漫談礦山法隧道技術第三講——錨桿

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術第三講——錨桿

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都610031)

摘要：分析我國隧道錨桿支護技術中存在的主要問題，包括： 1)沒有實現商品化； 2)多采用注漿式錨桿，沒有針對不同的圍巖條件采用不同的錨桿； 3)不設墊板的錨桿比比皆是； 4)錨桿功能單一； 5)錨桿施工管理不到位。針對這些問題： 1)重申了錨桿的功能； 2)認為要實現錨桿的商品化，首先要求錨桿規格標準化，生產工廠化，介紹了英國的《錨桿技術標準》，指出我國也應著手編寫《錨桿行業標準》，以利于錨桿商品化的實現，或者以一條新鐵路線或以企業為試點設置錨桿制備廠； 3)著重介紹了提高錨桿支護功能的措施——提高附著剛性和剪切剛性、提高錨固材料的充填飽滿度、強化錨桿施工管理； 4)介紹了幾種新型錨桿的構造、規格、功能、優點、適用條件等，包括摩擦式錨桿(ZAM膨脹型錨桿、高承載力摩擦式錨桿、具有排水效果和注漿功能的錨桿)和纖維錨桿； 5)介紹了發光型簡易錨桿軸力計，并將其與通常的軸力量測進行對比，結果大致吻合。最后指出，錨桿的首要問題是加快工廠化(商業化)進程，編制了行業標準； 提高錨桿支護效果要在錨固材料和圍巖2方面下功夫； 針對性地加強對摩擦式錨桿的研究及錨桿充填率評價方法的研究也應提到日程上來。

關鍵詞：隧道； 礦山法； 錨桿商品化； 附著強度； 剪切強度； 充填飽滿度； 注漿式錨桿； 摩擦式錨桿； 纖維錨桿； 發光型簡易錨桿軸力計

0引言

我國用礦山法修建了上萬公里的隧道，但至今還在爭論錨桿在隧道支護中有無作用，似乎說不過去。在隧道初期支護中，目前我國的錨桿技術處于什么狀態？在山嶺隧道，錨桿支護技術存在的主要問題如下。

1)至今錨桿沒有完全實現商品化。很多場合，還處于作坊式的生產方式。與錨桿有關的配套構件，如墊板等都沒有規格化。一般來說，商品化是實現施工機械化、確保錨桿品質的前提條件。

2)不同的圍巖條件，需要不同類型的錨桿予以對應。目前我國主要采用注漿式錨桿，而國外在土砂圍巖中，基本上采用摩擦式錨桿，在硬巖中為了對付巖爆也多采用摩擦式錨桿。在國內還沒有做到這一點。

3)明明知道，設不設墊板對發揮錨桿的支護功能具有極大的作用，但不設墊板的錨桿比比皆是。應該說不設墊板的錨桿不能稱為錨桿，墊板不僅可以控制較大的變形，也可以吸收較大的變形。目前國外開發的所謂伸縮式錨桿，主要是在墊板上下功夫。

4)錨桿功能的多樣化，是錨桿技術發展的主流，如具有排水功能的錨桿、控制大變形的錨桿、提高承載力的錨桿等。

5)對錨桿的施工管理，有待加強。錨桿技術不到位，特別是管理不到位，亟待改善。

在這樣的條件下評價錨桿的功效，是不合適的。在我國大規模修建高速鐵路的今天，必須充分認識錨桿在隧道支護中的功能，切實發揮錨桿控制圍巖松弛、掉塊的作用，以提高錨桿技術的水平。

1錨桿功能簡述

錨桿是僅次于噴混凝土，得到迅速發展的初期支護構件。其功能是毋容置疑的，錨桿既可作為初期支護使用，也可作為永久支護構件使用。在初期支護中錨桿與其他構件(噴混凝土、鋼架)不同，是唯一從內部改善圍巖性質的構件，也是唯一不需要擴展開挖斷面面積的構件。錨桿在改善圍巖連續性的同時，也增強了圍巖的抗剪強度，提高了圍巖的自支護能力。錨桿可發揮的作用是：

