漫谈矿山法隧道技术第三讲——锚杆

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第三讲——锚杆

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都610031)

摘要：分析我国隧道锚杆支护技术中存在的主要问题，包括： 1)没有实现商品化； 2)多采用注浆式锚杆，没有针对不同的围岩条件采用不同的锚杆； 3)不设垫板的锚杆比比皆是； 4)锚杆功能单一； 5)锚杆施工管理不到位。针对这些问题： 1)重申了锚杆的功能； 2)认为要实现锚杆的商品化，首先要求锚杆规格标准化，生产工厂化，介绍了英国的《锚杆技术标准》，指出我国也应着手编写《锚杆行业标准》，以利于锚杆商品化的实现，或者以一条新铁路线或以企业为试点设置锚杆制备厂； 3)着重介绍了提高锚杆支护功能的措施——提高附着刚性和剪切刚性、提高锚固材料的充填饱满度、强化锚杆施工管理； 4)介绍了几种新型锚杆的构造、规格、功能、优点、适用条件等，包括摩擦式锚杆(ZAM膨胀型锚杆、高承载力摩擦式锚杆、具有排水效果和注浆功能的锚杆)和纤维锚杆； 5)介绍了发光型简易锚杆轴力计，并将其与通常的轴力量测进行对比，结果大致吻合。最后指出，锚杆的首要问题是加快工厂化(商业化)进程，编制了行业标准； 提高锚杆支护效果要在锚固材料和围岩2方面下功夫； 针对性地加强对摩擦式锚杆的研究及锚杆充填率评价方法的研究也应提到日程上来。

关键词：隧道； 矿山法； 锚杆商品化； 附着强度； 剪切强度； 充填饱满度； 注浆式锚杆； 摩擦式锚杆； 纤维锚杆； 发光型简易锚杆轴力计

0引言

我国用矿山法修建了上万公里的隧道，但至今还在争论锚杆在隧道支护中有无作用，似乎说不过去。在隧道初期支护中，目前我国的锚杆技术处于什么状态？在山岭隧道，锚杆支护技术存在的主要问题如下。

1)至今锚杆没有完全实现商品化。很多场合，还处于作坊式的生产方式。与锚杆有关的配套构件，如垫板等都没有规格化。一般来说，商品化是实现施工机械化、确保锚杆品质的前提条件。

2)不同的围岩条件，需要不同类型的锚杆予以对应。目前我国主要采用注浆式锚杆，而国外在土砂围岩中，基本上采用摩擦式锚杆，在硬岩中为了对付岩爆也多采用摩擦式锚杆。在国内还没有做到这一点。

3)明明知道，设不设垫板对发挥锚杆的支护功能具有极大的作用，但不设垫板的锚杆比比皆是。应该说不设垫板的锚杆不能称为锚杆，垫板不仅可以控制较大的变形，也可以吸收较大的变形。目前国外开发的所谓伸缩式锚杆，主要是在垫板上下功夫。

4)锚杆功能的多样化，是锚杆技术发展的主流，如具有排水功能的锚杆、控制大变形的锚杆、提高承载力的锚杆等。

5)对锚杆的施工管理，有待加强。锚杆技术不到位，特别是管理不到位，亟待改善。

在这样的条件下评价锚杆的功效，是不合适的。在我国大规模修建高速铁路的今天，必须充分认识锚杆在隧道支护中的功能，切实发挥锚杆控制围岩松弛、掉块的作用，以提高锚杆技术的水平。

1锚杆功能简述

锚杆是仅次于喷混凝土，得到迅速发展的初期支护构件。其功能是毋容置疑的，锚杆既可作为初期支护使用，也可作为永久支护构件使用。在初期支护中锚杆与其他构件(喷混凝土、钢架)不同，是唯一从内部改善围岩性质的构件，也是唯一不需要扩展开挖断面面积的构件。锚杆在改善围岩连续性的同时，也增强了围岩的抗剪强度，提高了围岩的自支护能力。锚杆可发挥的作用是：

