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1、锚杆的施工工艺锚杆是隧道施工过程中，维护围岩稳定，保证施工安全的重要手段之一。施工完成后，在一定程度上，它还可以作为永久支护结构的一部分发挥作用。因此，在施工中，如何保证和检查锚杆的施工质量，是极为重要的。但从目前的施工状况看，锚杆长度不足、不配置垫板、配置不合理、砂浆充填不密实，甚至“长锚短打”的现象也时有发生。造成这种现象的原因虽然是多方面的，但主要还是对锚杆在隧道施工中的作用认识不足，不能完全按照要求施工，而且缺乏有效的检测手段。归纳起来，目前锚杆施工中应该注意的几个问题是：建立有效的锚杆质量检测方法，及时检测；不能忽视锚杆拉拔试验的作用；合理确定锚杆的参数，充分发挥群锚的作用；进一步认
2、识锚杆与围岩之间的关系；大力提高锚杆的商品化程度等。锚杆的作用效果，归纳列入表1。表1下面说明解决这些问题的措施和途径。1）锚杆拉拔力试验的问题锚杆拉拔试验的目的：一般采用的全长锚固型锚杆，是因围岩位移产生轴力而发挥作用的。因此为了充分发挥锚杆的支护效果就必须要确保有必要的锚固力。拉拔试验是在施工前或施工一次阶段，为了确认围岩能够具有充分的锚固力而进行的，并根据拉拔承载力来选择锚杆的种类和锚固方式。 锚杆的锚固力受到锚杆和锚固材的附着力和锚固材和围岩的附着力两方面的影响。具体地说，就是受到锚杆的材质和表面形状、锚固材的强度、围岩的强度、孔壁的状况及锚固材的充填状况等的影响。围岩产生的位移是通过
3、锚固材作用在锚杆上的，而两者中附着力小的决定了锚杆的锚固力。一般采用的锚杆和锚固材的附着力比锚杆的屈服承载力多数大得多，但锚固材和围岩的附着力有时因围岩强度、孔壁状况和锚固材的充填状况，而不能获得充分附着力的情况也不少。特别是在软弱围岩和土砂围岩中施设锚杆的场合，必须要确保锚固材和围岩间的附着力。拉拔试验一般采用图1所示的方法，测定锚杆拉拔时的头部位移，并采用图2的荷载位移曲线来评价拉拔力。即：在荷载位移曲线上取两切线的交点D来评价拉拔承载力。此承载力规定与锚杆的屈服超载力同值。拉拔试验及锚固材的管理基准列于表2。在实际工作中应注意进行拉拔试验的时期。因为，试验时期越晚，锚固材的强度越大，即使
4、锚固材充填不充分，也会获得与锚杆承载力同等程度的附着力。因此，事前要根据锚固材的材龄进行拉拔试验，以确定合适的试验时期。表2 拉拔试验及锚固材的管理基准日本土木学会（1996年）日本道路公团（1998）日本铁道公团（1996年）拉拔试验试验频率开挖一次阶段每20m，而后每50m实施1断面取3根（拱顶、拱部、边墙各1根）施工开始前一次3根品质改变时一次3根施工中，每20m一次3根开挖一次阶段（从开挖开始到200m）每20m，而后每50m实施1断面取3根（拱顶、拱部、边墙各1根），每20m一次规定值评价方法根据事前试验设定的拉拔承载力，达到80%为合格施工后3天，达到95kN（锚杆屈服承载力110
5、kN）、150kN（锚杆屈服承载力170kN）根据事前试验设定的拉拔承载力，达到80%为合格拉拔承载力 ，按锚固材材龄（3、6、12、24、72小时）进行拉拔试验，决定判定基准流动值试验频率施工开始前一次施工中，以必要的频率进行每次品质改变时进行一次施工开始前一次品质改变时一次拌合开始前一次每20m一次规定值评价方法15020mm（砂浆）先行充填型：230mm左右后充填型：30秒左右抗压强度试验频率施工开始前一次施工中每50m一次品质改变时一次施工开始前一次品质改变时一次每50m一次开挖一次阶段（从开挖开始到200m）每20m，而后每50m实施规定值评价方法（材龄3d）材龄1d：10N/mm以