1)補償圍巖中存在的力學上不連續性缺陷。

2)圍巖受到錨桿的約束，改善了作為連續體的圍巖的特性，圍巖位移得到抑制。

3)在不能避免過大變形的場合，保持了圍巖作為一體變形的可能性[1]。

4)由于一定的約束力，不會發生圍巖急劇破壞等。

因此，目前應該討論的是： 如何加強和改善錨桿技術，提高錨桿的支護效果，而不是取消錨桿，更不能放棄對錨桿技術的研究。

2錨桿的商品化問題

錨桿的商品化，首先要求錨桿規格的標準化，生產工廠化。目前在礦山法隧道中，我國對錨桿技術特性的要求是不明確的。因此，制定行業標準，或企業標準，根據山嶺隧道的支護要求，明確錨桿的基本特性、材料規格、制造標準和工藝等是十分必要的。現把英國BS 7861-1—2007《錨桿技術標準》對鋼錨桿的構成、材料、力學特性等的規定摘錄如下，以供參考。

1)錨桿的構成。見圖1。

圖1　鋼錨桿現場組裝

2)錨桿材料。錨桿桿體用含有碳0.3%(max)、錳1.6%(max)、硫0.05%(max)和磷0.05%的結構鋼制成。

3)錨桿斷面。錨桿桿體應具有圓形斷面和帶肋的或線條的形狀[2]。

4)錨桿直徑。錨桿桿體的最小當量直徑不小于21.5 mm，桿體最短軸的最小尺寸不小于20 mm。

5)錨桿平直度。平直度應在桿體長度的0.4%之內。

6)錨桿拉伸特性。拉伸試驗時： ①最小屈服強度必須大于640 MPa； ②每次拉伸試驗，其抗拉強度比屈服強度大20%以上； ③斷裂時的延伸率最小為18%，最大荷載(Agt)的延伸率最小為8%。

7)錨桿附著強度。在給定附著長度條件下，進行拉拔試驗時，錨桿/樹脂/圍巖的系統剛性失效荷載不能低于20 kN/mm。

8)錨桿長度。錨桿長度的偏差必須小于±5 mm。按表1在錨桿近端部用顏色標志識別錨桿長度。其他錨桿長度比照表1確定。

9)腐蝕防護。當錨桿要求防腐蝕時，應按照BS EN ISO 1461進行鍍鋅，鍍鋅層的最小厚度為85 μm。

表1　錨桿長度的顏色標志

10)螺母緊固型式試驗。測試時，螺母緊固設施的扭矩應在以下范圍內： 高扭矩在100～185 N·m； 低扭矩在35～80 N·m。

11)半球形墊板測試。測試時： ①以當量直徑和770 MPa應力為基礎，在桿體的標稱破斷荷載的50%～70%荷載下壓平； ②錨桿、螺母和錐形墊座的容許拉拔力為，在最大拉力或拉拔荷載下，以當量直徑和770 MPa應力為基礎，桿體的破斷荷載的70%～95%。

12)螺紋拉伸試驗。錨桿螺紋部分或螺帽的螺紋，在小于桿體額定斷裂荷載(應力為770 MPa，桿體的直徑為當量直徑)不發生失效。

13)剪切試驗。錨桿/樹脂系統的抗剪強度至少為640 MPa。

14)附著強度和系統剛性。系統的最小附著強度為130 kN，最小系統剛性(當荷載在40～80 kN時)為240 GPa。

對錨固劑(樹脂和膠囊)、玻璃纖維錨桿(GRF)也有類似的規定。

從英國的規定可以看出，對錨桿的技術特性的要求是比較嚴格的。

首先，在現行的有關錨桿的技術要求的基礎上，結合國內外錨桿支護的經驗和教訓，首先著手編寫“錨桿行業標準”，應該提到日程上來，以利于錨桿商品化的實現。

其次，在沒有實現錨桿商品化之前，是否可以在一條新線(或者企業自身)集中設置錨桿制備廠，按照設計要求制作錨桿及其配件，分散供應所屬隧道現場，改變目前作坊式的生產方式，也是一個可供選擇的解決方案。

3提高錨桿支護功能的措施

3.1提高錨桿的附著剛性(強度)和剪切剛性(強度)

在山嶺隧道中用的錨桿，按桿體與鉆孔周邊圍巖的接觸狀態，基本上分為錨桿通過注漿層與圍巖接觸和錨桿直接與圍巖接觸2大類。前者謂之注漿式錨桿，后者謂之摩擦式錨桿。目前主要應用前者，后者尚在試驗推廣階段。

