爆破振動(dòng)作用下巷道圍巖中錨桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

齊昕 王文 鄭參 張震 孫昊 童瑤

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

爆破振動(dòng)作用下巷道圍巖中錨桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

齊昕 王文 鄭參 張震 孫昊 童瑤

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

錨桿支護(hù)是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采場(chǎng)等地下硐室施工中廣泛采用的一種加固支護(hù)方式。在實(shí)際工程中，巷道中錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)除了受到地壓等靜載作用外，還常常受到爆破、采掘等動(dòng)荷載的影響。本文從理論的角度上推導(dǎo)出巷道圍巖中錨桿在爆破振動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到錨桿上軸力與剪切力的變化。對(duì)鉆孔爆破法施工中錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)有重大的指導(dǎo)作用，為判斷在爆破的過程中錨桿是否發(fā)生破壞提供了理論依據(jù)。

爆破振動(dòng) 錨桿支護(hù) 運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在巷道圍巖爆破過程中，錨桿的振動(dòng)是由其周圍巖體振動(dòng)引起的，因此錨桿兩端A、B的振動(dòng)則完全由端部周圍巖體的振動(dòng)所決定，而錨桿中部的振動(dòng)則是由兩端的振動(dòng)共同作用引起的。錨桿的振動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1.1（a）所示。由于錨桿四周的圍巖以及端部的錨固對(duì)錨桿有約束作用，并且錨桿兩端A、B有振動(dòng)作用，因此錨桿兩端A、B并非完全固結(jié)，所以將錨桿兩端的運(yùn)動(dòng)看成是固結(jié)和自由狀態(tài)下的疊加，如圖1.1（b）和圖1.1（c）所示。

1 桿的軸向振動(dòng)計(jì)算

為了方便計(jì)算，將錨桿簡(jiǎn)化成普通桿件。由于桿的豎向振動(dòng)對(duì)軸向振動(dòng)沒有影響，因此將桿的豎向振動(dòng)與軸向振動(dòng)分開討論，桿的軸向振動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1.2所示：

則圖1.1（a）中所示桿件的軸向振動(dòng)方程為式：

桿件的軸向力表達(dá)式為：

圖1.1 錨桿的振動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖1.2 桿的軸向振動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖1.3 桿的豎向振動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖1.4 在l=1m，z=3m，x=0時(shí)的軸向位移曲線圖

圖1.5 在l=2m，z=3m，x=0時(shí)的軸向位移曲線圖

圖1.6 在l=1m，z=3m，x=0時(shí)的軸向速度曲線圖

圖1.7 在l=2m，z=3m，x=0時(shí)的軸向速度曲線圖

圖1.8 在l=1m，z=3m，x=1m時(shí)的豎向位移曲線圖

圖1.9 在l=2m，z=3m，x=1時(shí)的豎向位移曲線圖

圖1.10 在l=1m，z=3m，x=1m時(shí)的豎向速度曲線圖

圖1.11 在l=2m，z=3m，x=1m時(shí)的豎向速度曲線圖

圖1.12 在l=1m，z=3m，x=0時(shí)的軸力曲線圖

圖1.13 在l=2m，z=3m，x=0時(shí)的軸力曲線圖

2 桿的豎向振動(dòng)計(jì)算

桿件的豎向振動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1.3所示：

則圖1.1（a）中所示桿件的軸向振動(dòng)方程為：

3 算例分析

巷道圍巖中錨桿采用直徑為20mm的HRB400鋼筋。將相關(guān)參數(shù)代入式（1.1）中，得到爆破地震波作用下錨桿的軸向位移變化曲線圖，如圖1.4-1.5所示。

從圖1.4-1.5中可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，錨桿端部有了最大初位移以后開始返回，對(duì)應(yīng)于錨桿的中間部分也相應(yīng)的達(dá)到最大位移處開始返回?？拷锏绹鷰r表面的錨桿部分始終是沿著徑向向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而另一端可能是沿著徑向向外運(yùn)動(dòng)也可能向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這與錨桿的長(zhǎng)度有關(guān)。在爆破振動(dòng)的作用下由于圍巖徑向速度方向與徑向距離有關(guān)，導(dǎo)致不同錨桿的長(zhǎng)度遠(yuǎn)離圍巖表面的錨固段的速度方向不同。而錨桿中部的運(yùn)動(dòng)主要是沿著徑向向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這是由靠近巷道圍巖表面的錨桿部分的振動(dòng)振幅大于另一端振動(dòng)的振幅疊加所決定的。

