B060303 预应力锚索参数设计与工程应用.doc

预应力锚索参数设计与工程应用闫莫明1 杜瑞君2【1-煤炭科学研究总院 北京100013，2-双鸭山矿业（集团）公司物资供应公司 黑龙江 双鸭山 155100】摘 要 综合介绍了预应力锚索系列和主要参数设计方法。在计算公式中引入锚具效率系数和张拉应力控制系数等重要参数，对确定锚索安全系数有重要参考价值。关键词 锚索 系列 参数设计1 引 言锚索支护技术近年来发展迅速，尤其在我国煤矿巷道支护中占的比例越来越大，应用范围也越来越广。目前锚索支护的应用已从岩巷发展到煤巷，在需要加大支护长度和支护强度的地方，这是一条十分有效的途径。凡是遇到困难条件的支护问题，往往用锚索支护来解决。锚索支护的显著特点是：锚索长度较长，能够锚入到深部较稳定的岩层中；锚索可施加预应力，承载力大。一般说来，要提高锚索支护的可靠性，首先要保证锚索产品的质量，其次要保证锚索支护有足够的长度、适当的密度以及可靠的承载力。锚索支护是一种主动支护，它的应用极大地提高了巷道支护的整体水平，对保证安全生产、实现高产高效起到了重要作用。“九五”攻关以来，锚索支护成为煤矿巷道支护的主要形式，煤矿锚杆支护技术得到大面积推广，煤巷锚索支护也随之得到长足的发展。煤巷锚索支护技术的成功应用有效地解决了煤巷支护的难题。2 预应力锚索预应力锚索是向岩层传递力的一种支护手段，它可按给定的方向和荷载大小将力从岩体表面传递到岩层深处，从而使被加固的岩体受到一个有益的预压应力。在这一过程中，岩体得到加固并使其强度增加，其他力学性能也会得到改善。预应力锚索的作用有以下几个方面特点：预应力锚索由高强度材料组成并有可靠的锚固体系，因而它能提供数量可观的预应力；预应力锚索的长度一般较长，能够锚入到深部比较坚固稳定的岩层中去；预应力锚索可按给定的载荷大小、方向设计和施工，目标明确，参数可灵活调整；施工工艺简便，影响因素小，而且还能与其它加固措施相配合。预应力锚索在结构上要形成系列，以满足岩巷和煤巷的不同需要；配套机具要小型化、轻型化和实用化；在施工工艺上也要形成一套完整的施工方法。2.1 预应力锚索分类和系列化2.1.1 预应力锚索分类预应力锚索按不同的方法有多种分类，但考虑到正处在发展阶段，锚索类型还比较简单，因此按用途和锚固方式综合分类。预应力锚索岩巷用锚索多束砂浆锚固单束树脂锚固单束树脂锚固单束二次锚固煤巷用锚索预应力锚索综合分类见图1。图1 预应力锚索综合分类2.1.2 预应力锚索系列目前，预应力锚索系列参数见表1。表1 预应力锚索系列钢绞线（根）锚具型号设计载荷（kN）极限载荷(kN)锚固方式长度(m)适用孔径(mm)托板尺寸(mm)1OVM151150245树脂/砂浆5102832150150202OVM152300490砂浆10155075250250203OVM153450740砂浆1015904OVM154600990砂浆102090300300255OVM1557801230砂浆1020906OVM1569001480砂浆10251107OV浆1025110（注：计算以15.24mm、强度1860MPa的钢绞线为例。）单束锚索采用树脂锚固剂卷锚固，在实际应用上具有明显优势，其突出特点是施工简便、可快速承载，已成为煤矿巷道支护中的主要手段，通过大面积推广应用，社会效益、经济效益十分显著。这项技术略加改进也可应用在水工硐室、交通隧道及其它地下工程的初次支护和局部补强支护上。2.1.3 锚索材料构成锚索的主要材料通常选用下列三种，即高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝和精轧螺纹钢筋。井下一般应选用强度高、韧性好和低松弛的钢绞线，运输与安装十分方便。15.24mm、强度1860MPa和17.8mm、强度1860MPa的钢绞线目前使用较为广泛。较大直径的钢绞线也开始试用。值得指出的是，也有用玻璃纤维增强塑料杆体作为锚索材料的，这种材料的优点是耐腐蚀，易切割。锚索所采用的配套锚具需选用符合GB/T143702000规定的夹片式锚具，并应与所用钢绞线的规格和强度级别相匹配。其它附件可采用钢、塑材料制造，但不得采用木质和有色金属材料。特殊需要的防腐材料应保持耐久性和化学稳定性。