锚杆技术在土木工程中的应用研究

曾学良1 ,张国林2,李争伦3,李 阳3,程林峰3 ,卢彭真3

(1.湖州市交通工程质量安全监督站 湖州市 313000；2.申嘉湖高速西延建设指挥部 湖州市 313000；3.浙江工业大学 杭州市 310014)

摘 要：锚杆技术作为一种主动支护手段,具有诸多优点。介绍了不锚杆技术的发展现状,在对国内外相关文献进行分类、归纳和总结的基础上,阐述了锚杆技术在隧道工程、边坡工程、基坑及地下工程以及坝体矿山工程等方面的应用,并对锚杆技术的最新发展和需要进一步研究的问题提出看法。

关键词：土木工程；锚杆技术；隧道工程；边坡工程；基坑及地下工程；坝体加固工程

0 引言

锚杆是对岩体、土体进行加固的杆件体系结构。锚杆技术最早出现在矿山巷道支护工程中, 19世纪90年代英国就开始用钢筋加固岩层。1912年,德国采用锚杆支护井下巷道。20世纪30年代阿尔及利亚史上第一次用预应力锚杆加固坝体,各国随后纷纷采用了预应力锚杆加固技术。从20世纪中叶开始,锚杆技术不断创新,西方多国也出现了相应的锚杆技术规范[1]。滞后的理论研究也在这一时期得到发展,在理论研究的基础上,更多类型锚杆等相继出现,锚杆的适应性也大大地提高。国内锚杆技术起步较晚,从20世纪50年代开始在矿山巷道中采用锚杆支护技术,如京西矿务局、湖南湘潭锰矿等,锚杆技术在60年代之后开始在国内广泛应用,1964年,安徽梅山水库采用了预应力锚索来加固坝基。80年代以后,土层锚杆技术在深基坑工程中被广泛应用,先后有北京京城大厦、王府饭店等大型基坑工程采用了预应力土层锚杆技术。

图1 锚杆结构示意图

近年来,锚杆技术因具有工艺简单、施工方便、耗材少、成本低廉、支护效果好等显著优点,在土木工程各领域得到了广泛应用。在隧道工程中,锚杆的作用主要为控制变形和围岩加固,如南昆铁路家竹箐隧道[1]、谷竹高速公路寺坪隧道[2]、厦门翔安海底隧道[3]等工程中锚杆有效地控制了隧道围岩变形,佛山市顺番一级公路大金山隧道[4] 、思家岭隧道[5]等工程实践中则体现了锚杆的围岩加固作用；在边坡工程中,锚杆则发挥了其深层锚固的作用,如北京虎峰山庄边坡加固工程[6],同时锚杆可以结合浅层锚固结构,在深层和浅层同时维护边坡稳定,如锚拉框架梁、锚杆-土工网等支护技术；锚杆在基坑工程中的作用主要为保持土体稳定和控制基坑变形,如北京奥林匹克公园地下联系通道[7]、青岛市颐中科技广场[8]、杭州市钱塘江引水进城[9]等工程；在坝体加固中,预应力锚杆发挥了其超高承载能力的性能,如国外较早的悉尼Warragamba重力坝[10],以及国内著名的三峡水利枢纽工程[11]。

图2 锚杆在土木工程中的应用

在对国内外相关文献进行分类、归纳和总结的基础上,针对锚杆技术在各工程中的应用对锚杆技术在土木工程中的应用现状和研究成果进行综述,并对需要进一步研究的关键问题进行简要的归纳和总结。

1 锚杆在土木工程中的应用

1.1 锚杆在隧道工程中的应用

由于新奥法施工方法的应用,锚杆在隧道工程中得到了大量的应用。隧道锚杆不仅可以优化围岩的力学状态,同时可以有效地控制围岩变形,增强围岩的稳定性,也大大提高了围岩的承载能力。因此在隧道工程建设中,锚杆锚固技术普遍地应用于支护和控制隧道围岩变形。

由于锚杆技术应用在隧道工程的诸多优点,近年来锚杆技术在隧道工程领域应用越来越广泛。南昆铁路家竹箐隧道[1]在开挖掘进的过程中遇到煤系地层,隧道内发生了严重的大变形。在多种方法均无法控制变形后,最终大面积采用超长锚杆进行变形控制,治理效果明显。谷竹高速公路寺坪隧道[2]在施工过程中发生大变形问题,部分施工地段出现严重侵限的现象。采用加长系统锚杆的支护方案,通过现场检测和波速测试,表明围岩变形得到了有效地控制。厦门翔安海底隧道[3]在施工过程中出现拱顶下沉,其变形量远远超过设计值。为控制变形的发展,在施工中通过打入锁脚锚杆的辅助措施控制沉降,达到了预期效果。佛山市顺番一级公路大金山隧道[4]由于岩块碎、裂隙发育,需要进行中夹岩预加固施工。该工程采用预应力中空注浆锚杆的施工工艺,增强了岩体的整体性,提高了承载能力,加固效果显著。思家岭隧道[5]整体的围岩强度和稳定性较好,但出口区域围岩岩体完整性和稳定性较差。在围岩加固时采用中空注浆锚杆施工工艺,效果良好,达到了理想的开挖条件。

