锚杆支护的现状与前景岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支.锚固技术,国内习惯统称为锚杆支护技术,国外一般称锚固技术或锚杆加固技术.它是一种结构简单的主动支护,它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展,充分发挥围岩自身的支撑作用,把围岩从荷载变为承载体,变被动支护为主动支护,且具有运输施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点.自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来,锚固技术至今已有100多年的发展历史.锚固技术作为一种技术经济优越的技术手段,越来越广泛地应用于各个工程领域,目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家,而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中,伴随着“21世纪-地下工程的世纪”的来临,可以预见,该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用.1.锚杆支护的特点与传统的支护方式相比较,锚杆锚固技术有其自身的鲜明特点.锚杆锚固是在地层中,通过锚杆将结构物与地层紧紧连锁在一起,依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力,使地层自身得到加固,达到保持结构物和岩体稳定的目的.(1)能在地层开挖后,立即提供支护抗力,有利于保护地层的固有强度,有效阻止地层的进一步扰动,控制地层变形的发展,将结构物、地层紧密连锁在一起,形成共同的工作体系,提高施工过程的安全性.(2)提高地层软弱结构面、潜在滑移面的抗剪强度,改善地层的力学性能、应力状态,使其向有利于稳定的方向发展.(3)锚杆的作用部位、方向、结构参数、密度和施工时机可以根据需要方便地设定和调整,能以最小的支护抗力获得最佳的稳定效果.锚杆亦可以显著节约工程材料,有效地提高场地的利用率,经济效益十分显著.2.我国的锚杆支护现状1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡以来,从最初人们的怀疑、疑虑,发展到今天已有100多年的历史,锚杆支护凭借显著的技术经济优越性,已经几乎不受限制地广泛应用于岩土工程的各个领域.我国于20世纪50年代开始试用锚杆支护技术,至70年代前期还处于探索阶段,直到1978年才开始重点推广,至80年代向英国学习锚杆支护技术后推广到煤巷支护,90年代又向澳大利亚学习引进成套先进的锚杆支护技术,目前已得到较广泛的推广和应用.在一些矿区的锚杆支护巷道比例达到90%以上,有些矿井甚至达到了100%,取得了较好的技术与经济效益.我国的锚杆加固技术于20世纪50年代开始起步，在最近20年得到了快速发展，目前已经得到了广泛的应用．据估计，在1993年至1999年间，我国仅在边坡工程和深基坑工程中的锚杆年用量就达到了3000-3500ｋｍ．目前，我国正在进行大规模的基础设施与各类矿山及隧道工程建设，锚杆支护得到了普遍应用．3.锚杆支护理论岩土体在工程开挖之后，其初始的应力平衡状态会遭到破坏，为了达到新的平衡状态，应力场将重新分布，从而导致岩土体在一定范围内出现弹塑性变形、地层膨胀变形，使岩土体出现碎裂带；若地层开始处于高应力状态，还可能发生岩爆，严重的影响工程质量，威胁施工人员的安全.锚杆加固技术是一种柔性加固技术，它能充分利用岩土体自身的承载力保持岩体的稳定，使加固体不被破坏．它本质就是通过锚固加强岩土体的整体性，控制开挖后岩土体的变形，避免应力的突然释放，从而保证工程顺利、安全地进行．目前，已经广为接受的锚杆支护理论主要有:(1)悬吊理论认为锚杆的作用是将松散、软弱的岩土体悬吊在坚硬、稳定的岩土体上，从而起到加固作用．(2)组合梁理论将锚杆看做螺栓，将各薄层岩土体看作是叠合在一起的梁结构，通过锚杆的锚固将其紧固成一个组合梁，且锚固力越大，梁之间的摩擦力越大，岩土体也就越稳定．(3)组合拱理论是在光弹试验的基础上提出的，试验证实了锚杆对地层的挤压加固作用．锚杆进入岩土体后，会使岩土体出现以锚杆两头为顶点的塑性压缩区，若有一排锚杆适当排列，则会形成一定厚度的连续压缩带，从而起到加固岩土体的作用．(4)最大水平应力理论.它由澳大利亚学者盖尔提出.最大水平应力理论认为,矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力,水平应力具有明显的方向性,最大水平应力一般为最小应力的 1.5~2.5倍.巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响,且有以下特点:其一,与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好;其二,与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶底板变形破坏偏向巷道的某一侧壁;其三,与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差.(5)锚杆支护围岩强度强化理论.它由中国矿业大学压力研究所在分析已有成果的基础上研究提出的.