响多表现为预应力损失。究其原因可以理解为锚杆张拉引起框架和土体的变形,从而使锚杆影响半径范围内已安装的锚杆的预应力降低[11]。

一般来讲,支护结构上都存在多孔锚杆,所以理论上最合理的张拉顺序是同时同步张拉,但往往受张拉设备和施工工艺的限制,因此有必要选择合理的张拉工艺。最合理的张拉工艺应该是有利于土体均匀压缩,这样对坡体稳定有利。但是框架预应力锚杆柔性支护结构采用的施工工艺是逆作法,如果一次性将上部锚杆张拉到设计预应力值,当施工下部锚杆时必然引起上部锚杆较大的预应力损失,所以较好的办法是采用分级张拉,先将上部锚杆张拉到设计预应力值的一定比例,待施工完毕后再继续张拉到设计预应力值。

2.5 降雨入渗引起的预应力损失σl6

降雨量及降雨历时对锚杆锚固力有较大的影响,这种影响集中反映在强度较低、渗透系数较大的部位,而且具有时间滞后效应。由于滑面上遇水后土体的c、φ值降低,滑面上抗剪能力减弱导致锚固力的损失。但是随着裂隙水的不断渗入,土体抗剪能力降低,抵抗下滑的能力也随之降低,锚固力有所增加。随着土体内部水压的波动变化,锚固力也呈现波动变化。随着裂隙水的逐渐消散,由于土体的压缩变形和锚杆应力松弛,锚固力又会回到降雨前的水平。由此可知,在降雨前后,锚杆会受到较大的循环荷载作用,这对基坑和边坡的稳定是极为不利的[12]。因此,做好边坡的排水与防渗,有利于锚固荷载的长期稳定。

3 锚杆预应力损失的简单定量估算

锚杆预应力损失的大小,将直接影响边坡整治工程中设计张拉力、超张拉幅度的选定。对锚杆的工作状态,过高或过低估计预应力损失都是不利的,因此对预应力损失进行简单定量估算是必要的。根据前述对锚杆预应力损失影响因素的分析,锚杆的预应力损失量σl可由下式表示:

考虑到影响预应力损失的因素十分复杂,式(1)中前四项为主要影响因素。根据前述分析,对前面四种预应力损失简单估算为:张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1为2%~4%;锚头夹具回缩引起的预应力损失σl2为3%~6%;钢材应力松弛引起的预应力损失σl3为5%~10%;土体蠕变引起的预应力损失σl4为10%~15%。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失大约在25%~40%之间。如果地层性质较差,比如基坑或边坡的上覆土层在较深范围内为杂填土、或土层的含水量较大、或锚杆穿越的土层较多而每种土层的性质相差较大等情况,由于土层与锚杆的锚固体之间的摩阻力有限,在锚杆的预应力施加到一定数值时就会出现锚杆被拔出的现象,此时锚杆的预应力损失可能更大。

4 锚杆预应力损失的试验研究

边坡加固下的锚杆预应力损失研究是笔者进行框架预应力锚杆柔性边坡支护结构模型试验的内容之一[13]。试验模型依据几何相似原理建立,为了增加模型试验的可靠性,采用大比例室内模型试验,取几何相似比为1∶3。

4.1 试验材料

试验材料与实际工程相同,本次试验所用主要材料为:土、混凝土、钢筋、水泥和砂子。

(1)试验用土体取自某自然边坡,为黄土状粉土,浅黄色,场地内连续分布,土质均匀,在进行原状土含水量、密实度测量后,通过控制填土密实度,分层向模型箱填土形成土坡;

(2)混凝土强度等级采用C20,按标准试验条件制作构件;试验用钢筋为普通钢筋,框架梁柱、面板配筋以及锚杆用钢筋均采用HPB235级;

(3)锚杆锚固段采用水泥浆高压二次注浆,水泥浆根据规定配合比并结合施工经验现场配制,试验测试时,水泥浆完全凝固,达到设计强度M30。

4.2 试验模型设计

试验模型箱采用钢木组合结构型式,箱体骨架采用槽钢,箱体内壁采用18mm厚木工板,各构件之间采用焊接与螺栓连接,试验模型箱长×宽×高净尺寸为3.6m×2.4m×3.6m。为减小模型试验的边界效应,在箱体内侧张贴一层0.3mm厚的塑料膜,经过处理后,侧壁和土体之间的摩擦力的影响将得到有效控制,可认为对试验基本无影响。试验模型箱的制作和试验土坡的具体形成过程详见周勇[13]的研究结果,加工制作完成后的试验箱如图2所示。

4.3 试验锚杆设计及钢筋计布置

锚杆拉力根据几何相似条件及文献[13]提出的计算方法确定。模型中锚杆材料采用HPB235级钢筋,锚固体直径取与实际工程中相同的孔径150mm,上面三排锚杆的水平倾角取10°,最下面一排为防止锚杆倾角过大接触地面而影响锚固效果,其水平倾角仅取5°。锚杆自由段长度和锚固段长度由计算确定,锚杆与框架的连接采用钢垫板与高强螺栓,最终锚杆设计剖面如图3所示。