1)补偿围岩中存在的力学上不连续性缺陷。

2)围岩受到锚杆的约束，改善了作为连续体的围岩的特性，围岩位移得到抑制。

3)在不能避免过大变形的场合，保持了围岩作为一体变形的可能性[1]。

4)由于一定的约束力，不会发生围岩急剧破坏等。

因此，目前应该讨论的是： 如何加强和改善锚杆技术，提高锚杆的支护效果，而不是取消锚杆，更不能放弃对锚杆技术的研究。

2锚杆的商品化问题

锚杆的商品化，首先要求锚杆规格的标准化，生产工厂化。目前在矿山法隧道中，我国对锚杆技术特性的要求是不明确的。因此，制定行业标准，或企业标准，根据山岭隧道的支护要求，明确锚杆的基本特性、材料规格、制造标准和工艺等是十分必要的。现把英国BS 7861-1—2007《锚杆技术标准》对钢锚杆的构成、材料、力学特性等的规定摘录如下，以供参考。

1)锚杆的构成。见图1。

图1　钢锚杆现场组装

2)锚杆材料。锚杆杆体用含有碳0.3%(max)、锰1.6%(max)、硫0.05%(max)和磷0.05%的结构钢制成。

3)锚杆断面。锚杆杆体应具有圆形断面和带肋的或线条的形状[2]。

4)锚杆直径。锚杆杆体的最小当量直径不小于21.5 mm，杆体最短轴的最小尺寸不小于20 mm。

5)锚杆平直度。平直度应在杆体长度的0.4%之内。

6)锚杆拉伸特性。拉伸试验时： ①最小屈服强度必须大于640 MPa； ②每次拉伸试验，其抗拉强度比屈服强度大20%以上； ③断裂时的延伸率最小为18%，最大荷载(Agt)的延伸率最小为8%。

7)锚杆附着强度。在给定附着长度条件下，进行拉拔试验时，锚杆/树脂/围岩的系统刚性失效荷载不能低于20 kN/mm。

8)锚杆长度。锚杆长度的偏差必须小于±5 mm。按表1在锚杆近端部用颜色标志识别锚杆长度。其他锚杆长度比照表1确定。

9)腐蚀防护。当锚杆要求防腐蚀时，应按照BS EN ISO 1461进行镀锌，镀锌层的最小厚度为85 μm。

表1　锚杆长度的颜色标志

10)螺母紧固型式试验。测试时，螺母紧固设施的扭矩应在以下范围内： 高扭矩在100～185 N·m； 低扭矩在35～80 N·m。

11)半球形垫板测试。测试时： ①以当量直径和770 MPa应力为基础，在杆体的标称破断荷载的50%～70%荷载下压平； ②锚杆、螺母和锥形垫座的容许拉拔力为，在最大拉力或拉拔荷载下，以当量直径和770 MPa应力为基础，杆体的破断荷载的70%～95%。

12)螺纹拉伸试验。锚杆螺纹部分或螺帽的螺纹，在小于杆体额定断裂荷载(应力为770 MPa，杆体的直径为当量直径)不发生失效。

13)剪切试验。锚杆/树脂系统的抗剪强度至少为640 MPa。

14)附着强度和系统刚性。系统的最小附着强度为130 kN，最小系统刚性(当荷载在40～80 kN时)为240 GPa。

对锚固剂(树脂和胶囊)、玻璃纤维锚杆(GRF)也有类似的规定。

从英国的规定可以看出，对锚杆的技术特性的要求是比较严格的。

首先，在现行的有关锚杆的技术要求的基础上，结合国内外锚杆支护的经验和教训，首先着手编写“锚杆行业标准”，应该提到日程上来，以利于锚杆商品化的实现。

其次，在没有实现锚杆商品化之前，是否可以在一条新线(或者企业自身)集中设置锚杆制备厂，按照设计要求制作锚杆及其配件，分散供应所属隧道现场，改变目前作坊式的生产方式，也是一个可供选择的解决方案。

