地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展

随着我国地下工程的迅速发展,建设规模不断扩大,工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件,导致围岩变形严重、控制困难,联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明,拱架作为联合支护的最后一道防线,其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点,近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面,进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究,为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面,建立了拱架内力计算模型,形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面,进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面,形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法,研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结,同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。     

方钢约束混凝土拱架力学性能及破坏机制

针对处于深部、高应力、构造破碎带等条件下的困难支护巷道,提出了方钢约束混凝土（SQCC）新型支护体系,并对其主要组成部分方钢约束混凝土拱架进行了深入研究。推导出任意节数直腿半圆形拱架的内力计算公式,结合工程实际计算出现场采用的4节拱架在均布荷载作用下的内力分布,得到内力最大的部位为拱腿上部和拱顶;通过SQCC构件强度分析对可能的关键部位进行校核,得到拱架均压作用下最先破坏的部位为拱腿上部以及拱架的极限承载力为1 315 kN。采用地下工程约束混凝土拱架1∶1大型试验系统对SQCC全尺寸拱架进行了力学加载试验,结合利用ABAQUS软件对SQCC拱架进行的数值试验,分析了极限承载力误差率δFe-Ft=-7.1%,δFe-Fn=-1.1%和关键破坏部位、内力以及应力应变等多个结果,从而对拱架力学性能和变形破坏机制进行了研究,同时也验证了理论计算和数值试验的正确性。     

U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

针对深井高应力巷道支护难题，基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制，采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统，并结合数值计算方法，开展了系统的试验研究。结果表明，均压加载条件下，室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 kN，极限荷载为1 310 kN，数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%，拱架整体呈现“拱顶上升，拱腿内敛，整体变瘦高”的变形形态，最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示，UCC拱架具有显著的围岩控制效果，为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。     

矿用U型约束混凝土拱架轴压短柱试验研究及应用

为明确最新研发的矿用U型约束混凝土拱架的基本力学性能,设计了U型约束混凝土(UCC)短柱轴压试验方案,从变形破坏形态、荷载-应变曲线、极限承载力及声发射响应特征等方面,分析了其受力性能和变形破坏特性,同时研究了核心混凝土破裂机理。结果表明:UCC短柱呈现整体塑性失稳的破坏形态,对应的N-ε曲线为上升→平缓上升的4阶段形式;UCC短柱具有较好的延性和后期承载能力,极限承载力提高127%~196%,经济性得到提高;声发射活动先后经历了孕育期到消寂期4个阶段。分析得到了每个时期约束混凝土短柱的受力、变形、破坏行为及机理。现场应用效果显示,U型约束混凝土拱架为深部、软岩巷道提供了新型有效的支护形式,控制效果明显优于常规U型钢拱架。     

软岩巷道锚杆-拱架联合支护参数优化研究

为明确软岩巷道锚杆-拱架支护失效机理,寻求锚杆、拱架支护参数的优化组合,以典型软岩巷道为工程背景,利用具备锚杆破断、拱架压弯屈服与架-岩脱离功能的FLAC3D精细化数值模拟平台,开展了锚杆、拱架不同强度组合对围岩控制效果的对比研究。结果表明:(1)巷道收敛变形量和塑性区体积均随锚杆直径、拱架截面积的增大而减小,但对底鼓的影响不明显;(2)锚杆、拱架单独作用下出现了严重的锚杆破断、拱架屈曲失效现象,二者协同组合作用下效果改善;(3)构件失效机理分析显示拱腿率先变形是拱架整体失效的主要诱因,模拟结果与工程现场基本一致;(4)不同支护强度组合方案对比分析显示,支护效果受锚杆直径的影响并不显著,而随拱架参数的变化响应明显。基于研究结论提出18mm+1.2U36并增设锁拱锚杆的支护优化方案,并得到现场验证。     

软岩巷道锁拱锚杆精细化数值模拟研究

锁拱锚杆是软岩巷道支护中拱架失效的常用防控措施,但是其参数设计缺少依据。为研究锁拱锚杆位置、长度参数对巷道支护效果的影响规律,以典型软岩巷道为工程案例,采用自主开发的锚杆-拱架联合支护精细化模拟技术开展了数值模拟试验。结果表明:无锁拱方案围岩变形量大,拱腿率先变形,随后与围岩分离,最终导致支护体系失效;而锁拱锚杆控制了拱腿内弯变形且防止了拱架与围岩分离,保证了支护体系的完整性,支护效果明显改善;巷帮内移量和塑性区体积随锁拱点高度H的增加呈现先减小后增大的规律且影响显著,支护效果随锁拱锚杆长度L的增大趋好但并不明显。基于研究结论确定了锁拱锚杆优化参数(H=1.0 m,L=3.0 m),现场实践表明效果良好。     

