1、公路工程中的岩土锚固技术公路工程中的岩土锚固技术中冶集团建筑研究总院中冶集团建筑研究总院 原副总工程师原副总工程师（冶金部建筑研究总院）（冶金部建筑研究总院）程良奎程良奎中国岩石力学与工程学会中国岩石力学与工程学会技术咨询委员会主任委员技术咨询委员会主任委员l引言引言l岩土锚固的力学作用岩土锚固的力学作用l边坡锚固边坡锚固l隧道锚喷支护隧道锚喷支护l桥梁结构物与受拉基础的锚固桥梁结构物与受拉基础的锚固l岩土锚固的试验与监测岩土锚固的试验与监测l结语结语1、引言、引言 自自1934年阿尔及利亚年阿尔及利亚cheursfas坝加固工程，坝加固工程，采用采用10000kN预应力锚杆（索）传递拉力至下
2、卧预应力锚杆（索）传递拉力至下卧的砂岩以来，岩土锚固已发展成为一门重要的和的砂岩以来，岩土锚固已发展成为一门重要的和具有巨大发展潜力的工程学科和技艺。已经广泛具有巨大发展潜力的工程学科和技艺。已经广泛应用于包括我国在内的世界各国的地下工程、边应用于包括我国在内的世界各国的地下工程、边坡工程、深基坑工程、混凝土重力坝加固加高与坡工程、深基坑工程、混凝土重力坝加固加高与新建工程、结构抗倾工程以及受拉型基础工程，新建工程、结构抗倾工程以及受拉型基础工程，已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工程问题的一种最经济、最有效的方法，成效极为程问题的一种最经济、最
3、有效的方法，成效极为显著。显著。边坡锚固边坡锚固隧道锚固隧道锚固大坝锚固大坝锚固抗浮锚固抗浮锚固岩土锚固技术岩土锚固技术 埋设于岩土中受拉杆件，用以加固不稳定的岩土体埋设于岩土中受拉杆件，用以加固不稳定的岩土体 或将结构物的拉应力传递给深部稳定地层或将结构物的拉应力传递给深部稳定地层 形成拉杆与岩土相互作用、共同工作的体系形成拉杆与岩土相互作用、共同工作的体系l充分发挥岩土体自身强度和自稳能力充分发挥岩土体自身强度和自稳能力l显著减小结构物体积和自重显著减小结构物体积和自重l提高工程的防灾抗震性能提高工程的防灾抗震性能l对加速水利、交通、矿山、市政、建筑等工对加速水利、交通、矿山、市政、建筑等
4、工程建设有重要作用程建设有重要作用岩土锚固岩土锚固的的特点特点与作用：与作用：1.1 概念概念 岩土锚固是在地层（岩土体）深处设置一岩土锚固是在地层（岩土体）深处设置一系列受拉杆件（筋体），用灌浆材料将杆件系列受拉杆件（筋体），用灌浆材料将杆件（筋体）与地层紧密固结在一起，通常对其施（筋体）与地层紧密固结在一起，通常对其施加预应力，同时这些杆件（筋体）也将地层与加预应力，同时这些杆件（筋体）也将地层与结构物连锁起来，用来加固岩土体的不稳定部结构物连锁起来，用来加固岩土体的不稳定部分或将结构物的拉应力传递给稳定的岩土体，分或将结构物的拉应力传递给稳定的岩土体，以保持岩土体与结构物的稳定。以保持岩
5、土体与结构物的稳定。l 锚杆（索）工作时，锚杆（索）工作时，“锚杆锚杆-地层地层”是相互是相互作用的。岩土锚杆（索）与被锚固的结构是作用的。岩土锚杆（索）与被锚固的结构是相互影响的。充分认识和能动利用岩土锚固相互影响的。充分认识和能动利用岩土锚固的工作特性，最大限度地调用岩土体自身强的工作特性，最大限度地调用岩土体自身强度和自稳能力，是经济有效的保障岩土锚固度和自稳能力，是经济有效的保障岩土锚固工程安全的前提。工程安全的前提。 地层开挖后，立即提供支护抗力；地层开挖后，立即提供支护抗力； 主动加固地层，有效控制变形发展；主动加固地层，有效控制变形发展； 改善岩土体的应力状态；改善岩土体的应力状
6、态； 提高地层软弱结构面、潜在滑移的抗剪强提高地层软弱结构面、潜在滑移的抗剪强 度，改善地层的其它力学性能；度，改善地层的其它力学性能；1.2 1.2 岩土锚固的工作特点岩土锚固的工作特点 可方便地设定调整锚杆的作用部位、方向、可方便地设定调整锚杆的作用部位、方向、密度和施作时机，以最小的支护抗力，获得密度和施作时机，以最小的支护抗力，获得最佳的稳定效果；最佳的稳定效果； 良好的延性，显著提高锚固结构物抵抗地良好的延性，显著提高锚固结构物抵抗地震和动力作用的能力；震和动力作用的能力； 将结构物与地层紧紧地联锁在一起，形成将结构物与地层紧紧地联锁在一起，形成共同工作体系。共同工作体系。2 2 岩