不論是注漿式錨桿，還是摩擦式錨桿，之所以能夠發揮其支護功能和效果，從理論上來說主要是依靠其附著剛性(強度)和剪切剛性(強度)。因此，從工程實踐上看，如何提高錨桿的附著剛性(強度)和剪切剛性是非常重要的。從實用角度出發，提高錨桿的附著特性比提高剪切剛性更為重要。這里所謂的附著剛性和剪切剛性的概念如下。

附著剛性Sbond可以用拉拔試驗予以掌握，意思是單位長度的附著力。相當于單位錨固長度在附著失效前能夠承受的拉伸荷載。目前是根據拉拔試驗中拉拔時的屈服荷載除以有效錨固長度求出。根據異形棒鋼D25的室內試驗，推定附著剛性

Sbond=π(d+2t)τpeak。

(1)

式中：d為錨桿外徑；t為錨固材料厚度；τpeak為錨固材料的最大抗剪強度，圍巖和錨固材料的單軸抗壓強度中取小者。

錨固材料的剪切剛性Kbond用錨固材料的剪切變形評價。

(2)

式中Gg為錨固材料的剪切彈性系數。

注漿式錨桿是采用最多的錨桿。錨桿的錨固力，必須從錨桿本身與錨固材料之間的附著力以及錨固材料與圍巖之間的附著力2方面進行研究。其中，對于錨桿和錨固材料之間的附著力，若采用一般材料，可以說能得到基本滿意的結果。但是，對于錨固材料和圍巖之間的附著力，有時因錨固材料的材質和圍巖條件的原因而得不到充分的附著力，致使拉拔承載力降低，需要加以注意。

日本對不同類型和不同錨固材料的錨桿進行了比較詳細的試驗研究，取得的結果值得參考。

試驗采用的11種錨桿見表2，包括普通強度的螺紋棒鋼和套螺紋鋼筋錨桿以及高強度鋼錨桿和纖維錨桿等。包括屈服承載力130 kN的鋼錨桿(N01—N02)和屈服承載力200 kN以上的高承載力鋼錨桿(N03—N06)。這些錨桿具有螺紋、竹節等不同的表面形狀，除中空的鋼錨桿N06以外，都是實心的。錨桿的直徑D通常為19～25 mm。

為了評價FRP錨桿的附著強度，采用玻璃纖維(GFRP)錨桿、碳纖維(CFRP)錨桿和樹脂(AFRP)錨桿進行了同樣的試驗研究。其中玻璃纖維錨桿的直徑采用25～27 mm，與鋼錨桿相同。其他2種錨桿的直徑都采用14.7 mm。N09玻璃纖維錨桿與N06鋼錨桿同樣是中空的。

試驗以日本公路隧道圍巖分級中CⅠ級圍巖(相當于國內的Ⅲ—Ⅵ級圍巖)為對象，試驗條件如下。

1)采用材齡28 d抗壓強度40 MPa的混凝土作為模擬圍巖。

2)為了研究錨固砂漿強度發現的影響，采用了普通硅酸鹽水泥(OPC)和早強硅酸鹽水泥(HPC)。錨固砂漿材齡3、6、12、24、72 h各進行3根錨桿的試驗。在一部分試驗中，進行了不同錨固砂漿的試驗。

3)采用中空液壓千斤頂(容量700 kN)進行拉拔試驗。

從上述試驗及工程實踐得到以下結果：

1)異形棒鋼或帶有竹節形狀的錨桿，附著強度比其他類型錨桿附著強度大，說明錨桿表面形狀對附著強度影響很大。從提高錨桿品質的研究成果來看，異形鋼筋與平滑鋼筋的抗剪承載力相差2倍以上，采用異形鋼筋能夠改善錨桿的附著特性。

