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锚杆支护机理的错误认识与现状反思
目前国内工程跨度不同的地下洞室非常普遍，开挖过程和今后运行期维持隧洞顶拱围岩稳定的手段普遍采用系统锚杆进行支护。系统锚杆的深度一般都由设计单位在开挖支护图纸上明确支护参数，但是系统锚杆的深度多少合适？这并没有一个普遍的共识，目前的情形是，为了确保工程的安全，设计单位争相提高锚杆的深度，唯恐地下洞室顶拱围岩不稳定，垮塌造成重大事故，以至于目前所有地下洞室顶拱的系统锚杆基本都按照钻机所能达到的最大深度确定。而且，锚杆对围岩的支护机理也越来越走向误区，目前的是思路就是用锚杆将不稳定（或者担心不够稳定的岩体）用锚杆钉在深层坚固稳定的岩体上，这种把锚杆当做“钉钉子”，把设想的不稳定岩块用钉子“悬挂”在坚固可靠的岩体上的做法和思路，不仅已经成为了设计单位的共识，而且已经写进了国内规范。笔者对长期从事地下工程的监理工作，对这种现状非常无奈和不解，为什么会有这样错误的认知和错误的做法？我们该怎样才能从这种错误的认知中摆脱出来？实际由于锚杆越打越深，支护多付出的，或者是不应该付出的工程费用越多，因增加支护工程量而多耗费的工期也越多，但是所有工程参建方对此均毫不在意，这究竟能否改变。笔者列举出1993年投产发电的广州抽水蓄能电站一期工程地下厂房顶拱系统锚杆支护作为工程实例，希望国内工程界各位同仁能够根据这一工程地下厂房洞室顶拱系统锚杆深度的演变过程，对自己已经经历或正在经历的工程做一些对比：（1）基本情况：广州抽水蓄能电站一期工程于1988年开工，地下厂房洞室长度为146.5m，宽度为22m/21m（岩锚梁上部/岩锚梁下部）、高度44.6m。厂房开挖分Ⅵ层，1989年9月厂房首层开挖开始，至1991年1月21日结束。地下厂房顶拱系统锚杆参数为φ25 L=7.5m @1.5x1.5。（2）系统锚杆优化过程：1989年10月，厂房顶拱开挖已经开挖了30多米，此时仅仅支护了随机锚杆，系统锚杆并没有实施，原因是系统锚杆优化一直在争论，没有最后确定。根据瑞典咨询专家瑞查兹的意见，广州抽水蓄能电站地下厂房顶拱系统锚杆深度2.5m就够了，但是充分理解中国同行的担忧，建议增加0.5m，广州抽水蓄能电站一期工程的地下厂房顶拱系统锚杆长度建议为3m深，当时的中南院监理和施工单位十四局广东分局的主要领导考虑到厂房顶拱0+0～0+030桩号范围为Ⅱ类围岩，接受了瑞典专家的意见，将厂房系统锚杆定为3m并立即实施。但是0+030桩号范围的系统锚杆支护完成后，0+030以后的围岩类别为Ⅲ类围岩，此时系统锚杆是否仍按照3m施工，监理主要领导存在犹豫，毕竟原设计锚杆深度为7.5m，现在连一半深度都不到，是否太冒进了？加之地质条件有所变化，因此监理主要领导与施工单位领导协商，考虑适当增加锚杆深度，施工单位领导建议，当时厂房锚杆造孔采用三臂液压台车，三臂液压台车并没有夹钎器，接钎对造孔工效影响太大，因此，施工单位领导建议，三臂液压台车一根钎打到底，就是3.7m，建议加深为3.7m。监理同意，因此厂房顶拱0+030—0+120桩号范围的系统锚杆深度为3.7m。1990年1月，能源部高级专家到工地，了解了锚杆深度后，认为根据国内外众多地下工程资料分析，地下厂房顶拱的围岩爆破松动圈深度一般为0.5m左右，爆破松动圈内为围岩的塑性变形区，深度一般为3m左右，再深入则为围岩的弹性变形区。专家建议，锚杆应穿过塑性变形区，到达弹性变形区内，并保证在弹性变形区内有不少于2m的锚固深度，据此高级专家提出，广州抽水蓄能电站一期工程地下厂房顶拱系统锚杆的深度应该在5-6m。根据高级专家的意见，监理和施工单位立即协商，将0+120—0+146.5m桩号范围的顶拱系统锚杆深度改为5.7m，在原来3.7m的基础上，接一根2m的钎子。0+0—0+030， Ⅱ类围岩， 系统锚杆φ25 L=3m @1.5x1.50+030—0+120，Ⅲ类围岩，系统锚杆φ25 L=3.7m @1.5x1.50+120—0+146.5，Ⅲ类围岩，系统锚杆φ25 L=5.7m @1.5x1.51993年8月广州抽水蓄能电站一期工程发电到今天，31年过去了，笔者根据这个工程实例提出以下疑问：（1）广州抽水蓄能电站一期工程的地下厂房顶拱围岩支护参数的不同，有什么问题吗？