6、上材龄3d：10MPa以上2)在什么情况下采用锚杆能够发挥锚杆效果的围岩条件，一句话，就是能够发挥支护效果的围岩。为此，要具备以下条件：锚杆和围岩间要有适当的锚固力；在不连续围岩中锚杆要横切不连续面设置；在连续性围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。 不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果。例如以下条件的围岩。在含水的粘性土中，锚固材和围岩间产生滑动，锚固力有时不充分；松砂等因围岩的强度小，也不能获得锚固力，但如对围岩进行改良，也有可能产生效果；在连续性围岩中，变形小，几乎也不产生塑性变形的围岩。但在这种围岩中，因主要是不连续面支配围岩的动态，作为不连续面的对策，也会产
7、生一定的效果；塑性区域超过锚杆设置范围以外的场合。但此时可加长锚杆长度（图1）；图1锚杆设置在塑性区内图2锚杆设置在滑动面内图3锚杆没有横穿不连续面围岩破坏，在产生的滑面内设置锚杆的场合（图2）；锚杆产生压力的场合；在不连续性围岩中，锚杆没有横切不连续面的场合（图3）。3)如何发挥锚杆的群锚的作用锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥群锚的作用。这是非常重要的。因此，锚杆的配置参数（长度、间距）要注意符合群锚的工作原则。要想充分发挥锚杆的效果，就必须发挥群锚的作用。也就是说要解决好围岩条件和锚杆长度、间隔的关系。决定锚杆长度、间隔时应考虑的围岩条件如下
8、：连续性、不连续性的程度；不连续面的分布特性（间隔、宽度、方向等）；塑性区域产生的范围。定性地说，如图4所示，设置间隔与不连续面间隔关系较密切，设置长度则与塑性区域（围岩强度）关系较密切。图4锚杆定性布置的原则表3列出一些设计采用的锚杆参数，以供参考。表3 锚杆参数的大致标准单位锚杆参数备注日本铁道公团一般围岩：D=22mm，L=23m膨胀性围岩等：D=25mm，L=34m 锚杆长度超过塑性区域2倍后，支护 效果几乎没有差异增设锚杆的长度取标准锚杆的1.5倍。日本道路公团锚杆长度：L=W/3W/5或Lt设置间隔：0.5L0.7L式中：L：锚杆长度；W：隧道宽度；t：掌子面与支护完成的距离日本道
9、路协会硬岩：L2P，L3S，L（1/31/5）B式中：L：锚杆长度；P：锚杆间隔；S：节理平均间隔；B：隧道开挖宽度T.A.Lang形成均匀压缩带的条件：L/D2；形成窄压缩带的场合：L/D=1.6；没有形成连续压缩带的场合：L/D=1.33铁路隧道设计规范按单线、双线和围岩级别规定公路隧道设计规范同上4)垫板的设置要发挥锚杆的效果，垫板的设置是十分重要的。我们在施工中，多数是不设置垫板的。因为增加垫板，不仅增加了施工成本，对工期也有一定影响。但从效果上看，这是得不偿失的。日本对此曾进行了试验研究。试验表明：设垫板比不设垫板，加载应力提高了2.5倍；垫板面积越大，头部轴力提高也越多。例如，垫板
