鋼管混凝土拱架支護(hù)的發(fā)展與應(yīng)用

鋼管混凝土拱架支護(hù)的發(fā)展與應(yīng)用

鋼管混凝土拱架支護(hù)概述隨著能源需求的增加和采收模式的不斷增加，世界上許多類型的金屬礦和采礦業(yè)的開(kāi)采深度超過(guò)1000米，包括一些金屬礦床。在我國(guó),雖然目前經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)煤炭資源的依存度有所下降,但從當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的依賴性看,煤炭的主體能源地位無(wú)法改變。我國(guó)埋深在1000m以深的煤炭資源占總量的47.4%,隨著淺部煤炭資源的枯竭,煤炭開(kāi)采進(jìn)一步走向深部勢(shì)在必行針對(duì)支護(hù)難題,不斷有人在嘗試新思路、新材料和新技術(shù),其中以鋼管混凝土支架最具突破性。尤其自2000年前后至今,鋼管混凝土拱架支護(hù)技術(shù)取得了飛快發(fā)展,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方面均積累了大量成果,該技術(shù)呈現(xiàn)出承載力高、穩(wěn)定性好、支護(hù)成本低等特點(diǎn),同時(shí)也暴露出一些迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前雖然有部分文獻(xiàn)已對(duì)鋼管混凝土拱架支護(hù)技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀做過(guò)一些介紹,但是均較為籠統(tǒng)或局限,對(duì)發(fā)展脈絡(luò)及趨勢(shì)的闡述也不夠準(zhǔn)確和清晰,總體來(lái)說(shuō)不夠系統(tǒng)和完整。對(duì)此,本文首先闡述了鋼管混凝土拱架支護(hù)的產(chǎn)生和發(fā)展背景,而后分別從基本原理、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方面對(duì)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述;最后總結(jié)了鋼管混凝土拱架支護(hù)目前的發(fā)展形勢(shì)及顯著優(yōu)勢(shì)、存在的理論及技術(shù)問(wèn)題和下一步研究重點(diǎn)。1混凝土拱架支護(hù)存在問(wèn)題U型鋼拱架是深部軟巖巷道支護(hù)最為常用的加強(qiáng)支護(hù)形式,鋼管混凝土拱架支護(hù)的提出和發(fā)展很大程度上是基于解決U型鋼拱架在現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)中出現(xiàn)的問(wèn)題。因此充分了解U型鋼拱架支護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)準(zhǔn)確掌握鋼管混凝土拱架的產(chǎn)生和發(fā)展背景具有重要意義。1.1早期支護(hù)實(shí)踐U型鋼1932年由德國(guó)海茨曼公司首先研制,它具有優(yōu)良的截面幾何參數(shù),易于實(shí)現(xiàn)搭接縮讓,在煤礦巷道中廣泛應(yīng)用,1972~1977年德國(guó)主要產(chǎn)煤區(qū)U型鋼拱架比重已達(dá)90%,并已系列化。1960年代,我國(guó)開(kāi)灤、淮南礦務(wù)局引入U(xiǎn)型鋼可縮性支架,70年代后期在國(guó)有統(tǒng)配煤礦中全面推廣U型鋼金屬支架通過(guò)提供被動(dòng)的徑向支護(hù)力,直接作用于巷道圍巖表面,來(lái)平衡圍巖的變形壓力,約束圍巖變形。早期的巷道支護(hù)主要依據(jù)古典壓力理論和塌落拱理論采用棚式剛性支護(hù);而后隨著新奧法的引進(jìn),以錨網(wǎng)噴支護(hù)為代表的柔性支護(hù)得到大范圍應(yīng)用,成為淺部煤礦巷道支護(hù)的主要方式1.2研究工作在U型鋼支架支護(hù)理論研究方面,成果多集中在20世紀(jì)八九十年代,比較典型的有侯朝炯、陸士良、尤春安、蔣斌松等進(jìn)行的研究工作。侯朝炯在U型鋼理論研究方面較為集中的成果體現(xiàn)是,1986年原煤炭工業(yè)部生產(chǎn)司發(fā)布了關(guān)于使用《巷道金屬支架系列》的決定(86煤生字第495號(hào)),對(duì)我國(guó)煤礦巷道普遍使用的9種架型、131種規(guī)格的金屬支架及相關(guān)附件進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化(MT143—1986),提出了選擇支架的方法和步驟,斷面參數(shù)和極限承載力的計(jì)算過(guò)程,支架附件的選擇依據(jù)1.3試驗(yàn)成果在文獻(xiàn)資料中的應(yīng)用對(duì)于U型鋼力學(xué)性能試驗(yàn),我國(guó)在早期開(kāi)展過(guò)一些工作,且出臺(tái)了煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《U型鋼拱形可縮性支架技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》(MT/T882—2000),但是相關(guān)試驗(yàn)成果在現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中并不多見(jiàn)。