預應力錨固技術在礦坑邊坡支護中的實踐研究

張淮皓

(江蘇省核工業二七二地質大隊，江蘇 南京210000)

預應力錨固技術在巖土工程穩定中有著廣泛運用，具有施工簡單、安全、成本低等優點。在礦產開采過程中，礦坑邊坡失穩是一個常見問題，對開采工作效率、安全等有著重要影響，做好礦坑邊坡支護工作十分重要。

1 預應力錨固技術的設計概述

1.1 預應力錨桿的材料設計

近些年來，預應力錨固技術發展迅猛，在不同的支護工程中，使用的錨桿材料也有所差異。其中，灌漿型預應力錨桿是坑邊坡支護中最為常用的，施工條件較低、操作簡單、加固效果顯著。在灌漿型預應力錨桿設計中，可以分為土層錨桿和巖層錨桿兩種，根據錨桿承載力設計值大小，選用的材料分別是鋼筋、鋼絞線或高強鋼絲、精軋螺絞鋼筋。

1.2 預應力錨桿的受力設計

(1)預應力錨桿受力分析。在巖土體錨固支護中應用的預應力錨桿，其受力主要是拉力，其對巖土體的錨固作用原理為:深入到巖土層中的錨固桿對巖土層有一定抗拔作用力，在錨固段桿體受力時，由于錨桿與水泥砂漿之間有粘結力，會先將受力傳遞到砂漿中，然后經砂漿傳遞到土體中。在力的傳遞過程中，荷載增加時，錨桿與水泥砂漿間的粘結力會逐漸向錨桿下端發展，當錨固段粘結力達到最大時，就會與土體間發生相對位移，直到最大摩擦力為止。錨桿位移量在一定范圍內是與拉力大小成正比的，但當超過一定值時，會出現位移突然增大。在不增加拉力的情況下，依然會持續位移，錨桿功能被破壞。在預應力錨固技術中，錨桿的承載力是此技術應用的核心所在，其影響因素主要有:錨桿材料本身的極限抗拉強度值、錨桿與錨固體間極限粘結力值以及錨固體與巖土體間極限側阻力值。在各個影響因素中，其決定性作用的是巖土體與砂漿間的極限側阻力。

(2)預應力錨桿的設計計算。根據錨桿的受力原理，在預應力錨固技術應用時，需要分別計算以下幾個值，以確保預應力錨固技術達到預定效果，具體有:首先，錨桿截面積的確定。在確定錨桿截面積前，需要先明確錨桿的軸向拉力標準值(Nak)和設計值(Na)，其公式分別為:

其中，Htk是錨桿水平拉力標準值，α 是錨桿傾角;

γQ是荷載分項系數。根據公式(1)和(2)，可以確定錨桿截面積(As)為:

公式中γ0、fpy分別表示邊坡工程重要性系數、錨桿抗拉強度設計值，ζ2為錨筋抗拉工作系數，永久性錨桿和臨時性錨桿分別取0.60 和0.92。

其次，計算錨固體與巖土層間的錨固長度，其公式為:la≥Nak/ζ1πD frb，la、D 分別表示錨固段長度和錨固體直徑;為錨固體與巖土層間粘結強度特征值，采用規范規定值或現場試驗值;ζ1為錨固體與巖土層粘結工作系數，永久性錨桿和臨時性錨桿分別取1.00 和1.33。

(3)計算錨體材料與錨固砂漿間的錨固長度，公式為:la≥γ0Na/ζ3πnd fb，其中，la、d、n 分別表示錨桿鋼筋與砂漿的錨固長度、錨桿鋼筋直徑以及鋼筋數量;γ0表示邊坡工程重要性系數，fb為錨桿鋼筋與砂漿間粘結強度設計值，采用規范規定值或現場試驗值;ζ3為錨桿鋼筋與砂漿間粘結工作系數，永久性錨桿和臨時性錨桿分別取0.60 和0.72。

2 在礦坑邊坡支護中的實踐分析

2.1 礦坑概況

以某尾礦坑邊坡治理工程為例，礦坑為凹陷坑，坑長約為400 m，坡高在15 ～32 m 左右，坡角約為70 ～85°。礦坑周邊巖體雖然是單斜巖層，巖面與坡面相反，巖層傾角小于邊坡角，但巖體中存在大量節理裂隙，容易發生崩塌。同時，在礦區開采作業中，經大量開采后，形成了較為陡峭的邊坡，在暴雨時，容易發生滑坡、泥石流等災害。此外，礦坑附近有居民樓，最近居民樓與礦坑距離為12 m，一旦發生滑坡等自然災害，會嚴重威脅周邊居民的生命財產安全，故而，此尾礦坑邊坡定為一級邊坡進行處理。

2.2 預應力錨固技術的設計與施工

(1)預應力錨固技術的設計。在預應力錨桿設計中，收集本尾礦坑工程的巖土工程參數，包括邊坡場地巖石密度、巖體堅硬程度、抗剪強度和基本質量等基本材料，通過變坑整體穩定性分析，來確定邊坡支護設計的參數。然后根據上述預應力錨固設計的相關計算公式，就可以確定各項設計值，其中，錨桿總軸向拉力標準值Nak≥2 157 KN，錨桿總軸向拉力設計值Na≥2 805 KN，錨桿總長度超過37 m，截面積為3.55 ×10－3㎡。

(2)預應力錨固技術的施工。為確保預應力錨固技術起到預定的錨固效果，還需要做好施工過程的控制，具體要點有:首先是邊坡噴錨施工。鉆孔過程要根據設計的錨桿直徑來確定孔徑，按照圖紙的角度做好鉆孔工作，水平和垂直方向的孔距偏差應分別控制在50 ～100 mm 以內。其次是做好注漿壓力控制，漿液中要添加適量膨脹劑，注漿管要與錨桿同時放入鉆孔中，邊注漿邊提注漿管，至孔口冒漿為止。在預應力張拉過程中，要在砂漿強度、噴射砼強度達到設計標準后，才能開始張拉錨桿，先張拉至設計荷載1.05 倍并維持5 ～10 min，后張拉至0.65 倍設計值將錨桿鎖定。

(3)重視防腐施工。防腐對于錨桿使用壽命起著重要保護作用，桿體表面要用防腐漆處理，再包裹塑料布，重復三次形成三度防腐，最后還需要2.5 cm 以上厚的水泥漿層來封閉防腐;錨頭的防腐要經兩次除銹、涂防腐漆，然后用5 cm 以上厚的混凝土層保護。

(4)做好排水施工。礦坑邊坡的排水包括頂部排水和坡面排水，前者可以直接開挖排水溝，后者需要在坡面設置泄水孔，并在孔后做反濾層。

3 結 語

綜上所述，預應力錨固技術可以起到良好的礦坑邊坡支護作用，能夠有效對礦坑作業的安全。隨著我國礦產資源需求的不斷增加，礦坑作業規模越來越大，加強預應力錨固技術的研究，將其正確應用于礦坑邊坡支護實踐中，有著重要現實意義。

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