锚杆在隧道工程中的作用及类型

1．锚杆的支护效应

锚杆（索）是用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。使用某些机械装置和黏结介质，通过一定的施工操作，可将锚杆安设在地下工程的围岩或其他工程结构体中。

锚杆的支护效应一般认为有如下几种：

（1）悬吊作用。悬吊作用是指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其与稳定围岩联结起来，这种作用主要表现为加固局部失稳的岩体（图8-5-16）。

图8-5-16　锚杆的悬吊效应

（2）减跨作用。在隧道顶板岩层中插入锚杆，相当于在顶板中增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板的围岩应力减小，起到维护围岩稳定的作用，如图8-5-17所示。

（3）组合梁作用。对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层间摩阻力，从结构力学观点来看就是形成“组合梁”（图8-5-18）。

图8-5-17　锚杆的减跨作用

图8-5-18　锚杆的组合梁效应

（4）挤压加固围岩作用。由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区中的节理裂隙、破裂面得以连接，因而增大了锚固区围岩的强度（即c φ、值）；锚杆对加固节理发育的岩体和围岩松动区是十分有效的，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”（图8-5-19）。锚杆能约束围岩变形，并向围岩施加压力，使处于二轴应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，从而提高了围岩的强度和稳定性。

图8-5-19　围岩加固带

2．锚杆的种类

锚杆的种类很多，锚杆按其与被支护体的锚固形式来分，大致可分为端头锚固式、全长黏结式、摩擦式以及混合式等类型，各种类型又包括不同的亚类，如图8-5-20所示。

（1）端头锚固式。

端头锚固式锚杆（图8-5-21）种类较多，它是利用内、外锚头的锚固来限制围岩变形松动的。端头锚固式锚杆安装容易，工艺简单，安装后能迅速锚固，以便安设垫板、螺母后能及时提供支护力，并能对围岩施加预应力，但其杆体易腐蚀，锚头易松动，影响长期锚固力，一般用于硬岩地下工程中的临时加固。在隧道工程中，端头锚固式锚杆常用作局部锚杆。端头锚固式锚杆用作永久支护时必须在孔内注满砂浆或树脂，砂浆或树脂的强度等级不应小于M20。

（2）全长黏结式锚杆。

全长黏结式锚杆（图8-5-22）按黏结材料分为水泥浆全黏结式锚杆、水泥砂浆全黏结式锚杆（砂浆锚杆）、树脂全黏结式锚杆。全长黏结式锚杆按杆体材料分为钢筋锚杆和中空锚杆。钢筋锚杆一般采用早强水泥砂浆锚固，中空锚杆杆体就是注浆管，压注浆后不仅能锚固杆体，注浆压力较大时部分浆液还会渗入锚孔的裂隙中，起到加固围岩的作用。

图8-5-20　锚杆的锚固种类

图8-5-21　树脂内锚头锚杆

图8-5-22　普通水泥砂浆全长黏结锚杆

全长黏结式锚杆采用水泥砂浆（或树脂）作为填充黏结料，不仅有助于锚杆的抗剪和抗拉以及防腐蚀作用，而且具有较强的长期锚固能力，有利于约束围岩位移。它安装简便，在无特殊要求的各类地下工程中，可大量用于初期支护和永久支护。在隧道工程中，全长黏结式锚杆常用作系统锚杆和超前锚杆。

（3）摩擦式锚杆。

摩擦式锚杆常用的有楔缝式、缝管式、楔管式和水胀式几种，它们的共同特点是能迅速提供支护力，但杆体没有保护层，不能作为永久结构，适用于临时支护。

① 楔缝式锚杆：杆体由端头切缝的圆钢和铁楔组成（图8-5-23）。杆体插入锚孔后，冲击杆体，使铁楔胀开切缝，形成锚固力。

② 缝管式锚杆：用钢板卷压制而成，与挡环、弹性垫板成为一体（图8-5-24）。锚孔略小于杆体直径。将杆体强行推入锚孔后，杆体受挤压，对孔壁产生弹性抗力，形成轴向力使孔口的弹性垫板压紧岩面，立即产生锚固力。

