圍巖控制中錨桿支護(hù)效果分析

為了維持巷道的穩(wěn)定性, 防止圍巖發(fā)生垮落或過(guò)大的變形,巷道掘出后,一般都要進(jìn)行支護(hù)。隨著采礦深度的增加和地壓理論的發(fā)展, 20世紀(jì)初,美國(guó)創(chuàng)造了礦山巷道的錨桿支護(hù)方法。這種支護(hù)方法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,在世界普遍流行開(kāi)來(lái),并且被廣泛地應(yīng)用到隧道、邊坡治理、地基加固等其它巖土工程領(lǐng)域。在實(shí)踐應(yīng)用中不斷發(fā)展,像錨網(wǎng)、錨網(wǎng)噴、錨帶網(wǎng)、錨注等,較為先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)已被廣泛采用, 它不但克服了傳統(tǒng)支護(hù)方式的缺點(diǎn),提高了巷道的穩(wěn)定性,并節(jié)約了大量的木材、鋼材, 具有省時(shí)、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、安全可靠等特點(diǎn)。
　　1、錨桿支護(hù)作用原理
　　1.1擠壓加固作用
　　將錨桿沿拱形巷道周邊按一定間距徑向排列,在預(yù)應(yīng)力作用下, 每根錨桿都形成以錨頭和緊固部分為頂點(diǎn)的錐形體壓縮區(qū),每根錨桿周?chē)纬傻腻F形體壓縮區(qū),彼此重疊聯(lián)接,便在圍巖中形成一個(gè)厚度為T(mén)的均勻連續(xù)壓縮帶,這就是擠壓加固拱或稱(chēng)為次承載區(qū)。該壓縮帶厚度T隨著錨桿長(zhǎng)度L增長(zhǎng),錨桿間排距縮小,錨桿端部約束加強(qiáng)以及巖體強(qiáng)度的提高而變厚,同時(shí),承載能力提高。它不僅能保持自身的穩(wěn)定,而且能夠承受地壓,防止上部圍巖的松動(dòng)和變形。為了在圍巖中形成一定厚度的擠壓加固拱,一般情況下,錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于兩倍錨桿間距。預(yù)應(yīng)力作用在于,一方面增大了巖體的粘結(jié)力,提高了巖體強(qiáng)度。另一方面,通過(guò)錨頭和墊板對(duì)圍巖產(chǎn)生的壓應(yīng)力,改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài),從而使巖體強(qiáng)度提高。
　　1.2組合作用
　　錨桿支護(hù)的組合作用很好理解,平頂巷道的層狀頂板,可看作是以巷道兩幫為支點(diǎn)的疊合梁。疊合梁層間抗剪力不足,在荷載作用下, 將發(fā)生較大的彎曲變形和層間錯(cuò)動(dòng)。若用錨桿穿過(guò)并把它們緊固, 各層之間便互相擠壓,層間摩擦阻力增加,在外荷載作用下,層間不再發(fā)生離層錯(cuò)動(dòng), 抗彎抗剪強(qiáng)度增強(qiáng),頂板便由疊合梁變成組合梁。這樣大大提高了頂板巖層的承載能力,錨桿本身還起到抗剪作用,能更加有效地阻止巖層的層間錯(cuò)動(dòng)
　　1.3懸吊作用
　　錨桿支護(hù)的懸吊作用,突出地表現(xiàn)在直接頂較薄,老頂比較堅(jiān)固的情況下,用錨桿將軟弱巖層或危巖懸吊于完整堅(jiān)固的巖體上,由錨桿承擔(dān)軟巖或危巖的重量,以達(dá)到井巷穩(wěn)定的目的。錨桿支護(hù)的作用并非各個(gè)獨(dú)立,一般是同時(shí)并存綜合作用,只是在不同的地質(zhì)條件下某種作用占主導(dǎo)地位。
　　以上這些理論,各自在特定的巖體條件和錨固方式下反映了錨桿的加固作用。但相應(yīng)的力學(xué)模型過(guò)于粗糙,都是把錨噴加固的巖體加固圈人為地從厚巖體中脫離開(kāi)來(lái),因而與實(shí)際情況出入較大。但由于其計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了,在目前設(shè)計(jì)中仍廣泛采用。