近年來(lái)隨著其他支護(hù)方式的興起,較少有人專門(mén)針對(duì)U型鋼拱架開(kāi)展試驗(yàn),目前U型鋼拱架試驗(yàn)多是作為對(duì)比分析的對(duì)象出現(xiàn),近期的U型鋼拱架試驗(yàn)主要見(jiàn)下述研究。2011年劉國(guó)磊1.4u鋼拱護(hù)岸的改善形式針對(duì)根據(jù)現(xiàn)有礦用U型鋼拱架在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題(見(jiàn)第1.5節(jié)(1)~(3)),相關(guān)人員提出了改進(jìn)方法。謝文兵1.5存在問(wèn)題及地位U型鋼拱架是現(xiàn)階段深部高應(yīng)力軟巖巷道常用的支護(hù)形式,經(jīng)綜合分析認(rèn)為存在以下問(wèn)題。(1)支護(hù)強(qiáng)度不足,性價(jià)比不高。如第1.1節(jié)所述,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多個(gè)深部礦區(qū)采用的U36拱架均出現(xiàn)了屈服、斷裂的現(xiàn)象;且礦用U36鋼每米重量35.87kg,用鋼量大。(2)工作阻力低。由于U型鋼采用卡纜連接,因此U型鋼拱架的支護(hù)反力與搭接處的摩擦阻力有關(guān),而不是U型鋼本身的抗壓強(qiáng)度,我國(guó)U型鋼拱架普遍存在鎖緊力不足,拱架工作阻力相對(duì)較低的現(xiàn)象。試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果表明,U型鋼拱架工作阻力也只達(dá)到其極限承載能力的50%左右。(3)受力結(jié)構(gòu)不合理。U型鋼拱架因?yàn)槠洫?dú)特的截面形式,和圍巖一般是以點(diǎn)、線接觸為主,從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受集中載荷或大偏心載荷,使支護(hù)結(jié)構(gòu)受損或支撐能力得不到充分的發(fā)揮,嚴(yán)重降低了材料利用率,支護(hù)效果得不到保障。(4)不能定量讓壓。采用卡纜作為節(jié)點(diǎn)連接形式,可以進(jìn)行一定的縮動(dòng)讓壓,但是其讓壓量及讓壓時(shí)機(jī)很難把握和控制,受施工質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)受力條件影響十分顯著。(5)由于現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性,雖然進(jìn)行了改進(jìn),但改進(jìn)形式仍然具有局限性,深部支護(hù)問(wèn)題仍然突出。雖然存在上述不足,但由于支護(hù)難題越來(lái)突出,支護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要,U型鋼拱架就成為目前沒(méi)有更好選擇時(shí)的選擇。而且,與本文鋼管混凝土拱架相比,U型鋼可縮性拱架經(jīng)過(guò)幾十年的積累,在技術(shù)工藝上具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)生產(chǎn)技術(shù)成熟,材料來(lái)源廣泛;(2)不需熱彎,冷彎即可成拱,設(shè)備要求低,成本得到控制;(3)加工非常簡(jiǎn)單,基本所有礦井均具有自主加工能力。統(tǒng)計(jì)顯示目前我國(guó)煤礦年均投入的U型鋼都在10萬(wàn)噸以上,U型鋼拱架支護(hù)技術(shù)仍然是目前深部巷道較為常用的支護(hù)形式。通過(guò)上述正反兩方面的綜合分析,可得到的結(jié)論是,雖然目前U型鋼拱架支護(hù)存在一些問(wèn)題,但是當(dāng)沒(méi)有一個(gè)新的支護(hù)形式在效果、成本、工藝等綜合效益上能夠明顯超過(guò)U型鋼拱架時(shí),U型鋼拱架支護(hù)在我國(guó)深部礦山巷道支護(hù)中的主要地位短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。2拱立管的理論和技術(shù)2.1鋼管混凝土構(gòu)件鋼管混凝土構(gòu)件是在鋼管中灌注混凝土形成的。純混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度較高,但其抗剪、抗拉和抗彎能力都較弱,比較容易在變形很小的情況下發(fā)生局部破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn);而鋼材的抗彎能力較強(qiáng),但純鋼材構(gòu)件在受壓時(shí)容易喪失直線平衡狀態(tài)。鋼管混凝土構(gòu)件受壓時(shí),鋼管和混凝土互相彌補(bǔ)了對(duì)方的缺點(diǎn),發(fā)揮了雙方的優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)出力學(xué)性能上的“共生現(xiàn)象”,使材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。由于具有施工快速、承載力高、成本低和防火抗震等優(yōu)點(diǎn),得到迅速發(fā)展1879年英國(guó)塞文施工鐵路橋墩中,第一次使用了鋼管混凝土構(gòu)件以防止鋼管的銹蝕并承受壓力。國(guó)外對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的理論研究及大范圍工程應(yīng)用主要是在20世紀(jì)60年代以后。