7、土锚固的力学作用岩土锚固的力学作用l抵抗竖向位移抵抗竖向位移l抵抗倾倒抵抗倾倒l控制地下洞室围岩变形和防止塌落控制地下洞室围岩变形和防止塌落l阻止地层的剪切破坏阻止地层的剪切破坏l抵抗结构物基底的水平位移抵抗结构物基底的水平位移l提高工程的抗震稳定性提高工程的抗震稳定性 2.1 抵抗竖向位移抵抗竖向位移式中：式中： P 锚固力总和锚固力总和 m 抵抗竖向位移的安抵抗竖向位移的安 全系数（全系数（1.051.2) U 结构底面的上浮力结构底面的上浮力 Q0 锚固前结构自重锚固前结构自重 h 地下水设防高度地下水设防高度 F 结构底面积结构底面积 v 结构物体积结构物体积 r 结构物容重结构物容重
8、 00PmUQmhFQ2.2 抵抗倾覆：抵抗倾覆：式中：式中： P 抵抗倾倒所需锚固力（垂直作用于结构底面）抵抗倾倒所需锚固力（垂直作用于结构底面） m 抵抗倾倒的安全系数（抵抗倾倒的安全系数（1.52.0) M（）（）、 M（） 锚固前作用与结构上的正弯矩或负弯矩锚固前作用与结构上的正弯矩或负弯矩之和之和 tp 锚固力的力矩半径锚固力的力矩半径 ( )( )MmM( )( )pmMMPt N作用在一条剪切面上的重作用在一条剪切面上的重量量G的垂直分力；的垂直分力；F=tg剪切面的磨擦系数；剪切面的磨擦系数；ll剪切面宽度；剪切面宽度；TT作用在一条剪切面上的重作用在一条剪切面上的重量量G G
9、的切向分力；的切向分力；P Pn n锚杆锚固力的垂直分力；锚杆锚固力的垂直分力；P Pt t锚杆锚固力的切向分力。锚杆锚固力的切向分力。tnPTlC)PN(fm2.3 阻止地层的剪切破坏阻止地层的剪切破坏 预应力锚杆与预应力锚杆与系统锚杆加固系统锚杆加固大型洞室。大型洞室。 预应力锚杆加固预应力锚杆加固后形成压应力环后形成压应力环2.4 控制地下洞室围岩变形和防止塌落控制地下洞室围岩变形和防止塌落3 3 边坡锚固边坡锚固3.1 边坡的稳定性分析与预应力锚杆承载力边坡的稳定性分析与预应力锚杆承载力的设计的设计（1）边坡稳定性计算）边坡稳定性计算l工程地质类比方法工程地质类比方法l极限平衡方法：如
10、瑞典园弧法、极限平衡方法：如瑞典园弧法、 简化简化Bishop法、法、Janbu法、法、Morgenstem -price法等法等l数值计算方法：数值计算方法： 连续介质：有限方法、边界元法、显式有限差分法连续介质：有限方法、边界元法、显式有限差分法（FLac方法）方法） 不连续介质：块体理论、不连续介质：块体理论、DEM、DDA、界面元方法等、界面元方法等方法方法对平衡条件的简化对平衡条件的简化滑裂面形状的假定滑裂面形状的假定力矩平衡力矩平衡力平衡力平衡满足满足不满足不满足全部满足全部满足 部分满足部分满足圆弧圆弧折线折线任意形状任意形状楔形体法楔形体法瑞典法瑞典法毕肖普法毕肖普法Spenc
11、er法法M-P法法常用的边坡稳定性分析的简化方法常用的边坡稳定性分析的简化方法（2）圆弧滑动）圆弧滑动TWWnWtTnTt土质或碎裂结构岩质边坡稳定性分析简图土质或碎裂结构岩质边坡稳定性分析简图 111nnnniinttifGTcLKGT111nnttniinniKGcLK TTGf GGnGtLTnTt式中：K边坡稳定安全系数；作用于第i条滑动面上的岩土重量（kN）；作用于第i条滑动面上的岩土体的垂直分力（kN）；作用于第i条滑动面上的岩土体的切向分力（kN）； 第i条滑动面圆弧段长度（m）； 预应力锚杆作用于滑动面上的总垂直力（kN）； 预应力锚杆作用于滑动面上的总切向力（kN）；f、c岩
12、土的摩擦系数tg与粘聚力c（kPa）；（3）平面滑动）平面滑动锚杆轴向力岩体重垂直反力摩擦力破坏面岩体边坡沿结构面平面滑动的稳定性分析简图岩体边坡沿结构面平面滑动的稳定性分析简图 0（）90sin()coscos()sinTtgGtgc AKTG当TG式中：K边坡稳定安全系数；预应力锚杆轴向拉力设计值（kN）；边坡岩体自重（kN）；边坡岩体结构面的内摩擦角（0）； 结构面与水平面的夹角（0）； 预应力锚杆的倾角（0）；c边坡岩体结构面的粘聚力（kPa）；A边坡岩体结构面面积（m2）； 开挖台阶开挖台阶 台阶垂直高度：岩质边坡台阶垂直高度：岩质边坡 810m 土质边坡土质边坡 6 8m 第一级台
13、阶高一般为第一级台阶高一般为4 6m，常采用挡墙。，常采用挡墙。 坡率：微风化岩石坡率：微风化岩石 1:0.1 1:0.3 中风化岩石中风化岩石 1:0.5 1:0.75 强风化岩石强风化岩石 1:0.75 1:1.0 坡积土坡积土 1:1.0 1:1.53.2 边坡的开挖形态边坡的开挖形态l裁水沟；裁水沟；l纵横排水沟；（急流槽）纵横排水沟；（急流槽）l仰斜孔排水；（排泄滑带水）仰斜孔排水；（排泄滑带水）l排水洞排水洞3.3 防排水设计防排水设计塘塘滑坡区域滑坡区域高速公路高速公路地下水对边坡稳定性的影响地下水对边坡稳定性的影响典型断面图典型断面图降低地下水位对边坡安全系数的影响降低地下水位
