預應力在錨桿支護中的作用

引言
　　對于錨桿支護結構的穩定性分析與計算，在考慮預應力對穩定性的影響時，尚無有效的方法，當采用圓弧滑移面計算支護結構的穩定性時，多是將錨桿當作土釘處理。但是錨桿的自由段與土體是無粘結的，作用基理不同，并不能等效成土釘；且忽略了自由段預應力的作用。錨桿的主要作用是將預應力傳遞到土體中，改變了土體應力狀態，一般說來，這種改變是積極的，能有效提高邊坡的穩定性。
　　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為一體。錨桿對圍巖能起到加固作用，而這個作用是傳統的巷道支護方式（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定的巖體上，由錨桿來承擔這些巖體的重量。若頂板中無堅硬穩定巖層或軟弱巖層較厚不能把錨桿錨固到上面堅硬穩定巖層中，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，梁的最大應力和梁的撓度就越小，承載能力就越大。在錨桿支護的基礎上，為避免巖石松動和風化，應再噴射一層50mm-200mm厚的砂漿或混凝土，即構成錨噴支護。
　　二、錨桿預應力產生的應力場分布
　　1、錨桿預應力的作用。當錨桿預應力達到20kn時，錨桿尾部產生了應力集中現象，最大值為0.07Mpa。在錨桿長度的1/5處，壓應力變小，為0.02Mpa。在錨桿長度一半時，應力值大于0.01Mpa，在尾部壓力就很小了。由于錨桿預緊力降低，錨桿支護應力相應變小，有效壓應力范圍減小，彼此之間獨立分布，沒有有機結合在一起。預緊力為100kn時，錨桿尾部的最大應力為0.35Mpa，在錨桿長度的1/5處，壓應力變小，為0.12Mpa。在錨桿長度一半時，應力值大于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，預應力作用范圍有限，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，壓力的分布區間彼此相連，起到了預防圍巖分裂的作用；（3）鋼帶達到了錨桿預應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，支護系統的整體支護效果得到了明顯的改善。
　　3、錨索預應力產生的應力場
　　（1）給予預緊力后，錨索尾部產生了壓應力的集中現象，錨固下部也出現了類似現象，上部沒有產生同樣的現象；（2）當給予錨索預緊力不大的情況下時，同樣尾部出現的壓應力值也不大，甚至中部的力更小；（3）當錨索預緊力達到200kn時，其尾部的應力較大，為0.5Mpa，雖然在尾部壓力逐漸降低，但也達到了0.04Mpa，錨索之間互相聯系，形成一個有效的壓力網絡，加強了對圍巖的保護作用。
　　4）錨桿與錨索聯合支護的應力場
　　（1）錨桿與錨索的聯合支護作用，極大地提高了錨固區的壓應力值，壓力達到0.03Mpa，有效壓應力區彼此連接，成為一個大范圍的主動支護區；（2）錨索預緊力達到200kn的情況下，錨桿端部的拉應力消失，而是形成具有一定壓應力值的壓縮區；（3）在錨桿與錨索之間，有效壓應力區形成以錨索為骨架、錨桿為連續帶的骨架網狀結構，對圍巖的支護作用很大。
　　三、預應力錨桿支護系統在井下的應用
　　新的錨桿支護系統得到有效開發以后，其在新汶和晉城等礦區得到了成功應用，改變了巷道支護的現狀。
　　1、預應力提高了錨桿支護系統控制圍巖變形的能力。錨桿的預應力大小得到了顯著提高，預應力的改變有效地提高了錨桿支護系統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，水平主應力均達約38Mpa，起初巷道采用低強度、低預緊力的錨桿支護系統，兩幫位移量為770mm，頂板離層為80mm，一部分錨索和錨桿出現了被拉斷現象，鋼帶也被撕裂，頂板也遭到了破壞；但在采用高預緊力支護系統后，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，圍巖穩定。
　　2）鋼帶的支護作用顯著。在進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應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系的。在新汶礦區的實驗結果表明，對于那些長度達到千米級的巷道，在采用相同的錨桿支護系統參數的情況下，3mm厚的鋼帶效果就會很差，易出現撕裂等破壞現象；但在采用5mm厚的鋼帶情況下，支護效果就好，圍巖完好無損，鋼帶也沒有出現撕裂等現象。
　　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）打眼前的準備
　　1）檢查風水管路是否完好、暢通，接頭是否牢固，并進行鉆機試運轉試驗。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）檢查打眼現場的安全情況，若出現隱患應進行處理。5）在打眼前，對頂板要進行詳細檢查，敲幫問頂，將活矸找掉。
　　（2）操作方法
　　1）要對鉆機進行檢查，在試運轉正常后，把鉆機在打眼現場豎起，按施工技術要求和定出的眼位進行打眼。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左右控制開關，把鉆桿升起，鉆頭頂住頂板后再鉆進。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，打完眼后先關風后關水。3）打眼推進時，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0.6m-0.9m后，停止推進使鉆旋轉，退出短鉆桿，更換成長鉆桿，繼續鉆進直至要求深度。5）眼打夠深后，停止推進使鉆旋轉，退出鉆桿，進行錨桿安裝。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行鉆進。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。安裝前要用壓風吹凈錨桿孔內的積水和巖粉（煤粉），防止影響藥卷和孔壁的黏結，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，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）轉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，避免中間黏結。（3）安裝時開始慢速旋轉，等到剩余快速錨固劑的長度時快速旋轉，到位，直到轉不動為止。（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計要求。打錨桿眼的順序要從中間開始，向兩邊展開。
　　結束語
　　錨桿預應力對提高錨桿支護系統的支護效果作用顯著。當錨桿預應力較低時，錨桿支護作用的應力值較小，導致有效壓應力區的范圍也較小，且彼此間孤立分布，互不組成整體；反之，當預應力較高時，錨桿支護作用的應力值較大，導致有效壓應力區的范圍也較大，彼此間連為一個整體，發揮了錨桿的支護作用。