3提高锚杆支护功能的措施

3.1提高锚杆的附着刚性(强度)和剪切刚性(强度)

在山岭隧道中用的锚杆，按杆体与钻孔周边围岩的接触状态，基本上分为锚杆通过注浆层与围岩接触和锚杆直接与围岩接触2大类。前者谓之注浆式锚杆，后者谓之摩擦式锚杆。目前主要应用前者，后者尚在试验推广阶段。

不论是注浆式锚杆，还是摩擦式锚杆，之所以能够发挥其支护功能和效果，从理论上来说主要是依靠其附着刚性(强度)和剪切刚性(强度)。因此，从工程实践上看，如何提高锚杆的附着刚性(强度)和剪切刚性是非常重要的。从实用角度出发，提高锚杆的附着特性比提高剪切刚性更为重要。这里所谓的附着刚性和剪切刚性的概念如下。

附着刚性Sbond可以用拉拔试验予以掌握，意思是单位长度的附着力。相当于单位锚固长度在附着失效前能够承受的拉伸荷载。目前是根据拉拔试验中拉拔时的屈服荷载除以有效锚固长度求出。根据异形棒钢D25的室内试验，推定附着刚性

Sbond=π(d+2t)τpeak。

(1)

式中：d为锚杆外径；t为锚固材料厚度；τpeak为锚固材料的最大抗剪强度，围岩和锚固材料的单轴抗压强度中取小者。

锚固材料的剪切刚性Kbond用锚固材料的剪切变形评价。

(2)

式中Gg为锚固材料的剪切弹性系数。

注浆式锚杆是采用最多的锚杆。锚杆的锚固力，必须从锚杆本身与锚固材料之间的附着力以及锚固材料与围岩之间的附着力2方面进行研究。其中，对于锚杆和锚固材料之间的附着力，若采用一般材料，可以说能得到基本满意的结果。但是，对于锚固材料和围岩之间的附着力，有时因锚固材料的材质和围岩条件的原因而得不到充分的附着力，致使拉拔承载力降低，需要加以注意。

日本对不同类型和不同锚固材料的锚杆进行了比较详细的试验研究，取得的结果值得参考。

试验采用的11种锚杆见表2，包括普通强度的螺纹棒钢和套螺纹钢筋锚杆以及高强度钢锚杆和纤维锚杆等。包括屈服承载力130 kN的钢锚杆(N01—N02)和屈服承载力200 kN以上的高承载力钢锚杆(N03—N06)。这些锚杆具有螺纹、竹节等不同的表面形状，除中空的钢锚杆N06以外，都是实心的。锚杆的直径D通常为19～25 mm。

为了评价FRP锚杆的附着强度，采用玻璃纤维(GFRP)锚杆、碳纤维(CFRP)锚杆和树脂(AFRP)锚杆进行了同样的试验研究。其中玻璃纤维锚杆的直径采用25～27 mm，与钢锚杆相同。其他2种锚杆的直径都采用14.7 mm。N09玻璃纤维锚杆与N06钢锚杆同样是中空的。

试验以日本公路隧道围岩分级中CⅠ级围岩(相当于国内的Ⅲ—Ⅵ级围岩)为对象，试验条件如下。

1)采用材龄28 d抗压强度40 MPa的混凝土作为模拟围岩。

2)为了研究锚固砂浆强度发现的影响，采用了普通硅酸盐水泥(OPC)和早强硅酸盐水泥(HPC)。锚固砂浆材龄3、6、12、24、72 h各进行3根锚杆的试验。在一部分试验中，进行了不同锚固砂浆的试验。

3)采用中空液压千斤顶(容量700 kN)进行拉拔试验。

从上述试验及工程实践得到以下结果：

1)异形棒钢或带有竹节形状的锚杆，附着强度比其他类型锚杆附着强度大，说明锚杆表面形状对附着强度影响很大。从提高锚杆品质的研究成果来看，异形钢筋与平滑钢筋的抗剪承载力相差2倍以上，采用异形钢筋能够改善锚杆的附着特性。