14、对边坡安全系数的影响地下水位降幅地下水位降幅(m)0 02 24 46 68 8完全疏干完全疏干边坡稳定系数边坡稳定系数0.980.981.021.021.051.051.081.081.111.111.261.26地下排水对下滑力的影响地下排水对下滑力的影响地下水位降幅（地下水位降幅（m m）0 02 24 46 68 8整体剩余下滑推力（整体剩余下滑推力（MNMN）178817881486148612061206930930688688l 坡体防护：坡体防护： 有放坡条件：预应力锚杆，非预应力锚杆有放坡条件：预应力锚杆，非预应力锚杆 无防坡条件：锚拉排桩、锚拉挡墙无防坡条件：锚拉排桩、锚拉
15、挡墙 滑坡防治：抗滑桩、锚拉抗滑桩、预应力锚杆滑坡防治：抗滑桩、锚拉抗滑桩、预应力锚杆 l表面防护：表面防护： 六角空心砖、三维植被网、喷播植草、喷射混凝土等六角空心砖、三维植被网、喷播植草、喷射混凝土等3.4 边坡防护型式的选择：边坡防护型式的选择：3.5 提高岩土预应力锚杆承载力的主要方法提高岩土预应力锚杆承载力的主要方法传统岩土锚杆抗拔力的计算公式：传统岩土锚杆抗拔力的计算公式：sPD L q 通过试验研究，在提高锚固段灌浆体与土体间通过试验研究，在提高锚固段灌浆体与土体间的粘结强度（的粘结强度（qs ） 、有效利用锚固段全长（、有效利用锚固段全长（L）土）土体的抗剪强度和扩大锚固段直径
16、（体的抗剪强度和扩大锚固段直径（D）等方面均有）等方面均有所创新。从而大幅度提高了岩土锚杆的承载力。所创新。从而大幅度提高了岩土锚杆的承载力。提高岩土锚杆承载力的主要方法：提高岩土锚杆承载力的主要方法：l 可重复高压灌浆锚固体系可重复高压灌浆锚固体系 显著增大锚固段周边土体的抗剪强度和锚固显著增大锚固段周边土体的抗剪强度和锚固段灌浆体与土层间的粘结强度段灌浆体与土层间的粘结强度qs；l 荷载分散锚固体系（单孔复合锚固，荷载分散锚固体系（单孔复合锚固，SBMA体系）体系） 有效降低锚固长度上粘结应力峰值，使沿锚有效降低锚固长度上粘结应力峰值，使沿锚固段全长的粘结应力分布较均匀，应力值较小；固段全
17、长的粘结应力分布较均匀，应力值较小；l 旋喷扩体（端部扩大头）型锚固旋喷扩体（端部扩大头）型锚固 利用扩体端部土体的承压作用。利用扩体端部土体的承压作用。l 采用二次劈裂注浆工艺采用二次劈裂注浆工艺 实现重复高压灌浆实现重复高压灌浆l 抗拔力较低抗拔力较低l 蠕变量较大蠕变量较大 土层锚杆应用的关键难题：土层锚杆应用的关键难题：预埋二次劈裂袖阀灌浆管预埋二次劈裂袖阀灌浆管（1）可重复高压灌浆（袖阀管）可重复高压灌浆（袖阀管灌浆）锚固体系灌浆）锚固体系密封装置密封装置效果：效果：l提高抗拔力提高抗拔力60100%l减小蠕变量减小蠕变量1/22/3l节约造价节约造价1/3左右左右 一次常压灌浆体与
18、二次一次常压灌浆体与二次 高压灌浆体的比较高压灌浆体的比较可重复高压灌浆锚杆构造可重复高压灌浆锚杆构造1968年上海太平洋饭店软土基坑工程年上海太平洋饭店软土基坑工程坑深坑深 12.51.36m重复高压灌浆型锚杆应用的典型实例：重复高压灌浆型锚杆应用的典型实例：l 地层：淤泥质砂质粘地层：淤泥质砂质粘土，土，c值值1535kPa，值值01.5o；l 支护：支护：45cm厚钢筋混厚钢筋混凝土板桩，加四道预凝土板桩，加四道预应力锚杆；应力锚杆；l 锚杆直径锚杆直径168m，锚固，锚固段长段长2025；l 锚杆极限抗拔力：锚杆极限抗拔力：800kN，比普通灌浆锚，比普通灌浆锚杆提高近一倍。杆提高近一
19、倍。1995年天津百货大楼基坑工程年天津百货大楼基坑工程（深（深13.5m）l 地层：杂填土、粉质地层：杂填土、粉质粘土，粘土，c值值16kPa，值值14o，地下水埋深，地下水埋深1.52.0m；l 支护：支护：80cm地连墙，地连墙，四道预应力锚杆（简四道预应力锚杆（简易型二次高压灌浆处易型二次高压灌浆处理；理；l 效果：最大位移达效果：最大位移达5cm，一般为，一般为2.03.0cm。（2）荷载分散锚固体系）荷载分散锚固体系l沿锚固段长度剪应力分布极不均匀沿锚固段长度剪应力分布极不均匀l蠕变量大蠕变量大l超过一定长度，抗拔力增长有限或不再增长超过一定长度，抗拔力增长有限或不再增长传统集中拉
