水胀式锚杆

一 、结构组成

水胀式锚杆系统由钢质管状锚杆、安装臂及气动式高压水泵组成。其中锚杆杆体是用厚2mm、直径41mm的钢管折叠而成，折叠后的外径为26mm。管端用轴套封口，焊接封口缝，下部封有一个凸缘盘，以支承垫板。水胀式锚杆安装示意如图1所示。

二、 锚固机理

一般锚杆承受荷载依靠两种方式，即黏着或摩擦，而水胀式锚杆则靠摩擦力和机械自锁力。在不同的地层条件下，水胀式锚杆的锚固机理是不尽相同的。硬岩中水胀式锚杆的锚固机理见图2。锚杆膨胀时使用30MPa 的膨胀压力足以外推压紧孔壁，并使锚杆薄钢变形，与不规则的孔壁完全贴合。当设置的压力释放时，锚杆周围的岩体产生收缩，形成一个收紧的“收缩套”，能够提供较高的拉拔抵抗力，0.5m长的锚固钢管所获得的拉拔抵抗力可等于锚杆的断裂强度。

三、 性能特点

水胀式锚杆和一般岩石锚杆相比，其主要特点概括如下：

（1）埋设简便，易于掌握，安装质量受安装人员的判断或熟练程度影响较小。

（2）锚杆埋设可用手工、半机械化或全机械化方法进行，不同方法的埋设效果质量是一样的。

（3）埋设速度快，在已有钻孔的条件下，一位工人每小时可埋设20~30根锚杆。

（4）当水泵压力达到预定的膨胀压力值时，水泵自动停止工作，可确保每根锚杆的承载力，而且锚杆一经安装立即发挥作用。

（5）锚杆能适应从砂、黏土到最坚硬花岗岩等各种不同地层条件。

（6）锚杆的承载力基本不受围岩节理的影响，当节理发生变形时，锚固强度反而增大。

（7）可制造12m以下各种长度的锚杆，锚杆的埋设程序不随锚杆长度而变化。

（8）锚杆本身价格较贵，但安装费用很低。

四 、适用条件

水胀式锚杆支护成为稳定易发生岩爆岩层的最有效的施工技术手段。在具体使用水胀式锚杆时，应该分情况采用不同施工措施：

（1）有落石但无严重破坏时，采用水胀式锚杆，锚杆长度应为爆破循环进尺的两倍，用以稳定下一个循环的岩石，加垫普通垫板。

（2）发生中等至严重的岩爆时，采用屈服型水胀式锚杆，锚杆长度为爆破循环的两倍，但是一般应在锚杆端部加垫木板减少围岩位移，防止锚杆断裂，同时木板还能支承锚杆之间的破裂岩石。

（3）发生严重的岩爆时，屈服型水胀式锚杆与钢筋网、喷射混凝土联合使用。

五 、施工工艺

水胀式锚杆的安装十分简便。首先是钻孔，孔径32~39mm，最适宜的孔径是38mm；其次在水胀式锚杆的下端套上夹头并将锚杆插入孔中；然后打开高压水泵的开关，使高压水充入锚杆内，并将凹形断面钢管充填膨胀，当水压达到规定的压力时，水泵自动停止工作，锚杆和岩体间即形成良好的锁定，安装结束。整个安装过程快速且没有振动感。

岩爆发生时，尤其是强岩爆，锚杆将承受瞬间荷载，岩石产生位移，因锚杆相对刚性，为确保锚杆一直承受约束力，现场可在水胀式锚杆垫板前加木垫板或橡胶垫，使得强岩爆发生时，锚杆承受岩体表面开裂所引起的位移而发挥其应有的作用。

锚杆的正确安装是水胀式锚杆的关键工艺，一般在水压7MPa时就可以胀开并承受较高的拉力。但实际操作时，因现场条件多变，注水压力应按15~20MPa控制。

水胀式锚杆的技术参数见表1。

其他锚杆

一、 屈服锚杆

屈服锚杆主要应用于岩爆隧道中。N.G.Cook等在南非深埋隧道中首次提出屈服锚杆的概念。Ortlepp在1969年研发了一种光滑杆体的屈服锚杆。迄今为止已开发出多种屈服锚杆，下面分别作以简要介绍。

1）锥形锚杆

水泥浆锚固锥形锚杆的概念始于南非，由矿业研究组织商会（Chamber of Mining Research Organization，COMRO）在1987年提出。当锚杆受静荷载时，锥形锚杆的锥形锚头的作用类似于标准机械锚杆中的楔形锚；当受到动荷载时锚杆可屈服，锥形锚固头能在水泥浆锚固中滑动，由此吸收能量。通过变化锥形锚杆的形状和尺寸就可调节锥形锚杆的承载能力。如图3所示，为确保锚杆头深入水泥浆锚固剂中，设计中压平了锥形锚固头的两面，这样可在工作面积一定的情况下增加锥形锚固头的直径。

