预应力锚固技术在矿坑边坡支护中的实践研究

张淮皓

(江苏省核工业二七二地质大队，江苏 南京210000)

预应力锚固技术在岩土工程稳定中有着广泛运用，具有施工简单、安全、成本低等优点。在矿产开采过程中，矿坑边坡失稳是一个常见问题，对开采工作效率、安全等有着重要影响，做好矿坑边坡支护工作十分重要。

1 预应力锚固技术的设计概述

1.1 预应力锚杆的材料设计

近些年来，预应力锚固技术发展迅猛，在不同的支护工程中，使用的锚杆材料也有所差异。其中，灌浆型预应力锚杆是坑边坡支护中最为常用的，施工条件较低、操作简单、加固效果显著。在灌浆型预应力锚杆设计中，可以分为土层锚杆和岩层锚杆两种，根据锚杆承载力设计值大小，选用的材料分别是钢筋、钢绞线或高强钢丝、精轧螺绞钢筋。

1.2 预应力锚杆的受力设计

(1)预应力锚杆受力分析。在岩土体锚固支护中应用的预应力锚杆，其受力主要是拉力，其对岩土体的锚固作用原理为:深入到岩土层中的锚固杆对岩土层有一定抗拔作用力，在锚固段杆体受力时，由于锚杆与水泥砂浆之间有粘结力，会先将受力传递到砂浆中，然后经砂浆传递到土体中。在力的传递过程中，荷载增加时，锚杆与水泥砂浆间的粘结力会逐渐向锚杆下端发展，当锚固段粘结力达到最大时，就会与土体间发生相对位移，直到最大摩擦力为止。锚杆位移量在一定范围内是与拉力大小成正比的，但当超过一定值时，会出现位移突然增大。在不增加拉力的情况下，依然会持续位移，锚杆功能被破坏。在预应力锚固技术中，锚杆的承载力是此技术应用的核心所在，其影响因素主要有:锚杆材料本身的极限抗拉强度值、锚杆与锚固体间极限粘结力值以及锚固体与岩土体间极限侧阻力值。在各个影响因素中，其决定性作用的是岩土体与砂浆间的极限侧阻力。

(2)预应力锚杆的设计计算。根据锚杆的受力原理，在预应力锚固技术应用时，需要分别计算以下几个值，以确保预应力锚固技术达到预定效果，具体有:首先，锚杆截面积的确定。在确定锚杆截面积前，需要先明确锚杆的轴向拉力标准值(Nak)和设计值(Na)，其公式分别为:

其中，Htk是锚杆水平拉力标准值，α 是锚杆倾角;

γQ是荷载分项系数。根据公式(1)和(2)，可以确定锚杆截面积(As)为:

公式中γ0、fpy分别表示边坡工程重要性系数、锚杆抗拉强度设计值，ζ2为锚筋抗拉工作系数，永久性锚杆和临时性锚杆分别取0.60 和0.92。

其次，计算锚固体与岩土层间的锚固长度，其公式为:la≥Nak/ζ1πD frb，la、D 分别表示锚固段长度和锚固体直径;为锚固体与岩土层间粘结强度特征值，采用规范规定值或现场试验值;ζ1为锚固体与岩土层粘结工作系数，永久性锚杆和临时性锚杆分别取1.00 和1.33。

(3)计算锚体材料与锚固砂浆间的锚固长度，公式为:la≥γ0Na/ζ3πnd fb，其中，la、d、n 分别表示锚杆钢筋与砂浆的锚固长度、锚杆钢筋直径以及钢筋数量;γ0表示边坡工程重要性系数，fb为锚杆钢筋与砂浆间粘结强度设计值，采用规范规定值或现场试验值;ζ3为锚杆钢筋与砂浆间粘结工作系数，永久性锚杆和临时性锚杆分别取0.60 和0.72。

2 在矿坑边坡支护中的实践分析

2.1 矿坑概况

以某尾矿坑边坡治理工程为例，矿坑为凹陷坑，坑长约为400 m，坡高在15 ～32 m 左右，坡角约为70 ～85°。矿坑周边岩体虽然是单斜岩层，岩面与坡面相反，岩层倾角小于边坡角，但岩体中存在大量节理裂隙，容易发生崩塌。同时，在矿区开采作业中，经大量开采后，形成了较为陡峭的边坡，在暴雨时，容易发生滑坡、泥石流等灾害。此外，矿坑附近有居民楼，最近居民楼与矿坑距离为12 m，一旦发生滑坡等自然灾害，会严重威胁周边居民的生命财产安全，故而，此尾矿坑边坡定为一级边坡进行处理。

2.2 预应力锚固技术的设计与施工

(1)预应力锚固技术的设计。在预应力锚杆设计中，收集本尾矿坑工程的岩土工程参数，包括边坡场地岩石密度、岩体坚硬程度、抗剪强度和基本质量等基本材料，通过变坑整体稳定性分析，来确定边坡支护设计的参数。然后根据上述预应力锚固设计的相关计算公式，就可以确定各项设计值，其中，锚杆总轴向拉力标准值Nak≥2 157 KN，锚杆总轴向拉力设计值Na≥2 805 KN，锚杆总长度超过37 m，截面积为3.55 ×10－3㎡。

(2)预应力锚固技术的施工。为确保预应力锚固技术起到预定的锚固效果，还需要做好施工过程的控制，具体要点有:首先是边坡喷锚施工。钻孔过程要根据设计的锚杆直径来确定孔径，按照图纸的角度做好钻孔工作，水平和垂直方向的孔距偏差应分别控制在50 ～100 mm 以内。其次是做好注浆压力控制，浆液中要添加适量膨胀剂，注浆管要与锚杆同时放入钻孔中，边注浆边提注浆管，至孔口冒浆为止。在预应力张拉过程中，要在砂浆强度、喷射砼强度达到设计标准后，才能开始张拉锚杆，先张拉至设计荷载1.05 倍并维持5 ～10 min，后张拉至0.65 倍设计值将锚杆锁定。

(3)重视防腐施工。防腐对于锚杆使用寿命起着重要保护作用，杆体表面要用防腐漆处理，再包裹塑料布，重复三次形成三度防腐，最后还需要2.5 cm 以上厚的水泥浆层来封闭防腐;锚头的防腐要经两次除锈、涂防腐漆，然后用5 cm 以上厚的混凝土层保护。

(4)做好排水施工。矿坑边坡的排水包括顶部排水和坡面排水，前者可以直接开挖排水沟，后者需要在坡面设置泄水孔，并在孔后做反滤层。

3 结 语

综上所述，预应力锚固技术可以起到良好的矿坑边坡支护作用，能够有效对矿坑作业的安全。随着我国矿产资源需求的不断增加，矿坑作业规模越来越大，加强预应力锚固技术的研究，将其正确应用于矿坑边坡支护实践中，有着重要现实意义。

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