20、力型锚杆的缺点：传统集中拉力型锚杆的缺点：北京某工程砂性土层中锚杆的粘结摩阻分布状态北京某工程砂性土层中锚杆的粘结摩阻分布状态 拉力荷载与粘结应力拉力荷载与粘结应力沿锚固段长度的分布沿锚固段长度的分布 (德国德国 Scheele) 非粘性土中锚杆非粘性土中锚杆承载力与土体承载力与土体种类种类,锚固段长锚固段长度的关系度的关系 (德国德国 Ostemayer)开发压力分散型锚固技术，显著改善锚杆荷载传力方式开发压力分散型锚固技术，显著改善锚杆荷载传力方式压力分散型结构构造图压力分散型结构构造图压力分散型锚杆粘结应力分布特征压力分散型锚杆粘结应力分布特征锚杆防腐特性比较锚杆防腐特性比较 简单防腐简
21、单防腐 灌浆体受拉易开裂灌浆体受拉易开裂 多层防腐多层防腐 灌浆体受压不易开裂灌浆体受压不易开裂拉力集中型拉力集中型压力分散型压力分散型优点：优点：l粘结力分布均匀，峰值可降低粘结力分布均匀，峰值可降低 2/3 以上，地层强以上，地层强度利用率高；度利用率高；l同等锚固长度，抗拔力可提高同等锚固长度，抗拔力可提高 30% ；l锚杆抗拔力与锚固长度成比例增长；锚杆抗拔力与锚固长度成比例增长；l蠕变变形量小；蠕变变形量小；l耐久性显著提高；耐久性显著提高；l工程造价节约工程造价节约 25% 以上。以上。地层条件锚杆型式锚固段长(m)锚杆极限承载力(KN)集中拉力型18400450粉质粘土拉力分散型
22、16（28）600640集中拉力型19600620粘质粉土拉力分散型16（28）810830昆仑公寓基坑不同类型锚杆承载力比较昆仑公寓基坑不同类型锚杆承载力比较-32.0米-24.0米原拉力型锚杆长25米-20.0米地连墙厚0.8米-9.0米土钉墙0.00砂卵石层拉力分散型锚杆长20米厚4.5米粘性土层15.0米砂卵石层北京北京LG大厦基坑支护剖面图大厦基坑支护剖面图LG大厦基坑工程锚杆性能比较表大厦基坑工程锚杆性能比较表类型类型长度长度抗拔力抗拔力集中拉力型集中拉力型25m400450kN拉力分散型拉力分散型20m650kN 至今，荷载分散型锚固体系已广泛应用于我至今，荷载分散型锚固体系已广
23、泛应用于我国的边坡、基坑和结构抗浮工程中。国的边坡、基坑和结构抗浮工程中。北京中银大厦锚杆施工北京中银大厦锚杆施工中银大厦工程拆除锚杆芯体中银大厦工程拆除锚杆芯体级钢绞线北京首都机场抗浮锚杆布置示意图北京首都机场抗浮锚杆布置示意图福建京福高速公路边坡工程福建京福高速公路边坡工程（3）旋喷扩体（端部扩大头）型锚固）旋喷扩体（端部扩大头）型锚固l 采用高压喷射注浆原理，水力切割土体扩孔，并用水泥采用高压喷射注浆原理，水力切割土体扩孔，并用水泥浆置换扩孔段内的土体，形成扩大头；浆置换扩孔段内的土体，形成扩大头；l 扩大头直径约扩大头直径约0.70.8m，最大可达，最大可达1.2m；l 青岛奥帆广场工
24、程锚杆锚固段长度青岛奥帆广场工程锚杆锚固段长度10m（其中扩大头长度（其中扩大头长度5m），锚杆承载力达），锚杆承载力达1500kN；l 该技术已被江苏省列为推荐性技术标准。该技术已被江苏省列为推荐性技术标准。级防腐预应力锚杆级防腐预应力锚杆基坑支护锚杆结构示意图基坑支护锚杆结构示意图扩大头锚杆在黏性土中的极限锚固力：扩大头锚杆在黏性土中的极限锚固力：rucqLdCdDCLDPu2224)(1提高抗拔力的提高抗拔力的主要部分主要部分式中：式中： 锚固力锚固力因子，取因子，取9.0。c扩大头锚杆在砂土中的极限锚固力：扩大头锚杆在砂土中的极限锚固力：22124crrDdPhD L qd L q 自
25、由段与锚固段均位于塌滑区内自由段与锚固段均位于塌滑区内部分锚固段位于塌滑区内部分锚固段位于塌滑区内锚固段位于稳定地层内锚固段位于稳定地层内l 自由段要有足够的长度，要穿过滑裂面自由段要有足够的长度，要穿过滑裂面1.5m。3.6 自由段自由段l自由段应永久自由。自由段应永久自由。 对于将拉力传至稳定地层的预应力锚杆而言，对于将拉力传至稳定地层的预应力锚杆而言，若在锚杆锁定后，将自由段（无防止粘结的若在锚杆锁定后，将自由段（无防止粘结的PE层）层）用水泥浆灌满，则当锚杆受力时，会产生下列不良用水泥浆灌满，则当锚杆受力时，会产生下列不良后果。后果。l灌浆体开裂（无灌浆体开裂（无PE层），腐蚀的风险加