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼管混凝上結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究起步于20世紀(jì)60年代,鐘善桐2.2關(guān)于有關(guān)激勵(lì)作用的報(bào)道雖然鋼管混凝土技術(shù)已在地面結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應(yīng)用,但把加工成拱形支架應(yīng)用于地下工程支護(hù),有關(guān)這方面的報(bào)道還很少。1970年代初,日本青函海底隧道,采用圓形鋼管內(nèi)注水泥沙漿代替了一般H型鋼,防止了塌方,克服了膨脹性土壓力,順利通過(guò)了斷層帶由于技術(shù)發(fā)展水平和隧道、地鐵現(xiàn)場(chǎng)特殊條件等原因,1980年代至今未見(jiàn)再有后續(xù)的推廣使用,但為礦山巷道實(shí)踐研究提供了借鑒和參考。2.3研究應(yīng)用總體處于初期階段目前,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在礦山巷道支護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用還相對(duì)較少,總體處于初期階段。主要的工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)于表1,主要包括時(shí)間、參與人員、工程特點(diǎn)、主要參數(shù)及關(guān)鍵成果等。2.3.1實(shí)踐發(fā)展概述1995年,安徽理工大學(xué)臧德勝1997年前后,煤炭工業(yè)部立項(xiàng)資助《鋼管混凝土支架與鋼拱圈支架等效性的研究》項(xiàng)目2006年前后開(kāi)始至今,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)高延法及其團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析的同時(shí),陸續(xù)在錢(qián)家營(yíng)礦、北皂煤礦、查干淖爾煤礦、華豐煤礦、邢東煤礦等進(jìn)行了鋼管混凝土拱架的現(xiàn)場(chǎng)推廣使用2011年至今,山東大學(xué)李術(shù)才、王琦、李為騰等隨后,西安科技大學(xué)谷拴成縱觀上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過(guò)程,以2000年為界,可以將鋼管混凝土拱架在隧巷支護(hù)工程中的實(shí)踐發(fā)展過(guò)程大致分為兩個(gè)階段:嘗試性實(shí)踐階段和研究應(yīng)用階段。在第一階段,各工程案例的目的主要在于探索將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由地上工程引入地下支護(hù)工程的可行性,論證鋼管混凝土拱架的有效性,明確對(duì)當(dāng)前常用型鋼支護(hù)的等效替換性;實(shí)踐研究呈碎散狀態(tài),實(shí)踐數(shù)量少(國(guó)內(nèi)隧道1例,礦山2例)且不成系統(tǒng),相應(yīng)的理論、技術(shù)、工藝不成熟;由于科技發(fā)展水平和現(xiàn)場(chǎng)條件等原因,第一階段的實(shí)踐沒(méi)有持續(xù)性的推廣應(yīng)用,但是為后續(xù)發(fā)展做了鋪墊。第二階段的迅速發(fā)展以2006年前后高延法團(tuán)隊(duì)在錢(qián)家營(yíng)煤礦進(jìn)行鋼管混凝土拱架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐為標(biāo)志;此后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例快速增多(超過(guò)20例),圍巖控制效果得到充分體現(xiàn),實(shí)踐研究的重心從可行性探索轉(zhuǎn)移到應(yīng)用研究,包括計(jì)算方法、設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝等,應(yīng)用研究的系統(tǒng)性和延續(xù)性增強(qiáng),發(fā)展迅速且潛力巨大。第二階段相比第一階段發(fā)展如此迅速,分析認(rèn)為有兩個(gè)主要原因:一是部分技術(shù)難題如彎管、灌漿、節(jié)點(diǎn)連接等技術(shù)問(wèn)題的攻克;二是我國(guó)煤礦進(jìn)入深部的大環(huán)境,自2004年至2014年,我國(guó)千米深井?dāng)?shù)量增加約50處,在更深、更軟等條件下,鋼管混凝土拱架的高強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)的置換性體現(xiàn)的更加明顯。2.3.2鋼管節(jié)點(diǎn)連接裝置鋼管混凝土拱架是將直的圓鋼管根據(jù)巷道支護(hù)需要,熱煨加工成需要的形狀,加工時(shí)將鋼管分為數(shù)段,各段之間設(shè)置連接裝置(一般采用套管節(jié)點(diǎn)連接),如圖6(a)所示,各榀拱架之間設(shè)置連桿防止側(cè)向傾倒?？珍摴芄凹苓M(jìn)行井下安裝對(duì)接,安裝完成后使用混凝土輸送泵將混凝土材料灌注到鋼管中。鋼管混凝土拱架與錨桿、錨索等共同構(gòu)成完整的深部巷道支護(hù)體系,如圖6(b)所示。