預(yù)應(yīng)力在錨桿支護中的作用

引言
　　對于錨桿支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析與計算，在考慮預(yù)應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響時，尚無有效的方法，當(dāng)采用圓弧滑移面計算支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時，多是將錨桿當(dāng)作土釘處理。但是錨桿的自由段與土體是無粘結(jié)的，作用基理不同，并不能等效成土釘；且忽略了自由段預(yù)應(yīng)力的作用。錨桿的主要作用是將預(yù)應(yīng)力傳遞到土體中，改變了土體應(yīng)力狀態(tài)，一般說來，這種改變是積極的，能有效提高邊坡的穩(wěn)定性。
　　一、錨桿支護的重要作用
　　1、加固拱（擠壓組合拱）作用
　　一根錨桿能形成一個錐形壓縮體，多根錨桿根據(jù)一定間距排列，能通過一個個錐形壓縮體互相咬合形成一定厚度的拱墻體。錨桿能將松散的石子變?yōu)橐惑w。錨桿對圍巖能起到加固作用，而這個作用是傳統(tǒng)的巷道支護方式（支撐式）所不能比擬的。
　　2、懸吊作用
　　即把要冒落的軟弱巖層或圍巖懸吊于深部堅固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來承擔(dān)這些巖體的重量。若頂板中無堅硬穩(wěn)定巖層或軟弱巖層較厚不能把錨桿錨固到上面堅硬穩(wěn)定巖層中，懸吊作用就會失效。
　　3、組合梁作用
　　在層狀巖層中通過錨桿作用把一層層巖石組成一個整體，提高其承載能力，這個整體即組合梁。在頂板巖層中存在若干薄的分層時，通過錨桿的作用，能把這些巖層錨固成一個較厚的巖層，由疊合梁轉(zhuǎn)變成組合梁，以提高巖梁的自承能力。組合梁越厚，梁的最大應(yīng)力和梁的撓度就越小，承載能力就越大。在錨桿支護的基礎(chǔ)上，為避免巖石松動和風(fēng)化，應(yīng)再噴射一層50mm-200mm厚的砂漿或混凝土，即構(gòu)成錨噴支護。
　　二、錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力場分布
　　1、錨桿預(yù)應(yīng)力的作用。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到20kn時，錨桿尾部產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為0.07Mpa。在錨桿長度的1/5處，壓應(yīng)力變小，為0.02Mpa。在錨桿長度一半時，應(yīng)力值大于0.01Mpa，在尾部壓力就很小了。由于錨桿預(yù)緊力降低，錨桿支護應(yīng)力相應(yīng)變小，有效壓應(yīng)力范圍減小，彼此之間獨立分布，沒有有機結(jié)合在一起。預(yù)緊力為100kn時，錨桿尾部的最大應(yīng)力為0.35Mpa，在錨桿長度的1/5處，壓應(yīng)力變小，為0.12Mpa。在錨桿長度一半時，應(yīng)力值大于0.04Mpa，壓力范圍明顯擴大，錨桿之間形成了一個有機的整體。
　　2、鋼帶的作用
　　（1）沒有鋼帶時，錨桿形成壓力彼此之間是互相獨立的，處于不連接狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力作用范圍有限，錨桿不能夠起到防止圍巖分裂的作用；（2）存在鋼帶時，壓力沿著鋼帶的方向得以延伸，在頂板那里，壓力的分布區(qū)間彼此相連，起到了預(yù)防圍巖分裂的作用；（3）鋼帶達(dá)到了錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴散的目的，極大地提高錨桿防止圍巖的分裂作用，支護系統(tǒng)的整體支護效果得到了明顯的改善。
