中空型注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作性能比较
                             冶金部建筑研究总院  程良奎     杭州图强工程材料有限公司    王勇

摘要：锚杆支护是提高岩土工程稳定性的一种最经济有效的方法。本文分析了普通砂浆锚杆的缺陷，比较了中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作特性，提出了应用长期的隐性效益的观点来看待锚杆的经济性，并指出中空注浆锚杆体系的出现和发展是我国岩土锚杆技术进步的一个标志。

    随着交通、能源等基础设施建设力度的加大，在隧道、地下硐室和边坡中，作为能充分发挥岩体自稳能力的锚固技术已得到迅速发展，岩石锚杆用量与日俱增，显示出广阔的发展前景。在这种新形势下，如何选择安全和可靠的锚杆结构形式，避免因锚杆缺陷而造成塌方冒顶事故和其它工程病害，确保工作的长期稳定，就成为当前岩土界一个无法回避的重要问题。本文分析了普通砂浆锚杆的缺陷，比较了中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作特性，提出了应用长期的隐性效益的观点来看待锚杆的经济性，有助于岩土工程界正确看待中空注浆锚杆的工作特点与发展前景。
    1、 普通砂浆锚杆的技术缺陷
    工程实践表明，普通砂浆锚杆虽具有成本低廉，施工简便等优点，但其自身固有的技术缺陷却潜伏着对锚杆工程质量和锚固效果的严重威胁，这是不容忽视的。普通砂浆锚杆的主要缺陷有：
    a、 普通砂浆锚杆常采用先灌浆后插筋的工艺，人为因素对灌浆饱满度影响较大，特别是当施工向上仰斜或长度大于3.0m的锚杆，灌浆饱满程度更难于保证，常导致实际的有效锚固区与设计要求相差甚远，而当前又缺乏检验砂浆饱满度的有效方法，锚杆的抗拔试验也无法判定这类全长粘结型锚杆是否满足设计要求(因只要在不小于锚杆体直径的25~35倍的长度内灌满砂浆，在极限荷载的作用下总是杆体钢材出现颈缩与破坏)，因此当前广泛使用的砂浆锚杆留下的深深的隐患，更危险的是通常这种隐患是不被人们察觉的。
    b、 普通砂浆锚杆一般不设垫板和螺母(有时仅设置垫板，但无带丝扣的螺母)，无法在锚杆安装后提供托板力，锚杆的作用完全处于被动状态，只有当岩体位移时，锚杆才开始发挥作用，这就不利于控制岩体开挖后早期的松动与位移。
    c、 由于锚杆施工中砂浆饱满度难以控制，钻孔内的孔隙、空腔以及杆体钢筋裸露现象往往难以避免，为地下水(特别是含腐蚀介质的地下水)的入侵提供了通路，导致钢质杆体的锈蚀，将严重影响锚杆耐久性。
    d、 在软弱破碎岩体等不良地层中钻孔，拔出钻杆后，常出现塌孔现象，普通砂浆锚杆的应对能力差。
    2、 中空注浆锚杆的构造与特点
    2.1 中空锚杆的结构特点
    为了从根本上克服普通砂浆锚杆的弊端，改善锚杆的施工工艺和工作特性，确保锚杆工程质量，几年来杭州图强公司先后开发了RD普通中空注浆锚杆系列、EX钢质涨壳中空注浆锚杆系列、SD自进式中空注浆锚杆系列和YD预应力中空自进式注浆锚杆，以及相应的DML30-2型锚杆专用注浆泵和扭力扳手等配套装置，形成了完整的中空注浆锚杆体系，能适应不同地层和不同设计承载力的岩土锚固工程的要求。
普通中空注浆锚杆由中空杆体、硬质塑料锚头、止浆塞、垫板和螺母组成(图1)


                                            图1     普通中空注浆锚杆

    钢质涨壳中空注浆锚杆由中空杆体、钢质涨壳锚头、止浆塞、垫板和螺母组成(图2)

 
                                          图2    钢质涨壳中空注浆锚杆

    自进式中空注浆锚杆由中空杆体、自进钻头、联接套、止浆塞、垫板和螺母组成(图3)