26、大；层），腐蚀的风险加大；l不能将荷载完全传递给破裂面以外的稳定地层；不能将荷载完全传递给破裂面以外的稳定地层；l当外力增强时，不能利用自由段调节应力，易产当外力增强时，不能利用自由段调节应力，易产生应力集中；生应力集中；l降低预应力锚杆的抗震效应；降低预应力锚杆的抗震效应；l与测量拉力变化的锚杆，工作状况不一致。与测量拉力变化的锚杆，工作状况不一致。3.7 传力结构传力结构l整体式钢筋混凝土格构整体式钢筋混凝土格构l预制的钢筋混凝土板件预制的钢筋混凝土板件十字型、菱型、矩型十字型、菱型、矩型l混凝土墩座混凝土墩座 传力结构应具有足够的强度和刚度，并有利于传力结构应具有足够的强度和刚度，并有利
27、于尽快提供预应力锚杆的支护抗力。尽快提供预应力锚杆的支护抗力。 传力结构的主要形式：传力结构的主要形式：日本边坡锚固施工现场日本边坡锚固施工现场3.8 边坡主要破坏模式与锚杆的设置边坡主要破坏模式与锚杆的设置倾倒变形模式倾倒变形模式3.9 锚杆的防腐保护锚杆的防腐保护（1）锚杆的防腐保护等级和措施的确定）锚杆的防腐保护等级和措施的确定l锚杆的设计使用年限锚杆的设计使用年限l所处地层有无腐蚀性所处地层有无腐蚀性lpH值小于值小于4.5；l电阻率小于电阻率小于 ；l出现硫化物；出现硫化物；l出现杂散电流，或出现对水泥浆体和混凝土的出现杂散电流，或出现对水泥浆体和混凝土的化学腐蚀。化学腐蚀。2000
28、cmg 当对地层的监测和调查中发现下列一种或当对地层的监测和调查中发现下列一种或多种情况时，应判定该地层具有腐蚀性：多种情况时，应判定该地层具有腐蚀性：（2）防护等级和要求）防护等级和要求l 腐蚀环境中的永久锚杆应采用腐蚀环境中的永久锚杆应采用级防腐构造；级防腐构造；l 腐蚀环境中的临时性锚杆和非腐蚀环境中的永腐蚀环境中的临时性锚杆和非腐蚀环境中的永久锚杆可采用简单久锚杆可采用简单(级级)防腐保护构造。防腐保护构造。锚杆的锚杆的、 级防护构造及要求级防护构造及要求防腐保护等级防腐保护等级锚杆类型锚杆类型预应力锚杆和锚具的防护要求预应力锚杆和锚具的防护要求锚头锚头自由段自由段锚固段锚固段拉力型、
29、拉力拉力型、拉力分散型分散型采用过渡管，采用过渡管，锚具用混凝土锚具用混凝土封闭或钢罩保封闭或钢罩保护护采用注入油脂采用注入油脂的护套，或无的护套，或无粘结钢绞线，粘结钢绞线，或有外套保护或有外套保护管的无粘结钢管的无粘结钢绞线绞线采用注入水泥采用注入水泥浆的波形管浆的波形管压力型、压力压力型、压力分散型分散型采用过渡管，采用过渡管，锚具用混凝土锚具用混凝土封闭或用钢罩封闭或用钢罩保护保护采用无粘结钢采用无粘结钢绞线绞线采用无粘结钢采用无粘结钢绞线绞线拉力型、拉力拉力型、拉力分散型分散型采用过渡管，采用过渡管，锚具用钢罩保锚具用钢罩保护或涂防腐油护或涂防腐油脂脂采用注入油脂采用注入油脂的护套，
30、或无的护套，或无粘结钢绞线粘结钢绞线注浆注浆锚杆锚杆级防护构造级防护构造锚杆锚杆级防护构造级防护构造锚杆粘结段采用单层波纹管和聚酯保护的典型双层防护图锚杆粘结段采用单层波纹管和聚酯保护的典型双层防护图英国锚杆防腐保护要求英国锚杆防腐保护要求锚杆粘结段采用双层波纹管和水泥灌浆保护的典型双层防护图锚杆粘结段采用双层波纹管和水泥灌浆保护的典型双层防护图3.10 随开挖、随防护、随锚固随开挖、随防护、随锚固 最大限度缩小开挖后未防护的面积和时间最大限度缩小开挖后未防护的面积和时间三峡船闸高边坡锚固工程三峡船闸高边坡锚固工程3.11 国内外边坡锚固工程实例国内外边坡锚固工程实例锦屏电站左坝肩高边坡锚固工
31、程锦屏电站左坝肩高边坡锚固工程福建省京福高速公路边坡锚固工程福建省京福高速公路边坡锚固工程 厦门仙岳厦门仙岳山庄边坡山庄边坡锚固工程锚固工程台湾台湾日本：日本：意大利意大利 喷锚支护是喷射混凝土（喷锚支护是喷射混凝土（shotcrete）与锚杆（）与锚杆（anchor, bolts）联合支护的统称，喷锚支护用于隧道和地下洞室工程，）联合支护的统称，喷锚支护用于隧道和地下洞室工程，具有保护围岩和最大限度发挥围岩自支承能力的功效，被国具有保护围岩和最大限度发挥围岩自支承能力的功效，被国内外公认为是一种安全可靠，经济有效地主动加固围岩支护内外公认为是一种安全可靠，经济有效地主动加固围岩支护方法，曾引
