深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点,在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件,是进行支护结构合理设计的前提,对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比,针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景,对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验,对比各构件的变形过程及破坏形态;基于M-θ曲线,综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律,提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果,进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明,依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系,围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高,极大地缩短了施工难度,降低了经济成本,应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。     

隧道格栅拱架喷射混凝土支护力学特性

目前大部分山岭隧道均采用"新奥法"施工,在"新奥法"施工中"格栅拱架+喷射混凝土"被作为初期支护结构越来越被工程界广泛采用,但其二者间相互作用的力学机理及其对支护效果的影响研究还不够充分。因此利用弹性薄壳理论建立了"格栅拱架+喷射混凝土"的力学分析模型,结合工程实例得到了"格栅拱架+喷射混凝土"初期支护的弹性解,分析了初期支护的力学特性。研究了喷层厚度及拱架间距对支护效果的影响,当格栅拱架间距在0.6~1.0 m调整时,格栅拱架间距对支护效果影响不是很明显,当喷射混凝土层达到设计强度后,围岩荷载主要由混凝土层承担。     

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。     

约束混凝土拱架力学特性与截面设计方法研究

随着地下工程逐渐向深部发展,传统支护体系难以满足复杂条件下的支护需求,约束混凝土拱架具有良好的承载特性,在地下工程中逐渐被广泛应用,但截面特性对约束混凝土拱架力学性能的影响机制尚未明确。对比分析常见的方钢约束混凝土(SQCC)、圆形约束混凝土(CCC)与U36全比尺拱架力学性能,研究各拱架的承载性能和变形破坏机制。对不同壁厚的SQCC,CCC和不同长宽比的矩形约束混凝土(RCC)拱架进行数值试验,研究截面形状、尺寸对约束混凝土拱架力学性能的影响机制。研究表明,在截面用钢量相同的情况下,拱架截面面积越大,承载能力越强,且SQCC,RCC拱架的力学性能优于CCC拱架。在此基础上,提出约束混凝土拱架截面设计方法。     

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。     

软弱围岩公路隧道初期支护可靠性信息化评价

工字型钢拱架是目前公路隧道软弱围岩常规的初期支护方式.以常张高速公路狗子滩隧道工字钢拱架初期支护为例,采用施工过程中的动态监控量测信息,来反演分析初期支护钢拱架在不同分段接头焊接处的强度,检验钢拱架初期支护的安全性,从而为施工提供理论指导和为变更设计提供依据.     

断层影响下隧道喷锚支护效果的数值模拟

喷锚支护是以喷射混凝土、锚杆支护为主要手段,保证围岩稳定的隧道施工方法,其参数设计是维护隧道围岩结构稳定性的关键。结合大华岭隧道及F1断层的结构特点,根据隧址区断层实际走向、断层面产状与隧道轴线不同夹角,采用半经验半理论方法,设计F1断层段锚杆支护参数及混凝土喷射厚度,利用岩土与隧道分析软件MIDAS/GTS对断层影响下的隧道喷锚支护效果进行数值模拟,分析了特定施工段支护前后沉降对比及位移量,讨论了围岩和支护体系的结构状态及工程效果。结果表明,合理选择喷锚支护设计参数可以有效地限制围岩位移,维护围岩的稳定性。该方法可为同类隧道锚杆支护设计、施工和研究提供有益借鉴。     

阿舍勒铜矿深部巷道支护方案优化研究

针对阿舍勒铜矿二期工程开采范围、矿岩特性以及矿山深部不同地段多种支护形式的现状,通过室内试验和矿山调查、数值模拟与理论分析,得出以下结论:3种支护方式对巷道的支护效果最好的是喷锚网联合支护,建议对Ⅲ级围岩(铜硫矿和黄铁矿)采用素喷混凝土支护或锚杆支护,对Ⅳ级围岩(凝灰岩)采用联合支护,在围岩完整性差时采用浇灌或者钢拱架支护。     