图8-5-23　楔缝式锚杆

图8-5-24　缝管式锚杆

③ 楔管式锚杆：前细后粗的异径管，头部有定位销、上楔、下楔。先钻小孔，再部分扩孔，使锚孔与锚杆体外形相吻合，将杆体推入锚孔后，在杆体中插入工具钎，用凿岩机撞击钎尾，使上下楔咬合楔紧。它集中了楔缝式和缝管式锚杆的优点，也能立即产生支护力。

④ 水胀式锚杆：由薄壁钢管加工成的异型空腔杆件、端套、挡卷、注液嘴和托盘等配套组成。在高压水的作用下，锚杆管壁随锚孔形状膨胀，产生对围岩的挤压力；而杆体在轴向收缩，使托盘对岩面形成挤压、托锚作用。它特别适用于自稳能力差、初期变形大的软弱围岩。

摩擦式锚杆是用一种沿纵向开缝（或预变形）的钢管，装入比钢管直径小的钻孔，对孔壁施加摩擦力，从而约束孔周岩体变形的锚杆。它安装容易，安装后立即起作用，能及时控制围岩变形，又能与孔周变形相协调，但其管壁易锈蚀，故一般不适于作永久支护。隧道工程常由于端头机械锚固容易失效，或全长黏结不便施工（不能生效），而采用全长摩擦式锚杆。

（4）混合式锚固锚杆。

混合式锚固锚杆又分为先张拉后灌浆预应力锚杆 （索）和先灌浆后张拉预应力锚杆 （索），采用精轧螺纹钢为杆体，强度高，可用连接套接长。锚固砂浆终凝后，加垫板、螺母，用扭力扳手施加预应力。用于大吨位预应力锚固时，杆体分为锚固段和张拉段，中间用止浆塞分开，锚固段浆体达到强度后，用专用千斤顶施加预应力。

混合式锚固锚杆是端头锚固方式与全长黏结锚固方式的结合使用，它既可以施加预应力，又具有全长黏结锚杆的优点，但安装施工较复杂，一般用于大体积、大范围工程结构的加固，如高边坡、大坝、大型地下洞室等。

（5）自进式锚杆。

自进式锚杆属于全长黏结型锚杆的一种，它将钻孔、锚固、注浆加固集于一体。自进式锚杆由厚壁中空钢管杆体配钻头、连接套筒、垫板、螺母组成。杆体外表全长具有标准螺纹，可以任意切割和用连接套筒接长。它适用于易坍孔的破碎岩层，锚固深度大，锚固力强。

近几年，我国隧道工程界关于新型锚固结构和材料的研究主要有：① 改进原有锚杆的结构，如新型锚头、预应力锚固锁定装置、自动卡紧装置、锚杆材料主体等。② 应对复杂地质环境，研制相应的新型功能型锚杆，如用于软岩工程的高阻让压型和能量吸收型锚杆等。③复合型锚杆的研究，如具备锚固和多重防腐功能、锚注一体化功能等。值得一提的是，充分利用现代智能技术开发新型锚固系统是该领域一个新的发展方向。④ 新型锚固材料上的进展主要集中于对原灌浆改性，或者开发其他有机或无机的锚杆注浆材料。

3．锚杆的布置

常规初期支护的锚杆包括局部锚杆和系统锚杆。

（1）局部锚杆布置。

局部锚杆主要用在裂隙围岩中重点加固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区为重点加固区域。这样的锚杆布置往往是不规则的，以加固或悬吊松动块体围岩为主要目的，锚杆的方向按实际需要进行布置。锚杆局部布置的原则为：拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉；拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。局部锚杆可采用全长黏结锚杆、端头锚固型锚杆、预应力锚杆。