根據(jù)位移與速度的關(guān)系，對(duì)式（1.1）進(jìn)行求導(dǎo)，帶入相關(guān)參數(shù)，得到爆破地震波作用下巷道圍巖中錨桿軸向速度的變化曲線圖，如圖1.6-1.7所示。

從圖1.6-1.7中可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，對(duì)于不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)離圍巖表面的錨固段的速度方向會(huì)發(fā)生改變，而靠近巷道圍巖表面的錨固段的速度方向與大小是基本不變的。將相關(guān)參數(shù)代入式（1.3）中，得到地震波作用下錨桿的豎向位移變化曲線圖，如圖1.8-1.9所示。

從圖1.8-1.9可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，錨桿端部的豎向振動(dòng)只與端部的初位移有關(guān)；由于巷道表面圍巖的軸向速度為0，所以巷道表面處的錨桿端部豎向位移為0；錨桿的振動(dòng)主要是由于遠(yuǎn)離巷道圍巖表面的端部振動(dòng)引起，其它部分會(huì)發(fā)生不同程度的振動(dòng)，并且振動(dòng)的方向與錨桿端部振動(dòng)方向相同。同理，根據(jù)位移與速度的關(guān)系，對(duì)式（1.3）進(jìn)行求導(dǎo)，帶入相關(guān)參數(shù)，得到地震波作用下巷道圍巖中錨桿豎向速度的變化曲線圖，如圖1.10-1.11所示。

從圖1.10-1.11中可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，巷道軸向速度的大小與徑向距離有關(guān)，從而導(dǎo)致不同錨桿長(zhǎng)度端部的速度大小不同。將相關(guān)參數(shù)代入式（1.2）中，得到地震波作用下錨桿的軸向力變化曲線圖，如圖1.12-1.13所示。

圖1.14 在l=1m，z=3m，x=0時(shí)的剪切力曲線圖

從圖1.12-1.13中可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，不考慮錨桿之前的受力狀態(tài)，靠近巷道圍巖表面的錨桿部分可能受拉也可能受壓，遠(yuǎn)離圍巖表面的部分始終受拉；由于不同長(zhǎng)度的錨桿對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)離圍巖表面的錨固段的速度方向不同，導(dǎo)致錨桿的振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變狀態(tài)不同，錨桿總體處于受拉狀態(tài)。將相關(guān)參數(shù)代入式（1.4）中，得到地震波作用下錨桿的剪切力變化曲線，如圖1.14-1.15所示。

從圖1.14-1.15中可以看出：在巷道軸向距離相同時(shí)，錨桿的剪切力的大小與徑向距離有關(guān)；對(duì)于同一長(zhǎng)度的錨桿，軸向距離越大，剪切力越大，這是因?yàn)檩S向距離越大，其豎向位移也越大，導(dǎo)致它的剪切變形越大，所以剪力會(huì)越大；而巷道表面的錨桿由于沒有位移，則剪切變形為零，所以其剪切力為零；對(duì)于不同長(zhǎng)度的錨桿，端部豎向位移的不同會(huì)導(dǎo)致錨桿的剪力不同。

4 結(jié)語

通過理論推導(dǎo)，得到錨桿的振動(dòng)微分方程，分別從位移、速度和受力的角度研究了巷道圍巖中錨桿在爆破振動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過分析得到如下結(jié)果：

圖1.15 在l=2m，z=3m，x=0時(shí)的剪切力曲線圖

（1）錨桿在爆破振動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生的軸向變形和彎曲變形，對(duì)于同一長(zhǎng)度的錨桿，彎曲變形要大于軸向變形，因此錨桿是以彎曲變形為主導(dǎo)形式。

（2）當(dāng)錨桿達(dá)到一定的長(zhǎng)度時(shí)，由于振動(dòng)疊加，錨桿產(chǎn)生過大的位移，導(dǎo)致錨桿會(huì)被圍巖擠出，失去防護(hù)效果。

［1］陳士海，逢煥東.爆炸災(zāi)害預(yù)測(cè)與控制［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

［2］許紅濤，盧文波，周小恒.爆破震動(dòng)場(chǎng)動(dòng)力有限元模擬中爆破荷載的等效施加方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，41（1）：67-71.

