錨杆支護

錨杆支護是通過圍巖內部的錨杆改變圍巖本身的力學狀態，在巷道周圍形成一個整體而又穩定的岩石帶，利用錨杆與圍巖共同作用，達到維護巷道穩定的目的。

錨杆的力學作用主要有懸吊作用 、組合梁作用 、 組合拱作用、減跨作用 、加固作用。

錨杆不但支護效果好，且用料省、施工簡單、有利於機械化操作、施工速度快。但是錨杆不能封閉圍巖，防止圍巖風化；不能防止各錨杆之間裂隙岩石的剝落。

1911年美國Aberschlesin的Friedens煤礦首先應用了岩石錨杆支護巷道頂板；

1918年美國西利西安礦的開採首次採用了錨索支護，以後錨固技術的應用範圍開始擴大；

1934年阿爾及利亞的Cheurfas大壩的加高工程首次採用10 000 kN級預應力錨杆作為抗傾覆錨固，這是世界上第一例採用預應力錨杆加固壩體，並獲得成功；在以後的時間裏，先後有印度的坦沙壩、南非的斯登布拉斯壩、英國的亞格爾壩和奧地利的斯佈列希斯壩也同樣採用了預應力錨杆加固；

1958年西德在慕尼黑巴伐利亞廣播公司深基坑中使用了土錨杆；

60年代，捷克斯洛伐克的Lipno電站主廠房(寬32 m)、西德的Walbeck 1I地下電站主廠房(寬33.4 m)等大型地下洞室採用了高預應力長錨索和低預應力短錨杆相結合的圍巖加固方式。 ^[1] 

20世紀50年代後期，我國錨杆支護技術的開始應用，當時有京西礦務局、河北龍煙鐵礦、湖南湘潭錳礦等使用了楔縫式錨杆支護礦山巷道；

60年代，除了礦山巷道之外，我國開始在鐵道隧道、邊坡工程、水庫大壩、地下工程等大量地採用錨固技術，1964年安徽梅山水庫首次採用了30 m -47 m的預應力錨索加固壩基，提高壩基抗滑穩定性；

70年代開始在深基坑支擋工程中應用了土層錨杆，先後有北京國際信託大廈、王府井賓館、京城大廈、上海太平洋飯店、上海展覽中心、瀋陽中山大廈等基坑工程採用了土層錨杆支護；

1989年我國首台6 000 kN級預應力錨杆及張拉設備研製成功，並應用於豐滿大壩加固工程，8000kN級預應力錨杆在石泉大壩加固工程應用成功；

90年代，10000kN級預應力錨杆在龍羊峽水電工程中試驗成功，並在多個工程中獲得應用。 ^[1] 

1952~1962年路易斯 阿·帕內科(Louis A·Panek)等發表了懸吊理論，懸吊理論認為錨杆支護的作用就是將巷道頂板較軟弱岩層懸吊在上部穩固的岩層上。對於回採巷道揭露的層狀巖體，直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢，如果使用錨杆及時將其擠壓，並懸吊在老頂上，直接頂板就不會與老頂離層乃至脱落。錨杆的懸吊作用主要取決於所懸吊的岩層的厚度，層數及岩層彎曲時相對的剛度與彈性模量，還受錨杆長度、密度及強度等因素的影響。這一理論提出的較早，滿足其前提條件時，有一定的實用價值。但是大量的工程實踐證明，即使巷道上部沒有穩固的岩層，錨杆亦能發揮支護作用。例如，在全煤巷道中，錨杆就錨固在煤層中也能達到支護的目的，説明這一理論有侷限性。

組合梁理論認為巷道頂板中存在着若干分層的層狀頂板，可看作是由巷道兩幫作為支點的一種梁，這種巖梁支承其上部的岩層載荷。使用錨杆將各層“裝訂”成一個整體的組合梁，防止岩石沿層面滑動，避免各岩層出現離層現象。在上覆岩層荷載作用下，這種較厚的組合梁比單純的迭加梁，其最大彎曲應變和應力將大大減小，撓度亦減小。而且各層間摩擦阻力愈大，整體強度愈大，補強效果愈好。但是，這種理論在處理岩層沿巷道縱向有裂縫時梁的連續性問題和梁的抗彎強度問題時有一定的侷限性。

組合拱理論是由蘭氏(T A Lang)和彭德(Pender)通過光彈試驗提出來的。組合拱原理認為，在拱形巷道圍巖的破裂區中，安裝預應力錨杆時，在杆體兩端將形成圓錐形分佈的壓應力，如果沿巷道周邊佈置的錨杆間距足夠小，各個錨杆的壓應力維體相互交錯，這樣使巷道周圍的岩層形成一種連續的組合帶(拱)。

這個組合拱可承受上部岩石的徑向載荷，如同碹體起到岩層補強的作用，承載外圍的壓力。組合拱理論的不足是缺乏對被加固巖體本身力學行為的進一步探討，與實際情況有一定差距，在分析過程中沒深入探索圍巖 —支護的相互作用。

澳大利亞學者蓋爾(W J Gale)在20世紀90年代初提出了最大水平應力理論。該理論認為:礦井岩層的水平應力一般是垂直應力1. 3～2. 0倍。而且水平應力具有方向性，最大水平應力一般為最小水平應力的1. 5～2. 5倍。巷道頂底板的穩定性主要受水平應力影響，且有三個特點: ①與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小，頂底板穩定性最好; ②與最大水平應力呈鋭角相交的巷道。其頂板變形破壞偏向巷道某一幫; ③與最大水平應力垂直的巷道，頂底板穩定性最差。