(1)工程施工條件目前鋼管混凝土拱架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的巷道埋深在300m~1200m之間,總體呈增大趨勢(shì),軟巖、構(gòu)造等工程條件越來(lái)越復(fù)雜。目前主要用于(極)軟巖、大埋深(1200m)、斷層破碎帶等復(fù)雜的難支護(hù)條件下,其中尤以北皂煤礦的極軟巖和華豐煤礦的大埋深最為典型。說(shuō)明鋼管混凝土拱架對(duì)上述條件具有一定的適用性。(2)大斷面封閉拱架近年來(lái)一直采用較多的拱架形狀為(橢)圓形、封閉或不封閉的直腿(曲腿)半圓形;礦山巷道中拱架尺度和節(jié)數(shù)隨時(shí)間呈增大趨勢(shì),目前尺度(寬度或高度)一般在4m~5m,節(jié)數(shù)以4節(jié)為主,部分大斷面全封閉拱架為5節(jié);排距一般在0.5m~1m,0.6m~0.8m應(yīng)用較多;灌注的核心混凝土基本為C40,也有C30和C60案例,同時(shí)也有灌注鋼纖維混凝土的案例;拱架截面形式主要為圓形,也出現(xiàn)了采用方形截面和D形截面的案例,如表1實(shí)踐5和實(shí)踐8,拱架截面尺寸隨時(shí)間推移整體呈增大趨勢(shì),目前常用Φ194mm×(8~10)mm;另外需要指出的是,高延法團(tuán)隊(duì)中通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土的抗彎性能需要進(jìn)一步提高,基于此研發(fā)了抗彎增強(qiáng)型的鋼管混凝土截面形式,如圖7所示。上述參數(shù)可為鋼管混凝土拱架支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。(3)大滲流區(qū)的灌注方式首先是灌注工序的演化,1984年南嶺隧道進(jìn)行施工時(shí)采用的是先在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)好拱架之后再進(jìn)行混凝土灌注的工序;1995年平頂山礦務(wù)局四礦采用了在地面灌注養(yǎng)護(hù)之后再運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的工序,這種方式導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)構(gòu)件較重,可能是后來(lái)沒(méi)有持續(xù)推廣的原因之一;2000年之后,高延法團(tuán)隊(duì)在錢(qián)家營(yíng)煤礦采用了“先架后灌”的工序,避免了“先灌后架”的缺點(diǎn),取得較好效果,目前普遍采用該工序。其次是“先架后灌”中灌注方向的演化,在表1所列錢(qián)家營(yíng)煤礦和北皂礦現(xiàn)場(chǎng)灌注中,采用的灌注方向?yàn)橛缮现料碌姆绞?這種方式容易導(dǎo)致鋼管中氣體不易排出,混凝土不密實(shí);所以在此之后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中,灌注方向演化為由下至上的“頂升灌注”,灌注孔位置如圖6(a)所示,能夠有效排出氣體增加密實(shí)度。(4)套管連接方式在2000年之前的實(shí)踐中,各節(jié)之間采用的連接形式為法蘭連接,圖4(a)所示;而在此后的案例中基本上全部采用套管連接的方式,圖6(a)所示。兩者各有優(yōu)劣,法蘭連接節(jié)省材料,但強(qiáng)度較弱;套管連接相對(duì)成本要高,但強(qiáng)度也較高,套管長(zhǎng)度一般為400mm~900mm,套管壁厚8mm~12mm不等,套管總間隙5mm~10mm不等。另外一種節(jié)點(diǎn)是可縮性節(jié)點(diǎn),見(jiàn)下文(6)。(5)圍巖墊層結(jié)構(gòu)由于現(xiàn)場(chǎng)巖土體開(kāi)挖表面不平整導(dǎo)致拱架和圍巖之間形成點(diǎn)接觸或偏壓,對(duì)拱形拱架承載十分不利。因此,在拱架和圍巖之間一般需設(shè)置墊層。從發(fā)展歷程來(lái)看,案例中的拱架?chē)鷰r拱架基本上均設(shè)置了墊層,但墊層的材料種類繁多,包括木墊塊、木背板、混凝土背板、灰包、袋裝矸石、灌注或噴射混凝土等,同時(shí)還有泡沫板+混凝土的墊層形式。上述墊層均取得了一定效果,但是并沒(méi)有對(duì)效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),因此目前對(duì)墊層形式及參數(shù)尚未有較為統(tǒng)一的意見(jiàn)。(6)鋼管混凝土拱架鋼管混凝土拱架是一種高強(qiáng)支護(hù)形式,現(xiàn)有的研究已經(jīng)表明深部、軟巖巷道變形具有顯著的流變特性綜上所述,鋼管混凝土拱架已經(jīng)在深部軟巖巷道支護(hù)方面取得部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,取得較好的效果且發(fā)展迅速。但目前規(guī)范的施工技術(shù)及工藝體系尚未形成,亟需形成或制定用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工的規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。2.4室內(nèi)試驗(yàn)與研究2.4.1試驗(yàn)結(jié)果及分析關(guān)于鋼管混凝土整架試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。