锥形锚杆的安装便利是一个重要优势。在南非，水泥浆锚固剂的使用十分普遍，为易于安装锥形锚杆，也建议采用水泥浆锚固剂。为了保证锚杆能够屈服，即能够在锚固剂中滑动，在锚固剂和锚杆之间不容许有很大的黏结力，锚杆脱黏的方法是在杆体表面涂蜡。直径16mm、20mm、22mm的锥形锚杆在实际中应用普遍。直径为16mm 的锥形锚杆的屈服荷载约为100kN，最大位移大于200mm，能量吸收能力为16kJ。

2）改进锥形锚杆（MCB）

1999—2000年，加拿大的Brunswick矿岩爆事故频发，屈服支护系统的研发到了刻不容缓的地步。南非的锥形锚杆得到改进，以适应加拿大采用树脂锚杆的要求。Norand公司改进了锥形锚杆的头部并增加了一个搅拌片，用来搅拌树脂锚固剂，这种新的锚杆被称为“改进锥形锚杆（MCB）”。MCB可在聚酯树脂锚固剂中屈服，它的一端配有螺纹，另一端配有锻造的锥形头和搅拌片（图4）。与南非的锥形锚杆相比，改进锥形锚杆使用树脂锚固剂，因此安装后可马上提供支护功能。

为提高锚杆和树脂锚固剂材料之间的脱黏程度，M.Cai等发明了一种新专利，即脱黏剂采用塑料套管，安装在锥形锚杆除了头部与尾部之间的表面上。在CANMET实验室进行的动荷载坠落试验证实了这种新的脱黏剂比过去采用的油脂脱黏剂更加有效。直径17.2mm的MCB动荷载能力为100kN，位移能力大于300mm，能量吸收能力大于26kJ。MCB在加拿大和其他一些国家的深部矿井中的应用证明了其有效性。

3）全螺纹钢锚杆

大多数锚杆都有螺齿，用于安装螺母，但是螺齿部分往往是锚杆中最薄弱环节。全螺纹钢锚杆（图5）通过表面热轧形成的螺齿（间距10mm）覆盖整个杆，从而可避免传统锚杆螺齿的薄弱环节。与普通的螺纹锚杆相比较，全螺纹钢锚杆受载时的伸长率相对较高，承受动荷载的能力也高。例如，从理论上讲脱黏长度1m 的6 号全螺纹钢锚杆（直径19mm）的位移量是90mm，吸收的能量约13kJ。全螺纹钢锚杆的另外一个特点是很容易延长锚杆的长度。全螺纹钢锚杆已在澳大利亚的一些矿山中得以应用。当使用全螺纹钢锚杆进行岩爆支护时，锚杆的一部分必须脱黏，以保证在承受荷载作用下容许锚杆拉长。

4）Roofex 锚杆

Atlas Copco公司开发的Roofex锚杆是一种新型屈服锚杆。锚杆内部有一个固定的摩擦阻力器，光滑锚杆可在其中滑动产生阻力，如图6所示。金属与金属表面的接触产生的阻尼滑动，得到的摩擦阻力比较恒定。如果事先设计好的滑移量用尽，锚杆将被锁定，随后荷载增加可引起材料的塑性变形。销子可以采用钢销或者是合金销。Roofex锚杆可用于静态和动态围岩支护。型号R×8D的Roofex锚杆滑移时的荷载是80kN，最大位移可超过200mm（取决于事先预定的滑动长度），每10cm的滑动变形吸收能量为（6.725+3.03）kJ。

5）Garford 锚杆

Garford锚杆由锚和缠绕在锚杆端部的作为树脂混合装置的粗螺纹钢套组成，锚杆的其余部分套在一个聚乙烯套筒中，如图7所示。该锚杆的屈服装置允许锚杆通过挤压拉伸，实心杆通过屈服装置后其直径变小。挤压力的大小比较稳定。当锚杆预留的位移量耗尽时，锚杆将被锁定。挤压变形的长度预先确定，可长达500mm。直径21.7mm 的Garford 锚杆的动荷载能力为100~125kN，位移量为300mm，能量吸收能力为27~33kJ。

6）Durabar 锚杆

南非开发的Durabar 锚杆（图8）已在岩爆矿山中得到应用。锚杆通过冷轧光滑圆杆的普通低碳钢生成正弦波形状的塑性锚端，当锚杆从钻孔中被拉出时，波形状的锚端可产生一个大但可控的阻力，可通过在整个锚杆上适当地涂抹一层去黏结物质来消除锚杆和水泥锚固剂之间的黏结力。其拉伸阻力取决于锚端的形状及杆中波形部分的起伏数。测试数据表明，锚杆的最大位移可达600mm，每滑动100mm 可吸收能量8kJ。