最大水平應力理論，論述了巷道圍巖水平應力對巷道穩定性的影響以及錨杆支護所起的作用。在最大水平應力作用下，巷道頂底板岩層發生剪切破壞，因而會出現錯動與鬆動引起層間膨脹，造成圍巖變形。錨杆所起的作用是約束其沿軸向岩層膨脹和垂直於軸向的岩層剪切錯動，因此要求具備有強度大、剛度大、抗剪阻力大的高強錨杆支護系統。 ^[1] 

錨杆設計應根據隧洞圍巖地質情況工程斷面和使用條件等分別選用下列類型的錨杆：

全長粘結型錨杆：普通水泥砂漿錨杆、早強水泥砂漿錨杆、樹脂卷錨杆、水泥卷錨杆

端頭錨固型錨杆：機械錨固錨杆、樹脂錨固錨杆快硬水泥、卷錨固錨杆

摩擦型錨杆：縫管錨杆楔管錨杆水脹錨杆

全長粘結型錨杆設計應遵守下列規定：杆體材料宜採用Ⅰ、Ⅱ級鋼筋，鑽孔直徑為18~32mm的小直徑錨杆的杆體材料宜用Q235鋼筋；杆體鋼筋直徑宜為16~32mm；杆體鋼筋保護層厚度採用水泥砂漿時不小於8mm，採用樹脂時不小於4mm；杆體直徑大於32mm的錨杆應採取杆體居中的構造措施；水泥砂漿的強度等級不應低M20；對於自穩時間短的圍巖宜用樹脂錨杆或早強水泥砂漿錨杆。

端頭錨固型錨杆設計應遵守下列規定：杆體材料宜用Ⅱ級鋼筋杆體直徑為16~32mm，樹脂錨固劑的固化時間不應大於10min，快硬水泥的終凝時間不應大於12min，樹脂錨杆錨頭的錨固長度宜為200~250mm，快硬水泥卷錨杆錨頭的錨固長度宜300~400mm，託板可用Q235鋼厚度不宜小於6mm，尺寸不宜小於150mm*150mm，錨頭的設計錨固力不應低於50kN，服務年限大於5年的工程應在杆體與孔壁間注滿水泥砂漿。

摩擦型錨杆設計應遵守下列規定：縫管錨杆的管體材料宜用16錳或20錳硅鋼壁厚為2.0~2.5mm；楔管錨杆的管體材料可用Q235鋼，壁厚為2.75~3.25mm；縫管錨杆的外徑為30~45mm，縫寬為13~18mm；楔管錨杆縫管段的外徑為40~45mm，縫寬宜為10~18mm，圓管段內徑不宜小於27mm；鑽孔直徑應小於摩擦型錨杆的外徑。宜採用碟形託板材料為Q235鋼，厚度不應小4mm，尺寸不應小於120mm*120mm；杆體極限抗拉力不宜小於120kN；擋環與管壁焊接處的抗脱力不應小於80kN；縫管錨杆的初錨固力不應小於25kN/m，當需要較高的初錨固力時，可採用帶端頭錨塞的縫管錨杆或楔管錨杆；水脹式錨杆材料宜選用直徑為48mm，壁厚2mm的無縫鋼管並加工成外徑為29mm，前後端套管直徑為35mm的杆體；水脹式錨杆的託板材料規格同摩擦型錨杆。

預應力錨杆設計應遵守下列規定：硬巖錨固宜採用拉力型錨杆，軟巖錨固宜採用壓力分散型或拉力分散型錨杆；設計錨杆錨固體的間距應考慮錨杆相互作用的不利影響；確定錨杆傾角應避開錨杆與水平面的夾角為-10°~+10°這一範圍；預應力筋材料宜用鋼絞線高強鋼絲或高強精軋螺紋鋼筋，對穿型錨杆及壓力分散型錨杆的預應力筋應採用無粘結鋼絞線；當預應力值較小或錨杆長度小於20m時，預應力筋也可採用Ⅰ級或Ⅱ級鋼筋；預應力錨杆的錨固段灌漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿等膠結材料，其抗壓強度不宜低於30MPa，壓力分散型錨杆錨固段灌漿體抗壓強度不宜低於40MPa；預應力錨杆的自由段長度不宜小於5m。

自鑽式錨杆的設計設計應遵守下列規定：自鑽式錨杆杆體應採用厚壁無縫鋼管製作，外表全長應具有標準的連接螺紋，並能任意切割和用套筒聯接加長；自鑽式錨杆結構應包括中空杆體墊板螺母聯接套筒和鑽頭，用於錨杆加長的聯接套筒應與錨杆杆體具有同等強度。

系統錨杆佈置應遵守下列規定：在隧洞橫斷面上錨杆應與巖體主結構面成較大角度佈置，當主結構面不明顯時可與隧洞周邊輪廓垂直佈置；在巖面上錨杆宜呈菱形排列，錨杆間距不宜大於錨杆長度的1/2，Ⅳ、Ⅴ級級圍巖中的錨杆間距宜為0.5~1m，並不得大於1.25m。 ^[2]