　　3、錨索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力場
　?。?）給予預(yù)緊力后，錨索尾部產(chǎn)生了壓應(yīng)力的集中現(xiàn)象，錨固下部也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象，上部沒有產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象；（2）當(dāng)給予錨索預(yù)緊力不大的情況下時，同樣尾部出現(xiàn)的壓應(yīng)力值也不大，甚至中部的力更小；（3）當(dāng)錨索預(yù)緊力達(dá)到200kn時，其尾部的應(yīng)力較大，為0.5Mpa，雖然在尾部壓力逐漸降低，但也達(dá)到了0.04Mpa，錨索之間互相聯(lián)系，形成一個有效的壓力網(wǎng)絡(luò)，加強了對圍巖的保護作用。
　　4）錨桿與錨索聯(lián)合支護的應(yīng)力場
　?。?）錨桿與錨索的聯(lián)合支護作用，極大地提高了錨固區(qū)的壓應(yīng)力值，壓力達(dá)到0.03Mpa，有效壓應(yīng)力區(qū)彼此連接，成為一個大范圍的主動支護區(qū)；（2）錨索預(yù)緊力達(dá)到200kn的情況下，錨桿端部的拉應(yīng)力消失，而是形成具有一定壓應(yīng)力值的壓縮區(qū)；（3）在錨桿與錨索之間，有效壓應(yīng)力區(qū)形成以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對圍巖的支護作用很大。
　　三、預(yù)應(yīng)力錨桿支護系統(tǒng)在井下的應(yīng)用
　　新的錨桿支護系統(tǒng)得到有效開發(fā)以后，其在新汶和晉城等礦區(qū)得到了成功應(yīng)用，改變了巷道支護的現(xiàn)狀。
　　1、預(yù)應(yīng)力提高了錨桿支護系統(tǒng)控制圍巖變形的能力。錨桿的預(yù)應(yīng)力大小得到了顯著提高，預(yù)應(yīng)力的改變有效地提高了錨桿支護系統(tǒng)控制圍巖變形的能力，還控制住了頂板的離層趨勢。新汶煤礦埋深約1000m，水平主應(yīng)力均達(dá)約38Mpa，起初巷道采用低強度、低預(yù)緊力的錨桿支護系統(tǒng)，兩幫位移量為770mm，頂板離層為80mm，一部分錨索和錨桿出現(xiàn)了被拉斷現(xiàn)象，鋼帶也被撕裂，頂板也遭到了破壞；但在采用高預(yù)緊力支護系統(tǒng)后，兩幫位移量減少至170mm，頂板離層更是極大地減少至4mm，分別減少了78%和95%。巷道的圍巖變形量小，圍巖穩(wěn)定。
　　2）鋼帶的支護作用顯著。在進(jìn)行井下試驗的過程中，由于鋼筋托梁存在強度低且支護表面積也不大等缺陷，與圍巖表面接觸時預(yù)應(yīng)力的擴散及支護效果也差。而在前面提到的鋼帶具有很好的支護作用，但支護效果與鋼帶的尺寸大小是有關(guān)系的。在新汶礦區(qū)的實驗結(jié)果表明，對于那些長度達(dá)到千米級的巷道，在采用相同的錨桿支護系統(tǒng)參數(shù)的情況下，3mm厚的鋼帶效果就會很差，易出現(xiàn)撕裂等破壞現(xiàn)象；但在采用5mm厚的鋼帶情況下，支護效果就好，圍巖完好無損，鋼帶也沒有出現(xiàn)撕裂等現(xiàn)象。
　　四、錨桿安裝的注意事項
　　1、氣動式頂板錨桿鉆機安全操作
　　（1）打眼前的準(zhǔn)備