图3 锚杆在隧道工程中的应用

通过以上的工程实例可以看出,锚杆可以有效控制隧道变形,并可以通过注浆的方式改善围岩的岩体性能,增强围岩的承载能力。同时隧道锚杆的种类也越来越多样化,适应各种岩土状况的锚杆也纷纷应用到了实践中,取得了良好的工程效果和经济效益。

1.2 锚杆在边坡工程中的应用

随着山岭重丘区基础设施建设的发展壮大,边坡工程愈发重要。由于受各种环境因素影响,边坡常常会出现各种病害,严重的会发生滑坡等地质灾害,因此边坡的加固和支护非常重要。锚杆作为一种实用、安全、经济合理的支护结构,可以有效改善边坡土体的力学性能,增强边坡的稳定性。

以北京虎峰山庄边坡加固工程为例[6],该工程在二期工程开挖的过程中发生滑坡,使一期工程的部分建筑物倒塌。由场区地勘报告得知该边坡地质条件较为复杂,同时考虑到加固措施需为永久性结构,对于土质边坡采用锚拉框架梁结构进行加固,而对岩质边坡则采用预应力锚杆、砂浆锚杆、挂网喷射混凝土的方法进行加固,抗滑力由预应力锚杆提供,对于破碎岩体区域则采用砂浆锚杆和挂网喷射混凝土相结合的方式来保持岩体稳定。该工程使用的锚杆均为压力分散型,达到了预期的加固效果。再以某高速公路施工建设项目为例[12],该工程位于丘陵地带,多变的地质条件,较大的地势起伏,且受到地下水的危害。因此从工程的安全性和可靠性出发,采用砂浆锚杆施工技术对边坡进行支护加固,以确保道路边坡的稳定。经过一年时间的观察,边坡坡面平整,且无裂纹及变形等现象出现。

图4 锚杆在边坡工程中的应用

锚杆既可以单独在边坡支护中应用,也可以结合其他结构共同发挥作用,如锚杆-土工网垫喷播护坡结构等,锚杆锚固到岩层深处,保证边坡深层稳定,其他结构起到浅层锚固作用,维持了边坡的浅层稳定性。锚杆在边坡支护中应用灵活、组合形式多样,取得了很好的支护效果。

1.3 锚杆在基坑及地下工程中的应用

通过国内外学者对锚杆技术在基坑工程中应用的研究、创新和改善,锚杆技术已成为基坑支护的主要形式之一,在基坑领域的应用也日益广泛。锚杆在基坑工程中的作用主要体现为保持土体稳定和控制基坑变形。

北京奥林匹克公园地下联系通道基坑支护工程中[7],为了不对相邻施工完成的基坑产生影响,采用压力分散型锚杆支护体系进行支护。该方案成功避免了基坑间过近和相互干扰的问题,同时提高了整体的承载能力、减少了锚杆用量。青岛市颐中科技广场[8],在施工中需要保护新建的暗渠,创新性地采用了预应力锚杆、自进式锚杆等多种支护技术的复合支护方法。相对于传统的支护方法,该工艺更加安全经济。杭州市钱塘江引水进城工程[9],采用预应力土层锚杆结合人工挖孔灌注桩对留下镇横街村基坑进行支护。该法成功解决了基坑深度大和基坑距建筑物距离近的问题。

通过以上的工程实例可以看出,锚杆在基坑工程及地下工程中的应用,成功地解决复杂的地下条件,维持土体稳定,控制基坑变形,抵抗地下水浮力等问题。

1.4 锚杆在坝体加固工程中的应用

坝体因承受极大的水压力容易倾覆,为保证大坝运营中的安全,往往需要进行加固,其工作环境决定了加固材料必须具备强大的承载能力。预应力锚杆强度高、承载大,在坝体加固工程中取得了良好的效果。

