刘思佳 深圳市长勘勘察设计有限公司 广东.深圳 518003
摘要：随着大规模基础设施建设的发展，涉及到的岩土工程问题也越来越多，而锚杆和锚固技术是岩土工程中重要的支护与加固技术，近年来得到了快速发展。文章从 6 个方面综合论述了近期国内外新型岩土锚杆(索)的发展现状，即用于地下工程支护、城市基坑加固、腐蚀地质工程加固、软土地层工程加固、地下洞室抗爆以及边坡地震灾害治理的新型岩土锚杆(索)。在此基础上，分析了当前锚杆(索)发展中仍存在的主要问题，并指出了今后需要进一步开展的重要工作，包括针对深地下工程支护问题加强对屈服型锚杆(索)的研发，针对锚固工程耐久性问题加强对非金属锚杆(索)的研发，针对城市基坑工程加固问题加强对回收锚杆(索)的研发，针对软土地层工程加固问题加强对扩体型锚杆(索)的研发以及针对地下洞室锚固抗爆问题加强对新型抗爆锚杆(索)的研发，供同行参考。
关键词：岩土工程；锚杆；技术；发展
1、用于地下工程支护的新型锚杆(索)
随着世界各国地下设施建设不断加强和采矿业的迅速发展，在地下工程建造中已越来越多地需要应对各种形式的危害(如岩爆、大变形等)，传统的全长黏结型锚杆已难以适应复杂的荷载环境。为此，国内外工程技术人员对用于地下工程支护的锚杆(索)进行了改造和发展。
D 锚杆是挪威科技大学于 2010 年研制的一种用于地下工程支护的新型吸能锚杆，可有效治理地下工程中的围岩挤胀变形、塌方、岩爆等灾害(见图 1)。这种锚杆由光滑杆体及杆体上突出的锚定件组成，锚杆全长注浆。锚定件包括桨叶型和波纹型两种。当围岩变形时，锚定件固定在注浆体中，锚定件间的光滑杆体可自由变形，穿过围岩开裂面的杆体受荷均匀，显著低于全长黏结螺纹钢锚杆受到的集中荷载。加拿大 JENNMAＲ 公司于2008年研制出用于地下工程支护的 Yield-Lok 锚杆(见图 2)。这种锚杆主要利用镦粗的锚头在聚合物包壳内的滑动从而产生屈服位移。
除上述 2 种典型锚杆外，国外用于地下工程支护的新型锚杆(索)还有澳大利亚科廷科技大学于2008 年研制的 Garford 锚杆，奥地利 Atlas 公司于2007 年研制的Roofex 锚杆，瑞典皇家理工学院于2005 年研制的新型吸能锚杆，南非 SRK 矿业咨询公司于2005 年研制的 Duracable 锚索等。这些锚杆(索)大都结构和材料新颖，承载力高，可变形量大，具有良好的抗静动载性能。
近年来，国内也开发了几种新型锚杆(索)，比较典型的有中国矿业大学于 2011 年开发的恒阻大变形锚杆，山东大学于 2010 年开发的高强预应力让压锚杆以及煤炭科学研究总院于 2011 年开发的新型笼形锚索。恒阻大变形锚杆是专门针对大变形巷道和高应力巷道而研制的，是可以保持恒定阻力并靠机械滑动装置延伸的锚杆。高强预应力让压锚杆是通过位于垫板和螺母之间的金属让压套管
压缩变形实现让压的锚杆，有效地避免了锚杆螺母处的应力集中(见图 3)。新型笼形锚索是对传统单束矿用锚索的改进。这种锚索在锚固段使钢绞线展开，形成了中空的“鸟笼”。鸟笼可保证锚索在孔中对中，并增加锚固面积，从而获得较大抗拔力。
2、用于城市基坑加固的新型锚杆(索)
近年来，随着土地市场化的发展，人们对地下空间的产权意识日益增强，锚杆(索)施工时超越“红线”的现象越来越受到限制。另外，锚杆(索)在基坑加固中的大量使用，也导致对城市地下环境造成的污染越来越严重。为此，国内外众多科研院所和施工单位针对这种情况开展了多种可回收锚索的研制工作，并收到了良好的经济和社会效益。
国外对锚索施工超越“红线”问题关注比较早，20 世纪 90 年代中期就已开发出了多种可回收式锚索，比较典型的有德国 DYWIDAG-Systems 公司研制开发的 DYWIDAG 回收式锚索，英国学者Anthony D．Barley 等开发研制的SBMA 回收式锚索，日本国土防灾株式会社开发的JCE回收式锚索以及日本KTB 协会开发的 KTB 荷载分散型回收式锚索等。这些可回收式锚索从施工工艺上大致可分为机械式回收、力学式回收和化学式回收3种。
在发达国家中，日本对可回收锚索的研究尤为重视，近年来一直在不断改进。日本飞岛建设公司于 2007 年开发出了 IH 可回收式锚索 (见图4)，是一种可设置成压力分散型的可回收式锚索。这种锚索利用锚固段内设置的电磁线圈加热熔断锚索，从而实现对锚索的回收，其回收效率较高，只需对电磁线圈通电 80s 便可熔断钢绞线(见图 5)，回收时，只需人力便可将钢绞线拔出。与日本的很多传统可回收锚索相比，IH 可回收锚索具有设计灵活(钢绞线既可双数使用也可单数使用)、成本低、易回收、钢绞线可重复使用等优点。