方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。     

软岩隧道稳定监控量测及支护措施优化调整

针对大跨软岩隧道危害突出的问题,本文以敦格铁路阔克萨隧道为研究对象,结合现场监测数据分析软岩隧道的稳定性。结果表明:软岩大变形隧道拱部受力及变形最大,边墙次之,在施工时,加强隧道拱部的监测和支护能够得到较好的成洞效果;在软弱围岩条件下,隧道的支护结构设计应根据监控量测结果进行动态调整设计方案,合理选取支护结构的强度和刚度;分台阶开挖施工应尽量减少上下台阶的开挖距离,尽早封闭钢拱架和喷射混凝土、施作初期支护,以达到控制围岩变形和提高支护效果的目的。本文研究成果可为类似工程的设计与施工提供借鉴和参考。     

基于现场流变试验的软岩巷道变形破坏机理及支护研究

软岩巷道变形破坏是煤矿深部开采软岩巷道支护的主要灾害之一。基于国投新集刘庄矿深部泥岩现场三轴流变试验和数值模拟,分析了软岩巷道变形破坏机理及支护技术。采用阻尼最小二乘法逐次线性化的间接方法,利用非线性流变力学模型,拟合得到泥岩蠕变本构方程,分析得出刘庄矿深部软岩巷道的合理支护方式,即采用反底拱和全封闭的施工方式,顺层掘进的重要硐室锚杆打按方位应尽可能与层面垂直,同时进行底板锚注补强支护。     

约束混凝土拱架套管节点压弯承载特性研究

为解决约束混凝土现场应用过程中套管节点设计保守、施工困难等难题,采用室内试验与数值试验相结合的方式,综合考虑不同套管节点构造参数及不同偏心率加载,分析套管节点试件压弯组合力学性能及破坏形态,开展套管节点参数影响规律研究。结果表明:1)节点试件压弯组合作用下呈现典型两阶段工作模式及变形破坏模式;2)节点与拱架接触部位发生明显的应力集中现象,试件呈折线形破坏;3)荷载-位移曲线表现为典型的弹性、弹塑性和塑性3阶段特性,轴压承载力与无套管试件相比降低19.4%左右;4)得到了不同套管节点参数的M-N曲线,提出了节点经济性指标β1,β2,量化了套管节点强度与经济成本之间的关系,提出了工程设计建议,为相关工程设计应用提供借鉴。     

软岩巷道变形机制及支护参数设计

为解决煤矿深部大断面软岩巷道的支护难题,基于神火集团葛店煤矿-600 m水平工程条件的复杂性等,结合现场地质调查、实验室内试验、理论分析和现场监测等方法,根据软岩工程力学理论,提出了相应的控制策略和具体的支护设计形式、支护参数及合理的施工过程.实测表明:锚网喷+高预应力锚索+注浆锚杆耦合支护形式可有效控制深部大断面软岩巷道的剧烈变形,确保巷道的变形在允许范围之内.     

深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用

针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快、持续变形时间长以及支护系统损毁等矿压显现特点,分析了复杂应力场和高渗透压作用下的变形破坏机制,并结合深部巷道的"应力恢复、围岩增强、固结修复和主动卸压"控制原则,提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,并阐明其成拱及强化支护的机理。结合现场地质生产条件采用理论计算、数值模拟和工程类比法综合确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。现场实践表明,采用锚喷注强化承压拱支护技术后,巷道围岩总体变形量较小,围岩收敛率从扩刷修复前的2.6 mm/d降至0.56 mm/d,且支护系统亦无开裂损毁现象发生,实现了对深井软岩巷道的有效控制。     

基于流变试验的软岩巷道变形破坏机理分析及支护技术

软岩巷道变形破坏是煤矿深部开采软岩巷道支护的重大灾害之一。基于刘庄矿区深部泥岩现场三轴流变试验和数值模拟,对软岩巷道变形破坏机理及支护技术进行了分析,采用最小二乘法中的阻尼最小二乘法(Marquardt法)逐次线性化的间接方法,利用非线性流变力学模型,拟合得到泥岩蠕变本构方程,分析得出刘庄矿区深部软岩巷道的合理支护方式：(1)采用反底拱和全封闭的施工方式,减小巷道的维修工作量;(2)顺层掘进的重要峒室,其锚杆的方位应尽可能和层面垂直,将弱面串联成一体;(3)底板锚注控制底板大变形。     

兴安矿深部软岩巷道大变形控制对策

为了更好地控制深部软岩巷道围岩大变形破坏问题,通过现场调查和理论分析,得出了兴安矿深部软岩巷道围岩大变形破坏的主要影响因素包括工程地质条件差、地应力水平高、水解作用和原支护不合理.基于这些影响因素,建立了包括围岩结构优化技术、耦合支护技术、底板控制技术、冒落控制技术为核心的深部工程稳定性一体化耦合控制技术.工程实践表明,在深部复杂的软岩巷道支护中,采用一体化耦合控制技术,能有效控制深部软岩巷道大变形破坏.     