2.2 预应力锚索主要参数设计锚索设计载荷应为：式中：Nt设计承载力，N；m张拉应力控制系数；n钢绞线根数；Sn钢绞线参考截面面积，mm2；Rm钢绞线抗拉强度，MPa。锚索极限载荷应为：式中：Ru锚索极限载荷，N；锚具效率系数，取0.95；n钢绞线根数；Sn钢绞线参考截面面积，mm2；Rm钢绞线抗拉强度，MPa。锚索安全系数为：式中：K安全系数；Ru锚索极限载荷，N；Nt锚索设计载荷，N。将前两个公式代入，即得出：因此，锚索的安全系数与锚具效率系数和张拉应力系数m有关。也可给出K值再反算出m值，但影响安全系数的因素必须明确。由于矿山井巷工程的复杂条件，本文建议张拉应力控制系数取0.60为宜。如果岩层条件较好，也可取0.65。2.3 岩巷砂浆锚多束固锚索多束锚索主要用于岩巷、交岔点、大硐室及破损井巷工程的加固，也可用于露天矿边坡治理。多束锚索结构见图2。（1-钢绞线；2-锚具；3-球铰垫片；4-垫片；5-钢垫座；6-自由段索体；7、10-水泥砂浆；8-对中支架；9-架线环；11-导向帽；12-排气管）图2 多束锚索结构示意图这种锚索在结构上采用了钢结构垫座和可调角度的球铰垫片，可采取单孔锚自由组合或采用群锚方式。锚固段是锚索锚固于岩体内借以提供预应力的根基，用于岩巷和边坡的多数大型锚索采用砂浆全长锚固。锚固长度可按下列两个公式计算，La是按砂浆与钢绞线的粘接强度计算的锚索锚固长度，Lb则是按砂浆与孔壁岩石的粘结强度计算的锚索锚固段长度，选计算最大值。也可按基本试验或工程类比确定锚固段长度，并且要求锚固在比较坚固的岩层中。式中：K安全系数；Nt锚索设计载荷，N；d钢绞线直径，mm；D锚固体直径，mm；n钢绞线根数；a砂浆与钢绞线粘结强度，MPa；b砂浆与孔壁岩石的粘结强度，MPa。水泥砂浆与钢绞线及与孔壁岩石的粘接强度参考值见表2、表3。表2 水泥砂浆与钢绞线粘结强度参考值 (单位：MPa)粘接类型水泥砂浆强度等级M20M25M30M35水泥砂浆与螺纹钢粘结强度2.252.452.803.15水泥砂浆与钢绞线粘结强度3.003.253.504.00表3 水泥砂浆与岩石的粘结强度参考值 （单位：MPa）岩石种类岩石单轴饱和抗压强度水泥砂浆与岩石的粘结强度硬岩601.53.0中硬岩30601.01.5软岩300.31.0锚索自由段是连接锚固段与张拉端的索体部分，通过对锚索的张拉，使自由段产生弹性变形而产生预应力。用砂浆全长锚固时自由段的钢绞线应涂防锈润滑油脂，外套聚乙烯隔离套管，锚索孔灌注砂浆后可保证钢绞线在套管中自由伸缩以传递预应力。自由段长度通常按岩层最大破裂面的深度来选取，要求超过破裂面至少1.0m。此外，按松弛要求，自由段不小于3.0m。张拉段是锚索位于孔口的外露部分，是借以施加预应力和锚固锁定的部分，安装锚具、垫板、垫座等。2.4 煤巷树脂锚固单束锚索单束锚索用于煤层巷道加强支护时优点十分突出。锚索孔直径仅2832mm，利用单体轻型锚杆钻机及接长钻杆等配套机具即可施工，并且可以方便地采用树脂锚固剂卷快速锚固。单束锚索目前主要用于复合顶板回采巷道、大跨度切眼和交岔点等，能有效地控制复合顶板条件下回采巷道剧烈变形和抵抗采动影响，显著提高巷道的安全程度。它还可与锚杆、金属网和钢带等组成多种形式的联合支护。目前这种形式的锚索支护已在全国大多数煤矿大面积推广，技术经济效益和社会效益十分显著。单束锚索的结构比较简单，通常由单根钢绞线以及与之相匹配的单孔锚具和各种附件组成，长度为510m。它也可分为锚固段、自由段和张拉段。根据锚固方式不同，其结构形式略有区别，目前在煤矿多采用树脂端头锚固。单束锚索结构见图3。（1-钢绞线；2-锚具；3-垫板；4-锚固段卡箍）图3 单束锚索结构示意图单束锚索的锚固段长度可按下列两个公式计算。La是树脂锚固剂与钢绞线的粘结长度，Lb是树脂锚固剂与孔壁岩石的粘结长度，选计算最大值。也可根据拉拔试验确定。式中：K安全系数；Nt锚索设计载荷，N；d钢绞线直径，mm；D钻孔直径，mm；a树脂锚固剂与钢绞线的粘结强度，MPa；b树脂锚固剂与孔壁岩石的粘结强度，MPa。表4 树脂锚固剂与岩石及与钢绞线粘结强度参考值 （单位：MPa）煤、页岩、泥灰岩、粉砂岩1.63.0砂岩、石灰岩3.05.0花岗岩、各种火成岩5.07.0钢绞线12.016.0树脂锚固剂种类繁多，优缺点各异。目前常用的不饱和聚酯树脂类一般为油基树脂，优点是本身强度高，缺点是略有收缩性，因此要求钻孔与锚索之间的间隙不能太大。