用數(shù)值分析的方法對比全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)方法與錨噴網(wǎng)加混凝土支護(hù)方法的優(yōu)缺點

郝連學(xué)

摘 要：通過一系列流變特性研究獲得了泥巖的流變變形特性，將泥巖的變形特性應(yīng)用到高家梁煤礦斜井的支護(hù)中，根據(jù)懸吊理論采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，利用ADINA軟件對擬采用的支護(hù)方式與實際采用的支護(hù)方式進(jìn)行了對比，為軟巖工程的長期穩(wěn)定和安全性提供合理評價和建議。

關(guān)鍵詞：流變特性；錨噴支護(hù)；懸吊理論

1 工程概況

1.1 工程概況

高家梁井田位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部，鄂爾多斯市東南約8km處，設(shè)計年產(chǎn)量600萬噸，是一個新開發(fā)的礦區(qū)。正在建設(shè)中的高家梁煤礦主井口底板標(biāo)高1398.506m，坡度-14度，凈斷面積17.3m2、毛斷面積19.2m2；副井筒井口底板標(biāo)高1398.702m，坡度-5.5度，凈斷面積 17.8m2、毛斷面積20.5m2；風(fēng)井井口底板標(biāo)高1398.318m，坡度-20度，凈斷面積 17.3m2、毛斷面積18.9m2。頂設(shè)計成圓拱形，凈斷面半徑為2500mm。

1.2 軟巖斜井錨噴網(wǎng)支護(hù)數(shù)值模擬對比分析

高家梁煤礦斜井分主、副、風(fēng)井，文章以副井為研究對象進(jìn)行數(shù)值模擬的對比。高家梁副井的實際支護(hù)為兩幫及拱頂為錨噴網(wǎng)支護(hù)，底板每施工10m將泥化的砂巖清除，清除泥化砂巖的厚度為300mm，換為300mm厚片石砂漿基層，其上再澆300mm 厚C30混凝土面層。本節(jié)先擬用全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)（底板擬噴射300mm混凝土，并設(shè)置4根錨桿）進(jìn)行數(shù)值模擬，與實際采用的支護(hù)方式進(jìn)行對比，分析兩者的優(yōu)缺點。

1.3 全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)數(shù)值模擬

采用ADINA中的Native建模方式，計算區(qū)域左右兩側(cè)和上下兩側(cè)分別向外延伸斜井高度和跨度5倍，取50m×50m。支護(hù)結(jié)構(gòu)包括噴射混凝土及錨桿。巖石以及噴射混凝土采用平面四節(jié)點等參單元，錨桿采用rebar單元。

在有限元計算中，邊界條件分為應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件，應(yīng)力邊界條件在ADINA中由設(shè)置外載荷來實現(xiàn)，位移邊界條件由設(shè)置模型邊界約束來實現(xiàn)。本模型只有位移邊界條件。在水平方向上，Y向的邊界上關(guān)閉Y-Translation自由度（圖中字母C表示），以模擬遠(yuǎn)離斜井左右的土體邊界沒有位移，垂直方向上，模型下表面邊界關(guān)閉Z-Translation自由度（圖中字母B表示），以模擬遠(yuǎn)離斜井的深層土體沒有豎直方向的位移。

開挖分兩次開挖，第一次挖去上半部分，然后加載支護(hù)。第二次挖去下半部分，然后加載支護(hù)；噴射混凝土厚度：0.2m，底板噴射混凝土厚度為0.3m。圍巖、混凝土以及錨桿計算參數(shù)根據(jù)前文試驗測定結(jié)果，整理如表1.1所示。

將制作好的試樣放在10KN拉力材料試驗機(jī)上進(jìn)行加載，并繪制拉力—變形曲線；然后根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計正交試驗，確定最佳配比；得出結(jié)果后，重新制作試件；然后再將試樣放在拉力材料試驗機(jī)上進(jìn)行加載并分析結(jié)果。

1.4 試驗結(jié)果全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)模擬后處理分析

利用ADINA里的云圖，可以清楚的看到斜井位移及應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而對支護(hù)前后斜井的變化情況進(jìn)行分析。

開挖完成后會出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在錨桿支護(hù)完成后應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，通過ADINA后處理導(dǎo)出各點的應(yīng)力數(shù)值，可知支護(hù)完成后最大有效應(yīng)力為6.4×106Pa左右，最大剪應(yīng)力為3.5×106Pa左右，兩者均在合理變化范圍之內(nèi)。

通過支護(hù)前后對比分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖應(yīng)變有顯著的控制作用，尤其是底板4根錨桿對豎向應(yīng)變的控制非常明顯，斜井橫向應(yīng)變以井口為中心，左右對稱，應(yīng)變值相近，支護(hù)后橫向最大應(yīng)變?yōu)?.5×10-4，豎向最大應(yīng)變5.4×10-4。

錨噴網(wǎng)支護(hù)對斜井圍巖變形有顯著的控制作用，尤其是豎向位移，開挖完成為打錨桿前，底鼓現(xiàn)象比較明顯，底板進(jìn)行錨噴網(wǎng)支護(hù)后有效的控制了底鼓，但頂板下沉控制不是很明顯，橫向位移兩幫收斂值相近，以井口為中心左右對稱。

2 數(shù)值模擬對比結(jié)果分析

軟巖斜井采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，改變了圍巖內(nèi)部應(yīng)力，變被動支護(hù)為主動承載，原來需要一定強(qiáng)度支架支撐的巖體變成了支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，充分利用了巖體的自身強(qiáng)度。錨噴網(wǎng)是一種主動支護(hù)形式，可以有效地保證斜井的使用斷面。錨噴網(wǎng)支護(hù)形式具有機(jī)械化程度高、施工速度快、綜合效益好、工人勞動強(qiáng)度低、能充分發(fā)揮圍巖自承能力等優(yōu)點。

通過全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)與實際采用的錨噴網(wǎng)+混凝土支護(hù)的數(shù)值模擬對比分析可知，全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)能有效控制圍巖變形，且底板底鼓明顯減小，斜井最大位移也明顯減小，但通過現(xiàn)場實際檢測，錨噴網(wǎng)+混凝土支護(hù)能夠有效控制圍巖變形，且此支護(hù)方式要比全斷面錨噴網(wǎng)支護(hù)施工簡單，且節(jié)約成本。綜合考慮，采用錨噴網(wǎng)+混凝土的支護(hù)方法是比較理想的選擇。

3 結(jié)語

文章通過數(shù)值模擬分析對比，可知擬采用的支護(hù)措施與實際采用的支護(hù)措施各有優(yōu)缺點，擬采用的支護(hù)措施在控制圍巖的變形上比較理想，這也是實施支護(hù)的目的所在；實際采用的支護(hù)措施會造成一定的底鼓現(xiàn)象，但經(jīng)濟(jì)效益和可推廣性較強(qiáng)，在能夠保證圍巖變形在控制范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)上，實際采用的支護(hù)方法有較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 華心祝，呂凡任，謝廣祥.錨注軟巖巷道流變研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（02）：297-303.

[2] 楊建平，陳衛(wèi)忠，鄭希紅.含軟弱夾層深部軟巖巷道穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2008，29（10）：2864-2870.