2)采用普通硅酸鹽水泥(OPC)的錨固材料和采用早強硅酸鹽水泥(HPC)的錨桿材料比較，后者的附著強度在初期(12 h)比前者大約1倍，初期的支護作用明顯。

表2　錨桿的規格

注： GFRP錨桿的屈服荷載欄()內表示螺紋構件的破壞荷載，斷裂荷載表示母材的斷裂荷載。

3)樹脂錨固與圍巖的附著強度比砂漿錨固的大。

4)玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的附著強度相差不大，前者有代替后者的趨勢。

5)一般來說，錨桿的附著強度，視圍巖條件和錨桿材料，在28～72 h達到最大值，錨桿不宜緊靠掌子面施設。

6)提高錨固砂漿的抗壓強度，也能夠提高錨固的附著強度，故對錨固材料的抗壓強度應有較高的要求。日本規定錨固砂漿的強度應在10 MPa以上。

7)適當增加錨桿的直徑，對提高附著強度是有利的。目前為了提高錨桿的直徑，多采用中空錨桿，也出現了采用鋼管(表面設突起或壓制成波紋狀等)的趨勢。

3.2提高錨固材料充填的飽滿度

在礦山法隧道施工中，全長注漿式錨桿得到了廣泛的應用。其錨固力(或附著強度)基本上取決于錨固材料的充填狀況，如注漿材料、注漿壓力、充填是否飽滿等。錨固材料充填飽滿是重要的因素，若充填不足，會造成支護強度不足并影響支護的長期穩定性。為此，日本開發出用于檢測錨桿注漿充填狀況的裝置(見圖2)[1]。

圖2　裝置外觀

為了驗證裝置的可靠性，在室內進行了不同充填率(完全充填； 前端0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填)； 口部0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填等)的組合試驗，所有組合的發振頻率設定為2.18、3.00、3.88 MHz 3種。

圖3是獲得的代表性波形。橫軸為距振動子的距離(超聲波傳播速度×反射時間/2)，縱軸是通過LOG天線的輸出相對振幅。由圖3可知，隨充填率的降低(空隙增加)，在主要的觀測數據中微小反射信號顯著產生亂反射現象。其次，從發振頻率看，充填率高時，與頻率無關，各波形是一定的；而充填率低時，不同發振頻率得到的波形是離散的，這說明不同的發振頻率，超聲波的指向性是不同的，因為從附著界面獲得的反射信號也產生差異。

該裝置在現場設定的標準圍巖區間和涌水區間分別進行了測定。圖4是不同充填率不同區間測定的波形實例。圖4(a)是標準區間取得的波形，微小反射信號比較小，與發振頻率無關，各波形是一定的。圖4(b)是在涌水區間取得的波形，微小反射信號較大，發振頻率的影響是顯著的。根據室內試驗的結果，圖4(a)判斷充填是良好的，圖4(b)推定充填是不良的。本裝置在現場能夠推定錨固材料的充填狀況，可用于錨桿健全性評價。

根據室內試驗結果進行了多變量解析，提出了由式(3)和圖5的評價充填率的方法。

F=C1×f+C2×α+C3×S+C4。

(3)

式中： Ci為根據多變量解析得到的常數； F為充填率(預測值)； f為發振頻率； α為傾角； S為面積。

圖6為測試評價值與實際值的比較結果。由圖6可知，測試值與實際值有些差異，其標準偏差為3.1%，相關系數為0.94，說明評價公式是能夠評價充填傾向的。

(a) 組合1.1(b) 組合1.4

(a) 標準區間

圖5　多變量解析采用的變量

圖6　現場充填率的判定

錨桿是否與圍巖密貼主要看錨固材料的充填狀況。實踐和測試均表明： 不同部位的錨桿注漿質量是不同的。一般來說，由于施工條件的不同，處于拱部一定范圍的錨桿，其注漿質量比位于側壁的錨桿差，最好的是底部錨桿。注漿必須采用機械手進行，適當提高拱部錨桿的注漿壓力。

3.3強化錨桿施工管理

強化錨桿施工的精細化管理，是非常重要的。錨桿施工技術不到位，特別是管理不到位是通病，必須切實改進。

如何進行錨固施工的精細化管理，下面介紹日本《隧道施工管理要領》(2013.7)建議的方法。

首先，要求在施工前提出以下報告，如表3所示。

報告中的基準試驗應符合表4的規定。

報告中的日常管理試驗應符合表5規定。

上述建議的方法就是對是否能夠實現錨桿功能的施工管理。如果滿足上述管理要求的規定值，錨桿完全能夠發揮其支護的功能。這種管理方法不僅僅是針對錨桿的，對噴混凝土、鋼架以及防水等都有相同的規定。希望也能制定相應的精細化管理細則，來不斷提高隧道支護技術的水平。