如果间隙过大，势必引起树脂与孔壁界面抗剪切强度的降低，实际上遵循的原则是不宜超过6mm。目前在煤矿上多用端头锚固。如果采用全长锚固，可以在端头放置快凝树脂卷，在自由段放置缓凝树脂卷。也可以在端头放置快凝树脂卷，在自由段灌注水泥砂浆。3 工程应用实例3.1 大断面硐室支护阳泉煤业（集团）公司三矿芦南分区的胶带驱动机硐室原设计采用锚喷临时支护，永久支护为现浇600mm厚双层钢筋混凝土碹。这种支护施工工序多、成本高、工期长，质量难以保证。后经论证，改为用锚喷初次支护，二次支护用预应力锚索并复喷混凝土。硐室长10.3m，净宽9.72m、净高10.86m，墙高6.0m，掘进断面积99.55m2，净断面积95.42m2，四周巷道密布。其所处岩层自上而下依次为：灰白色细砂岩，夹少量砂质泥岩薄层，具楔状斜层理，厚1012m；深灰色砂质泥岩，层理较发育，坚固性系数f值为46，厚810m；灰白色中粒砂岩，岩层较稳定，其中有透镜状砂质泥岩条带，具斜交层理，厚68m；灰黑色砂质泥岩，厚34m；灰白色中粒砂岩，厚1.2m，含煤线；1#煤层，厚0.7m。硐室主要穿过中粒砂岩和砂质泥岩。初次支护采用树脂锚杆，锚杆直径16mm、长1800mm，间排距800800（mm）。局部破碎处加钢筋网。喷射混凝土厚150mm，其中初喷70mm，锚索施工后复喷80mm。二次支护采用MH-300型和MH-400型锚索。锚索长1013m，设计载荷300450kN，间排距为2.12.6（m），梅花状布置。主硐布置5排锚索，计37根，端墙9根。副硐布置1排锚索，计7根，端墙3根。机头机架基础岩柱采用MH-1000型对穿式锚索加固，设计荷载1000kN，共布置4根。硐室掘进采用导硐分层施工法。从胶带机巷掘27上山导硐到达硐室顶板，以硐室拱基线为界面，分台阶光面爆破掘进拱顶部分，边掘进边进行初次支护。拱顶部掘完后，立刻安设锚索，完成预应力张拉工序后复喷80mm厚混凝土。然后再依次施工拱基以下台阶。根据现场测量结果，采用锚索支护后围岩收敛变形减少并趋向平缓，锚索荷载变化幅度甚微。这说明硐室稳定，锚索加固效果明显。3.2 软岩夹层加固潞安矿业（集团）公司常村矿的副井马头门原支护为600mm厚双层钢筋混凝土，由于横穿泥岩层，遭到严重破坏，在拆除重建中采用预应力锚索加固。副井马头门全长23.08m，净宽5.67.7m、净高4.38.0m。马头门所处岩层自上而下分别为：中粗粒砂岩，厚10.3m；泥岩，厚2.5m；石灰岩，厚1.9m。2.5m厚的泥岩含高岭土和蒙脱石，滑面多、节理发育，遇水极易崩解、膨胀，夹在两层硬岩之间，挤出变形十分严重。原支护结构的破坏均在软、硬岩层交界面附近。预应力锚索加固是综合治理措施之一，重点是加固两帮泥岩。为了遏制泥岩挤出变形，采用MH-300型锚索把这层泥岩与上部坚硬稳定的中粗粒砂岩锚固在一起。锚索长10m，沿两帮泥岩层布置，间距23m，锚固到硬岩中至少2m，施加预应力300kN，在泥岩层共安设锚索23根。据观察，加固效果良好。3.3 破损工程加固阳泉煤业（集团）公司贵石沟矿排矸井马头门净宽4.06.4m、净高3.04.9m，与邻近总回风巷的岩柱仅有56m。两帮收敛变形严重，拱顶混凝土开裂掉块，钢筋外露，破坏情况严重。马头门正顶为砂岩，中、下部为黑色泥岩，比较松软。车场巷道布置过密，工程条件复杂。加固时原混凝衬砌不拆除，在旧衬砌内加槽钢供，与MH-300型锚索相连，然后再补喷100mm厚混凝土，形成补强支护。加固范围在马头门14m、西马头门5m。锚索长约1014m，沿径向布置，间距1.82.8m、排距2.53.0m，一般应锚入上部石灰岩中23m。锚索总数28根，其中东马头5排计20根、西马头门2排计8根。如采取套筑衬砌的方法加固，必将缩小断面，影响设备安装。如果拆除重建，不仅耗费资金，而且延误工期。采用锚索加固则可节约数十万元，减少工期至少3个月，并且锚索的加固作用远非以上两种方法所能相比。单束锚索目前主要用于复合顶板回采巷道、大跨度切眼和交叉点等。能有效的控制复合顶板条件下回采巷道强烈变形和抵抗采动影响，显著提高巷道的安全程度，它还与锚杆、金属网和钢带等组成多种形式的联合支护。目前这种形式的锚索已在全国大多数煤矿大面积推广，社会效益、经济效益十分显著。3.4 露天