锚杆是为了加固围岩而锚固在岩体中的金属杆件。锚杆插入岩体后,将岩块串联起来,改善了围岩的原有结构性质,使不稳定的围岩趋于稳定,锚杆与围岩共同承担山岩压力。锚杆支护是一种有效的内部加固方式。

1.锚杆的作用

(1)悬吊作用。悬吊作用即利用锚杆把不稳定的岩块固定在完整的岩体上,如图11.26(a)所示。

(2)组合岩梁。组合岩梁是将层理面近似水平的岩层用锚杆串联起来,形成一个巨型岩梁,以承受岩体荷载,如图11.26(b)所示。

(3)承载岩拱。通过锚杆的加固作用,使隧洞顶部一定厚度内的缓倾角岩层形成承载岩拱。但在层理、裂隙近似垂直,或在松散、破碎的岩层中,锚杆的作用将明显降低,如图11.26(c)所示。

2.锚杆的分类

按锚固方式的不同可将锚杆分为：张力锚杆和砂浆锚杆两类。前者为集中锚固,后者为全长锚固。

图11.26　锚杆的作用

(a)悬吊作用；(b)组合岩梁；(c)承载岩拱

(1)张力锚杆。张力锚杆有楔缝式锚杆和胀圈式锚杆两种。楔缝式锚杆由楔块、锚栓、垫板和螺帽等四部分组成,如图11.27(a)所示。锚栓的端部有一条楔缝,安装时将钢楔块少许楔入其内,将楔块连同锚栓一起插入钻孔,再用铁锤冲击锚栓尾部,使楔块深入楔缝内,楔缝张开并挤压孔壁岩石,锚头便锚固在钻孔底部。然后在锚栓尾部安上垫板并用螺帽拧紧,在锚栓内便形成了预应力,从而将附近的岩层压紧。

胀圈式锚杆的端部有四瓣胀圈和套在螺杆上的锥形螺帽,如图11.27(b)所示。安装时将其同时插入钻孔,因胀圈撑在孔壁上,锥形螺帽卡在胀圈内不能转动,当用扳手在孔外旋转锚杆时,螺杆就会向孔底移动,锥形螺帽作向上的相对移动,促使胀圈张开,压紧孔壁,锚固螺杆。锚杆上的凸头的作用是当锚杆插入钻孔时,阻止锚杆下落。胀圈式锚杆除锚头外,其他部分均可回收。

(2)砂浆锚杆。在钻孔内先注入砂浆后插入锚杆,或先插锚杆后注砂浆,待砂浆凝结硬化后即形成砂浆锚杆,如图11.28所示。因砂浆锚杆是通过水泥砂浆(或其他胶凝材料)在杆体和孔壁之间的摩擦力来进行锚固的,是全长锚固,所以锚固力比张力锚杆大。砂浆还能防止锚杆锈蚀,延长锚杆寿命。这种锚杆多用作永久支护,而张力锚杆多用作临时支护。

先注砂浆后插锚杆的施工程序一般为：钻孔、清洗钻孔、压注砂浆和安插锚杆。钻孔时要控制孔位、孔径、孔向、孔深符合设计要求。一般要求孔位误差不大于20cm,孔径比锚杆直径大10mm左右,孔深误差不大于5cm。钻孔清洗要彻底,可用压气将孔内岩粉、积水冲洗干净,以保证砂浆与孔壁的黏结强度。

由于向钻孔内压注砂浆比较困难(当孔口向下时更困难),所以钢筋砂浆锚杆的砂浆常采用风动压浆罐(图11.29)灌注。灌浆时,先将砂浆装入罐内,再将罐底出料口的铁管与输料软管接上,打开进气阀,使压缩空气进入罐内,在压气作用下,罐内砂浆即沿输料软管和注浆管压入钻孔内。为了保证压注质量,注浆管必须插至孔底,确保孔内注浆饱满密实。注满砂浆的钻孔,应采取措施将孔口封堵,以免在插入锚杆前砂浆流失。

风动压浆罐的工作风压为0.5～0.6MPa；砂浆的配合比一般为0.4(水)∶1.0(水泥)∶0.5(细砂)。

安装锚杆时,应将锚杆徐徐插入,以免砂浆被过量挤出,造成孔内砂浆不密实而影响锚固力。锚杆插到孔底后,应立即楔紧孔口,24h后才能拆除楔块。

图11.27　张力锚杆(单位：mm)(www.daowen.com)

(a)楔缝式；(b)胀圈式
1—楔块；2—锚栓；3—垫板；4、8—螺帽；5—锥形螺帽；6—胀圈；7—凸头

图11.28　钢筋砂浆锚杆(单位：mm)

1—钻孔；2—钢筋；3—水泥砂浆

先设锚杆后注砂浆的施工工艺要求基本同上。注浆用真空压力法,如图11.30所示。注浆时,先启动真空泵,通过端部包以棉布的抽气管抽气,然后由灰浆泵将砂浆压入孔内,一边抽气一边压注砂浆,砂浆注满后,停止灰浆泵,而真空泵仍工作几分钟,以保证注浆的质量。

图11.29　风动压浆罐构造简图

1—贮气间；2—气孔(φ10mm)；3—装料口；4—风管；5—隔板；6—出料口；7—支架；8—注浆管；9—进气口；10—输料软管

3.锚杆的布置

锚杆的布置主要是确定锚杆的插入深度、间距及布置形式。

锚杆的布置有局部锚杆和系统锚杆。局部锚杆主要是用来加固危石,防止掉块。系统锚杆主要用来提高围岩的强度和整体性。锚杆的方向应尽量与岩体结构面垂直,当结构面不明显时,可与周边轮廓垂直。圆断面隧洞可采用径向布置。锚杆在平面上的布置要求呈梅花形或方格形。

锚杆的布置参数主要是通过工程类比和现场试验选择。系统锚杆,锚杆深入岩体深度一般为1.5～3.5m,但不一定要深入稳定岩层,当岩层破碎时,用短而密的系统锚杆,同样可取得较好的锚固效果。系统锚杆间距为插入深度的1/2,但不得大于1.5m。局部锚杆,必须插入稳定岩体内,插入深度和间距根据实际情况而定。大于5m的深孔锚杆应作专门设计。

图11.30　真空压力灌浆布置图(单位：mm)

1—锚杆；2—砂浆；3—布包；4—橡皮塞；5—垫板；6—抽气管；7—真空泵；8—螺帽；9—套筒；10—灌浆管；11—关闭阀；12—灌浆阀；13—高压软管；14—灰浆泵