表3　施工前報告表

表4　基準試驗報告表

表4(續)

注： *—錨桿屈服點的承載力。

表5　日常管理試驗報告表

注： *—錨桿屈服點的承載力。

4錨桿類型

4.1摩擦式錨桿

摩擦式錨桿不需要用錨固材料進行錨固，而是直接利用桿體與圍巖的摩擦力進行錨固。施工極為方便，目前有越來越多地被采用的趨勢。

4.1.1ZAM錨桿

作為永久支護采用耐腐蝕、高強、高延伸率的摩擦式錨桿，稱為ZAM膨脹型錨桿。

4.1.1.1ZAM錨桿的基本構造

ZAM錨桿是鋼管膨脹式錨桿，其基本構造如圖7所示。

圖7　ZAM錨桿的基本構造

該錨桿頭部是一個與桿體連接的加壓注水裝置。桿體注水加壓前后的形狀如圖8所示。

圖8　注水加壓前后的形狀

桿體日本是用相當于SS400規格的鋼板制作的，2面涂以Zn-6Al-3Mg的防腐蝕涂層(附著量140 g/m2以上)。

錨桿的尾部是密封套管與桿體相連。

4.1.1.2錨桿的規格

日本采用的ZAM規格的基本規格如表6所示。

一般來說，異形管是把外徑54 mm鋼管制成帶凹槽的、外徑36 mm的異形管。

4.1.1.3高壓注水裝置

圖9是用于注水加壓的裝置，可同時注水加壓5個錨桿。

4.1.1.4ZAM錨桿與一般的鋼管摩擦式錨桿相比的優點

1)通過使用防止鋼管厚度減少的高耐腐蝕性鍍層ZAM(鋅/鋁/鎂合金鍍層)，能大幅度地提高耐腐蝕性能，即提高錨桿的耐久性。

2)使用新材料，鋼管的延伸率可達20%～35%，可以應對圍巖大變形。

3)使用高拉力材料，板厚變薄，質量比原來的產品減輕30%，可大幅減輕施工負擔。

4)板厚變薄，在加壓作業時，可以比原來產品用的水壓低，可以縮短施工時間。

5)輕量化的便攜式高水壓裝置和多條水管加壓方式的開發，可以同時打設2～5根鋼管，也可以單獨打設。

表6　ZAM錨桿的基本規格

(a)

(b)

6)使用高安全性、高性能的泵，可減少施工時間。

7)可兼做中空注漿錨桿和排水錨桿，實現功能多樣化。

8)應對巖爆采用摩擦型錨桿是有利的，能夠吸收因過剩應力使剝離巖塊飛散的能量。錨桿應具有抵抗產生大位移的位移特性，因抑制了急劇的破壞能夠防止破壞的發展。

4.1.2高承載力摩擦式錨桿[1]

涌水多的情況下以及希望開挖后盡早補強的情況下多采用摩擦式錨桿。但是，由于圍巖狀況、孔壁塌孔等的影響，有時得不到充分的附著強度。由于附著強度的降低，不能獲得充分的支護效果，而需增加錨桿長度和根數，在工期和工費上都會出現問題。

為了改善和解決這個問題，日本開發出鋼管表面設突起紋，以提高附著強度的高承載力摩擦式錨桿。

開發的高承載力摩擦式錨桿見圖10。高承載力摩擦式錨桿與過去的摩擦式錨桿比較見表7。

圖10　高承載力摩擦式錨桿

Table 7Comparison and contrast between frictional anchor bolt with high load-bearing copacity and conventional anchor bolt

錨桿種類外徑/mm厚度/mm屈服荷載/kN高承載力摩擦式錨桿54(63.5)*2.3180過去的摩擦式錨桿36(54)*2.3191

注： ()*—膨脹后的外徑。

高承載力摩擦式錨桿的附著強度試驗結果如圖11所示。附著強度因鋼管的附著面積不同，比過去的摩擦式錨桿增大約2倍。而且，高承載力摩擦式錨桿，在附著強度達到峰值后，沒有降低，而略有增加的趨勢。