2001年,臧德勝上述試驗(yàn)研究過(guò)程中共進(jìn)行了20架試驗(yàn),其中2架為模型試驗(yàn),5架為U型鋼拱架試驗(yàn),3架為方鋼約束混凝土拱架,其余為圓截面鋼管混凝土拱架。試驗(yàn)拱架主要為(橢)圓形和直腿半圓形,這兩種拱架在現(xiàn)場(chǎng)較為常用。試驗(yàn)拱架參數(shù)多變,拱架截面以Φ194mm×8mm最多,混凝土等級(jí)以C40為主。通過(guò)對(duì)比表2所述試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果,可以得到如下主要結(jié)論。(1)鋼管混凝土拱架具有更高的承載力,是相同用鋼量條件下U型鋼拱架的2倍左右。試驗(yàn)5中,鋼管混凝土拱架是U型鋼拱架的2.65倍;試驗(yàn)6中,試驗(yàn)條件差別較大,該值為5倍左右;試驗(yàn)7中兩者試驗(yàn)條件一致,該值為1.9倍;試驗(yàn)8中方鋼約束混凝土拱架試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)6中U型鋼試件用鋼量和試驗(yàn)條件接近,該值為1.8倍左右。(2)主要采用了兩種不同的加載方式。第一種加載方式為頂部加載、其他位置多點(diǎn)約束,見(jiàn)試驗(yàn)3~試驗(yàn)6;其余試驗(yàn)采用了第二種加載方式即均布油缸多點(diǎn)加載。第二種加載方式與《U型鋼拱形可縮性支架技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》(MTT882—2000)規(guī)定的加載方式一致。兩種加載方式存在較大不同:采用第一種加載方式的試驗(yàn)拱架極限承載力一般認(rèn)為是頂部油缸出力的最大值;而對(duì)于第二種加載方式,拱架的承載力被認(rèn)為是所有油缸出力總和的最大值,其依據(jù)為上述《試驗(yàn)方法》中3.6條對(duì)“工作阻力”的定義:“U型鋼支架在某一工作狀態(tài)時(shí),所承受的巷道圍巖壓力總和。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí),用各加載點(diǎn)上的加載油缸荷載的代數(shù)和表示?！眱煞N加載方式各有利弊,第一種加載方式獲取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)為頂部加載油缸的荷載-位移曲線,可以由此劃分并確定拱架的彈性極限承載力和極限承載力,試驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰明確,但拱架受力情況與現(xiàn)場(chǎng)差異較大;第二種加載方式能夠更真實(shí)模擬拱架在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力狀況,可以實(shí)現(xiàn)不同側(cè)壓力系數(shù)的荷載施加,但拱架的受力狀態(tài)不再能簡(jiǎn)單的由某一點(diǎn)的荷載位移曲線呈現(xiàn),其承載狀態(tài)的描述需要綜合所有加載點(diǎn)信息進(jìn)行確定。(3)拱架截面內(nèi)力主要處于壓彎狀態(tài),拱架的極限承載力由截面壓彎承載力決定(變形形態(tài)和屈服失穩(wěn)機(jī)理),李為騰(4)對(duì)于第二種加載方式而言,不同的側(cè)壓系數(shù),承載力不同,如試驗(yàn)7結(jié)果所示,結(jié)合其他文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果(5)核心混凝土強(qiáng)度越高,拱架承載力越高,該結(jié)論較為顯而易見(jiàn),但混凝土強(qiáng)度越高成本也越高且施工控制操作更為嚴(yán)格。應(yīng)根據(jù)成本及現(xiàn)場(chǎng)施工條件選擇合適的混凝土等級(jí)。(6)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括徑向荷載、徑向位移、鋼材應(yīng)變?nèi)?xiàng),在李為騰(7)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,目前拱架整架試驗(yàn)方法不統(tǒng)一,不利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累和橫向比較,需要制定相關(guān)規(guī)范,為此給出部分建議:(1)從結(jié)構(gòu)的受力分析方面認(rèn)為,第一種加載方式更適合于圓形、橢圓形或近似圓形的全封閉拱架,第二種加載方式更適合于直腿半圓形等非封閉式拱架;總體上認(rèn)為,第二種加載方式(均布油缸多點(diǎn)加載)開(kāi)展拱架力學(xué)試驗(yàn)更加科學(xué)合理;(2)為促進(jìn)后續(xù)試驗(yàn)成果的有效積累及橫向?qū)Ρ确治龅臏?zhǔn)確,在采用第二種加載方式進(jìn)行拱架試驗(yàn)時(shí),作者建議統(tǒng)一拱架極限承載力Q2.4.2試驗(yàn)結(jié)果及分析鋼管混凝土圓弧拱試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)于表3。2001年臧德勝(1)由試驗(yàn)4對(duì)比可知,鋼管混凝土圓弧拱承載力是相同截面用鋼量的U型鋼的2.4倍,是22b工字鋼的7.6倍。