10、面积增加1倍，头部轴力可提高1.25倍等。其次有垫板时，锚杆轴向应变的最大值的位置，向内部移动。这说明锚杆的3维约束效果，得以发挥。图5是有垫板和无垫板的的轴力分布的变化。从图中可以看出，有垫板 时，锚杆的口部也发生了轴力、而且轴力的最大值也增加了10%20%。由此可见，垫板的作用是不容忽视的。在锚杆施工中，必须设置垫板，这在规范中也有了明确的规定。图5有无垫板的比较垫板的形式是多种多样的（图6），应根据围岩条件和锚固力的要求决定。5）围岩种类与锚固材附着力的关系前面已经说明，锚杆的锚固力决定于锚杆和锚固材间的附着力和锚固材与围岩间的附着力。但前者一般是没有问题的。问题在于后者。因此了解锚固材
11、和围岩间的附着力与围岩的关系是很必要的。（1）硬岩和中硬岩在硬岩和中硬岩中，一般产生锚杆屈服的破坏形式。这说明锚固材与围岩间锚固力是充分的。（2）软弱围岩在软弱围岩中，锚固力是由锚固材和围岩间的抗剪阻力决定的。在产生塑性区域的场合，抗剪阻力是比较小的，锚固材与围岩间的附着力也降低了。因此，在锚杆设计中，要预先判定塑性区域决定锚杆长度。图 图6垫板形式（3）土砂地层在这种地层中，锚固材与围岩间的附着力是相当小的。因此应进行拉拔试验，确定锚固力。一般说，锚固材有砂浆、水泥浆、树脂等。在砂浆和水泥浆中，为了获得早期附着力，要加速凝剂或采用早强水泥。要求的单轴抗压强度的目标值在30MPa以上。作为参考
12、，表4和表5分别列出水泥系场合、树脂系场合的附着力。表4 围岩种类和附着力（水泥系）围岩种类岩层砂砾砂粘性土硬岩软岩风化岩土N值N值10203040501020304050附着力（MP a）1.180.780.490.490.080.140.200.270.350.080.140.180.230.240.8c（c：内聚力）表5 围岩种类和附着力（树脂系）围岩种类花岗岩安山岩砂岩大理岩凝灰岩膨胀岩铁棒（参考）附着力（Mpa）14.015.516.78.64.90.511.46）锚杆长期耐久性问题：众所周知，锚杆的材料是铁，铁会因氧化而生锈，同时除生锈以外，也会因与围岩的某些化学成分反应而腐蚀。腐
13、蚀后锚杆断面积会减小、承载力会降低，与锚固材的附着力也会降低等。但一般大家都没有考虑锚杆的生锈和腐蚀问题。目前的设计观点是：锚杆作为永久结构的耐久性还没有得到确认，最终还是用衬砌来保证隧道结构物的安全的。但从国外的实践看，也有考虑锚杆长期耐久性的。例如，S.Wallis就把锚杆区分为有长期耐久性的永久锚杆和没有长期耐久性的临时锚杆两类（表24）。临时锚杆是在离掌子面一定距离（310m）范围内设置的，而永久锚杆则是在此距离以外设置的。表6 临时锚杆和永久锚杆的不同临时锚杆永久锚杆旧称呼临时永久新称呼一次二次责任施工单位设计单位作用时期开挖后到隧道完成施工后，半永久的设置位置掌子面附近（距受爆破影
14、响的310m范围内）距掌子面较远的位置，不受爆破影响的距离以外锚杆类型机械式、摩擦式、通常锚杆永久锚杆（采取防腐蚀的锚杆）7）锚杆的商品化问题我们在锚杆施工中，最大的问题是锚杆的商品化问题。可以说，在许多国家，锚杆已经是一种商品。只要选择合适，拿过来用就可以了。而我国的锚杆，目前绝大多数是就地用钢筋自制的。因此，质量的离散性相当大、施工工艺也不能标准化，不能充分发挥锚杆的支护效果，有时就成为一种计价的“摆设”。当然，也有一些商品化的锚杆开始工厂化的生产。但还没有完全得到业主、设计和施工人员的认可。原因之一，就是商品锚杆的成本高。因此，大力降低锚杆的制造成本，提高商品化的速度，彻底改变锚杆施工的现状是非常重要的。8）锚杆的配置围岩条件是各种各样的，锚杆的配置也是各种各样的。图7为在不同地质条件下的锚杆典型配置例。图7 锚杆典型布置例