局部加固的锚杆，必须保证不稳定块体与稳定岩体的有效连接。为此，可由现场测定或采用赤平极射投影和实体比例投影作图法确定不稳定块体的形状、重量和出露位置，据此确定锚杆间距和锚入稳定岩体的长度。加固拱腰以上洞室顶部不稳定块体时，按锚杆承担全部不稳定岩体重量考虑；加固拱腰以下及边墙部位的不稳定块体，可按锚杆力、滑动面上的黏结力和摩擦力共同承担不稳定岩体滑动力考虑。

锚杆的间距为

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式中　D——锚杆间距（m）；

d——锚杆直径（m）；

Ra——锚杆钢筋的设计强度（Pa）；

K——安全系数，可取K＝1.5～2.0；

P——危石或不稳定块体的重力（N），当侧墙存在不稳定块体时，P值为下滑力减去抗滑力；

A——危石或不稳定块体出露面积（m2）。

对于砂浆锚杆，根据锚杆抗拉强度与砂浆黏结力相等的等强度原则，可确定锚杆深入稳定岩体的深度为

式中Lm——锚入稳定岩体的深度（其值不宜小于杆体直径的30～40倍，m）；

τ——砂浆的黏结强度（Pa）；

Ra、d意义与前式相同。

则砂浆锚杆的总长度为锚杆锚入岩体长度、锚杆穿过不稳定岩体厚度与外露长度（约小于喷射混凝土厚度）之和。

（2）系统锚杆布置。

系统锚杆多用于软岩或节理裂隙发育的破碎岩体中，沿着隧道开挖周边纵横方向规则布置，目的是将锚杆群系统地深入到岩层内部，改善围岩的力学性能，限制变形，增强其稳定性。对于局部破碎、软弱围岩部位或可能出现过大变形的部位，应加设长锚杆，如图8-5-25（a）所示。锚杆系统布置的原则为：

① 在隧道横断面上，锚杆宜垂直于隧道周边轮廓布置。当岩体主结构面产状对洞室稳定不利时，应将锚杆与结构面呈较大角度设置；对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置，或使其与层面呈斜交布置，如图8-5-25（b）所示。

图8-5-25　系统锚杆的布置方式

② 系统锚杆在岩面上的布置方式有矩形和梅花形两种，一般采用梅花形布置为宜，纵、横间距为0.6～1.5 m，其密度为0.6～4.6根/m2。

③ 为了使系统布置的锚杆形成连续均匀的压缩带，其间距不宜大于锚杆长度的1/2且不宜大于1.5 m。当围岩条件较差、地应力较高或洞室开挖尺寸较大时，锚杆布置间距应适当加密。在Ⅳ、Ⅴ级围岩中，锚杆间距宜为0.5～1.2 m，并不得大于1.25 m；锚杆间距较小时，可采用长短锚杆交错布置。