                                          图3    自进式中空注浆锚杆

    预应力中空自进式注浆锚杆由中空杆体、自进钻头、连接套、对中器、PE套管、自由段钢套管、止浆塞、垫板和螺母组成(图4)

 

                                        图4    预应力中空自进式注浆锚杆

    2.2中空注浆锚杆的特点
    中空注浆锚杆具有以下一些特点，从而大大提高了锚杆的可靠性与适应性。
    a、 普通中空注浆锚杆采用先插入中空杆体，后在中空杆体的孔腔中由内向外灌注水泥浆，且锚孔外端口有止浆塞和托板，能有效地防止浆液的外溢，保证杆体与孔壁间的注浆饱满，这样就能沿锚杆全长传递剪应力和拉应力，确保锚固范围内的岩体得到加固。必要时，还可以实施压力注浆，使浆液向杆体周边岩体的裂隙内渗透扩散，使锚固范围内的岩体得到进一步加固。
    b、 浆液凝固后，可用扭力扳手拧紧螺母，提供10KN左右的托板抗力，与托板紧贴的岩层处可形成球形压力区(图5b)，从而有利于控制岩体开挖后的初期变形，阻止破碎岩块掉落。
    c、 采用涨壳式中空注浆锚杆或预应力自进式中空注浆锚杆，通过拧紧螺母或张拉装置能主动地将张拉荷载传递给岩土体，锚杆外端部岩石的球形或锥形压力区明显增大(图5c、5d)，并能提高软弱结构面或潜在滑移面的抗剪强度。按一定间距排列的涨壳式或自进式预应力锚杆可使锚固范围内的岩体构成压应力拱带，显著增强隧洞或边坡工程的稳定性。
    d、 在软弱破碎，成孔困难的地层中，采用将钻杆与中空锚杆杆体合二为一(钻头留置在地层内)的自进式锚杆，并可通过连接套，方便地将锚杆加长，这样就从根本上扭转了在松软、破碎等不良地层中无法安设锚杆或锚杆长度不能满足设计要求的状况。
    e、 中空锚杆不仅可保证杆体与孔壁间的空隙内注浆饱满，而且由于配置了锚头、止浆塞及连接套，可使杆体在锚孔内居中，从而保证锚杆具有设计要求的均匀的保护层厚度，大大提高了锚杆的耐久性。
 

                                        图5   不同类型锚杆对岩体预应力的影响
                                 a—普通砂浆锚杆                   b—普通中空注浆锚杆
                                 c—涨壳中空注浆锚杆               d—预应力中空注浆锚杆
                                        图6  在硐室上方
    用系统的预应力锚杆将松散岩石锁紧，形成人造岩石拱

    3、 中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆的比较
    通过前面的分析，可以就工作特性对中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆作一比较(见表1) 

    中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作特性比较(表1)
    锚杆类型
    工作性能 普通砂浆锚杆 中空注浆锚杆
    1、灌浆质量与有效锚固长度 灌浆饱满度差，杆体周边的注浆体与岩壁出现孔隙、空腔，大大削弱了有效锚固长度(面积)，
造成严重的质量隐患 能有效控制注浆饱满度，保证设计要求的有效锚固长度(面积)，必要时还可以采用压力注浆，进一步加固杆体周边松散岩体
    2、托板力与预应力 无托板力，无预应力 有托板力，当采用涨壳式或预应力中空注浆锚杆时，能对岩体施加预应力，提高岩体软弱结构面与潜在滑移面的抗剪强度，在一定的条件下能在岩体锚固区形成压应力拱带
    3、对不良岩层的适应性 在软弱破碎成孔困难的不良地层中，常常无法施工锚杆或迫使减短锚杆长度 采用钻杆和杆体合二为一的自进式锚杆，能在不良地层中安设锚杆
    4、耐久性 杆体周边砂浆不饱满，且因杆体不居中，保护层厚度不均匀，导致锚杆耐久性差 杆体与孔壁间注浆饱满，且杆体居中，具有足够的均匀的保护层厚度，锚杆具有良好的耐久性

