§ 57. СООРУЖЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ (ч. 4)
Заделка клиновых анкеров осуществляется динамическим воздействием анкера на стенки шпура, учесть влияние которого практически не представляется возможным. Поэтому размерами анкеров задаются обычно на основании опыта их применения, а несущую способность заделки выявляют экспериментально (выдергиванием анкера из шпура).
Заделка анкеров с распорными головками осуществляется статическим приложением усилия. Вследствие этого можно оценить величины возникающих в заделке усилий и сделать достаточно достоверные выводы о несущей способности заделки.
Рассмотрим условия равновесия головки анкера, состоящей из трех клиньев, под действием силы Р (вес поддерживаемого блока породы или натяжение штанги) и силы трения Т о стенки шпура (рис. 182). Сила Р, приложенная к среднему клину, вызывает на контакте с боковыми клиньями усилие S, наклоненное к нормали под углом трения φк (углом трения стали по стали).
Проектируя усилие S на горизонтальное направление, можно найти величину распора H, передающегося на стенку шпура:
.
(145)Стремлению головки анкера сдвинуться вниз противодействует сила трения Т, равная
(146)где φп — угол трения между головкой и породой;
kн — коэффициент надежности заделки, определенный по формуле
.(147)Очевидно, что надежная заделка анкера обеспечивается при kн > 1, что соответствует неравенству
(148)Задаваясь значением коэффициента надежности (например, kн = 1,05), можно найти необходимый угол клина 2α.
Из формулы (147) следует, что для повышения надежности заделки анкера необходимо уменьшение угла клина и трения между клиньями, а также увеличение трения между головкой и породой, для чего поверхность головки целесообразно делать рифленой. В этом случае надежность заделки дополнительно увеличивается за счет внедрения выступов головки в породу.
Необходимо иметь в виду, что напряжения в стенках шпура, вызванные действием распора Н, не должны достигать предела, соответствующего переходу породы в пластическое состояние, так как в противном случае деформации стенок значительно возрастут, что неизбежно приведет к смещению заделки.
Используя формулу Герца, можно найти максимальное напряжение на контакте головки анкера со стенками шпура и определить длину головки, так как ее диаметр принимают минимальным для уменьшения диаметра шпура
; 
,(149)где d0 и d — диаметры соответственно шпура и головки;
E0 и Е — модули упругости породы и материала головки.
Минимальная длина головки
,(150)где R — напряжение, при котором исключена возможность возникновения пластических деформаций породы, находящейся в условиях трехосного сжатия.
Натяжение анкера принимают в пределах от 4 до 5 тс. Прекращение затягивания гайки по достижении проектного напряжения в штанге обеспечивается применением пневмосболчивателей с фиксированным крутящим моментом.
В зарубежной практике для этой цели используют гаечные ключи с длинной рукояткой, снабженные динамометром, которым можно измерить натяжение анкера, и пружинные ограничители, представляющие собой градуированные пружины, помещаемые между опорной шайбой и гайкой анкера. Пружина охватывается стальным кольцом, высота которого меньше высоты ненапряженной пружины. Необходимое натяжение штанги достигается в момент закрытия зазора между плоской шайбой и стальным кольцом, т.е. когда пружина будет сжата до высоты кольца. Такие ограничители позволяют удобно контролировать натяжение анкеров и в случае его снижения своевременно подтягивать анкеры.
Анкерная крепь рассмотренных типов является временной, так как анкеры не защищены от коррозии под действием подземных вод и не могут быть долговечными. Поэтому постановка стальных анкеров предполагает последующее сооружение обделки тоннеля.
С целью обеспечения долговечности анкеров можно использовать стойкие против коррозии алюминиевые сплавы или создать вокруг стальных штанг защитную оболочку из цементно-песчаного раствора, устойчивого против действия подземных вод, т.е. применять железобетонные анкеры. Нагнетание цементно-песчаного раствора в шпур (при котором воздух вытесняется через тонкую трубку, доходящую до дна шпура) после постановки штанги, иногда применяемое при необходимости одновременной цементации трещиноватых пород вокруг выработки, не дает положительных результатов вследствие невозможности высококачественного заполнения раствором шпура по всей его длине и отсутствия методов контроля заполнения. Кроме того, нагнетание должно производиться раствором с достаточно высоким водоцементным отношением, а в растворах, имеющих такое водоцементное отношение, при затвердевании образуются усадочные трещины.
К анкерам, которые могут быть использованы в качестве постоянной крепи, относятся анкеры набивные и типа «Перфо».