原位拉拔試驗是在破碎的不均質的軟質泥巖中進行的。該地點附近發生的拱頂下沉為30～40 mm，凈空位移為50～60 mm。拉拔試驗結果如圖12所示。

與室內試驗結果一樣，高承載力摩擦式錨桿比過去的摩擦式錨桿的附著強度增大約2倍，而且高承載力摩擦式錨桿的附著強度在峰值后，沒有降低。因為拉拔初期荷載-位移曲線的傾斜大，與過去的摩擦式錨桿相比較，抑制圍巖擠出的效果也增強。

圖11　附著強度試驗結果(室內試驗)

圖12　附著強度試驗結果(原位拉拔試驗)

Fig. 12In-situ pull-out test for conglutination strength of anchor bolt

4.1.3具有排水效果和注漿功能的錨桿系統[2]

山嶺隧道在地下水位以下進行開挖時，一般都要采用排水鉆孔和降低地下水位等的防治涌水的對策，把周邊圍巖的地下水位降低到能夠確保掌子面的穩定，是施工的基本原則。但是在未固結的砂質土和黏性土互層以及低強度的砂巖層中，特別是因地下水的存在而有問題的圍巖中，降低地下水位的方法有時也難以奏效。

為解決這個問題，日本以摩擦式錨桿為載體，進一步研發了一種效果好、經濟性也好、具有排水效果和注漿功能的錨桿系統。

此錨桿系統除了具有錨桿的功能外，還具有自然排水和強制排水的效果，同時具有注漿功能，有可能成為在超前支護和腳部補強等工序中具有地層補強效果的方法。

新型錨桿系統示意如圖13所示。錨桿系統基本上是由摩擦式錨桿和過濾管構成。前者具有止水及遮斷空氣的功能，后者具有排水效果。過去的摩擦式錨桿大多用于應對大量涌水和巖爆。錨固方式是利用圍巖和鋼管間的摩擦，鋼管膨脹后可以立即發揮其效果。而過濾管是采用有孔的PVC管或鋼管，可能有細顆粒流出，需配置具有過濾功能的過濾網。

圖13　新型錨桿系統示意圖

為使膨脹后的鋼管確實與圍巖密貼以及從圍巖中排水或向圍巖注漿，在摩擦式錨桿的端部設置一個爆裂錐。爆裂錐能夠承受鋼管膨脹完成時施加的壓力，超過施加的壓力后就能確實破壞。爆裂錐設置在栓塞部的前端，鋼管膨脹完成后具有封堵作用，還具有爆裂錐破壞后使濾網與栓塞部聯通的作用，是錨桿系統的最重要的構成要素。

錨桿的基本長度是4 m，根據功能及施工條件不同，過濾網部和栓塞部的長度可自由組合。一般來說，過濾部長1～3 m，栓塞部長1～4 m，可根據功能要求選定。

為了抑制細顆粒流失，過濾部的孔要設置過濾材料和不銹鋼金屬網(最小網距0.007 mm)。

排水后，進行注漿。在臺階法施工中，錨桿系統可在上半斷面斜向設置錨桿而后進行注漿補強，也可以用于超前支護。

4.2纖維錨桿

隧道施工中越來越多地采用纖維錨桿，這不僅是因為纖維錨桿的性能可以與金屬錨桿相媲美，更主要的是棒狀或管狀的纖維錨桿在開挖時容易切斷，在需要進行擴大開挖的導坑或者掌子面采用的較多。

纖維錨桿是通過把強化纖維和樹脂拉拔成形或擠壓成形而成為一體的錨桿。在要求與金屬錨桿有相同或更大的強度時，要通過熱硬化性的樹脂拉拔成形制造；在不需要那么高的強度時，可通過熱可塑性的樹脂擠壓成形制造。

一般來說，隧道所采用的纖維錨桿是拉拔成形的產品。拉拔成形的纖維錨桿的原料有強化纖維(玻璃、碳、聚氨酯、維尼龍等)和樹脂(不飽和聚酯樹脂、乙烯酯、環氧樹脂等)。

目前，從經濟性上看，作為強化纖維的玻璃纖維大多使用不飽和聚酯樹脂。玻璃以外的強化纖維雖然原料價格高，但因能得到高強度，所以若是同一強度，則有縮小錨桿直徑的優點。另外，樹脂的種類不像纖維那樣影響強度，但若用乙烯酯和環氧樹脂的話，則有改善強度和耐久性的效果。

