鋼管混凝土支架與圍巖相互作用關(guān)系模型試驗(yàn)研究

樊祥喜，魏海兵，肖禹航，牛晉平，李賀朋，鮑甜甜，魯云芳

(1.中國(guó)建筑股份有限公司，北京 100029；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

隨著淺部煤炭資源的快速枯竭，煤炭深部開采已成為目前迫切需要解決的重大課題[1]。除煤炭行業(yè)外，山體隧道也迫切需求高強(qiáng)度、大斷面、快施工的支護(hù)方法。以京滬高速濟(jì)南連接線山體公路隧道為例，最大開挖寬度、高度分別為20.008m、13.561m，刷新中建系統(tǒng)最大道路施工記錄。

高延法團(tuán)隊(duì)[2-4]發(fā)明了井下灌注式鋼管混凝土支架，這種鋼管混凝土支架是由4個(gè)四分之一鋼管混凝土圓弧拱通過套管拼接而成，可在井下安裝澆筑。這樣就解決了臧德勝教授[5，6]井上拼裝鋼管混凝土支架施工工藝復(fù)雜問題，同時(shí)增加了鋼管型號(hào)，管內(nèi)混凝土摻雜混合物等；在相同的用鋼量條件下，鋼管混凝土支架承載能力可達(dá)U型鋼支架的2～3倍。

單仁亮團(tuán)隊(duì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，精細(xì)化研究了鋼管壁厚對(duì)鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能的影響[7]，深入研究了鋼管混凝土四分之一圓弧拱在六分點(diǎn)等值加載下破壞機(jī)理[8]，通過數(shù)值模擬研究讓壓空間對(duì)工程實(shí)際的影響[9]。

隧道用鋼管混凝土支架的研究普遍局限于1∶1原型構(gòu)件和數(shù)值模擬這兩種手段[10-12]，1∶1原型的試驗(yàn)研究普遍加載方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加載，不能有效模擬圍巖與鋼管混凝土支架類似加載關(guān)系。本文首次通過相似模擬試驗(yàn)研究鋼管混凝土支架與圍巖的相互作用關(guān)系。鋼管混凝土支架的相似模擬材料是通過在鋁管中灌注水泥砂漿漿液實(shí)現(xiàn)的。這種相似材料極大限度地還原了鋼管與核心混凝土的相互作用機(jī)理，這在國(guó)際上還是首例。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 圍巖相似材料設(shè)計(jì)

本相似模型試驗(yàn)是以汾西礦務(wù)局南關(guān)礦3206回采巷道為背景，埋深530～650m，巷道寬4m，高2.8m，煤層平均厚度2.45m，巷道圍巖情況見表1。

根據(jù)相似三定律，確定了幾何相似常數(shù)為CL=25。相似模型總尺寸為1400mm×1400mm。對(duì)于原型尺寸，煤層厚度為2.45m，直接底厚度為2.2m，最終確定模型煤層厚度為98mm，直接底厚度為88mm，老底厚度為512mm，直接頂厚度為702mm。模型巷道直徑為200mm，巷道位于模型正中間。分層情況如圖1所示。

圖1 相似模型分層情況圖(mm)

根據(jù)相似三定律確定了容重、強(qiáng)度及應(yīng)力相似常數(shù)。其中相似模擬材料的容重取19kN/m3；圍巖模擬材料參數(shù)見表2。

表2 圍巖模擬材料參數(shù)表

1.2 鋼管混凝土模擬設(shè)計(jì)

本模型試驗(yàn)首次采用鋁管與水泥砂漿模擬鋼管混凝土支架。根據(jù)相似三定律，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼管來說，以力的相似常數(shù)為主。本次模型的力的相似常數(shù)CF=20937.5。模擬的鋼管混凝土支架原型規(guī)格為Φ194mm×8mm，其支護(hù)強(qiáng)度為1800kN[13]。需模擬構(gòu)件支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到86.0N，選用尺寸規(guī)格為Φ4mm×0.5mm；Φ5mm×0.5mm鋁管分別作為鋼管、套管的模擬材料，內(nèi)灌水泥PO42.5與嵌縫石膏1∶1混合漿液作為混凝土模擬材料。模型支架通過4段四分之一圓弧拱和四個(gè)套管拼接而成，如圖2(a)所示，測(cè)試的支護(hù)力為81.5N，如圖2(b)所示。

