由于工程所处位置的岩石性质、岩体结构、地质构造、水文条件及设计几何形状等条件的复杂性,对锚杆支护作用原理提出了许多理论与计算方法。锚杆对岩层的支护作用基本上可归纳为三种,即悬吊作用、组合梁作用(砌碹作用)及加固作用。

(1)悬吊作用。用锚杆把围岩表层松动或强度较低的受爆破扰动的岩层(或受构造面切割与母体分离的岩体)通过锚杆悬吊在围岩深层部位的坚硬稳定的岩层中,锚杆主要起联结元件的作用,使受扰动的岩层和深部的稳定岩体成为一个稳定完整的整体,以提高工程的安全度。

(2)组合梁作用。把锚杆与锚固的部分岩层视为一种组合加固的结构,即所谓组合梁、挤压拱,由该组合结构来承受上部围岩荷载,锚杆与围岩共同组成承载结构,即发挥碹拱的作用。

(3)加固作用。即通过布置一定间排距的系统锚杆,把相对松散的岩体加固成一种结构。上面所说的组合作用也可以视为加固作用。可以将用锚杆加固的岩层视为一个完整的受力结构,将深部的围岩视为荷载。这部分荷载通过锚杆加固了的结构层来承受,以保持整个围岩的稳定。此种方法应当说是支护原理中的主动支护方法,即在围岩变形很小时施作锚杆,并很快起到加固的作用,使相对松散的岩层提高承载力,即调动围岩的自身承载能力。这种作用在隧洞支护中是非常明显的,一般情况下,采用锚杆支护可以保证隧洞的安全稳定。如隧洞开挖后,及时进行锚杆支护,就能很好地控制围岩的力学形态变化,提高岩体抗剪能力与刚度,改善围岩应力重分布的效果,限制围岩的膨胀、变形、移动和裂隙的发展,充分利用围岩固有强度及自承作用,使隧洞保持其整体性及稳定性。锚杆的这种作用就是加固作用。“新奥法”中的支护理论就是充分地利用了锚杆的这种加固作用。

锚杆支护原理见图2-1。(www.daowen.com)

图2-1　锚杆支护原理示意图

(a)悬吊作用；(b)组合梁作用；(c)加固作用1—开挖周边线；2—连续压缩带[(c)图为承载拱]；3—锥形体压缩区；4—锚杆；5—垫板；6—地质构造面L—锚杆锚固深度；d—承载梁的厚度

锚杆的工作状态,往往不是以一种作用为主,而是多种作用同时存在。在国内较大的隧洞工程和地下发电厂房等大型及特大型洞室,很多是采用锚喷支护作为永久支护的,这些支护都是基于锚杆加固,形成一定厚度的锚杆加固围岩承载拱,利用锚杆的加固作用,调动围岩的自身承载能力,以达到隧洞的稳定。