32、发了我国隧道和地下洞室建造技术的重大变革。方法，曾引发了我国隧道和地下洞室建造技术的重大变革。随着我国水利、交通和城市地下空间建设的飞速发展，喷锚随着我国水利、交通和城市地下空间建设的飞速发展，喷锚支护正展示着无限的生机。支护正展示着无限的生机。4.1 喷锚支护技术的发展喷锚支护技术的发展4 隧道锚喷支护隧道锚喷支护 1905年美国用钢筋锚杆加固矿山巷道工程年美国用钢筋锚杆加固矿山巷道工程 1908年波兰将岩石锚杆用于年波兰将岩石锚杆用于 Mir 矿矿 1942年瑞士年瑞士Aliva公司研制成转子式混凝土喷射机公司研制成转子式混凝土喷射机 1947年德国年德国BSM公司研制成双罐式混凝土喷射机
33、公司研制成双罐式混凝土喷射机 19481953年间年间,奥地利卡普隆水电站米尔隧道最奥地利卡普隆水电站米尔隧道最早使用了喷射混凝土支护早使用了喷射混凝土支护 上世纪上世纪50年代初，奥地利年代初，奥地利 Rabcewicz 创立了以最创立了以最大限度发挥岩石自支承能力为理论基础的新奥法大限度发挥岩石自支承能力为理论基础的新奥法(New Austrian Tunneling Method)； 上世纪上世纪50年代，地质条件十分恶劣的奥地利陶恩年代，地质条件十分恶劣的奥地利陶恩（Taurus)公路隧道和巴基斯坦贝拉水道工程（宽公路隧道和巴基斯坦贝拉水道工程（宽21m 高高24m)等大断面隧道采用喷
34、锚支护相继获得等大断面隧道采用喷锚支护相继获得成功；成功； 1965年年11月，冶金部建筑研究总院在多年研究工月，冶金部建筑研究总院在多年研究工作的基础上，在鞍钢张岭铁矿作的基础上，在鞍钢张岭铁矿157平洞成功地应平洞成功地应用了喷射混凝土支护；用了喷射混凝土支护； 1966年，冶金部建筑研究总院先后在年，冶金部建筑研究总院先后在 本本钢南芬尾矿坝泄水洞（长钢南芬尾矿坝泄水洞（长2km)及攀钢专及攀钢专用铁路隧道中应用喷锚支护；用铁路隧道中应用喷锚支护； 1966年，铁道部科学研究总院西南所在年，铁道部科学研究总院西南所在成昆铁路隧道中应用喷锚支护；成昆铁路隧道中应用喷锚支护； 1974年，辽
35、宁回龙山水电站主厂房（宽年，辽宁回龙山水电站主厂房（宽17.2m 高高37m）应用单一的锚喷支护取得良好的稳定）应用单一的锚喷支护取得良好的稳定效果；效果； 1980年年至今，喷锚支护在我国（矿山、交通、至今，喷锚支护在我国（矿山、交通、水电）隧道和各类地下洞室工程中获得了广泛水电）隧道和各类地下洞室工程中获得了广泛的应用及蓬勃的发展。的应用及蓬勃的发展。 在大跨度在大跨度30m左右，高边墙（左右，高边墙（70m)洞群相互洞群相互交叉的水电站洞室中，采用单一的喷锚支护，交叉的水电站洞室中，采用单一的喷锚支护，被认为是一种经济有效，能永久保持工程稳被认为是一种经济有效，能永久保持工程稳定的支护方
36、法。中国隧道与地下洞室中的喷定的支护方法。中国隧道与地下洞室中的喷锚支护用量已达世界之首。锚支护用量已达世界之首。4.2 喷锚支护的工作特性与力学作用喷锚支护的工作特性与力学作用 喷锚支护加固围岩的力学作用来源于其独喷锚支护加固围岩的力学作用来源于其独特的工作特性。这些特性构成最大限度地保护特的工作特性。这些特性构成最大限度地保护围岩，发挥围岩自支承能力基本要素。围岩，发挥围岩自支承能力基本要素。 及时性及时性 粘结性粘结性 柔性柔性 深入性深入性 灵活性（可调整性）灵活性（可调整性） 密封性密封性（1）及时性）及时性 开挖后立即提供支护开挖后立即提供支护抗力抗力 避免岩石较长时间处避免岩石较
37、长时间处于单轴或双轴状态于单轴或双轴状态,而而尽快进入三轴状态。尽快进入三轴状态。岩石三轴压缩应力岩石三轴压缩应力-应变曲线应变曲线 有效利用空有效利用空间效应（端间效应（端部支承效部支承效应），限制应），限制支护前变形支护前变形的发展，阻的发展，阻止围岩进入止围岩进入松弛状态。松弛状态。离掌子面不同距离处围岩变形离掌子面不同距离处围岩变形 喷射混凝土喷射混凝土 薄、分层，加纤维薄、分层，加纤维 锚杆锚杆 细、长细、长 允许围岩有一定变形，而不使其进入松散破坏允许围岩有一定变形，而不使其进入松散破坏状态状态（2）柔性）柔性地下洞室开挖后，在围岩不致松散的前提地下洞室开挖后，在围岩不致松散的前提
38、下，维护洞室稳定所需的支承抗力随塑下，维护洞室稳定所需的支承抗力随塑性区的增大而减少。性区的增大而减少。围岩特性曲线与支护特性曲线作用图围岩特性曲线与支护特性曲线作用图 喷射混凝土与围岩紧密粘结，粘结强度喷射混凝土与围岩紧密粘结，粘结强度 1.0Mpa，能在结合面上传递剪应力、拉应，能在结合面上传递剪应力、拉应力；力； 充填节理裂隙，使被分割的岩块相互联结，充填节理裂隙，使被分割的岩块相互联结，保持镶嵌、咬合效应。保持镶嵌、咬合效应。（3）粘结性）粘结性喷射混凝土加固岩石拱荷载试验喷射混凝土加固岩石拱荷载试验试件名称试件名称试件形式与加试件形式与加荷方式荷方式破坏荷载破坏荷载(kN)50kN荷