(2)構(gòu)件在均布荷載作用下比集中荷載承載力高,由試驗(yàn)6可知,當(dāng)采用均布加載時(shí)構(gòu)件無(wú)法壓壞。(3)對(duì)比試驗(yàn)4~6可知約束方式對(duì)構(gòu)件承載特性影響顯著,接頭形狀、滑移情況均對(duì)承載力具有明顯影響,完全約束條件下承載力最高,可滑移量越大承載力越低。(4)對(duì)比試驗(yàn)5中不同齡期及強(qiáng)度試件可知,混凝土齡期及強(qiáng)度對(duì)承載力影響顯著。(5)通過(guò)圓鋼加強(qiáng)后承載力提升顯著,在外側(cè)焊接圓鋼比在內(nèi)側(cè)焊接圓鋼提升顯著。2.4.3直徑與抗彎承載力間的相關(guān)性曲廣龍(1)采用加強(qiáng)方式效果對(duì)比,加強(qiáng)圓鋼直徑與抗彎承載力呈現(xiàn)出近似線性正相關(guān)的關(guān)系,圖11所示。(2)通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)掌握了套管節(jié)點(diǎn)的基本力學(xué)特性,但相關(guān)結(jié)論需要進(jìn)一步室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。2.4.4試驗(yàn)研究現(xiàn)狀表5所示為旨在研究鋼管混凝土拱架的短柱軸壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表。由于在地上鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,對(duì)短柱軸壓試驗(yàn)及力學(xué)性能的試驗(yàn)研究較為充分,因此在鋼管混凝土拱架相關(guān)研究中一般多將短柱試驗(yàn)作為下一步試驗(yàn)的鋪墊或支撐,如試驗(yàn)5進(jìn)行目的在于進(jìn)行拱架數(shù)值計(jì)算參數(shù)的反演。2.4.5試驗(yàn)研究中的問(wèn)題(1)開(kāi)展了一定數(shù)量的拱架整架試驗(yàn),初步掌握了拱架的宏觀承載特性,但對(duì)拱架承載失效機(jī)理的分析不夠深入,套管節(jié)點(diǎn)對(duì)拱架承載特性的研究尚不充足。(2)拱架的讓壓是必要的,但是目前僅進(jìn)行了1架定量讓壓節(jié)點(diǎn)力學(xué)試驗(yàn)研究,對(duì)讓壓拱架的系統(tǒng)試驗(yàn)尚未開(kāi)展,對(duì)讓壓拱架力學(xué)特性的掌握顯然也是不充分的。(3)套管節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性復(fù)雜,且對(duì)拱架承載特性影響顯著,目前僅通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)的方法進(jìn)行了套管節(jié)點(diǎn)純彎曲試驗(yàn)研究,對(duì)套管節(jié)點(diǎn)在壓彎作用下的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究非常缺乏。(4)由于沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和操作規(guī)范,導(dǎo)致目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累和橫向比對(duì)分析面臨很大阻力。2.5數(shù)值計(jì)算方法的選擇鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析在地上結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用較廣,也較為成熟,如鋼管混凝土的拱橋、地鐵立柱、各種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等。但鋼管混凝土拱架作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算研究還較少。蘇林王由上述分析可知,早期鋼管混凝土拱架基本構(gòu)件數(shù)值計(jì)算采用ANSYS較多,目前以ABAQUS軟件為主,且模擬方法和參數(shù)相對(duì)成熟。數(shù)值計(jì)算對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)構(gòu)件常用型號(hào)及參數(shù)基本一致。2.6圓形拱架的定位2010年高延法當(dāng)N式中:N上述計(jì)算均針對(duì)受均布徑向荷載的圓形拱架或非圓形拱架的圓弧形部分。其理論模型是拱架內(nèi)力中僅有軸力,將壓彎的效應(yīng)用偏心系數(shù)的形式反映出來(lái)。孟德軍2.7灌注口加固方案設(shè)計(jì)由于鋼管混凝土拱架需要現(xiàn)場(chǎng)灌注,因此必然需要在拱架上預(yù)留灌注口,灌注口的存在會(huì)造成拱架應(yīng)力集中,導(dǎo)致拱架整體承載能力的下降,因此有必要對(duì)灌注口進(jìn)行相關(guān)研究并設(shè)計(jì)優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)方案。