锚固技术及其理论研究现

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1、锚固技术及其理论研究现状和方向孔恒马念杰王梦恕张成平（1北方交通大学隧道与地下工程试验研究中心，北京，100044；2中国矿业大学（北京校区）资源系，北京，100083）　　摘　要　基于国内外大量而广泛的锚固技术实践与研究，全面概括分析了锚固技术与理论研究的现状。指出必须引入岩体锚固系统才能有效研究和解决锚固技术存在的关键问题。　　关键词　锚固技术　设计理论　岩体锚固系统　机理　　锚固技术，国内习惯统称为锚杆支护技术，国外一般称锚固技术或锚杆加固技术。自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来

2、，锚固技术至今已有100多年的发展历史。锚固技术是一种技术经济优越的技术手段，目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家，而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中，伴随着“21世纪－地下工程的世纪”的来临，可以预见，该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用。尽管国内锚固技术与理论研究在近10余年取得了丰硕的研究成果，但还远不适应我国锚固技术推广与发展的需要，因此有必要在全面总结国内外锚固技术与理论发展现状的基础上，提出新的研究思路去研究和解决锚固技术推广与发展中的问题。　　1　国外锚固技术与理论研究的发展现状　　就目前而言，国外锚固技术以澳大利亚、美

3、国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近100％，其锚固技术水平居于世界前列。到20世纪80年代以后，一些曾以U型钢或工字钢支架为煤巷主要支护形式的国家（如英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本等），也大力发展并应用了锚固技术。　　11　关于锚杆加固围岩的作用机理　　美国因其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，因此倾向于悬吊理论和组合梁（加固岩梁）理论，而英国、澳大利亚巷道以受水平应力影响为主，尤其是澳大利亚相对英国其巷道围岩变形量及最大水平应力更剧烈，一般而言，英国、澳大利亚锚杆支护的设计理论倾向于加固拱（挤压支承拱）理论。　　12　关于锚杆加固设计方法　　美

4、国目前有两种基本设计方法：一为经验法，即是建立在以往解决岩层控制的经验基础上的设计方法。该方法的主要缺点是强调了顶板控制问题的本身，而缺乏对引起顶板不稳定的内在原因的注意，即由于顶板条件的不同，经验法并不全都有效。二为理论法，亦称客观法，即是建立在解决顶板支护问题的顶板和岩石力学理论基础上的设计方法。该方法一般是通过公式或者估算确定有关参数，有代表性的是兰和比肖夫RRU准则和帕内克设计诺模图。实践中常采用将上述两种方法相结合的设计方法。澳、英两国在原采用理论法和经验性或试探法的基础上，认为锚杆加固设计必须保证巷道始终处于可靠的状态，而可靠的设计方法必须以对开挖引起的

5、岩层变形、锚杆受力及加固效果的精确测量为基础。在此基础上认为应采用以下两种手段相结合的设计方法：一进行巷道监测，确定围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆加固特性；二利用计算机模拟技术，模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与锚杆加固的特性，以及评价新选择的各种锚杆加固。澳大利亚把该设计方法的实施具体分为4个步骤：（1）地质力学评估，包括对巷道围岩（顶底板及煤层）力学性质测定、地应力（3个主应力的大小和方向）测试和现场调查；（2）初始设计（即利用计算机数值模拟方法在巷道开掘以前进行）；（3）现场监测（即利用测力锚杆及位移计等对锚杆受力及围岩位移进行适时观测）；（4）信息反馈

6、和修改、完善设计（根据现场监测的数据与曲线与初始设计进行对比，若相同则证明初始设计正确，否则应修正初始设计，调整锚固结构和参数，完成最终设计）。这个设计方法已被证明是成功的。据报导，英国专门制定了技术规范明确要求必须通过实测进行锚固设计［2］。　　13　关于岩体锚固参数　　岩体锚固参数一般包括锚固类型（全锚或端锚）、锚杆结构、材质选择及形式、锚杆长度、锚杆直径、锚杆间排距、粘结剂类型及相关参数、托盘与螺母等等。岩体锚固参数的选择与确定是岩体锚固成败的关键，国外对此十分重视。目前就锚杆材质而言，国外虽然普通锚杆（δs＜340MPa）、高强度锚杆（δs=34

7、0～600MPa）及超高强（度）锚杆（δs＞600MPa）3种类型的锚杆材质均在使用，但以高强、超高强居多。如澳大利亚近年一直未间断对高强度锚杆材质用钢进行开发研究，1983年研究了HS1045高强度锚杆用钢，当锚杆直径为22mm时，杆体破断载荷达240kN，后来进一步发展了AX超高强度钢，屈服载荷达240kN，破断载荷可达340kN，延伸率为15%～27％。目前正在研制一种超高强度锚杆，其破断载荷可达400kN以上，但延伸率低于15％，现正在解决这个问题。其它国家亦是此趋势，如英国接近AX，日本为AX，美国介于HS与AX之间。就锚固剂和锚固方式而