2)采用普通硅酸盐水泥(OPC)的锚固材料和采用早强硅酸盐水泥(HPC)的锚杆材料比较，后者的附着强度在初期(12 h)比前者大约1倍，初期的支护作用明显。

表2　锚杆的规格

注： GFRP锚杆的屈服荷载栏()内表示螺纹构件的破坏荷载，断裂荷载表示母材的断裂荷载。

3)树脂锚固与围岩的附着强度比砂浆锚固的大。

4)玻璃纤维锚杆和金属锚杆的附着强度相差不大，前者有代替后者的趋势。

5)一般来说，锚杆的附着强度，视围岩条件和锚杆材料，在28～72 h达到最大值，锚杆不宜紧靠掌子面施设。

6)提高锚固砂浆的抗压强度，也能够提高锚固的附着强度，故对锚固材料的抗压强度应有较高的要求。日本规定锚固砂浆的强度应在10 MPa以上。

7)适当增加锚杆的直径，对提高附着强度是有利的。目前为了提高锚杆的直径，多采用中空锚杆，也出现了采用钢管(表面设突起或压制成波纹状等)的趋势。

3.2提高锚固材料充填的饱满度

在矿山法隧道施工中，全长注浆式锚杆得到了广泛的应用。其锚固力(或附着强度)基本上取决于锚固材料的充填状况，如注浆材料、注浆压力、充填是否饱满等。锚固材料充填饱满是重要的因素，若充填不足，会造成支护强度不足并影响支护的长期稳定性。为此，日本开发出用于检测锚杆注浆充填状况的装置(见图2)[1]。

图2　装置外观

为了验证装置的可靠性，在室内进行了不同充填率(完全充填； 前端0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填)； 口部0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填等)的组合试验，所有组合的发振频率设定为2.18、3.00、3.88 MHz 3种。

图3是获得的代表性波形。横轴为距振动子的距离(超声波传播速度×反射时间/2)，纵轴是通过LOG天线的输出相对振幅。由图3可知，随充填率的降低(空隙增加)，在主要的观测数据中微小反射信号显著产生乱反射现象。其次，从发振频率看，充填率高时，与频率无关，各波形是一定的；而充填率低时，不同发振频率得到的波形是离散的，这说明不同的发振频率，超声波的指向性是不同的，因为从附着界面获得的反射信号也产生差异。

该装置在现场设定的标准围岩区间和涌水区间分别进行了测定。图4是不同充填率不同区间测定的波形实例。图4(a)是标准区间取得的波形，微小反射信号比较小，与发振频率无关，各波形是一定的。图4(b)是在涌水区间取得的波形，微小反射信号较大，发振频率的影响是显著的。根据室内试验的结果，图4(a)判断充填是良好的，图4(b)推定充填是不良的。本装置在现场能够推定锚固材料的充填状况，可用于锚杆健全性评价。

根据室内试验结果进行了多变量解析，提出了由式(3)和图5的评价充填率的方法。

F=C1×f+C2×α+C3×S+C4。

(3)

式中： Ci为根据多变量解析得到的常数； F为充填率(预测值)； f为发振频率； α为倾角； S为面积。

图6为测试评价值与实际值的比较结果。由图6可知，测试值与实际值有些差异，其标准偏差为3.1%，相关系数为0.94，说明评价公式是能够评价充填倾向的。

(a) 组合1.1(b) 组合1.4

(a) 标准区间

图5　多变量解析采用的变量

图6　现场充填率的判定

锚杆是否与围岩密贴主要看锚固材料的充填状况。实践和测试均表明： 不同部位的锚杆注浆质量是不同的。一般来说，由于施工条件的不同，处于拱部一定范围的锚杆，其注浆质量比位于侧壁的锚杆差，最好的是底部锚杆。注浆必须采用机械手进行，适当提高拱部锚杆的注浆压力。