日本日特建设公司于 2008 年开发出了一种自行切断式可回收锚索 (见图 6)，也是一种压力型锚索。这种锚索回收时，借助千斤顶的拉拔作用，利用内锚头的超硬切割装置，自行将锚索切断，从而实现对锚索的回收(见图 7)。这种锚索承载力比传统可回收锚索高约 20%;自行切断能力强，回收时需要施加的荷载较低;对于 25m 以上长度的锚索，其与日本很多传统回收锚索相比回收速度可提高 4 倍以上。
与国外一些发达国家相比，国内开展回收式锚杆(索)的研究起步相对晚些，但发展很快，已有多家科研院所和施工单位开展了有关可回收锚杆(索)的研制工作，并取得了多项研究成果。总参工程兵科研三所曾于 2003 年研制出一种压力分散型的 U 形回收式锚索。北京力川地基工程公司于 2007 年研制出直列无级调压式回收锚索(见图8)。深圳钜联锚杆技术有限公司于 2006 年开发出JL 可回收锚索(见图 9)，是一种后弹开扩大头回转型可回收锚索，克服了普通等直径 U 形锚索的一些缺点。广州泰基工程公司于 2009 年研制出 LTRA 可回收锚索，是一种主副索式的可回收锚索。上海房睿建筑科技有限公司于 2012 年开发出一种新型的置入式可回收土钉。
3、用于腐蚀地质环境的新型锚杆(索)
在使用钢材作为拉杆的永久性锚固工程中，一个重要问题是钢拉杆的防腐。钢材自身的物理化学性质、地下水和地层的水化和电学性质以及地层的化学成分都对锚杆(索)腐蚀的形成和发展具有重要影响。目前，对处于腐蚀地质环境的永久性锚固工程，要么使用轻质高强、耐腐蚀、低松弛的非金属锚杆(索)代替钢锚杆(索)，要么就是对钢锚杆(索)进行繁琐的防护处理。
在欧洲、北美、日本等发达国家与地区，20 世纪90 年代就开始试图用非金属锚杆( 索) 取代钢锚杆(索)，力求从根本上解决由钢筋或钢绞线腐蚀所引起的工程耐久性问题。这类非金属锚杆(索)大多为采用玻璃(glass) 纤维、芳纶(aramid) 纤维、碳(carbon)纤维以及一些特殊纤维材料增强的塑料筋杆(索)体。意大利 SIREG． SPA 公司于 20 世纪 90 年代初研制出系列化的玻璃纤维锚索。美国Hughes Brothers 公司于 20 世纪 90 年代中期制作出玻璃纤维筋锚杆。日本 Highway Public 公司和Sumitomo Construction 公司于 20 世纪 90 年代中期开发出采用芳纶纤维增强的 Technora 筋锚杆。20世纪 90 年代中期，意大利 SIREG． SPA 公司研制出采用碳纤维增强的 CARBOPREE 筋锚杆(见图 10)。日本的 Zenitaka-Gumi，Kajima 等公司于 20 世纪 90年代中期开发出 CFCC(碳纤维绞线)和 Leadline(棒形碳纤维)筋锚杆。英国学者 M J Turner 于20 世纪90 年代末研制出一种名为 Paraweb 聚酯织带的锚杆，这种锚杆由 1 根或多根 Paraweb 聚酯织带绕过钻孔底部而构成受拉杆件(见图 11)。
相对于国外来说，国内对非金属锚杆(索)的研究起步较晚，研究机构主要集中在一些高等院校等部门。目前，国内也有一部分公司拥有自己的非金属锚杆产品，如深圳海川实业有限公司于 2006 年开发的路威 2006FRP 锚杆等。
国内为有效提高锚固工程的使用寿命，除开发非金属锚杆(索)外，还努力寻求开发具有防腐性能的金属锚杆(索)。四川准达岩土工程公司于 2006年研制了自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索(见图 12)。这种锚索具有有效防腐、克服锚固段应力集中、有效减小孔径、全孔一次注浆、可进行二次补偿张拉等特点。
图 12 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索结构示意
4、用于软土地层环境的新型锚杆(索)
提高软土地层环境中单根土锚的锚固力，对于降低锚固技术施工成本及扩大使用范围具有重要意义。目前，常用的方法主要有2种，即扩体型锚杆(索)和二次高压灌浆锚杆(索)。