1934年阿尔及利亚首次成功采用预应力岩石锚杆进行大坝加高工程。澳大利亚采用了最大承载力达1.65万千牛的锚索对悉尼Warragamba重力坝进行加固[10]。国外起步较早,在该领域的技术研究较为成熟。1964年,安徽梅山水库采用预应力锚索来加固坝基,使坝基的抗滑稳定性显著提高。1989 年我国应用于大坝加固工程的预应力锚索最大工作吨位已高达6 000kN。随后更高承载能力的预应力锚杆纷纷成功地获得了应用,龙羊峡水电工程、石泉大坝加固工程等很好见证了这些大吨位预应力锚索的成功应用。三峡水利枢纽工程中,釆用四千根预应力锚杆和近十万根长的高强锚杆作工程加固[11]。

可以看出,预应力锚杆因其承载能力大在坝体加固中广泛应用,有效解决了抗倾覆问题。在坝体加固中大量使用并不断发展,承载能力和工作性能不断取得突破。

2 锚杆技术在土木工程应用中的新发展和进一步研究的问题

随着计算机技术的发展,数值分析方法使锚固原理和优化设计的研究取得了较快的发展。现今锚固设计包括四种手段：工程经验、理论分析、数值方法和原位测试和反馈。这种理论分析结合现场实际的方法可以说是岩土锚固技术在设计理论上的巨大发展,具体表现在以下方面：

(1)锚杆技术的设计理念发生转变,有了新的发展,区别于锚杆传统的结构设计理念；

(2)在设计理论和方法上有了新的突破；

(3)对锚固工程特性的认识更加深入；

(4)锚杆技术在设计思想上产生了质飞跃。

随着现代的锚杆设计理念被逐渐认识,锚杆技术踏上了程序化和规范化发展道路,这也正是当今锚固技术研究的发展趋势。

锚杆技术具有诸多优点,但也存在着一些问题需要更深一步的研究。锚杆通常作为一种永久性构件被锚入岩土体,工作环境恶劣,导致普通锚杆锈蚀,锚固段浆体易破裂,耐久性差,但随着新型锚杆的出现普通锚杆的缺点被很大程度克服。同时对于锚固技术来说,锚杆支护理论仍落后于其工程应用,这使得锚杆支护设计时多采用工程类比法,该法无法完全保证其安全性,且不具经济性,因此完善的设计和施工规范是必不可少的。同时由于隧道锚杆工作环境隐蔽,工作条件恶劣,长期运营中,锚杆质量无法得到保证,现有的检测手段都或多或少存在一定的局限性,锚杆无损检测技术的研究仍是一个需要深入探究的问题。尽管现有锚杆种类较多,但由于我国国土面积大,地质条件复杂,同时为适应不断变化的工程需求,新的工艺、新的设备、新的仪器还应继续研究。

3 结论

锚杆技术因其诸多优点广泛应用于土木工程领域,工程实践证明其加固效果好、经济效益高、工艺相对简单,具有非常广阔的应用前景。锚杆技术在多个领域大放异彩。同时,锚杆技术正在日趋成熟,仍有一些问题的存在需要完善。总体来讲,锚杆是一种缺点较少、性价比高、工程价值高的支护手段。本文归纳和总结了锚杆技术在隧道工程、边坡工程、基坑及地下工程以及坝体矿山工程等土木工程相关领域中的应用现状和研究进展,总结了该领域的研究热点,并对锚杆技术的最新发展和需要进一步研究的问题提出看法,可为锚杆的应用和推广提供一定的借鉴和参考。

参考文献

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[11] 任非凡. 南竹加筋复合锚杆锚固机理研究[D]. 兰州：兰州大学,2009.

[12] 封亚妹,廖海坚. 砂浆锚杆在高速公路边坡支护中的应用[J]. 道路工程,2016(1)：42-43.

Research on Application of Anchor Technology in Civil Engineering

ZENG Xue-liang1,ZHANG Guo-lin2,LI Zheng-lun3,LI Yang3,CHENG Lin-feng3,LU Peng-zhen3

(1.Huzhou Quality Supervision Bureau for Transportation Engineering,Huzhou 313000,China; 2.Shenjiahu Expressway Westward Extension Construction Headquarters, Huzhou 313000,China; 3.Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Abstract As a kind of initiative support means, anchor technology is with many merits. The development status of anchor technology is introduced, the application of anchor technology is elaborated in some aspects like tunnel engineering, side slope engineering, foundation pit and underground engineering as well as dam body and mine engineering and etc. on the basis of classification, conclusion and summarization of relevant literatures at home and abroad, and some opinions on the recent development of anchor technology and problems needing further research are put forward.

Key words Civil engineering; Anchor technology; Tunnel engineering; Side slope engineering; Foundation pit and underground engineering; Dam body reinforcement project

文章编号： 1673-6052(2017)11-0047-04

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2017.11.013

中图分类号：TD353+.6

文献标识码：A

※基金项目：浙江省交通科技项目(2015-2-48)