圖2 模型支架設(shè)計(jì)圖

1.3 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為便于對(duì)比分析，分別進(jìn)行了無支護(hù)的裸巷加載試驗(yàn)和支架間距為40mm的巷道加載試驗(yàn)，如圖3所示。側(cè)壓系數(shù)K=1。支架支護(hù)巷道是模擬原型支架間距1000mm的支護(hù)巷道，其中第一根鋼管混凝土支架和最后一根離模型邊緣20mm。

圖3 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖(mm)

1.4 試驗(yàn)加載及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

相似模型邊界條件為底部零位移約束，頂部和側(cè)面為非零位移約束，模擬試驗(yàn)中頂部、側(cè)面加載荷載比例為1∶1。對(duì)于裸巷加載相對(duì)于原型深度到1000m，分20級(jí)加載，加載至縱向邊界應(yīng)力0.75MPa，橫向邊界應(yīng)力0.77 3MPa；對(duì)于支架支護(hù)巷道加載到原型1400m，分28級(jí)加載，加載至縱向應(yīng)力1.085MPa，橫向邊界應(yīng)力1.054MPa。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)：采用預(yù)埋土壓力盒的方法檢測(cè)圍巖內(nèi)部應(yīng)力變化，布置方案如圖4所示，其中右?guī)屯翂毫斜O(jiān)測(cè)的是水平應(yīng)力，其余的監(jiān)測(cè)的均為垂直應(yīng)力。

圖4 應(yīng)力檢測(cè)設(shè)計(jì)圖(mm)

巷道位移監(jiān)測(cè)：總共設(shè)置8條位移觀察線，每條觀察線上安排7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)離巷道10mm，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)離前面一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為20mm通過單反相機(jī)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化，再通過CAD標(biāo)注的方法還原各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距巷道圓心實(shí)際距離，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。其中離巷道同一距離的監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過白線連接起來形成觀察線，方便觀察圍巖變形情況。

圖5 位移檢測(cè)設(shè)計(jì)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圍巖位移對(duì)比分析

通過CAD標(biāo)注的方法記錄觀測(cè)點(diǎn)的位移變化。無支護(hù)、支架支護(hù)下圍巖位移-加載荷載曲線如圖6所示。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，支架支護(hù)下的頂部圍巖位移較小，在施加縱向加載荷載0.25MPa之前，不同深度圍巖位移量較發(fā)散，說明加載荷載在0～0.25MPa，模擬支架與圍巖并沒有完全接觸。加載荷載值在0.25～0.8MPa時(shí)，巷道在支架支護(hù)下頂板圍巖的變形量得到了有效控制，如圖6(a)所示。

支架支護(hù)下底部圍巖整體向巷道中心變形，較加載荷載值0.45MPa的無支護(hù)巷道的淺部圍巖變形嚴(yán)重不同，且總體底鼓變形量有所減小。其原因?yàn)榭拷装宓膸筒繃鷰r模擬煤層材料，單軸抗壓強(qiáng)度較低，屬于軟弱夾層，在橫向荷載作用下，幫部位移量較大，導(dǎo)致底板在無支護(hù)力作用下淺層圍巖發(fā)生離層破壞，支架支護(hù)巷道整體持續(xù)變形，如圖6(b)所示。

支架支護(hù)下幫部圍巖呈壓縮狀態(tài)，而無支護(hù)巷道在加載荷載0～0.45MPa時(shí)，不同深度的幫部圍巖位移分布規(guī)律與鋼管混凝土支架支護(hù)規(guī)律相似。繼續(xù)施加荷載，無支護(hù)巷道幫部徹底破壞，支架支護(hù)巷道仍能保持穩(wěn)定，如圖6(c)所示。

圖6 無支護(hù)及支架支護(hù)巷道位移-加載荷載曲線圖

綜合來看，無支護(hù)巷道的淺層圍巖較深層圍巖位移量更大，說明圍巖先發(fā)生離層再發(fā)生破碎。由于頂?shù)装搴蛢蓭褪缚绫鹊母淖?，支架支護(hù)巷道的頂?shù)装逄幰装l(fā)生整體位移且位移量較小；兩幫易發(fā)生較大的位移，但由于也提供了有效的支護(hù)力，圍巖依然能夠承受荷載。