金华山软岩隧道纤维混凝土初期支护试验研究

混凝土中掺入聚丙烯纤维可以提高混凝土的延性,有利于混凝土支护结构和围岩共同作用。将湿喷工艺和纤维混凝土应用于隧道支护结构可以提高支护结构的施工质量和围岩的自承载能力,介绍了金华山隧道纤维混凝土支护结构的设计,材料的选用。为了评价湿喷纤维混凝土支护结构支护效果,采用现场试验量测的方法量测了对比段和试验段围岩压力、混凝土支护层压力,并进行了数据分析。分析结果表明,采用纤维混凝土支护结构试验段围岩压力分布均匀,围岩压力数值较小,混凝土支护层压力数值较小;对比段围岩压力数值要略大于试验段围岩压力,对比段混凝土支护层压力数值大于试验段混凝土支护层压力数值;纤维混凝土试验段支护效果良好。     

深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护技术研究

万福矿井胶带暗斜井机头硐室埋深达810 m,顶板基岩厚度仅48 m,硐室最宽8.02 m,最高6.6 m,顶板泥岩强度弱,稳定性差,为典型的深部薄基岩宽大硐室,存在突水溃砂风险。为此采用顶板围岩加固及加强支护技术对硐室进行防灾处理。采用了预注浆方式对硐室围岩起到理想加固效果。选用了“锚注+约束混凝土拱架”强化支护方案,约束混凝土拱架与围岩之间采用砂浆进行填充,约束混凝土拱架较好的抑制了围岩变形。万福矿井深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护经验可为类似硐室加固提供借鉴。     

浅埋大断面黄土隧道变形控制技术研究

浅埋黄土隧道在施工过程中普遍存在着围岩变形量大、拱脚稳定性差、地表沉降量大、围岩裂隙广泛发育等诸多弊端。为探究浅埋大断面黄土隧道施工变形原因及变形控制技术措施,以银西铁路宁县2~#隧道进口浅埋段为研究对象,对浅埋大断面黄土隧道的施工影响因素进行理论分析,采用三台阶设临时仰拱法,大管棚和中管棚联合超前支护,锚网喷配合钢拱架初期支护,钢筋混凝土二衬支护和围岩监测分析等多种技术手段,最终确保了顺利施工。结果表明,施工方法、支护结构及工艺措施等都会对隧道围岩变形控制有较大影响,支护结构封闭成环是黄土隧道围岩变形控制的关键,现场施工过程中缩短仰拱封闭的时间和距离至关重要。     

典型软岩巷道围岩稳定性控制研究

为解决软岩巷道支护困难的问题,根据福城煤矿一水平一采区北翼带式输送机探巷围岩物理力学特征,采用室内试验、理论分析及工业试验等手段对该类巷道围岩性质和稳定性控制技术进行了研究,提出了架棚锚索支护。将架棚锚索联合支护技术应用现场试验后,有效提高了围岩承载能力及支护体的整体性,改善了巷道围岩变形破坏严重的状况,研究成果对类似条件下软岩巷道的稳定性支护具有普遍意义和推广价值。     

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。     

高速铁路Ⅳ级围岩大断面隧道快速施工技术探索与应用

随着我国铁路建设的不断发展,铁路隧道机械化施工成为发展趋势,而在Ⅳ级围岩隧道施工中,上台阶的开挖高度对机械化配套施工有较大的影响,制约了隧道机械化施工效率。为此,通过大量的文献调研以及相关的施工经验,设计提出了适用于Ⅳ级围岩大断面隧道快速施工技术,并基于此明确了隧道机械化配套的快速施工与组织流程。实践证明:与传统的两台阶施工方法相比,该方法具有上台阶拱架加工便利、施工空间大、下台阶拱架安装便利等优点,有效地解决了Ⅳ级围岩两台阶施工中机械化配套影响施工进度的难题,取得了良好的工程应用效果,适用于长大隧道Ⅳ级围岩段的快速施工。     