    4、 中空型注浆锚杆的经济性
    从短期的显性效益来看，以隧道工程为例，由于中空注浆锚杆的单价较高，与采用普通砂浆锚杆相比，每延米隧道锚杆综合成本及每延米隧道总造价均有所增加。按浙江省交通设计研究院98年提供的资料(表2)，在IV、III、II类围岩中，RD25N中空锚杆较Ф22mm砂浆锚杆成本增加了10~26%，由此使隧道成本总造价约增加0.84%~1.5%。
    由于中空锚杆的推广应用,特别是近几年的飞速发展,产量大幅度增加,总成本下降,2003年的价格与普通砂浆锚杆对比价已相差无几,(我公司根据浙江省交通设计研究院98年提供的资料参考计算)。 RD25N中空锚杆较Ф22mm砂浆锚杆成本增加了1.8~16%，由此使隧道成本总造价约增加0.076%~0.78%。
    从长期的隐性效益来看，中空注浆锚杆能在锚杆全长充分锚固，并能在开挖后立即提供一定的支护抗力，抑制围岩的松动和变形，避免或缓减工程施工及使用期间塌方冒顶事故或其它病害的发生，特别是杆体周围具有足够而均匀的保护层厚度，大大增强了锚杆的耐 久性。这些隐含的经济效益则是普通砂浆锚杆所无法比拟的。

 
     中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆的比较
     项目
     围岩
     类别 每延米隧道综合造价(万元)
     锚杆长度(m) 锚杆分布
     纵向(m)×横向(m) 每延米隧道长锚杆数量总长度（m）/根数 每延米隧道长锚杆综合成本（元） RD25中空锚杆较Ф22mm砂浆锚杆成本增加(%)
RD25中空中空锚杆对隧道总造价增加（％）
     Ф22mm
     砂浆锚杆 RD25中空锚杆 Ф22mm砂浆
     锚杆 RD25中空锚杆 Ф22mm砂浆
     锚杆 RD25中空锚杆

1998 2003 1998 2003 1998 2003
IV 5.0 3.5 0.75×1.0 1.0×1.0 119.13/34 85.75/
24.5 3812.16~
4050.42 4544.75~
4716.25 4201~
4373 16~19 10~
7.8 1.3~
1.5 0.78~0.64
III 2.4 3.0 1.0×1.2 1.5×1.2 60.4/
20.1 41.0/
13.7 1932.8~
2053.6 2173~
2255 2009~
2091 10~12.4 3.8~
1.8 0.84~1.0 0.15~0.076
II 2.0 2.5 2.0×1.2 2.0×1.5 25.5/
10.2 19.38/
7.75 816~
867 1027.14~
1065.9 949~
988 23~26 16~
14 0.9~
0.95 0.26~0.24
    注：1、Ф22mm砂浆锚杆每延米统一按32~34元计，RD25N中空锚杆每延米成本按1998年53~55元计；RD25N中空锚杆应用推广后,其总成本下降, 每延米成本按1998年49~51元计
    2、表中资料为浙江省隧道工程实例；双车道隧道断面为67㎡。
    3、围岩类别按国家标准《锚杆喷混凝土支护技术规范》(GB50086_2001)；
 
    5、 结语
    中空注浆锚杆体系能确保锚杆杆体与孔壁间注浆饱满，充分发挥锚杆的锚固效应。特别是涨壳式中空锚杆与预应力中空锚杆在岩体开挖后能立即提供支护抗力(托板力或预应力)，有效地保护岩体的固有强度，阻止围岩的松动和变形，增强岩土工程的稳定性。其杆体为足够的浆液包裹，大大提高了抵抗腐蚀的能力，显示出良好的耐久性。
    中空注浆锚杆虽然比砂浆锚杆单价高，但由于其质量可靠，锚固效应与加固作用远优于砂浆锚杆，因而通过调整锚杆参数(间距和长度)后，实际的工程成本支出与砂浆锚杆相差无几。而中空型注浆锚杆则可避免或缓减塌方冒顶事故及其它工程病害的发生，耐久性得到显著改善，其长期的隐性经济效益是不能低估的。
    总之，中空型注浆锚杆体系结构新颖、技术先进、质量可靠，对地层的适应性强，耐久性好，具有广阔的发展前景。它的出现和发展是当今我国岩土锚固技术进步的一个标志。



参考文献
1、程良奎等著，岩土锚固，中国建筑工业出版社，2003年1月