［3］李東旭.高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］. 北京：科學(xué)出版社，2010.

［4］單仁亮，周紀(jì)軍，夏宇，等.爆炸荷載下錨桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究［J］，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（8）： 1000-6915.

［5］李桂林，余永強(qiáng)，王新生.動(dòng)載下洞室錨桿加固效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］，兵工學(xué)報(bào)，2009，30（12）：42-46.

各層能被共享應(yīng)用的面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。IT基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包括平臺(tái)的軟硬件配置，本平臺(tái)基于目前云南電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，以公用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器硬件資源為基礎(chǔ)，搭建以當(dāng)前主流的Oracle為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并通過集群方式對(duì)外提供穩(wěn)定、高效的應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用支撐層：建立電氣專業(yè)、暖通、水工及消防專業(yè)、土建專業(yè)、通信及調(diào)度自動(dòng)化專業(yè)、系統(tǒng)一次專業(yè)、技經(jīng)專業(yè)、系統(tǒng)保護(hù)配置專業(yè)、線路信息平臺(tái)等八個(gè)專業(yè)的工程設(shè)計(jì)評(píng)審模版數(shù)據(jù)模型，結(jié)合各個(gè)專業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目不同專業(yè)同平臺(tái)獨(dú)立報(bào)審、評(píng)審服務(wù)。中心應(yīng)用層：在相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)功能的支撐下，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用服務(wù)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)功能，為平臺(tái)用戶提供全面的工程設(shè)計(jì)報(bào)審、評(píng)審、工程設(shè)計(jì)檔案、評(píng)審意見管理等功能。

4 結(jié)語

基建工程設(shè)計(jì)評(píng)審平臺(tái)將建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、評(píng)審單位及電網(wǎng)公司基建部都按照各自的職責(zé)統(tǒng)一集成到評(píng)審平臺(tái)中，使得工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目資料錄入，工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目報(bào)審、評(píng)審，工程設(shè)計(jì)評(píng)審、審批，工程設(shè)計(jì)資料電子化歸檔等全部程序化管理，減少了工程設(shè)計(jì)評(píng)審工作中的隨意性；工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目信息和報(bào)審資料在實(shí)施過程中自動(dòng)生成并歸檔儲(chǔ)存，充分體現(xiàn)其準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和唯一性。通過工程設(shè)計(jì)評(píng)審管理信息化，保證信息的有效性傳遞，并加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目建設(shè)管理在公司經(jīng)營(yíng)管理中的決策支持作用。確保各方面資源得到充分利用，減少管理成本，為不同層次的人員的相關(guān)決策和工作提供及時(shí)的信息支持，提高企業(yè)項(xiàng)目管理水平，促進(jìn)科學(xué)、規(guī)范的工程設(shè)計(jì)評(píng)審機(jī)制的形成。通過將工程設(shè)計(jì)評(píng)審的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，形成一個(gè)系統(tǒng)，擴(kuò)展工程設(shè)計(jì)評(píng)審的工作手段，加強(qiáng)預(yù)審環(huán)節(jié)的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)評(píng)審全過程的集成，大幅簡(jiǎn)化評(píng)審收口工作，建立規(guī)范的工程設(shè)計(jì)評(píng)審檔案庫，提升整個(gè)工程設(shè)計(jì)評(píng)審工作的效率。

參考文獻(xiàn):

［1］謝蕊娟.輸變電工程設(shè)計(jì)評(píng)審管理研究［D］.華北電力大學(xué)，2014.

［2］李信昌，李建德.國(guó)家電網(wǎng)公司工程設(shè)計(jì)評(píng)審平臺(tái)視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)備選型研究［J］.電子世界2014（2）：64.

［3］胡敬坡，郭嘉，李門樓.基于 Web 的論文評(píng)審平臺(tái)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2009（4）：99-100.