纖維錨桿的優點如下：

1)無腐蝕之憂，耐久性好。

2)質量輕，柔軟性好，施工性好。

3)機械切割容易。

4)生產工廠化，質量均一。

玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的力學性能比較如表8所示。由表8可知，纖維錨桿的重量大約是鋼材的1/4，拉拔強度約為鋼材的2倍。纖維錨桿柔韌性好，剪切強度小，屬易于切斷的材料。

表8玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的力學性能指標比較

Table 8Comparison and contrast between fiber-glass anchor bolt and metal anchor bolt in terms of mechanical properties

錨桿種類比重/(kg/m3)拉拔強度/MPa彎曲強度/MPa抗壓強度/MPa剪切強度/MPa纖維錨桿(玻璃纖維)1.8～2.1590～980690～1180390～590100～180金屬錨桿7.8330～490330～440440370

纖維錨桿的施工，與通常的錨桿相同，用鉆孔臺車鉆孔后，通過先填充方式(填充式)或后填充方式(注漿式)將錨桿錨固于圍巖。對于作為支護桿件的纖維錨桿，在壁面端部，用夾緊裝置固定墊板后使用。

采用掌子面錨桿時，因大多在孔壁不能自穩的不良圍巖中施工，此時，除了在鋼套筒內插入纖維錨桿的方法外，還開發了將套筒本身作為FRB套管保留下來的方法。

表9所示的由玻璃纖維制作的掌子面纖維錨桿，比用其他強化纖維的錨桿便宜，是使用最多的錨桿，但耐堿性低。在打設纖維錨桿后立即開挖的情況下，作為臨時支護使用，沒什么問題，但作為永久性支護使用時，就必須注意用其他的強化纖維等。

表9　玻璃纖維錨桿規格

掌子面纖維錨桿的錨固材料，有水泥類和樹脂類。為了發揮耐堿性低的玻璃纖維錨桿的長期功能，最好采用樹脂類的錨固材料。

掌子面纖維錨桿，開挖時容易切斷，一般不能和開挖碴石一起運到棄土場進行處理。切割后的纖維錨桿需要與開挖碴石分類收集進行處理。

日本市場銷售的玻璃纖維錨桿的規格見表10。

表10玻璃纖維錨桿的桿體構造

Table 10Components and application scope of fiber-glass anchor bolt

規格適用范圍CG22SCG25S中實型 中實型的全螺紋GFRP錨桿,可用接頭管接續 主要用于CD法和超前導坑的系統錨桿CGR32中空型 中空型全螺紋GFRP錨桿,利用中空部注入錨固材料和圍巖注漿材料或用接頭管可接續施工。由于把樹脂管插入到內側,即使加壓注漿,注入材料也不會逸出 主要用于掌子面補強,預定開挖步的注漿管

5發光型簡易錨桿軸力計[1]

為了提高錨桿品質，在現場易于迅速評價其支護效果，并反饋到施工中而開發出的新的量測方法——發光型簡易錨桿軸力計。

到目前為止，為評價錨桿動態，幾乎都是采用應變計式的錨桿軸力計，但存在以下問題。

1)只有量測專業人員能夠實施。

2)增加量測成本，量測地點受到限制。

3)量測結果在現場不能評價(不能進行實時評價)。

發光型簡易錨桿軸力計由表壓力磁盤(其規格見表11)和發光數據轉換器(LEC)構成。數據轉換器的管理值和發光顏色對應，可以任意設定。發光型簡易錨桿軸力計外觀見圖14。

表11　壓力磁盤的規格

圖14　發光型簡易錨桿軸力計的外觀

在室內試驗中，確認了作用在錨桿墊板上的荷載和數據轉換器的發光顏色間的正確對應。圖14的右側是室內試驗設定的數據轉換器的作用荷載和發光顏色間的關系。

該設備首次應用于破碎的、不勻質的軟質泥巖。為確認該設備的適用性和精度，在同一斷面進行了通常的軸力計和本設備的量測試驗。圖15是通常的軸力計和發光軸力計量測獲得的軸力量測值。圖中虛線范圍的值是發光軸力計的軸力值。

