预应力锚杆支护技术与工程应用

岩稳定性和支护系统可靠性的依据，对施工检测所得的信息加以处理，与工程类比的经验方法相结合，建立一些必要的判据，则可以用来及时调整支护参数或进行施工决策。

（3）分析计算法锚固分析及计算

在地下工程中，对围岩整体稳定性分析，常采用数值解法；对局部可能失稳的围岩块体的稳定验算，采用块体极限平衡法。根据锚固力的大小来确定锚杆的直径、长度、间距、锚杆安装时间以及布置方式。

1）经验公式设计法

对于跨度小于10m的洞室，按经验公司确定锚杆参数。 锚杆长度L取两式较大值：L=n(1.1+B/10) L>2S 锚杆间距D取两式较小值：D≤0.5L D<3S

锚杆直径do主要依锚杆的类型和锚固力而定，一般为：do≈L/110 式中：L——锚杆长度； B——洞室跨度；

n——围岩稳定性系数，对于Ⅱ类稳定性较好的岩石，n=0.9；对于中等稳

定的Ⅲ类岩石，n=1.0；对于稳定性较差的Ⅳ类岩石，n=1.1；对于不稳定的Ⅴ岩石n=1.2；

S——围岩中间节理间距；

D——锚杆间距，一般为0.8-1.0m，最大不超过1.5m； do——锚杆直径。 2）悬吊加固的理论设计

悬吊加固通常是针对洞室顶部的危岩或压力拱内的岩体。

洞室顶部危岩加固：锚杆提供的悬吊力应大于危岩的重量，锚固体要穿过围岩到达稳定岩层，按需要提供的加固力的大小、危岩空间形状和所选锚杆的锚固力来确定锚杆的数量、间距、长度。

按压力拱理论加固：锚杆的作用是悬吊压力拱内的松散岩体，防止岩体进一步松散。如果知道自然拱的理论高度，可粗略地估算出锚杆的最优长度和间距。

通常锚杆的长度为： L≥he+le

式中：L——锚杆长度；

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he——压力拱下缘到上限的距离；

le——锚固长度。

锚杆的数量和间距应根据锚杆设计轴拉力和压力拱内岩石的重量合理确定。 3）侧锚加固的计算

侧锚加固通常是针对洞室侧墙或其与顶部转角处的危岩。每米隧洞所需加固力为： P=［W(K·sinβ-cosβtanφ)-C·A］/（cosθtanφ+K·sinθ） 式中：W——每米隧洞滑体重量； K——安全系数，取1.5-2.0； β——滑移面倾角；

θ——滑移面法线与锚杆方向夹角；

C——滑移面黏聚力； φ——滑移面摩擦角； A——每米隧洞滑面面积； P——每米隧洞所需加固力。

侧锚加固机理同岩质边坡类似，所采用的锚杆类型、参数、防腐措施等均与边坡锚固相同。

4）按组合梁原理的加固设计

锚杆的组合梁作用对层状岩是很明显的。对层状岩若不支护，顶板会逐渐塌落，最终形成梯形。梯形底角一般为600-800，高度超过工程跨度的1/2。用锚杆支护，则平顶式顶板得以维持。

锚杆长度： L≥L1+h+L2

式中：L1——锚杆的外露长度；

L2——锚固段长度，一般取0.3-0.4m；

h——有效组合梁厚度，h=0.612B·(K·p/ψησt)1/2

其中：B——洞室跨度；

K——安全系数，掘进机掘进取2-3，爆破法掘进取3-5，受动

影响时取5-6；

p——组合梁所受垂直荷载（侧压忽略），取锚固深度内单位岩

体重力；

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η——抗压强度折减系数，取0.6-0.8； σt——顶板表层岩体抗拉强度；

ψ——与组合岩层数有关的系数，组合岩层数为1时ψ取1，

组合岩层数为2时ψ取0.75，组合岩层数为3时ψ取0.7，组合岩层数大于或等于4时ψ取0.65。

锚杆间距：

D≤1.63M1（η1·σt/n2·γ1·M1）1/2 式中：D——锚杆间距；

σt——顶板表层岩体抗拉强度；

η1——顶板表层抗拉强度折减系数，取0.3-0.4；

γ1——顶板表层重度； M1——顶板表层厚度； n2——安全系数，取8-10。

锚杆所设计的锚固力应大于或等于被悬吊软弱岩层重量，即： Q≥γLD2

式中：Q——锚固力；

γ——被加固岩层平均重度；

L——锚固岩体厚度； D——锚杆间距。 5）锚杆挤压作用加固设计

根据锚固挤压加固作用原理，不要求锚杆一定要伸到稳定坚固岩层中，只要在锚杆群作用下，在破碎围岩中能形成足够厚的挤压挤压加固拱，及可起到支护作用。加固拱厚度、锚杆长度、间距、锚固力应充分考虑洞室围岩塑性松动圈半径、塑性形变压力荷载、松动压力荷载来确定。其加固拱厚度h（锚杆自由段长度）与m值（锚杆长度L和间距D之比）有如下关系：

m=L/D=3时，h=2L/3；m=L/D=2时，h=L/3；m=L/D=1.33时，h=L/10。 （4）数值计算法锚固分析及计算

以地应力实测结果为参照依据，采用有限元法反演分析初始地应力场，采用非线性有限元方法模拟地下洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况，揭示地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位，从而提出合理的围岩加

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固方案。锚固效果的数值模拟可以采用提高锚固区岩体强度来实现。也可采用杆单元来模拟锚杆加固效果。

2.4 锚杆的初始张拉锁定荷载分析

锚杆的锁定荷载是指进行锚杆锁定时作用于锚头上的拉力。 （1）影响锚杆初始张拉力的因素

1）岩土介质的蠕变：岩体蠕变量小，则锚杆的预应力损失也小，就重点工程，应进行蠕变试验。

2）软弱地层的压密：由于锚杆预应力作用，地层内的软弱层，特别是其分布在锚头附近时，会因为锚杆预应力产生的附加压力引起土层的压缩变形，导致锚杆预应力的损失。

3）锚杆材料的松弛：在长期张拉条件下，钢质杆体自身的会产生一定的松弛。钢质杆体自身的松弛变形量也必然影响着锚固体的有效预应力。

4）套管与杆体钢材的摩擦：套管与杆体钢材的摩擦会减小实际的有效锚固预应力。套管与杆体钢材之间的摩擦因锚杆杆体自由段的加工状态而异，当套以塑料套管，且自由段长度在20m以内时，可以忽略不计。

5）锚杆加固后的岩土体仍然可能发生一定的变形，这种变形既可能引起锚杆预应力的减小，也可能引起锚杆预应力的增加。如隧道围岩向洞内的变化形成就使锚杆预应力增大。

（2）锚杆的初始张拉力值

锚杆初始张拉力值应根据锚杆的使用目的和岩体性状来决定和调整，可分为以下情形。

1）边坡抗滑锚固和地基抗滑锚固施作的锚杆，以工作荷载（拉力设计值）作为锁定荷载为好。

2）被锚固的结构物背面的岩体，因土质松软，由预张拉力引起的蠕变和塑性变大的情况，可由这些地点的张拉试验结果确定锁定荷载。一般情况锁定荷载为拉力设计值的0.6-0.8倍。

3）对允许变形的结构物的锚固，被锚固的结构物采用铰接构造，在允许其变位的情况下，锚杆不必按设计拉力锁定，可根据设计条件决定锁定荷载。一般取设计拉力值的0.5-0.7倍。

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