2.2 圍巖應(yīng)力對(duì)比分析

兩幫應(yīng)力-加載荷載曲線如圖7所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、6號(hào)監(jiān)測(cè)垂直應(yīng)力，即幫部切向應(yīng)力，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7、8、9號(hào)監(jiān)測(cè)水平應(yīng)力，即幫部徑向應(yīng)力。說明支架提供給巷道徑向應(yīng)力，并傳遞到圍巖深部，使得圍巖的最大主應(yīng)力增加，相當(dāng)于摩爾圓向坐標(biāo)軸正方向移動(dòng)，圍巖承載力大幅提高。且支架支護(hù)在給予圍巖的被動(dòng)徑向應(yīng)力在圍巖應(yīng)力傳遞中是均勻的。

圖7 無支護(hù)及支護(hù)巷道幫部應(yīng)力-加載荷載曲線圖

頂、底垂直應(yīng)力-加載荷載曲線如圖8所示。圖8(a)與圖8(b)對(duì)應(yīng)應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)有明顯不同，支架支護(hù)巷道頂、底部圍巖豎向荷載無衰減現(xiàn)象。這是因?yàn)閹筒繃鷰r強(qiáng)度較低，幫部四分之一圓弧拱先與圍巖接觸，并發(fā)生變形，隨之矢跨比不斷減小，承載力降低。而頂、底板處四分之一圓弧拱矢跨比不斷增加，提供的支護(hù)反力也不斷增加，且向圍巖深層傳遞，進(jìn)而提高了圍巖的穩(wěn)定性。支架支護(hù)巷道的底板應(yīng)力-加載荷載曲線中1號(hào)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與頂板10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同，這是由于底部淺層圍巖的垂直向下荷載是通過上部傳遞而來，且鋼管混凝土支架是一種被動(dòng)閉合支護(hù)方式，在支護(hù)過程中把頂部垂直向下的荷載傳遞到底部，這部分荷載與由幫部荷載引起的對(duì)底板產(chǎn)生向上的垂直荷載中和，導(dǎo)致底部淺層圍巖垂直應(yīng)力要小于頂部淺層圍巖垂直應(yīng)力。隨著圍巖不斷深入，支架支護(hù)巷道的頂、底部垂直應(yīng)力在數(shù)值上趨于相同。而無支護(hù)巷道無頂、底部應(yīng)力傳遞過程，所以底部圍巖破壞過早。

圖8 無支護(hù)及支架支護(hù)頂、底板應(yīng)力-加載荷載曲線圖

綜合來看，距巷道相同距離的幫部切向荷載最小。說明支架在支護(hù)圍巖過程中，先發(fā)生變形的位置是矢跨比減小的位置，后變形位置為矢跨比增加的位置。四分之一圓弧拱的矢跨比減小導(dǎo)致承載力降低[8]，且能夠承受的彎矩、軸力、剪力均減小。支架中各截面軸向應(yīng)力大致相同，矢跨比減少的位置的軸力會(huì)隨矢跨比增加的位置增加而增加，這就導(dǎo)致矢跨比變小的位置在承受相同彎矩、剪力的同時(shí)，承受了更多的不利于穩(wěn)定的軸向荷載，所以導(dǎo)致矢跨比減小的位置更容易發(fā)生失穩(wěn)

2.3 圍巖變形破壞對(duì)比分析

無支護(hù)巷道施加荷載至0.217MPa，如圖9所示，可以觀測(cè)到巷道底部位移觀察線出現(xiàn)微小褶曲，巷道兩幫及頂部變形不明顯，巷道左幫部的內(nèi)壁出現(xiàn)細(xì)微裂紋。與課題組之前相似模擬試驗(yàn)中不施加主動(dòng)側(cè)向力相比[14]，巷道底部產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，說明側(cè)向應(yīng)力是產(chǎn)生底鼓的原因之一。

圖9 0.217MPa無支護(hù)巷道觀察線變化圖

繼續(xù)加載到0.293MPa，左幫出現(xiàn)比較明顯的裂隙，與豎直方向夾角小于45°，且裂隙正在逐漸向巷道底部和頂部發(fā)展，如圖10(a)所示。幫部位移觀察線出現(xiàn)松動(dòng)，底板的隆起量變大，如圖10(b)所示。說明近巷道圍巖開始松動(dòng)，但由于圍巖自穩(wěn)仍能承受一定的荷載，已達(dá)近臨界荷載。