　　1）檢查風(fēng)水管路是否完好、暢通，接頭是否牢固，并進(jìn)行鉆機試運轉(zhuǎn)試驗。2）檢查鉆桿有無彎曲，中心水孔是否堵塞，如鉆桿彎曲或中心水孔不通要立即更換。3）檢查鉆頭刃角是否鋒利，合金鋼是否缺損或脫落，鉆頭水孔有無堵塞，不合格的立即更換。4）檢查打眼現(xiàn)場的安全情況，若出現(xiàn)隱患應(yīng)進(jìn)行處理。5）在打眼前，對頂板要進(jìn)行詳細(xì)檢查，敲幫問頂，將活矸找掉。
　?。?）操作方法
　　1）要對鉆機進(jìn)行檢查，在試運轉(zhuǎn)正常后，把鉆機在打眼現(xiàn)場豎起，按施工技術(shù)要求和定出的眼位進(jìn)行打眼。2）打眼時一人抓住鉆機的控制手把，一人抓住鉆機的扶手，安上帶鉆頭的0.8m-1.0m長的鉆桿。操作人員先輕輕旋轉(zhuǎn)左右控制開關(guān)，把鉆桿升起，鉆頭頂住頂板后再鉆進(jìn)。打眼時除操作人員外，其余人員必須撤離打眼位置至安全地點。要先開水后開風(fēng)，打完眼后先關(guān)風(fēng)后關(guān)水。3）打眼推進(jìn)時，要密切注意鉆機的聲音，如果聲音異常，要停止打眼，查明原因，處理好后再打。4）鉆進(jìn)0.6m-0.9m后，停止推進(jìn)使鉆旋轉(zhuǎn)，退出短鉆桿，更換成長鉆桿，繼續(xù)鉆進(jìn)直至要求深度。5）眼打夠深后，停止推進(jìn)使鉆旋轉(zhuǎn)，退出鉆桿，進(jìn)行錨桿安裝。鉆機底部要在實底或用道木、柱帽墊實。6）打眼人員要扶穩(wěn)鉆機，注意鉆機偏倒傷人。7）在換鉆桿過程中要注意保持鉆機不要挪動，防止換上第二根鉆桿時，不能沿第一根短鉆桿原有的軸線進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆孔不能保持直線，會給錨桿安裝帶來困難。
　　2、樹脂錨桿安裝
　　幫錨桿在安裝前要保障錨桿孔內(nèi)無積水和巖粉（煤粉），并把孔口周圍的巖（煤）層面找平。安裝前要用壓風(fēng)吹凈錨桿孔內(nèi)的積水和巖粉（煤粉），防止影響藥卷和孔壁的黏結(jié)，并把孔口周圍的巖（煤）層面找平。確保托盤上好后能緊貼巖（煤）層面。安裝時，先把樹脂藥卷送入孔內(nèi)，再把錨桿插入孔中，把藥卷推送到孔底，再在錨桿尾部擰上錨桿安裝器，插入煤電鉆（或錨桿鉆機），送電（或送風(fēng)）轉(zhuǎn)動錨桿將藥卷刺破攪拌，同時把錨桿勻速推至孔底，攪拌藥卷20-30s，不能中斷，隨后上托盤，擰上螺母。約15min后扭緊螺母。安裝過程中必須注意的問題：（1）檢查錨固劑飽滿度，以橫擔(dān)手上、直立不彎曲為宜。（2）安裝錨固劑時必須防止錨固劑之間和錨固劑與錨索或錨桿之間重疊，錨固劑和錨桿一定要從孔底開始黏結(jié)，避免中間黏結(jié)。（3）安裝時開始慢速旋轉(zhuǎn)，等到剩余快速錨固劑的長度時快速旋轉(zhuǎn)，到位，直到轉(zhuǎn)不動為止。（4）錨桿外露尺寸露出托板小于50mm（錨索外露尺寸從外端到錨具要在200mm以下）。（5）打錨桿眼的角度要滿足設(shè)計要求。打錨桿眼的順序要從中間開始，向兩邊展開。
　　結(jié)束語
　　錨桿預(yù)應(yīng)力對提高錨桿支護系統(tǒng)的支護效果作用顯著。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力較低時，錨桿支護作用的應(yīng)力值較小，導(dǎo)致有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍也較小，且彼此間孤立分布，互不組成整體；反之，當(dāng)預(yù)應(yīng)力較高時，錨桿支護作用的應(yīng)力值較大，導(dǎo)致有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍也較大，彼此間連為一個整體，發(fā)揮了錨桿的支護作用。