39、载拱中荷载拱中挠度（挠度（mm)碎块状围岩拱碎块状围岩拱 73 9喷射混凝土加喷射混凝土加固拱固拱 701 0.4喷锚支护接触应力实测结果喷锚支护接触应力实测结果工程名称工程名称岩性岩性描述描述覆盖覆盖层厚层厚度度(M)跨度跨度(M)喷射喷射混凝混凝土土(CM)锚锚杆杆最大最大径向径向应力应力(MPa)平均径平均径向应力向应力(MPa)最大切最大切向应力向应力(MPa)平均切平均切向应力向应力(MPa)加拿大温格华遂洞加拿大温格华遂洞60+21测站测站软弱的潮湿软弱的潮湿的砂岩的砂岩806.015有有0.770.482.70.96德国德国SCHWAIKHEIM遂洞遂洞(断面断面I)塑性黏土质塑
40、性黏土质泥灰岩泥灰岩201020有有0.260.10.50.25墨西哥墨西哥墨西哥城排水隧道墨西哥城排水隧道砂质凝灰岩砂质凝灰岩和砂和砂501420有有0.80.566.53.2德国德国FRANKFURT南部隧道南部隧道黏土黏土 砂砂106.720有有0.270.152.51.5奥地利奥地利TARBELAG3号测站号测站片麻岩片麻岩千枚千枚岩岩石灰岩石灰岩1502220有有0.80.39.02.2奥地利陶恩隧道奥地利陶恩隧道2139站站破碎千枚岩破碎千枚岩9001115有有0.80.42.51.5中国普济隧道中国普济隧道泥质页岩泥质页岩407.015无无0.630.39.24.1 喷射混凝土与
41、围岩间的良好黏结喷射混凝土与围岩间的良好黏结,在其结合面上即能承在其结合面上即能承受径向力也能承受切向力。并使径向力转化为切向力受径向力也能承受切向力。并使径向力转化为切向力,形成加固岩石拱。形成加固岩石拱。 埋深、跨度、地质条件均有很大差异的地下工程，采埋深、跨度、地质条件均有很大差异的地下工程，采用喷锚支护后测得的平均径向应力，一般变化于用喷锚支护后测得的平均径向应力，一般变化于0.30.5MPa间。间。 喷锚支护与围岩共同工作的实质，是更有效的调节围喷锚支护与围岩共同工作的实质，是更有效的调节围岩岩-支护间的应力状态，发挥围岩的自承作用。支护间的应力状态，发挥围岩的自承作用。洞顶形成岩石
42、拱洞顶形成岩石拱 岩石锚杆特别是预应力锚杆可牢固地锚固于围岩石锚杆特别是预应力锚杆可牢固地锚固于围岩深部，具有明显改善围岩力学特性的作用。岩深部，具有明显改善围岩力学特性的作用。（4）深入性）深入性 提高岩石强度提高岩石强度 加固拱效应加固拱效应 改善应力状态改善应力状态 提高岩体完整性提高岩体完整性锚杆加固拱荷载试验结果锚杆加固拱荷载试验结果试件名试件名称称试件形式与加荷方式试件形式与加荷方式破坏荷破坏荷载载（ kN ）50 kN 荷载荷载时拱中挠时拱中挠度（毫米）度（毫米）碎块状碎块状岩石拱岩石拱739锚杆加锚杆加固拱固拱5071.2-350-300-250-200-150-100-500
43、024681012141618孔深（m）变形值（0.001mm）19#-750kN19#=3450kN18#-3450kN2天后3天后D5 孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线-350-300-250-200-150-100-500024681012141618孔深（m）变形值（0.001mm）55#-3450kN3天后6天后7天后D1 孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线改善应力状改善应力状态，形成压态，形成压应力区应力区对开挖损伤区锚固效应的测试对开挖损伤区锚固效应的测试 波速变化率大于波速变化率大于 10% 的测点在钻孔内分布直方图的测点在
44、钻孔内分布直方图 提高岩体提高岩体的完整性的完整性1000512弹模值（GPa）152035302540张 拉 后4张 拉 前孔 深 （ m）35灌 浆 后67提高岩石弹模提高岩石弹模 30% 左右左右 灵活性：主要指可根据围岩地质条件及灵活性：主要指可根据围岩地质条件及时调整支护类型、加固方式、支护步骤和施时调整支护类型、加固方式、支护步骤和施工程序等。既可系统加固，也可局部加固；工程序等。既可系统加固，也可局部加固；既可单喷，也可喷锚联合；既可单一的喷锚既可单喷，也可喷锚联合；既可单一的喷锚永久支护，也可与钢拱架相结合或喷锚作为永久支护，也可与钢拱架相结合或喷锚作为初期支护，最终与混凝土衬