（2）广州抽水蓄能电站一期工程的地下厂房0+000—0+0120桩号的顶拱围岩稳定，由于过浅的锚杆深度，存在什么不安全的隐患吗，因为支护深度过小而出现了围岩位移过大和对顶拱围岩稳定的担忧吗？不言而喻，都没有，可以说广州抽水蓄能电站一期工程的地下厂房顶拱围岩应力调整重新分布早已经完成，不存在任何安全隐患，这个工程也是成功的。那这个成功的工程实例为什么不能带给我们任何反思和启示呢？我们是否可以参考这个工程实例，考虑适当减小一点点，哪怕是0.5m的锚杆深度？众多的地下工程累计起来也是为国家节省了大量的费用和工期，我们工程界为什么始终回避广州抽水蓄能电站这个工程实例，坚决不能参照它作出任何改变？这究竟是为什么？锚杆对围岩的支护机理到底是什么？锚杆对围岩的支护作用到底是通过什么原理发挥的？喷锚支护是基于岩石力学理论产生的新奥法，新奥法的基本观点是硐室围岩只要维持它原来的应力状态和完整性，它自身就具有稳定能力，喷锚支护的目的和作用就是保持围岩的三向应力状态和完整性。具体的说，围岩开挖后，由于出现了临空面，原来的三向应力状态被破坏了，岩体应力在垂直临空面这个方向上释放了，那么岩体必然会向失去应力的方向发生回弹变形，而过大的变形会导致岩体松弛，原来围岩处于压紧的致密状态因为失去松动而张开。这样岩体的完整性变差了，因此围岩会发生坍塌。而锚杆的作用就是约束和限制岩体向临空面的继续变形和松弛，维持岩体的三向应力状态，这样岩体依靠它自身就能维持稳定了，不需要再把它悬吊在其它什么坚固的物体上。但是这样一个理念却并没有为大家普遍接受，新奥法被引入中国工程界很多年了，可是人们普遍接受和熟悉了新奥法工艺的同时，却抛弃这些方法依据的基本思想和理论。这是令人非常奇怪的。工程实际中我们发现很多设计人员甚至是专家对锚杆对围岩支护的机理也没有搞清楚，他们完全是想当然的把锚杆当做钉子，他们的支护思想是把那些假定的不稳定块体用锚杆钉在坚固稳定的好岩石上，把不稳定岩体悬吊在坚固的好岩石上，这种怪异的思路产生了二个十分普遍的现象：一是锚杆长度越来越长，因为生怕锚杆没有到达坚固的岩石，要尽可能的让锚杆穿过那些不稳定的岩体，到达更深层的稳定岩体，并且在更深层的稳定岩体上保证有足够的锚固长度，这样才钉得牢，才能足够的放心。二是按照不稳定岩体的重量来计算锚杆的截面积和根数，所有锚杆截面积总的抗拉强度必须大于不稳定块体产生的拉应力并有足够的安全系数。正是基于这种非常荒谬的思路，就出现了设计锚杆的长度越来越长，锚杆直径越来越粗且间距很密，这基本是目前设计的共识和一致做法。工程需要有足够的安全裕量，因此笔者完全理解并赞同需要有一定的保守作为安全储备或余地。这是合理的也是必要的，但是保守应该适度，安全储备不应该无限扩大。我们在工程实践中，不仅要认真进行计算，也要重视积累工程实践经验，不是所有工程问题都可以准确计算，有些也需要进行工程类比。已经取得成功的工程，应该为大家广泛借鉴和推广。广州抽水蓄能电站一期工程地下厂房的系统锚杆支护深度，就应该为国内其它工程广泛重视和参考。（完）
【作者简介】杨少春：男，1982年7月毕业于原武汉水利电力学院水建系，退休前在中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司工作，教授级高工，长期从事水利工程设计、监理工作，曾参与广西红水河龙滩水电站的初步设计工作、三峡永久船闸和溪洛渡水电站右岸地下工程的监理工作，现退休。本期【百家论水】专栏系列就到这里了，大家有需要交流探讨的，欢迎在评论区留言或转发、分享，期待各位下期再见。
相关阅读链接：
杨少春：关于三峡双线五级连续船闸施工中锚索测力计反馈张拉力不够的问题
杨少春：《夷陵赞》
来源：整理网络媒体、官网等
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薛国强：【水利天下】公号创办人兼总编。2000年本科毕业于武汉水利电力大学，2012年工程硕士毕业于同济大学，注册咨询工程师，水利水运双专业高级工程师，河湖网专家顾问委员会委员，科普中国专家库专家成员，中国水利文协专家委员会委员。福建省土木工程建筑行业协会专家库成员、福建省土木工程系列高级工程师任职资格评审专家评委等。
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