深部软岩地下工程交叉点分类及支护对策研究

在隧道、矿山等工程建设中越来越多的涉及到深部软岩地下工程的稳定性控制等问题，也不可避免的遇到深部软岩地下工程交叉点问题，但目前对其分类及支护对策研究方面还很不完善、不系统。首先简要对深部软岩地下工程交叉点进行分类，然后总结其变形破坏特点，分析其影响因素，并且介绍了深部软岩地下工程交叉点的支护对策及力学原理。还通过现场工程实例详细分析了深部软岩地下工程交叉点支护对策，并进行参数设计，同时也对支护效果进行分析。     

张家洼矿区巷道锚喷支护设计与施工

一般支护设计方法是把锚杆、喷射混凝土、钢拱架等支护作用置换成作用于巷道壁面的内压,然后归结为二层圆管或三层圆管模型进行求解,确定出应力、应变和位移间的关系,并用变位来进行施工管理。本文强调用系统锚杆支护,在地层中形成一个承载拱。用短锚杆、钢筋网、薄层喷射混凝土加固承载拱强度,使它能满足承载拱以外围岩变形的要求。在实践中认识到,喷层开裂在软岩支护中一般是不可避免的,而锚杆却能适应较大的围岩变形。最后,通过工程实例说明在软岩巷道施工中所吸取的教训。     

高应力软岩隧道不同断面形状支护分析

工程中高应力软岩隧道越来越多,选择合适的断面形状对隧道稳定及变形有着重要影响.数值计算分析表明,直墙拱隧道要加强两帮支护,曲墙拱和圆形隧道宜加强帮上角支护,这种加强支护应随应力差的增大而加强.通过对四川白皎矿二水平高应力软岩大巷支护选择的分析,结果与现场试验吻合.     

深部大断面软岩巷道变形力学机制及耦合支护设计

为解决煤矿深部大断面软岩巷道的支护难题,基于鹤煤九矿-420 m水平变电所地质条件的复杂性和工程重要性,采用现场地质调查、室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测等方法,根据深部的概念体系和评价指标对其支护难度进行了评价,根据软岩工程力学理论确定了巷道围岩的类型和变形力学机制,提出了相应的控制对策和具体的支护设计形式、支护参数及合理的施工过程.结果表明:锚网喷+锚索+钢带+底角锚杆耦合支护形式可有效控制深部大断面软岩巷道的大变形,确保巷道的稳定和安全使用.     

U型约束混凝土补强机制研究及应用

U型约束混凝土拱架支护可有效解决传统拱架支护后期承载力不足的问题,但灌注口的存在会降低其承载力,它是整个拱架的关键部位之一,需进行局部补强加固。为研究U型约束混凝土拱架补强机制,取留设灌注口U型约束混凝土短柱为研究对象,通过强度指标α和经济指标β对3种不同补强方式及不同补强板厚度在轴压作用下受力机制进行研究。结果表明:沿口竖向补强、沿口横向补强、沿口周全包3种局部补强方式可将短柱的轴压承载力分别提高至补强前的115.6%,105.8%,103.8%;补强钢板厚度在14~22 mm范围时竖向补强方式的经济指标β值增长率最大。将竖向补强方式在全比尺试验验证后应用于工程实际,取得了良好的效果。     

深部暗斜井大变形破坏机理及其控制技术研究

深部软岩巷道常处于“三高一扰动”复杂环境中，其大变形一直是支护难题。针对新元煤矿轨道暗斜井掘进期间大变形问题，实测分析巷道变形破坏特征，建立UDEC数值模型，利用实验室测试结果和GSI法校正模型参数，基于“应力弱化系数”指标，反演巷道围岩变形及裂隙分布特征，揭示巷道变形破坏机理。研究结果表明：剪切裂隙首先出现在巷道围岩表面，而后向深部发育，拉伸裂隙滞后剪切裂隙出现，且分布围岩浅部区域，底板裂隙发育程度高，变形严重。提出“全锚索+反底拱+网喷混凝土”联合支护方案，工程应用结果表明，优化后的支护方案使围岩整体承载能力显著提高，顶底板及两帮最大移近量分别为126 mm、116 mm,有效地控制围岩变形，为类似深部软岩巷道支护设计提供有益参考。