该理论揭示了锚杆的作用原理和加固围岩的实质,并为合理确定锚杆支护参数提供了合理的理论依据. (6)围岩松动圈理论.它是中国矿业大学针对煤矿巷道的锚喷支护首次提出的.该理论认为,由于巷道的掘进,破坏了原岩应力的平衡,改变了原岩应力状态,当围岩应力升高范围的岩体强度低于其应力时,发生屈服破坏,这种破坏将由巷道周边向深部发展.由于巷道周围形成了不利于围岩稳定的松动围岩,由此,松动圈的范围就决定了巷道的稳定性,也是锚杆支护设计的依据.该理论还提出了与之相应的支护参数,并提出可以用声波测试确定松动圈的范围.它的创新之处在于:明确了巷道支护对象,既不是弹塑性支护理论中的塑性区岩体,也不是冒落拱内的岩石重量,并强调了松动圈形成的时间性,以及发展的渐进性和动态变化.不足之处:它并没有体现支护于围岩的相互作用,再者当软弱破裂岩不同程度地含有粘土质膨胀物时,很难通过声波测试出确切的松动圈范围.4.锚固技术的发展特点一个世纪以来,国内外岩土锚固技术无论在理论研究、技术创新或工程应用方面,都取得了飞速的发展.近20年以来,岩土锚固的主要成就和最新的发展主要表现在以下几点:(1)锚杆的应用领域和规模不断扩大.锚杆锚固技术除了在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程继续保持着良好的发展势态之外,还在重力坝加固工程、桥梁路基工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固方面有了长足的发展.(2)锚杆类型的多样化.目前世界各国均在结合本国岩土工程的地质及生产条件,发展适宜的锚杆类型,比如:美国使用了树脂锚固钢筋锚杆、机械式锚杆、管缝式、水力膨胀式锚杆、混合式锚杆等.德国除了发展树脂锚固金属锚杆以外,还大力发展可伸长锚杆.他们认为,安装锚杆的目的是为了控制围岩的变形,但在围岩大变形的情况下,要使锚杆本身不受损坏,发展即具有足够的支护阻力,又有一定延伸性的可伸长锚杆是必要的,目前他们已经研制出了若干种类型,有的伸长量可达50%.(3)锚杆的标准化建设日益完善.20世纪70年代以后,由于岩土锚杆的迅速发展和广泛应用,前德国、瑞士、英国、美国、中国的香港特别行政区、国际预应力混凝土协会、澳大利亚、日本以及我国等许多国家、地区或机构先后制定了锚杆规范与推荐性标准,从而使岩土锚固的应用沿着经济合理、技术先进、安全可靠的轨道发展.(4)锚杆日益向高强度、超高强度发展,其技术途径主有以下两点:一是研制强度高和具有较好延性的新型材料;二是加大锚杆直径.(5)施工机具的完善与进步,相应的监测技术与设备的开发研究.早先的锚杆施工,人工劳动占50%以上,机具不配套,施工质量难以保证.目前,已经有较为先进的、大功率的、全套性的施工设备,可以一次完成钻、装、安等相应工序.这些设备加快了施工进度,并提高了锚杆技术的可靠度.5.发展中存在的问题(1) 力学模型和分析方法方面还不够完善,有待进一步研究.目前的技术标准主要是经验性的,尽管有多种对锚固机理的解释,但这些解释中有多半带有经验性和表象性,或只是在某一种特殊情况下适用. (2)在锚固理论和工程实践相结合这一领域的研究,就目前来说还几乎是个空白,这需要通过对锚固理论的深入认识来解决.(3)影响锚杆作用的各种因素也是一个值得深入探讨的问题(4)锚杆与锚固剂的产品质量.锚杆的材质、结构与力学性能密切相关,锚固剂的质量指标是保证支护可靠度的重要一环,澳大利亚、英国、美国等国家很重视锚杆及锚固剂的生产,并制定了相关的技术性能质量指标.但目前在我国,煤矿上使用的锚杆及其构件很多是自产自销,存在较大的随意性,缺少必要的监测和监督.锚固剂的质量也缺少相应的规范标准,需要有相关部门制定统一的锚杆系列和锚固剂系列的质量标准,规范其生产,尽量使锚杆支护安全隐患排除在矿井之外. (5)锚杆检测仪器与检测技术.检测是监督施工质量、保证锚杆支护安全可靠的重要手段.锚杆支护是一项隐性工程,因而及时有效的施工检测显得尤其重要.英国煤炭总公司技术部在总结维斯多夫矿使用锚杆的经验时,将“使用综合测量装置,对安装好的锚杆进行监测”作为成功的5项经验之一.我国虽也十分重视锚杆支护的监测工作,先后研制出了一些监测与检测仪器(锚固力测定仪、超声波围岩裂缝探测仪等),但性能不高、功能不全,还未形成系列配套的综合检测技术,锚杆检测是设计与施工质量与安全工作的重要保证,因此,加大监测仪器仪表的研制力度是十分必要的.(6)锚杆支护人员的培训.人是一切工作的制定者和执行者.从设计到施工这些工序当中无一不是由人来操作完成,这就要求工作人员有一定的判断识别能力,但是正确的工程判断不是天生的,而是来自于工程经验的积累、资料的总结、信息的使用和知识的外延.英国的维斯多夫矿成功使用锚杆的一重要经验便是“健全的培训和监督体系是管理工作的保证”.目前我国煤矿施工队伍的整体人员素质不高,使得施工质量难以保证,重视和加强锚杆支护人员的技术培训和岗位训练,有助于我国煤矿,巷道锚杆支护技术的发展和普及.6.今后发展趋势(1) 岩土锚杆的结构形式与传力机制(2)复杂地层快速、高效的钻孔机具(3)地下工程锚固体系的设计计算方法,锚杆杆体及其传力装置的工厂化生产;(4)高承载力(>10 000 kN)锚杆及其在大坝加固及桥梁基础工程中的应用(5)扩体型锚杆及其在边坡与结构抗浮工程中的应用,以及复合扩体型的破坏机制及其相应的评价理论等.(6)锚杆的腐蚀与防护(7)锚杆的长期工作性能与锚固工程的安全评价;(8)地震、冲击荷载、变异荷载等条件下锚杆的性能;(9)岩土工程数值分析中锚杆(索)锚固效应与力学作用的模拟方法;。