3.3强化锚杆施工管理

强化锚杆施工的精细化管理，是非常重要的。锚杆施工技术不到位，特别是管理不到位是通病，必须切实改进。

如何进行锚固施工的精细化管理，下面介绍日本《隧道施工管理要领》(2013.7)建议的方法。

首先，要求在施工前提出以下报告，如表3所示。

报告中的基准试验应符合表4的规定。

报告中的日常管理试验应符合表5规定。

上述建议的方法就是对是否能够实现锚杆功能的施工管理。如果满足上述管理要求的规定值，锚杆完全能够发挥其支护的功能。这种管理方法不仅仅是针对锚杆的，对喷混凝土、钢架以及防水等都有相同的规定。希望也能制定相应的精细化管理细则，来不断提高隧道支护技术的水平。

表3　施工前报告表

表4　基准试验报告表

表4(续)

注： *—锚杆屈服点的承载力。

表5　日常管理试验报告表

注： *—锚杆屈服点的承载力。

4锚杆类型

4.1摩擦式锚杆

摩擦式锚杆不需要用锚固材料进行锚固，而是直接利用杆体与围岩的摩擦力进行锚固。施工极为方便，目前有越来越多地被采用的趋势。

4.1.1ZAM锚杆

作为永久支护采用耐腐蚀、高强、高延伸率的摩擦式锚杆，称为ZAM膨胀型锚杆。

4.1.1.1ZAM锚杆的基本构造

ZAM锚杆是钢管膨胀式锚杆，其基本构造如图7所示。

图7　ZAM锚杆的基本构造

该锚杆头部是一个与杆体连接的加压注水装置。杆体注水加压前后的形状如图8所示。

图8　注水加压前后的形状

杆体日本是用相当于SS400规格的钢板制作的，2面涂以Zn-6Al-3Mg的防腐蚀涂层(附着量140 g/m2以上)。

锚杆的尾部是密封套管与杆体相连。

4.1.1.2锚杆的规格

日本采用的ZAM规格的基本规格如表6所示。

一般来说，异形管是把外径54 mm钢管制成带凹槽的、外径36 mm的异形管。

4.1.1.3高压注水装置

图9是用于注水加压的装置，可同时注水加压5个锚杆。

4.1.1.4ZAM锚杆与一般的钢管摩擦式锚杆相比的优点

1)通过使用防止钢管厚度减少的高耐腐蚀性镀层ZAM(锌/铝/镁合金镀层)，能大幅度地提高耐腐蚀性能，即提高锚杆的耐久性。

2)使用新材料，钢管的延伸率可达20%～35%，可以应对围岩大变形。

3)使用高拉力材料，板厚变薄，质量比原来的产品减轻30%，可大幅减轻施工负担。

4)板厚变薄，在加压作业时，可以比原来产品用的水压低，可以缩短施工时间。

5)轻量化的便携式高水压装置和多条水管加压方式的开发，可以同时打设2～5根钢管，也可以单独打设。

表6　ZAM锚杆的基本规格

(a)

(b)

6)使用高安全性、高性能的泵，可减少施工时间。

7)可兼做中空注浆锚杆和排水锚杆，实现功能多样化。

8)应对岩爆采用摩擦型锚杆是有利的，能够吸收因过剩应力使剥离岩块飞散的能量。锚杆应具有抵抗产生大位移的位移特性，因抑制了急剧的破坏能够防止破坏的发展。

4.1.2高承载力摩擦式锚杆[1]

涌水多的情况下以及希望开挖后尽早补强的情况下多采用摩擦式锚杆。但是，由于围岩状况、孔壁塌孔等的影响，有时得不到充分的附着强度。由于附着强度的降低，不能获得充分的支护效果，而需增加锚杆长度和根数，在工期和工费上都会出现问题。

为了改善和解决这个问题，日本开发出钢管表面设突起纹，以提高附着强度的高承载力摩擦式锚杆。

开发的高承载力摩擦式锚杆见图10。高承载力摩擦式锚杆与过去的摩擦式锚杆比较见表7。

图10　高承载力摩擦式锚杆

Table 7Comparison and contrast between frictional anchor bolt with high load-bearing copacity and conventional anchor bolt