喷射混凝土拱承载能力试验

近十年来,随着喷射混凝土这一先进支护技术广泛在矿山井巷、铁路隧道、大型峒室等地下工程应用以来,为了认识喷射混凝土支护的作用原理,国内不少单位作了大量试验,对于认识喷射混凝土支护机理及推广使用喷射混凝土支护技术起了很大的推动作用。针对金山店矿体内喷射混凝土支护主要起支撑作用的特点,为了认识一层薄薄的喷射混凝土的支撑能力,我们于1975年7月作了三个喷射混凝土拱承载能力试验,现将每个试验情况介绍如下。     

华蓥山隧道复合式衬砌的支护抗力评估

通过对隧道复合式衬砌的支护抗力分析 ,并利用结构承载力设计法分别计算了隧道围岩承载环、砂浆锚杆和混凝土喷层的承载能力 ,得出了公路隧道复合式衬砌结构承受的支护抗力大小。和现场实测的喷层应力值对比表明 ,两结果基本吻合。最后得出了具有一定工程意义的结论     

拜什塔木铜矿破碎软岩巷道的锚喷支护技术

为解决拜什塔木铜矿破碎软岩巷道钢拱架支护效果差及成本高等难题,设计采用锚喷支护方式对其进行支护。首先,从锚喷支护作用机理方面对设计的支护方式进行了分析;然后,基于国家规范对锚杆支护参数进行了设计,提出了锚杆安装与技术要求;接着,基于正交设计对混凝土材料配合比进行了室内力学实验,根据3种理论对该矿混凝土合理喷射厚度进行了计算;最后,在该矿井下选定场地开展了锚喷支护试验,通过采用地压与位移等监测设备以及现场实际观测等方式,对支护方式优化前、后的巷道变化情况进行了对比分析。结果表明:采用锚喷支护方式后,软岩巷道的变形较小;从设备监测来看采用新的支护方式后,巷道的应力变化、收敛变形与位移波动均较矿山原有支护方案要小。锚喷支护有效改善了该矿软岩巷道的受力情况,提高了围岩支护效果。     

隧道下穿采空区初期支护围岩变形及受力研究

为研究隧道下穿煤层采空区影响下围岩变形和支护构件受力规律,以郑(州)-太(原)高速铁路太(原)-焦(作)段控制性工程——皇后岭隧道为工程背景,开展数值分析以及现场监测,对比隧道常规段、下穿采空区段围岩位移、拱架受力以及围岩接触压力。结果表明：采空区对隧道围岩位移存在一个高度影响范围,约1.81～2.29倍的隧道洞径;上、中、下台阶开挖引起的拱顶位移比重为6∶2∶2,上台阶开挖属于重点监控时期;围岩变形的稳定时间为35～40 d。拱架整体受压,下穿采空区段拱架轴力均值约为常规段拱架的2倍,轴力分布离散率约为常规段拱架的5倍。下穿采空区段拱架轴力分布非对称显著,拱顶为承担围岩压力的关键部位;常规段拱架轴力整体分布均匀性良好。下穿采空区段围岩接触压力非对称现象显著,常规段围岩接触压力近似对称分布。围岩接触压力均值变化规律不同,稳定后大小基本相同。下穿采空区段围岩接触压力分布离散率约为常规段的1.5倍。常规段围岩接触压力分布形态先于拱架轴力保持稳定,隧道下穿采空区段的情况则相反。研究结果为隧道穿越采空区围岩稳定性分析提供了参考。     

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。     

隧道围岩坍塌分析及处理

在隧道施工中，由于多种因素影响，围岩坍塌较为常见。本文通过实例介绍了隧道破碎围岩塌方的处理措施和效果，采用全断面超前小导管预注浆固结松散体后再进行开挖、工字钢拱架加强初期支护的处理方法，并全面分析了塌方形成的原因，对隧道的设计和施工提出了建议。