高延法3優(yōu)勢(shì)、問(wèn)題和下一步研究3.1在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況圖13為2000年以來(lái)相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量隨時(shí)間變化柱狀圖(檢索時(shí)間:2015年12月23日;檢索庫(kù):中國(guó)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù);檢索策略為主題詞檢索:鋼管混凝土(約束混凝土)+支架(拱架))。在2009年之前相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量幾乎為零,此后論文數(shù)量呈現(xiàn)出近似指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì),截止檢索日,2015年當(dāng)年相關(guān)論文數(shù)量已達(dá)到28篇。在國(guó)外方面,目前尚未見(jiàn)應(yīng)用及研究報(bào)道,國(guó)內(nèi)鋼管混凝土拱架支護(hù)技術(shù)發(fā)展超前。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看,目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于巨野、龍口、新汶、內(nèi)蒙等礦區(qū)20余坐礦井,巷道條件涵蓋深井、軟巖等復(fù)雜條件,總體來(lái)說(shuō)取得了較好的圍巖控制效果并創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。從近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋及相關(guān)研究結(jié)論可見(jiàn)鋼管混凝土拱架支護(hù)技術(shù)具有如下主要優(yōu)勢(shì):(1)支護(hù)強(qiáng)度高,性價(jià)比高。目前常用型號(hào)的鋼管混凝土拱架支護(hù)強(qiáng)度是相同用鋼量U型鋼或工字鋼的2倍左右,提供相同的支護(hù)反力,所需用鋼量及支護(hù)成本顯著降低。(2)可選支護(hù)參數(shù)多。鋼管混凝土拱架具有圓形、方形、矩形等多種截面形式供選擇,同時(shí)每種形式的尺寸、壁厚、混凝土標(biāo)號(hào)等都可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整組合,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多變的復(fù)雜條件具有更好的適應(yīng)性。(3)套管連接簡(jiǎn)便可靠。U型鋼拱架的卡纜連接節(jié)點(diǎn)工作阻力等力學(xué)行為受影響因素較多,很難掌控,易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致屈曲、彎折或節(jié)點(diǎn)自鎖,對(duì)安裝質(zhì)量要求較高;鋼管混凝土拱架各節(jié)之間的套管連接傳力行為更為明確,穩(wěn)定性更高,且安裝簡(jiǎn)便。3.2鋼管混凝土拱架主要支護(hù)特性(1)深部高應(yīng)力條件下讓壓拱架-圍巖相互作用機(jī)理不清楚。圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)制研究多將重心放在圍巖特征曲線的描述方面,對(duì)于支護(hù)特征曲線的考慮相對(duì)單一和簡(jiǎn)化,普遍將噴射混凝土、錨桿支護(hù)作用等效為斜直線,將可縮式拱架的支護(hù)作用等效為兩階段折線在眾多巷道、隧道支護(hù)理論中,很多都包含“讓壓”支護(hù)的思想,如新奧法理論、應(yīng)變控制理論和能量支護(hù)理論等,說(shuō)明人們?cè)趯?duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)讓壓必要性的認(rèn)識(shí)上已形成較為統(tǒng)一的意見(jiàn)。隨著巷道埋深的增加,現(xiàn)場(chǎng)條件更加復(fù)雜,在“先柔后剛”之后又出現(xiàn)了“高阻-讓壓”、“恒阻讓壓”、“先控后讓再抗”等讓壓支護(hù)理念基于上述讓壓支護(hù)理念,人們進(jìn)行了大量實(shí)踐,提出了很多具有讓壓功能的支護(hù)結(jié)構(gòu),較為典型的有可縮式U型鋼拱架支護(hù)和讓壓錨桿支護(hù)。可縮式U型鋼拱架通過(guò)卡纜節(jié)點(diǎn)相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)收縮變形,雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展,目前可縮式U型鋼拱架及其讓壓參數(shù)的設(shè)計(jì)和施工,仍然以《巷道金屬支架系列》或以往工程經(jīng)驗(yàn)為主要參照依據(jù),在理論支撐方面未取得明顯進(jìn)展。讓壓錨桿通過(guò)桿體伸長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)讓壓,雖然讓壓錨桿形式及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐較多,但是目前對(duì)于圍巖-讓壓錨桿相互作用機(jī)制的研究仍然停留在定性闡述方面,被廣泛認(rèn)可的讓壓參數(shù)確定方法尚未出現(xiàn)如前文所述,目前在鋼管混凝土拱架支護(hù)工程中可見(jiàn)多種讓壓方式,雖取得一定效果,但讓壓點(diǎn)和讓壓量不夠明確;對(duì)此本文作者研發(fā)了一種新型的定量讓壓節(jié)點(diǎn)綜上所述,目前“高阻”和“讓壓”相結(jié)合的支護(hù)理念已經(jīng)普遍被接受,但是落實(shí)到具體的鋼管混凝土拱架讓壓支護(hù)實(shí)踐時(shí),讓壓到底對(duì)圍巖穩(wěn)定如何產(chǎn)生作用,產(chǎn)生多大的作用,支護(hù)結(jié)構(gòu)的讓壓參數(shù)又該如何設(shè)計(jì),這些高強(qiáng)拱架支護(hù)核心問(wèn)題沒(méi)有得到明確的解答,圍巖-讓壓支護(hù)相互作用機(jī)制研究亟需加強(qiáng)。