国外较早就对扩体型锚杆(索) 开展了研究，20 世纪 80 年代末，瑞典的 Atlas 公司开发出一种由折叠铁片组成的囊袋扩体锚索，英国开发了Soilex 囊袋扩体锚索；20 世纪 90 年代，英国万用锚杆公司开发出 UAC 扩孔锚杆，英国 Fondedile 基础公司开发出具有多个圆锥锚固体的锚杆，法国学者Soletanche 开发出一种可在松软土、岩溶地层以及低承载力的地层中反复灌浆的 IＲP 锚杆。
国内对扩孔地锚的研究也一直十分重视，20 世纪 90 年代，我国台湾学者卢锡焕发明设计了保壮PCBA 扩孔地锚；台湾大地工程股份有限公司特制的扩孔器可在锚固段上扩成多个圆锥形扩体。深圳钜联锚杆技术公司于 2001 年开发了一种利用高压水射流束在土层中进行扩大头锚杆施工的工艺方法，被命名为“JL 扩大头锚杆”或“高压喷射扩大头锚杆”。我国京冶地基工程公司则于 2011 年开发出了一种新型承压式囊袋扩体锚索(见图 13)。这种锚索具有如下特点:锚索囊式扩体段通过压力注浆向外均匀挤压，保障索体的置中;囊式扩体段对周边土体产生挤张作用，形成扩大头，增加锚杆拉拔力；囊内灌注高强度水泥浆体，其结石体强度 ＞40MPa，可保证锚固端头强度。
图 13 待送入孔中的新型承压式囊袋扩体锚索
5、用于地下洞室抗爆的新型锚杆(索)
研究地下洞室在爆炸荷载作用下的安全问题具有重要的意义。大量科学研究和工程实践表明，经过锚杆(索)加固的地下洞室除具有良好的抗静荷载性能外，还具有优异的抗爆炸荷载的性能。因此，锚固技术本身也是一种很好的地下洞室抗爆技术。
国内曾对普通全长黏结锚杆(索)的抗爆性能开展过大量的研究工作，近期又对一些新型锚杆(索)的抗爆性能开展了研究。总参工程兵科研三所近期开发出一种新型端部消波锚杆及一种新型挤压套屈服锚索。所谓端部消波是指在锚杆钻孔端部设置一段空孔(见图 14)，利用这段空孔削弱来袭爆炸应力波。挤压套屈服锚索则采用以柔克刚的办法，利用挤压套屈服机构的伸长来实现对洞室围岩大变形的让压。研究表明，端部消波锚杆和挤压套屈服锚索都具有较好的抗爆性能。
图 14 端部消波锚杆支护洞室示意
国外也比较重视抗爆锚杆(索)的研究。20 世纪 90 年代中期，南非学者 W．D．Ortlepp 曾对一种锥头屈服锚杆的抗爆性能开展了大量的模型试验工作(见图 15)，结果表明，相对于普通全长黏结锚杆，锥头屈服锚杆具有十分优良的抗爆性能。这种锚杆的锥形头部可在注浆体内位移，同时保持锚固力，光滑杆体则可变形延伸。新加坡防护科学技术局(DSTA)曾于 2000—2001 年为检验瑞典的一种新型抗动载屈服锚杆的抗爆效果(见图 16)，进行了多次大规模的原型坑道内爆炸试验。实测结果表明，这种锚杆发挥出了很好的抗爆作用。
6、 治理边坡地震灾害的新型锚杆(索)
汶川地震后，我国锚固工程界调查分析了地震对锚固边坡的破坏情况，发现在高烈度地震区锚固工程存在较严重的破坏现象，如锚头破坏、地梁或框架失效、锚索松弛和索体拉断等，于是开始思考开发能够治理严重地震灾害的预应力抗震锚索。
重庆交通科研设计院于 2011 年开发出了一种新型抗震锚索。这种锚索以压力型锚索为基础，采用抗震锚固体系和抗震装置，以抗震内锚具为核心构件(见图 17)。该锚固体系可缓冲地震冲击力并与岩土体协调变形，从而避免锚固体系发生毁灭性破坏。目前，这种抗震锚索已在四川、云南等地高速公路边坡工程中得到应用。
7、结束语
综上所述，近些年来国内外岩土锚固界在新型锚杆(索)开发利用方面已取得了令人瞩目的成绩。然而，作为岩土锚固工作者，在充分肯定成绩的同时，也应该看到锚杆(索)发展中仍然存在的一些问题。这些问题要么是工程建设需求提出的，要么是锚杆(索)自身缺陷造成的。在今后的工作中，应针对这些问题，继续做好新型锚杆(索)的研发工作，以便更好地为国民经济和国防工程建设服务。
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论文作者:刘思佳
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期
论文发表时间:2015/10/12
标签：锚杆论文; 锚固论文; 见图论文; 可回收论文; 日本论文; 荷载论文; 公司论文; 《基层建设》2015年16期论文;