圖15　錨桿軸力的比較

錨桿軸力歷時變化如圖16所示。由圖16可知，2種方法獲得的軸力值及其發生時期大致是吻合的。

圖16　錨桿軸力歷時變化

圖17表示左右側壁設置該設備的狀況。左右發光的顏色不同說明該試驗段處于偏壓的狀態。

圖17　現場測定狀況

6結束語

錨桿的首要問題是加快促進錨桿制品的商業化進程，或者說加快工廠化制造的進程，為此，編制錨桿制品標準化的行業標準是十分有必要的。一些有條件的大型企業應在這方面做出貢獻。提高錨桿支護效果的基本方法是提高錨固材料與孔壁(圍巖)的附著強度，因此要在錨固材料和圍巖2方面下功夫，特別是錨固材料要根據圍巖性質來選定。此外，有針對性地加強對摩擦式錨桿的研究以及評價錨桿充填率方法的研究也應提到日程上來。

參考文獻(References)：

[1]橫田素宏ら.ロックボルト施工の品質向上技術に關する研究[C]//トンネル工學報告集.日本： 日本土木學會，2012.(Yokota Suhiro, et al. Study on improvement of anchor bolt construction technology[C]//Symposium of Tunnel Engineering. Japan: Japan Society of Civil Engineers,2012.(in Japanese))

中國“智”造世界最大斷面矩形盾構頂管機在大連下線

2015年12月25日，由我國自主研發制造的世界超大斷面矩形頂管機“開拓號”在大連下線，為我國地下空間開發再添“神器”。該臺矩形頂管機開挖斷面寬10.42 m，高7.55 m，打破了此前世界最大矩形盾構的斷面紀錄。隨后，“開拓號”矩形頂管機將運往天津，用于天津地鐵11號線黑牛城內江路站出入口過街通道施工。

該矩形頂管機在結合以往施工經驗的基礎上，大膽創新，在設計上采用兩層六刀盤布置形式，相鄰刀盤的切削區域相互交叉，斷面開挖覆蓋率將達到95%，由于采取了多刀盤小范圍掘進方式，對地層擾動少，地表沉降將大大降低。該設備的下線標志著中國在圓形、矩形等系列化頂管機產品設計開發方面達到世界領先水平。

盾構式頂管機以其開挖施工工藝簡單、速度快、成洞質量高、安全、環保等特點，逐步成為城市地下空間開發的“新寵”，在地下城市共同管溝、城市下穿隧道、地鐵站出入口、過街通道、地下停車場、地下商城、人防工程以及儲氣洞室等方面，有著廣闊的應用空間和市場前景。

(摘自 中國中鐵工程裝備集團有限公司 http://www.crectss.com/news/1182015-12-26)

Tunneling by Mining Method: Lecture III: Anchor Bolts

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:In this paper, the major limitations of application of anchor bolt to tunnel in China are analyzed, which mainly include: 1) Non-industrialization of anchor bolt. 2) Merely using grouting anchor bolt regardless of other types. 3) Gasket is not applied for anchor bolt. 4) The anchor bolt function is simple. 5) Poor anchor bolt construction management system. In order to address these problems, the following issues are discussed: 1) The anchor bolt function should be fully re-assessed. 2) The anchor bolt should be standardized and the manufacturing of the anchor bolt should be industrialized, for which the BS ofCodesforAnchorBoltTechnologyis presented. 3) The methods to improve grouting anchor bolt qualities, including improvement of the conglutination strength and shearing strength, filling fullness and management of anchor bolt, are emphatically presented. 4) The modification, specification, function, merits and application scope of frictional anchor bolts (e.g. ZAM expansive anchor, high-performance frictional anchor bolt and anchor bolt with functions of drainage and grouting) and fiber anchor bolts are presented. 5) The simplpe luminous meter for measuring anchor bolt axial stress is presented in comparison with conventional stress meter. The results show that the indexes of simple luminous axial force meter matches those of conventional anchor bolt. Finally, some suggestions, including improvement of industrialization of anchor bolt, anchor bolt standard compiling, improvement of support structure of anchor bolt and surrounding rocks, study on frictional anchor bolt and filling fullness estimation method of anchor bolt, are given.

Keywords:tunneling; mining method; anchor bolt industrialization; conglutination strength; shearing strength; filling fullness; grouting anchor bolt; frictional anchor bolt; fiber anchor bolt; simple luminous axial force meter

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)01-0001-11

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.001

作者簡介：關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-20