7）D型锚杆

D型锚杆（图9）是在挪威研发的一种新型多锚锚杆。锚杆采用平滑钢材，沿其长度方向有3个（或更多）均匀或不均匀分布的锚固点，锚杆安装可使用水泥或树脂锚固剂。如果使用水泥锚固剂，无论是W形的锚固点还是桨状锚固点的锚杆都可以使用。如果使用树脂锚固剂，就只能使用带桨锚的锚杆。每个桨锚有两个桨叶，其方向相互正交。桨锚的锚固强度大于锚杆的抗拉强度，因此，D型锚杆通过两个锚固点之间钢的塑性变形来吸收能量。经测试，直径为20mm的D型锚杆的屈服荷载为190kN，吸收能量为13.1kJ（伸展长度为0.8m，双嵌分离测试）。

8）Yield-Loc锚杆

Yield-Loc锚杆（图10）是一种新型屈服锚杆，可应用于岩爆支护和大变形隧道的支护。锚杆直径为17.2mm。其一端锚杆镦粗，部分或完全地封装在聚合物涂层中；其另一端有螺齿用于螺母安装。带有角度的聚合物涂层具有混合树脂锚固剂的功能。当锚杆受到荷载时，锚杆镦头可以在聚合物涂层和锚固剂中滑动，提供摩擦阻力并吸收动能。锚杆的屈服荷载为110kN，约200mm的位移对应吸收能量16.4kJ。

9）屈服锚索

屈服锚索由7根?15.2mm的钢绞线组成，一端具有屈服机制，另一端是固定托盘用的楔形装置，中间用套筒把锚索和锚固剂隔离（图11）。主线从锚索中移除并替换为8mm直径的弹簧钢丝。它的工作原理与Garford锚杆相同，锚索通过屈服装置滑动，让锚索吸收能量并保持承载能力不变。屈服锚索可用于岩爆支护。该锚索的屈服荷载在80~120kN，在位移达到300mm时吸收能量为30kJ。

二、 纤维锚杆

隧道施工中越来越多地采用纤维锚杆，这不仅是因为纤维锚杆的性能可以与金属锚杆相媲美，而且棒状或管状的纤维锚杆在开挖时容易被切断，所以在需要进行扩大开挖的导坑或者掌子面的情况下采用较多。

（1）概念

纤维锚杆是通过把强化纤维和树脂拉拔成型或挤压成型而成为一体的锚杆。在要求与金属锚杆有相同或更大的强度时，要通过热硬化性的树脂拉拔成型制造；在不需要太高的强度时，可通过热可塑性的树脂挤压成型制造。

一般来说，隧道所采用的纤维锚杆是拉拔成型的产品。拉拔成型的纤维锚杆的原料有强化纤维（玻璃、碳、聚氨酯、维尼龙等）和树脂（不饱和聚酯树脂、乙烯酯、环氧树脂等）。

目前，从经济性上看，作为强化纤维的玻璃纤维大多使用不饱和聚酯树脂。玻璃以外的强化纤维虽然原料价格高，但因能得到高强度，在同等强度下，有缩小锚杆直径的优点。另外，树脂的种类不像纤维那样影响强度，若用乙烯酯和环氧树脂，则有改善强度和耐久性的效果。

（2）性能特点

纤维锚杆的优点如下：

①无腐蚀之忧，耐久性好；

②重量轻，柔软性好，施工性好；

③机械切割容易；

④工厂化生产，质量均一。

玻璃纤维锚杆和金属锚杆的力学性能比较见表2。由表可知，纤维锚杆的密度大约是钢材的1/4，拉拔强度约为钢材的2倍。

（3）规格

由玻璃纤维制作的掌子面纤维锚杆，比用其他强化纤维的锚杆便宜，是使用最多的锚杆，但耐碱性差。在打设纤维锚杆后立即开挖的情况下，作为临时支护使用，是可行的，但作为永久性支护使用时，必须注意使用其他的强化纤维等。玻璃纤维锚杆规格见表3。

（4）注意事项

纤维锚杆的施工与通常的锚杆相同，用钻孔台车钻孔后，通过先填充方式（填充式）或后填充方式（注浆式）将锚杆锚固于围岩。对于作为支护杆件的纤维锚杆，在壁面端部，用夹紧装置固定垫板后使用。

采用掌子面锚杆时，因大多在孔壁不能自稳的不良围岩中施工，此时，除了在钢套筒内插入纤维锚杆的方法外，还开发了将套筒本身作为纤维锚杆套管保留下来的方法。

掌子面纤维锚杆的锚固材料，有水泥类和树脂类。为了发挥耐碱性差的玻璃纤维锚杆的长期功能，最好采用树脂类的锚固材料。

掌子面纤维锚杆开挖时容易切断，一般不能和开挖渣石一起运到弃土场进行处理。切割后的纤维锚杆需要与开挖渣石分类收集进行处理。

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知识点：水胀式锚杆和其他锚杆支护技术