锚杆种类外径/mm厚度/mm屈服荷载/kN高承载力摩擦式锚杆54(63.5)*2.3180过去的摩擦式锚杆36(54)*2.3191

注： ()*—膨胀后的外径。

高承载力摩擦式锚杆的附着强度试验结果如图11所示。附着强度因钢管的附着面积不同，比过去的摩擦式锚杆增大约2倍。而且，高承载力摩擦式锚杆，在附着强度达到峰值后，没有降低，而略有增加的趋势。

原位拉拔试验是在破碎的不均质的软质泥岩中进行的。该地点附近发生的拱顶下沉为30～40 mm，净空位移为50～60 mm。拉拔试验结果如图12所示。

与室内试验结果一样，高承载力摩擦式锚杆比过去的摩擦式锚杆的附着强度增大约2倍，而且高承载力摩擦式锚杆的附着强度在峰值后，没有降低。因为拉拔初期荷载-位移曲线的倾斜大，与过去的摩擦式锚杆相比较，抑制围岩挤出的效果也增强。

图11　附着强度试验结果(室内试验)

图12　附着强度试验结果(原位拉拔试验)

Fig. 12In-situ pull-out test for conglutination strength of anchor bolt

4.1.3具有排水效果和注浆功能的锚杆系统[2]

山岭隧道在地下水位以下进行开挖时，一般都要采用排水钻孔和降低地下水位等的防治涌水的对策，把周边围岩的地下水位降低到能够确保掌子面的稳定，是施工的基本原则。但是在未固结的砂质土和黏性土互层以及低强度的砂岩层中，特别是因地下水的存在而有问题的围岩中，降低地下水位的方法有时也难以奏效。

为解决这个问题，日本以摩擦式锚杆为载体，进一步研发了一种效果好、经济性也好、具有排水效果和注浆功能的锚杆系统。

此锚杆系统除了具有锚杆的功能外，还具有自然排水和强制排水的效果，同时具有注浆功能，有可能成为在超前支护和脚部补强等工序中具有地层补强效果的方法。

新型锚杆系统示意如图13所示。锚杆系统基本上是由摩擦式锚杆和过滤管构成。前者具有止水及遮断空气的功能，后者具有排水效果。过去的摩擦式锚杆大多用于应对大量涌水和岩爆。锚固方式是利用围岩和钢管间的摩擦，钢管膨胀后可以立即发挥其效果。而过滤管是采用有孔的PVC管或钢管，可能有细颗粒流出，需配置具有过滤功能的过滤网。

图13　新型锚杆系统示意图

为使膨胀后的钢管确实与围岩密贴以及从围岩中排水或向围岩注浆，在摩擦式锚杆的端部设置一个爆裂锥。爆裂锥能够承受钢管膨胀完成时施加的压力，超过施加的压力后就能确实破坏。爆裂锥设置在栓塞部的前端，钢管膨胀完成后具有封堵作用，还具有爆裂锥破坏后使滤网与栓塞部联通的作用，是锚杆系统的最重要的构成要素。

锚杆的基本长度是4 m，根据功能及施工条件不同，过滤网部和栓塞部的长度可自由组合。一般来说，过滤部长1～3 m，栓塞部长1～4 m，可根据功能要求选定。

为了抑制细颗粒流失，过滤部的孔要设置过滤材料和不锈钢金属网(最小网距0.007 mm)。

排水后，进行注浆。在台阶法施工中，锚杆系统可在上半断面斜向设置锚杆而后进行注浆补强，也可以用于超前支护。

4.2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，更主要的是棒状或管状的纤维锚杆在开挖时容易切断，在需要进行扩大开挖的导坑或者掌子面采用的较多。