　　2、圍巖松動(dòng)圈巷道錨桿支護(hù)理論
　　圍巖松動(dòng)圈巷道錨桿支護(hù)理論是基于煤礦生產(chǎn)中大量的地下工程都是在圍巖破壞和發(fā)展中支護(hù)的客觀(guān)實(shí)際狀況而提出的,該理論在對(duì)圍巖狀態(tài)進(jìn)行深入研究后,發(fā)現(xiàn)松動(dòng)圈的厚度值是一個(gè)綜合是一個(gè)綜合性指標(biāo),它的大小反映了支護(hù)的難易程度,而且大量的相似模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,它與煤礦巷道的跨度及有無(wú)支護(hù)等關(guān)系不大,巷道支護(hù)的主要對(duì)象是圍巖松動(dòng)圈產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程中的碎脹變形力。當(dāng)采用錨桿支護(hù)時(shí),錨桿受拉是由圍巖松動(dòng)圈的發(fā)生和發(fā)展而引起的。在錨桿與圍巖相互作用過(guò)程中,錨桿通過(guò)墊板與錨頭對(duì)圍巖提供支護(hù)抗力,阻止破裂巖石產(chǎn)生有害變形，使圍巖保持穩(wěn)定并將其變定在允許的范圍內(nèi)。實(shí)際上,桿應(yīng)力來(lái)源于圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。假如開(kāi)巷后圍巖只產(chǎn)生彈塑性變形,沒(méi)有發(fā)生破壞,則圍巖松動(dòng)圈厚度將為零,碎脹變形亦為零。由于彈塑性變形發(fā)生在錨桿安裝之前,錨桿的最大應(yīng)力將只是安裝應(yīng)力,考慮到這一應(yīng)力往往較小,可認(rèn)為錨桿在這種圍巖狀態(tài)下不起作用。所以,在此種圍巖狀態(tài)下,不必要采用錨桿支護(hù)。松動(dòng)圈厚度大小與錨桿受力及錨桿的作用機(jī)理有直接關(guān)系,松動(dòng)圈厚度值類(lèi)別不同,錨桿支護(hù)作用機(jī)理不同。
　　3、效果分析
　　軟巖及破碎圍巖存在著三種不同的圍巖壓力類(lèi)型, 即松動(dòng)壓力、變形壓力和膨脹壓力。松動(dòng)壓力可以采用剛性支護(hù)來(lái)支撐圍巖,而變形壓力和膨脹壓力則是巷道主要壓力顯現(xiàn)形式,它要求合理設(shè)計(jì)支護(hù)剛度,控制支護(hù)時(shí)間和支護(hù)施工順序,即允許圍巖有適當(dāng)?shù)淖冃?以利于能量釋放,又能將變形控制在一定范圍之內(nèi),使之不發(fā)展松動(dòng)壓力。錨桿支護(hù)的發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用,充分顯示了它的實(shí)用性與優(yōu)越性,結(jié)合以上實(shí)例,具體分析其支護(hù)技術(shù)效果如下:(1)普通錨桿支護(hù)施工方便,使用設(shè)備簡(jiǎn)單,易操作。(2)錨桿能把各種斷裂面所切割的巖塊聯(lián)合成整體,提高抗剪強(qiáng)度,又可給圍巖表面施加正應(yīng)力和圍巖內(nèi)部造成承載層,這是與其它形式支護(hù)的本質(zhì)區(qū)別。(3)松軟巖層中采用一次成巷,圍筑永久支護(hù),往往收不到應(yīng)有效果,而錨桿支護(hù)先柔后剛的特性,具有第二次支護(hù)的特點(diǎn),一次支護(hù)可收到良好效果。
　　4、錨桿支護(hù)研究存在的問(wèn)題及發(fā)展方向