4．锚杆的尺寸

（1）锚杆直径。

对于端部锚固的锚杆，其抗拉力大于或等于设计锚固力，即

则锚杆直径d为

式中　N——设计锚固力（N），由锚杆拉拔试验确定，一般不低于50 kN；

σa——锚杆材料的抗拉极限强度（MPa）。

对于全长黏结式锚杆，可按式（8-5-5）求其直径d值

式中　P——锚杆黏结破坏时的承载力（N），由锚杆拉拔试验求得；

L——锚杆的锚固长度（mm）；

τ——胶结材料与孔壁围岩单位表面积上的黏结力（MPa），一般取τ=1.0～1.5 MPa。

常用的锚杆直径一般为18～32 mm。

（2）锚杆长度。

对于起悬吊作用的锚杆，其长度必须穿透不稳定块体并在坚硬稳定岩体内有一定的锚固长度。在软弱围岩中系统布置的锚杆，其岩体视为单一塑性体，锚杆的长度应穿过塑性区。

按施工经验来确定锚杆长度，在中等以上硬质围岩中，L≥(B/4～B/3)，B为隧道开挖宽；在软弱围岩中，L≥(B/3～B/2)。

当隧道周围形成塑性区时，应先通过分析算出塑性区范围，锚杆的实际长度应大于塑性区范围并加外露长度（10～15 cm）及锚固长度（15～30 cm）。

当然，锚杆的长度一般宜依据隧道开挖后，对围岩进行动态观测所得的量测数据来确定，铁路隧道中所用的锚杆长度一般为1.5～3.5 m。

5．常用锚杆的施工

在设有系统锚杆的地段，系统锚杆宜在下一循环开挖前完成。在无钢架地段，锚杆在初喷混凝土、挂钢筋网后施作，或在初喷混凝土、挂钢筋网、复喷后施作；在有钢架地段，锚杆在初喷混凝土、挂钢筋网、立拱架、复喷混凝土后施作。

（1）钻孔。

在隧道工程中，锚杆孔宜采用锚杆钻孔机或（多臂）钻孔台车钻孔，按锚杆支护的设计要求来确定锚杆孔位、间距、与岩面交角、孔深及孔径等。系统锚杆钻孔方向应为设计开挖轮廓法线方向，垂直偏差不宜大于20°。孔径应大于锚杆直径15～20 mm，以保证锚杆与孔壁之间充填一定数量的砂浆。在灌浆前应用高压风将孔眼吹净。

（2）砂浆锚杆的安装。

水泥砂浆锚杆由于具有造价低、加工制作容易、力学性能好、施工工艺简单等优点，目前在我国得到了广泛的应用，是最常用的锚杆支护形式。它的安装工艺分为先灌后锚式和先锚后灌式两种，前者使用较多，现介绍如下。

① 材料要求及配合比。

为了增强钢筋和砂浆的黏结力，宜采用HRB335、HRB400带肋钢筋，锚杆体材质的断裂伸长率一般不得小于16%，允许抗拉力与极限抗拉力要符合设计要求。锚杆杆体使用前要除锈、除油，并保持平直。锚杆外露端应加工120～150 mm的螺纹，锚杆前端应削尖，并应配有止浆塞、垫板和螺母等配件。

水泥选用不低于32.5级的普通硅酸盐水泥。砂应采用严格过筛的粒径不大于2.5 mm的中砂、细砂（铁路）或3 mm的中、粗（公路）砂。速凝剂掺量为水泥质量的2%～4%。水泥砂浆强度不宜低于M20，砂胶比宜为1∶2～1∶1（质量比），水灰比为0.38～0.45。

② 注浆及安装锚杆。

先灌后锚式水泥砂浆锚杆作业程序是：先注浆，后放锚杆。具体操作步骤是：先将水注入泵内，并倒入少量砂浆，初压稀浆液湿润管路，然后再将已调好的砂浆倒入泵内。将注浆管插至锚杆眼底（距孔底5～10 cm），慢慢打开阀门注浆，在气压推动下，砂浆不断压入眼底，注浆管随水泥砂浆的灌入缓慢均匀地拔出；待注浆管口距钻孔口20～30 cm时，停止注浆，然后将锚杆插入至孔底部将砂浆挤满钻孔。然后用木楔堵塞眼口，防止砂浆流失、锚杆滑出，待砂浆初凝后去掉木楔。杆体插入长度不得短于设计长度的95%。

注浆开始或中途暂停超过30 min时，应用水润滑注浆管路；注浆孔口压力不得大于0.4 MPa。锚杆孔中必须注满砂浆，发现不满需拔出锚杆重新注浆。注浆管不准对向人员放置，以防止高压喷出物伤人。

砂浆应随用随拌，在初凝前全部用完。使用掺速凝剂的砂浆时，一次拌制砂浆数量不应多于3个孔，以免时间过长，砂浆在泵、管中凝结。锚注完成后，应及时清洗、整理注浆用具，除掉砂浆凝聚物，为下次使用创造好条件。锚杆安装后，不得随意敲击。在水泥浆体的强度达到10 MPa后，安装垫板和紧固螺帽。垫板尺寸不应小于150 mm（长）×150 mm（宽）×8 mm（厚）。