纤维锚杆是通过把强化纤维和树脂拉拔成形或挤压成形而成为一体的锚杆。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形制造；在不需要那么高的强度时，可通过热可塑性的树脂挤压成形制造。

一般来说，隧道所采用的纤维锚杆是拉拔成形的产品。拉拔成形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，所以若是同一强度，则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，但若用乙烯酯和环氧树脂的话，则有改善强度和耐久性的效果。

纤维锚杆的优点如下：

1)无腐蚀之忧，耐久性好。

2)质量轻，柔软性好，施工性好。

3)机械切割容易。

4)生产工厂化，质量均一。

玻璃纤维锚杆和金属锚杆的力学性能比较如表8所示。由表8可知，纤维锚杆的重量大约是钢材的1/4，拉拔强度约为钢材的2倍。纤维锚杆柔韧性好，剪切强度小，属易于切断的材料。

表8玻璃纤维锚杆和金属锚杆的力学性能指标比较

Table 8Comparison and contrast between fiber-glass anchor bolt and metal anchor bolt in terms of mechanical properties

锚杆种类比重/(kg/m3)拉拔强度/MPa弯曲强度/MPa抗压强度/MPa剪切强度/MPa纤维锚杆(玻璃纤维)1.8～2.1590～980690～1180390～590100～180金属锚杆7.8330～490330～440440370

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FRB套管保留下来的方法。

表9所示的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，但耐碱性低。在打设纤维锚杆后立即开挖的情况下，作为临时支护使用，没什么问题，但作为永久性支护使用时，就必须注意用其他的强化纤维等。

表9　玻璃纤维锚杆规格

掌子面纤维锚杆的锚固材料，有水泥类和树脂类。为了发挥耐碱性低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，一般不能和开挖碴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碴石分类收集进行处理。

日本市场销售的玻璃纤维锚杆的规格见表10。

表10玻璃纤维锚杆的杆体构造

Table 10Components and application scope of fiber-glass anchor bolt

规格适用范围CG22SCG25S中实型 中实型的全螺纹GFRP锚杆,可用接头管接续 主要用于CD法和超前导坑的系统锚杆CGR32中空型 中空型全螺纹GFRP锚杆,利用中空部注入锚固材料和围岩注浆材料或用接头管可接续施工。由于把树脂管插入到内侧,即使加压注浆,注入材料也不会逸出 主要用于掌子面补强,预定开挖步的注浆管

5发光型简易锚杆轴力计[1]

为了提高锚杆品质，在现场易于迅速评价其支护效果，并反馈到施工中而开发出的新的量测方法——发光型简易锚杆轴力计。

到目前为止，为评价锚杆动态，几乎都是采用应变计式的锚杆轴力计，但存在以下问题。

1)只有量测专业人员能够实施。

2)增加量测成本，量测地点受到限制。

3)量测结果在现场不能评价(不能进行实时评价)。

发光型简易锚杆轴力计由表压力磁盘(其规格见表11)和发光数据转换器(LEC)构成。数据转换器的管理值和发光颜色对应，可以任意设定。发光型简易锚杆轴力计外观见图14。

表11　压力磁盘的规格

图14　发光型简易锚杆轴力计的外观

在室内试验中，确认了作用在锚杆垫板上的荷载和数据转换器的发光颜色间的正确对应。图14的右侧是室内试验设定的数据转换器的作用荷载和发光颜色间的关系。

该设备首次应用于破碎的、不匀质的软质泥岩。为确认该设备的适用性和精度，在同一断面进行了通常的轴力计和本设备的量测试验。图15是通常的轴力计和发光轴力计量测获得的轴力量测值。图中虚线范围的值是发光轴力计的轴力值。