(2)拱架支護(hù)特性是進(jìn)行支護(hù)-圍巖相互作用機(jī)理研究的基礎(chǔ),而鋼管混凝土拱架各節(jié)之間主要采用套管連接,由于套管節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括間隙、壁厚、長(zhǎng)度等,使得套管節(jié)點(diǎn)具有復(fù)雜的行為模式,當(dāng)考慮到節(jié)點(diǎn)讓壓時(shí)更是如此,上述情況使鋼管混凝土拱架的整體承載特性也變得更為復(fù)雜,使拱架支護(hù)特征曲線的形態(tài)、走向變得更加不明朗,目前尚未有研究對(duì)此進(jìn)行探討,因此考慮讓壓節(jié)點(diǎn)的鋼管混凝土拱架全過(guò)程支護(hù)特征曲線尚未明確。(3)在鋼管混凝土拱架承載力計(jì)算理論方面,目前仍然以采用短柱軸壓極限承載力反推拱架的徑向支護(hù)承載力的方法為主,而拱架內(nèi)力實(shí)際上處于顯著的壓彎組合作用下,應(yīng)當(dāng)充分考慮軸力和彎矩的共同作用,目前鋼管混凝土拱架極限承載力的計(jì)算方法尚不成熟。(4)鋼管混凝土拱架是一種高剛度、高強(qiáng)度的支護(hù)形式,與錨桿、錨索和噴層等其他支護(hù)構(gòu)件具有明顯不同的支護(hù)特性,作為支護(hù)體系的重要組成部分,各支護(hù)構(gòu)件之間應(yīng)當(dāng)特性匹配、協(xié)同工作,以達(dá)到共同承載的目的,目前尚未見(jiàn)對(duì)支護(hù)構(gòu)件耦合承載機(jī)理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)的系統(tǒng)研究,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中以經(jīng)驗(yàn)依據(jù)為主。另外,當(dāng)拱架中設(shè)置讓壓裝置后,讓壓拱架與支護(hù)體系的耦合機(jī)理更加復(fù)雜,亟需深入揭示。3.3核心混凝土灌注虛實(shí)度(1)讓壓功能的實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的鋼管混凝土拱架不具有讓壓功能,不符合讓壓支護(hù)的先進(jìn)理念;目前的定量讓壓拱架通過(guò)在套管節(jié)點(diǎn)中設(shè)置定量讓壓裝置實(shí)現(xiàn)拱架的定量讓壓,一方面該技術(shù)處于初期試驗(yàn)階段,技術(shù)仍然不夠成熟,且同時(shí)帶來(lái)了節(jié)點(diǎn)位置漿液流通阻斷的問(wèn)題。(2)核心混凝土灌注密實(shí)度。由于截面較小且無(wú)法有效振搗,因此核心混凝土灌注密實(shí)度得不到有效保障,目前采用頂升灌注法結(jié)合自密實(shí)混凝土能一定程度上緩解問(wèn)題,但是由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的復(fù)雜,核心混凝土灌注密實(shí)度問(wèn)題仍然存在。(3)拱架拆解。由于灌注混凝土后的鋼管混凝土拱架重量較大,且套管連接拆解困難,因此拱架的回收使用或失效后的拆解復(fù)修較為困難。(4)鋼管銹蝕。拱架承載后表面防銹漆極易脫落,鋼管在井下潮濕環(huán)境中銹蝕速度快,將會(huì)對(duì)拱架的耐久性造成顯著影響。(5)其他。熱煨彎管加工使得拱架單次支護(hù)成本偏高;灌漿口、排氣孔的合理位置、形式及補(bǔ)強(qiáng)方式有待進(jìn)一步優(yōu)化。由于上述問(wèn)題的存在,鋼管混凝土拱架仍然不斷有破斷失效的案例出現(xiàn),圖14所示為鋼管混凝土拱架在巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的嚴(yán)重彎折破斷和屈曲失效。綜上所述,鋼管混凝土拱架支護(hù)體系設(shè)計(jì)理論尚不完善,設(shè)計(jì)施工仍以經(jīng)驗(yàn)為主,關(guān)鍵技術(shù)亟待提升。3.4鋼管混凝土工程承載力(1)套管節(jié)點(diǎn)或讓壓節(jié)點(diǎn)對(duì)鋼管混凝土拱架力學(xué)特性的影響規(guī)律。設(shè)置套管(讓壓)節(jié)點(diǎn)后的拱架承載特性受到顯著影響,變得更加復(fù)雜,需要開(kāi)展研究明確巷道荷載對(duì)混凝土拱架承載能力的影響,掌握定量讓壓拱架支護(hù)特征曲線,為圍巖控制機(jī)理研究提供重要支撐。(2)考慮套管節(jié)點(diǎn)或讓壓節(jié)點(diǎn)的鋼管混凝土拱架承載力計(jì)算方法。從套管節(jié)點(diǎn)壓彎力學(xué)特性研究入手,建立以構(gòu)件壓彎極限承載力為判據(jù)的拱架承載力計(jì)算方法。(3)深部軟巖巷道高強(qiáng)讓壓拱架?chē)鷰r控制機(jī)理。深部巷道圍巖具有顯著的流變特性,鋼管混凝土拱架的讓壓具有必要性,將圍巖流變及拱架讓壓兩方面相結(jié)合,深入揭示深部條件下流變圍巖-讓壓拱