试验模型中共设计了12根锚杆,根据试验设备的数量和支护结构的对称性,仅在边柱1和中柱位置上的八根锚杆钢筋上设计了钢筋计,测点布置编号如图4。

4.4 试验结果分析

图5为对各排锚杆施加预应力时其相应的预应力变化曲线,由于未考虑边坡的极限破坏状态,因此预应力均未达到各锚杆的极限抗拔力。图6为对应于锚杆施加预应力时其相应实测拉力的变化情况。前者由预应力拉拔仪读出,后者由钢筋计和SS-III型台式数字钢弦频率接收仪共同得出。图7给出了锚杆预应力损失变化曲线,图8给出了加载后并停止施加预应力时最终各锚杆的预应力损失变化曲线,经分析可得如下结论:

(1)理论上讲,如果锚杆不存在预应力损失,则锚杆施加的预应力读数和锚杆拉力实测值应该是相同的。对比图5、图6,两者纵坐标相同,明显可以看出图6中的曲线较图5中的曲线平缓,即锚杆上施加的预应力增长速度较各锚杆拉力增长要快,这说明锚杆均产生了不同程度的预应力损失。而且在预应力的施加初期,预应力损失非常明显,分析原因可以认为,锚杆刚开始施加预应力时,会使锚具大量回缩、框架和挡土板后的土体会产生较大的压缩变形从而引起锚杆较大的预应力损失。

(2)从图7所显示的各锚杆的具体预应力损失数值的变化过程来看,各锚杆的预应力损失没有严格可循的变化规律,这主要是由于影响锚杆预应力损失的因素很多,比如锚杆锚固段的钻孔直径有差异,灌浆的效果就不一样。本次试验中最主要的问题是加载设备数量有限,因此采用逐个锚孔分级循环加载,加载完成后立即锁定该级荷载,即锚杆的预应力施加不是在同一个时间进行,同时锚杆的张拉顺序对锚杆的预应力损失影响明显。但是框架预应力锚杆柔性支护结构最大的特点就在于框架与锚杆通过锚杆预应力的作用能够实现主动协同工作,如果锚杆的预应力不能在同一时间实现同步张拉,则由于框架与锚杆的协调变形会导致锚杆的预应力损失没有特定的规律而出现了随机性,对工程实践失去了指导意义。因此,在边坡加固工程中,为了减少预应力损失,应尽量实现同步张拉,且根据实际情况对于局部锚杆采取预应力补偿张拉的措施。

(3)本文前面在详细分析总结影响框架预应力锚杆柔性支护结构锚杆预应力损失因素的基础上,根据各影响因素的特性规律给出了锚杆预应力损失的简单定量估算,具体估算值为25%~40%。从图8可以看出,各锚杆的预应力损失量不一样,最小损失百分比为锚杆A4的23.65%,最大损失百分比为锚杆A6的44.04%,八根锚杆的预应力损失百分比平均值为32.41%,显然大部分锚杆的预应力损失百分比和所有锚杆的预应力损失的平均值都验证了这个估算范围,但是锚杆A4和A6出现了异常,这一点可以从图4中锚杆A4和A6的位置进行分析。文献[13]指出在框架预应力锚杆柔性支护结构中,中下部锚杆受力较大,上部锚杆受力较小。从图5、图6可以看出,锚杆A4无论是预应力的施加还是锚杆拉力实测值都较小,所以总体上预应力损失偏小;而锚杆A6由于位置靠下,上覆土压力较大,对其施加的预应力数值较大,但是由于对其施加预应力的时间较早,考虑钢筋的应力松弛和土体蠕变影响较大,最终导致其预应力损失较大。

5 结论

(1)分析总结了影响框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失的主要因素,具体包括张拉系统摩阻、锁定后锚具回缩、钢材应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗,综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算锚杆预应力损失范围大约在25%~40%之间。

(2)对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。但是由于文中建议的式(1)中,各项值均为一范围值,各项值如何根据具体情况确定无法明确,因此式(1)的预应力损失估算方法,只能做一总量估算,要明确各项数值还需进一研究确定。

(3)本文的研究是基于压实人工填土,并非原位土体,这对试验结果会有很大的影响。并且文中仅是利用一种土的试验结果,作为用于复杂地质条件下的基坑或边坡锚杆预应力损失量值的估算,依据还不是很充分。另外,影响框架预应力锚杆柔性支护结构的锚杆预应力损失的因素很多,有些因素可以人为控制,有些因素只能尽量避免,在施工过程中应该尽量减少锚杆的预应力损失,以使锚杆能够有效地发挥作用,取得良好的加固效果。

摘要：框架预应力锚杆柔性支护结构是用于提高边坡稳定性的一种新技术,锚杆作为其中的核心受力构件,其预应力值的大小是有效限制边坡位移的关键,但在实际工程中锚杆产生预应力损失是必然的。为深入了解锚杆的工作性能和作用机理,对其预应力损失进行研究,分析总结了影响锚杆预应力损失的主要因素,包括张拉系统的摩阻、锁定后的锚具回缩、钢材的应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗等。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失范围大约在25%～40%之间。另外,为进一步验证锚杆预应力的损失大小,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。