图15　锚杆轴力的比较

锚杆轴力历时变化如图16所示。由图16可知，2种方法获得的轴力值及其发生时期大致是吻合的。

图16　锚杆轴力历时变化

图17表示左右侧壁设置该设备的状况。左右发光的颜色不同说明该试验段处于偏压的状态。

图17　现场测定状况

6结束语

锚杆的首要问题是加快促进锚杆制品的商业化进程，或者说加快工厂化制造的进程，为此，编制锚杆制品标准化的行业标准是十分有必要的。一些有条件的大型企业应在这方面做出贡献。提高锚杆支护效果的基本方法是提高锚固材料与孔壁(围岩)的附着强度，因此要在锚固材料和围岩2方面下功夫，特别是锚固材料要根据围岩性质来选定。此外，有针对性地加强对摩擦式锚杆的研究以及评价锚杆充填率方法的研究也应提到日程上来。

参考文献(References)：

[1]横田素宏ら.ロックボルト施工の品质向上技术に关する研究[C]//トンネル工学报告集.日本： 日本土木学会，2012.(Yokota Suhiro, et al. Study on improvement of anchor bolt construction technology[C]//Symposium of Tunnel Engineering. Japan: Japan Society of Civil Engineers,2012.(in Japanese))

中国“智”造世界最大断面矩形盾构顶管机在大连下线

2015年12月25日，由我国自主研发制造的世界超大断面矩形顶管机“开拓号”在大连下线，为我国地下空间开发再添“神器”。该台矩形顶管机开挖断面宽10.42 m，高7.55 m，打破了此前世界最大矩形盾构的断面纪录。随后，“开拓号”矩形顶管机将运往天津，用于天津地铁11号线黑牛城内江路站出入口过街通道施工。

该矩形顶管机在结合以往施工经验的基础上，大胆创新，在设计上采用两层六刀盘布置形式，相邻刀盘的切削区域相互交叉，断面开挖覆盖率将达到95%，由于采取了多刀盘小范围掘进方式，对地层扰动少，地表沉降将大大降低。该设备的下线标志着中国在圆形、矩形等系列化顶管机产品设计开发方面达到世界领先水平。

盾构式顶管机以其开挖施工工艺简单、速度快、成洞质量高、安全、环保等特点，逐步成为城市地下空间开发的“新宠”，在地下城市共同管沟、城市下穿隧道、地铁站出入口、过街通道、地下停车场、地下商城、人防工程以及储气洞室等方面，有着广阔的应用空间和市场前景。

(摘自 中国中铁工程装备集团有限公司 http://www.crectss.com/news/1182015-12-26)

Tunneling by Mining Method: Lecture III: Anchor Bolts

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:In this paper, the major limitations of application of anchor bolt to tunnel in China are analyzed, which mainly include: 1) Non-industrialization of anchor bolt. 2) Merely using grouting anchor bolt regardless of other types. 3) Gasket is not applied for anchor bolt. 4) The anchor bolt function is simple. 5) Poor anchor bolt construction management system. In order to address these problems, the following issues are discussed: 1) The anchor bolt function should be fully re-assessed. 2) The anchor bolt should be standardized and the manufacturing of the anchor bolt should be industrialized, for which the BS ofCodesforAnchorBoltTechnologyis presented. 3) The methods to improve grouting anchor bolt qualities, including improvement of the conglutination strength and shearing strength, filling fullness and management of anchor bolt, are emphatically presented. 4) The modification, specification, function, merits and application scope of frictional anchor bolts (e.g. ZAM expansive anchor, high-performance frictional anchor bolt and anchor bolt with functions of drainage and grouting) and fiber anchor bolts are presented. 5) The simplpe luminous meter for measuring anchor bolt axial stress is presented in comparison with conventional stress meter. The results show that the indexes of simple luminous axial force meter matches those of conventional anchor bolt. Finally, some suggestions, including improvement of industrialization of anchor bolt, anchor bolt standard compiling, improvement of support structure of anchor bolt and surrounding rocks, study on frictional anchor bolt and filling fullness estimation method of anchor bolt, are given.

Keywords:tunneling; mining method; anchor bolt industrialization; conglutination strength; shearing strength; filling fullness; grouting anchor bolt; frictional anchor bolt; fiber anchor bolt; simple luminous axial force meter

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0001-11

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.001

作者简介：关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-20