锚杆支护作用机理分析及其设计方法的适用性

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1、扩业工程第4卷第6期34MiningEngineering2006年12月锚杆支护作用机理分析及其设计方法的适用性卞跃威刘全林(安徽理工大学，安徽淮南232001)摘要:分析了锚喷支护设计中基于组合拱理论的两种比较流行的设计方法及适用条件，说明了巷道的岩性、断面形状等对于锚喷支护参数的影响。通过实例阐明不同的围岩变形状态，应采用不同的设计理论计算方法来确定锚杆的长度和支护密度关键词:锚喷支护;组合拱理论;岩性;支护密度中图分类号:TD353.6文献标识码:A文章编号:1671一8550(2006)06一0034一03固体，当巷道为直线时该锚固体为墙;拱形断面则称为0引

2、言“组合拱”，如图1所示。巷道开挖，破坏了原岩应力平衡状态，随着时间和空间变化，应力和应变处于不断调整状态。在围岩内部会形成压密区、膨胀区、松弛区等川。压密区实际上是围岩在受力状态变化过程中形成的承载圈，它支撑着绝大部分地压，它在围岩稳定过程中起关键作用。所以提高围岩的稳定性，应通过提高承载圈的承载能力来体现，即提高围岩的自承载能力的支护方法。锚喷网支护的作用机理可从这个目标的实现来分析:由于锚杆的插人提高了围岩的强度和整体性，增强了围岩的稳定性，锚杆预应力的存在使围岩在未发生大变形的情图1组合拱况下就受到反向压力的作用，有利于围岩自身强度的提高川;喷层和钢筋网的作用

3、在于它具有能及时封闭围岩防由于岩土体本身性质的复杂性，很难采用理论解析的止风化与潮解、支撑和填平补强围岩、分配外力等作用。方法得到比较接近现实的支护参数。在长期的设计实践中逐渐形成两种流行的工程类比法:即组合拱厚度和承载力喷层中钢筋网的存在增强了喷层的柔韧性，提高了喷层的类比法。抗弯与抗变形能力，使喷层应力分配均匀，整体性能得到1.2组合拱厚度类比法改善。该法认为组合拱的厚度是巷道支护设计中的关键控制但是，根据锚喷网支护作用机理进行支护参数的设计因素，通过对比已建巷道和新开挖巷道的围岩性质、埋深计算方法则与实际相差甚远。由于群锚杆、喷网层的结构并结合松动圈的大小设计支

4、护参数。由于原岩应力测试、和锚喷网的组合效应等相当复杂，使得现行设计计算均是破裂岩体的物理力学性质等问题都有特进一步研究，支护基于工程类比的方法或通过简化为单体构件来计算，这样理论目前尚未达到定量化阶段，支护设计只能依赖围岩分做必然更多地依赖于设计人员的经验。为此，本文着重阐类，按工程类比方法确定初次支护组合拱厚度及锚杆支护述围岩变形特征对锚喷支护计算方法选择是必要的。参数。由图2可知，锚固层厚度、锚杆长度与间排距之间存1巷道锚网喷支护设计方法在式(1)的关系。1.1设计理论L，ta助一a(1)taTla目前在巷道设计中，当巷道的围岩破裂松动较大而造式中b—锚固层厚度

5、m;LZ—锚杆长度，m;a成锚杆难以插人深部稳定岩层时，常采用组合拱理论设计锚杆的间排距，m;a—锚杆对破裂岩体的控制角，一般支护参数。该理论依据有两个重要性质:1)组合拱内岩石取450。强度接近于破坏前的原岩强度;2)组合拱具有较大的可缩性，属柔性支护。组合拱理论认为，在单根锚杆作用下可形成一个锥形压密区，群体锚杆布置间距适当，锚杆群在围岩中形成的双锥体压缩区相互交叠，则形成连续的相互重合的层状锚收稿日期:2006一06一06作者简介:卞跃威(1980一)，男(汉族)，安徽寿县人，安徽理工大学土木系研究生，主要方向:岩土及地下结构工程。图2锚固层2006年第6期卞跃

6、威等锚杆支护作用机理分析及其设计方法的适用性35在组合拱内的岩石径向及切向均受力，处于三向压应。，一。3{华毕望已十华二一‘奥李粤.(5)力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应增大，因1一5111怀1一51‘1外此锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱和较高的强度，式中岩体中的主应力，MPa;外—破裂岩其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。石内摩擦角，。;C—岩石粘聚力，MPa。考虑破裂岩体粘1.2.1组合拱厚度确定聚力较小，取C=0，代入式(5)得:在科学判定、准确把握围岩支护难度的基础上，按经口1—a3(6)1一sin弥验类比方法设计组合拱厚度，再根据现

7、场观测数据判断初组合拱的破坏首先出现在拱的内壁处，由力的平衡得次支护设计是否合理，并优化支护参数及工艺。W、V类大松动圈软岩，采用单一锚喷网支护已成功a3今P，，代人式(6)并令Kr_1+sin外可得:1一sin外地进行了一系列工业试验及推广应用工作，取得良好支护al=Kr·Ps(7)效果。竹类围岩L，>300cm，巷道收敛变形量大，采用单式中尸，—锚杆约束阻力，MPa，可由尸:=q/a“求得，一锚喷网支护较困难，应提高组合拱厚度和承载能力;根q—锚杆最大拉拔力，kN。破碎岩石中组合拱单位长度据软岩巷道变形机制和锚喷网支护机理，为提高控制围岩上承载力