45、砌相复合。初期支护，最终与混凝土衬砌相复合。（5） 灵活性（可调整性）灵活性（可调整性） 特别是可根据软弱结构面的产状，在洞体的特别是可根据软弱结构面的产状，在洞体的不同部位采用不同深度、不同方位的锚杆，以便不同部位采用不同深度、不同方位的锚杆，以便有针对性地加固薄弱环节。有针对性地加固薄弱环节。S SC Ct tt tt t1 12 23 3P PS SP Pd d围岩特性曲线与支护特性曲线相互作用01002003004005006000100200300(mm)施工二次支护锚杆加强水平收敛值时 间(天)（6）密封性）密封性 高水泥含量高水泥含量 高砂率高砂率 低水灰比低水灰比 无施工缝无施
46、工缝 良好的不透水良好的不透水 性性 改善了混凝土的抗冻性改善了混凝土的抗冻性 阻止充填物流失阻止充填物流失4.3 隧道洞室喷锚支护的新进展隧道洞室喷锚支护的新进展 自上世纪八十年代以来，二滩、小浪底、龙滩、水布自上世纪八十年代以来，二滩、小浪底、龙滩、水布垭、彭水、三峡、小湾、构皮滩、溪洛渡等一大批水电站垭、彭水、三峡、小湾、构皮滩、溪洛渡等一大批水电站的地下厂房、主变室、尾水洞、尾闸室均采用单一的喷锚的地下厂房、主变室、尾水洞、尾闸室均采用单一的喷锚支护作为永久支护，取得了良好的稳定效果。支护作为永久支护，取得了良好的稳定效果。 （1）大跨度、高边墙洞室群工程采用单一的锚喷支）大跨度、高边
47、墙洞室群工程采用单一的锚喷支护，积累了丰富经验。护，积累了丰富经验。 小浪底：小浪底： 跨度：跨度：26.2m 高度：高度：61.4m三峡：三峡： 跨度：跨度：32.6m 高度：高度：86.24m水布垭：水布垭： 跨度：跨度：23.0m 高度：高度：66.5m国内水电系统大型洞室断面尺寸国内水电系统大型洞室断面尺寸 彭水：彭水： 跨度：跨度：30.0m 高度：高度：78.5m龙滩：龙滩： 跨度：跨度：30.3m 高度：高度：75.1m溪洛渡：溪洛渡： 跨度：跨度：33.0m 高度：高度：85.0m围岩条件围岩条件 、级级支护形式支护形式1520cm厚厚 配筋喷射混凝土或配筋喷射混凝土或 纤维喷
48、射混凝土纤维喷射混凝土69m长长 系统锚杆或系统锚杆或 系统锚杆系统锚杆1500KN 2000KN 预应力长锚杆预应力长锚杆龙滩电站喷锚支护结构图龙滩电站喷锚支护结构图龙滩电站地下洞室喷锚支护完成图龙滩电站地下洞室喷锚支护完成图彭水电站主厂房彭水电站主厂房三峡电站地下主厂房三峡电站地下主厂房水布垭水利枢纽地下主厂房水布垭水利枢纽地下主厂房锦屏一级电站地下主厂房 （1）. 低预应力锚杆（张拉锚杆，低预应力锚杆（张拉锚杆，Rockbolt Tensioned） 端部树脂卷锚固端部树脂卷锚固 端部快硬水泥卷锚固端部快硬水泥卷锚固 涨壳式中空锚杆涨壳式中空锚杆 张拉锚杆取代非预应力的长粘结型锚杆，对隧
49、道、张拉锚杆取代非预应力的长粘结型锚杆，对隧道、洞室顶拱的锚杆支护具有重要作用：洞室顶拱的锚杆支护具有重要作用： 确保施工质量和锚固效果确保施工质量和锚固效果 迅速提供支护抗力（迅速提供支护抗力（60150kN），有利于控），有利于控制岩体变形制岩体变形 形成压应力拱形成压应力拱4.4 岩石锚固技术岩石锚固技术形成压应力拱形成压应力拱1）涨壳式中空锚杆）涨壳式中空锚杆杭州图强公司杭州图强公司Willams公司公司 立即提供支护抗力立即提供支护抗力 系统布置，能形成压系统布置，能形成压应力拱应力拱 注浆饱满，耐久性强注浆饱满，耐久性强 不饱和聚酯树脂与无机填充料混合制成卷体，安装不饱和聚酯树脂与
50、无机填充料混合制成卷体，安装与孔底经搅拌后，几分钟内即可提供与孔底经搅拌后，几分钟内即可提供60KN的抗力。的抗力。树脂锚杆施工工艺树脂锚杆施工工艺 水泥与早强剂掺合后制成卷体，施工时整水泥与早强剂掺合后制成卷体，施工时整卷先浸水再置于孔底，经搅拌后浆锚杆杆体锚卷先浸水再置于孔底，经搅拌后浆锚杆杆体锚固于锚孔底端，能在锚杆安装后固于锚孔底端，能在锚杆安装后1h提供提供60KN的的抗力。抗力。快硬水泥卷锚快硬水泥卷锚杆施工工艺杆施工工艺 （2） 摩擦型锚杆摩擦型锚杆 1 ）缝管锚杆）缝管锚杆 2）水涨式锚杆）水涨式锚杆 上述两种摩擦型锚杆及胀上述两种摩擦型锚杆及胀壳式中空锚杆对控制高应壳式中空锚