　　在大量的工程實(shí)踐中,早期沿用結(jié)構(gòu)工程概念,對(duì)作用機(jī)理提出諸如懸吊理論、組合梁理論、成拱理論等簡(jiǎn)單的模型。巖體工程概念促使巖土錨固理論上了一個(gè)新臺(tái)階。通過(guò)大量的物理模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)等手段,深入探討了錨桿加固機(jī)理。雖然錨固理論研究工作取得了一定進(jìn)展,但也存在不少問(wèn)題。結(jié)合以上錨桿的研究現(xiàn)狀,對(duì)錨桿的支護(hù)機(jī)理提出以下幾點(diǎn)研究展望:
　?。?）對(duì)錨桿的橫向作用進(jìn)行深入研究:在工程設(shè)計(jì)中和錨桿支護(hù)機(jī)理研究中,強(qiáng)調(diào)錨桿的軸向作用,忽略橫向效應(yīng)的現(xiàn)象十分明顯,應(yīng)加強(qiáng)錨桿橫向作用研究,以引起學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視。目前提出的抗剪錨桿的“導(dǎo)軌作用”觀(guān)點(diǎn),認(rèn)為抗剪強(qiáng)度存在不足和錨固力偏低的不安全因素,給錨固工程帶來(lái)危險(xiǎn),并對(duì)傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)機(jī)理提出質(zhì)疑。因此,必須對(duì)非連續(xù)巖體錨桿抗剪作用機(jī)理進(jìn)一步加以研究。
　?。?）基于巖體錨固系統(tǒng)的錨固作用機(jī)理的研究。目前,對(duì)錨固作用機(jī)理已做了大量深入和拓寬延展研究工作,但大都是以錨桿為主體來(lái)解釋其作用機(jī)制。這種重在研究錨桿本身行為的思路一方面難以解釋為什么錨桿有別于其它支護(hù)形式而能有效地控制圍巖大變形,且用料極省;另一方面對(duì)為什么同一錨桿形式,不同巖性、不同錨固方式、不同粘結(jié)劑以及不同托盤(pán)其錨固效果卻相差很大也很難解釋。針對(duì)目前以錨桿為主體來(lái)解釋其作用機(jī)制存在的弊端,提出了巖體錨固系統(tǒng)的概念。無(wú)論全錨或端錨系統(tǒng)都可視為由圍巖體單元、錨桿單元、圍巖體內(nèi)部固定物單元、圍巖體表面聯(lián)接固定物單元四大要素構(gòu)成。這四個(gè)要素之間互相作用,共同完成加固圍巖的功能并與周?chē)缤獠炕蛏畈繃鷰r體環(huán)境進(jìn)行力傳遞作用,這四個(gè)要素構(gòu)成巖體錨固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同匹配組合,系統(tǒng)相應(yīng)產(chǎn)生不同的功能如串聯(lián)或并聯(lián)功能。系統(tǒng)的功能體現(xiàn)是四個(gè)要素之間相互作用匹配耦合的結(jié)果,任何一個(gè)要素的功能體現(xiàn)都是在規(guī)定其它要素功能的基礎(chǔ)之上,它不可能超越系統(tǒng)的功能。由巖體錨固系統(tǒng)很容易解釋單一錨桿支護(hù)系統(tǒng)所不能解釋的一些問(wèn)題。因此從巖體錨固系統(tǒng)出發(fā),以巖體結(jié)構(gòu)為研究中心,是巖體錨固作用機(jī)理的研究方向。
　　5、結(jié)論
　　在大量的工程實(shí)踐中,早期沿用結(jié)構(gòu)工程概念,對(duì)作用機(jī)理提出諸如懸吊理論、組合梁理論、成拱理論等簡(jiǎn)單的模型。巖體工程概念促使巖土錨固理論上了一個(gè)新臺(tái)階。但這些理論只反映了在特定條件和錨固方式下錨桿的加固作用,而且相應(yīng)的力學(xué)模型還顯粗糙,與實(shí)際情況出入較大。而且都是以錨桿為主體來(lái)解釋其作用機(jī)制,存在不少弊端。就目前,從總體上看來(lái),錨固技術(shù)的研究仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上,尚沒(méi)有上升到把錨固技術(shù)看作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)整體研究。