圖10 0.293MPa無支護(hù)巷道變化圖

荷載施加到0.370MPa時(shí)，巷道幫部的裂隙開始向深部發(fā)展，出現(xiàn)圓弧形的裂隙，并伴隨垮落現(xiàn)象，如圖11(a)所示。同時(shí)巷道幫部不斷向巷道內(nèi)部收縮，底板隆起量進(jìn)一步加大，幫部的第二排位移觀測(cè)線開始褶曲，底部第三排位移觀察線出現(xiàn)松弛，如圖11(b)所示。此階段說明圍巖喪失自穩(wěn)能力，巷道進(jìn)入破壞階段。

應(yīng)力水平為0.523MPa時(shí)，如圖12所示，幫部破壞比較嚴(yán)重，出現(xiàn)片幫。隨后，頂板大面積垮落。底板觀察線變形嚴(yán)重，且伴隨大量垮落巖石。巷道喪失承載力。

圖11 0.370MPa無支護(hù)巷道變化圖

圖12 0.523MPa無支護(hù)巷道破壞圖

支架支護(hù)巷道在荷載加載到0.178MPa過程中，巷道周邊圍巖基本沒有變形。當(dāng)加載到0.293MPa時(shí)，巷道頂板第一排和第二排觀察線出現(xiàn)微小松弛，同時(shí)巷道底部第一排觀察線出現(xiàn)松弛，兩幫基本沒有變形，其中頂?shù)装遄冃吻闆r與無支護(hù)巷道類似，如圖13所示。這是因?yàn)橹Ъ茉谥圃旒鞍惭b過程中誤差無法避免，使得支架與巷道圍巖不可能達(dá)到完全的接觸，支架與頂板間距較與兩幫間距較大，施加較小荷載時(shí)，幫部支架先與幫部圍巖接觸并起到一定支撐作用，頂、底板處的圍巖處于無支護(hù)狀態(tài)，出現(xiàn)了兩幫無變形，頂、底板變形與無支護(hù)巷道相似的現(xiàn)象。

圖13 0.293MPa支架支護(hù)巷道變化圖

當(dāng)加載到0.370MPa，鋼管混凝土支架已經(jīng)完全與巷道周邊圍巖貼合，如圖14所示。隨著荷載繼續(xù)增加幫部支架逐漸向圍巖內(nèi)部嵌入。與無支護(hù)巷道不同，此時(shí)圍巖沒有出現(xiàn)裂隙、垮落現(xiàn)象。這是因?yàn)殇摴芑炷林Ъ芴峁﹪鷰r徑向反力，使得圍巖處于三向受壓狀態(tài)，提高了圍巖的抗壓強(qiáng)度。

圖14 0.370MPa支架支護(hù)巷道變化圖

荷載加載到0.523MPa，幫部金屬網(wǎng)突出，底鼓進(jìn)一步發(fā)展，幫部支架嵌入圍巖，如圖15(a)所示。幫部第二排觀察線出現(xiàn)較為明顯的松弛，靠近深部的觀察線也出現(xiàn)不同程度的細(xì)微松弛，如圖15(b)所示。此時(shí)，支架作用越來越明顯。由于鋼管混凝土支架是一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，且?guī)筒繃鷰r較軟，所以隨著荷載不斷增加，幫部位移量增加迅速，且?guī)筒克姆种粓A弧拱矢跨比減小；頂?shù)装逡平枯^小，且頂?shù)撞克姆种粓A弧拱矢跨比增加。此時(shí)巷道變形量在準(zhǔn)許范圍內(nèi)，仍能承受更大荷載。與裸巷不同的是觀察線松動(dòng)范圍較大，說明支架的支護(hù)力向圍巖內(nèi)部傳遞，增強(qiáng)了深層圍巖強(qiáng)度。

圖15 0.523MPa支架支護(hù)巷道變化圖

加載到0.830MPa，頂板發(fā)生垮落，認(rèn)為巷道發(fā)生破壞。如圖16所示。此時(shí)，兩幫移近量大，頂?shù)装宓乃姆种粓A弧拱矢跨比的增加提供了較大支護(hù)反力作用[8]，使其頂、底板接近量較小。除頂板巷道邊緣的垮落外，觀測(cè)區(qū)的圍巖變形較均勻，呈現(xiàn)整體向巷道內(nèi)移近。

圖16 0.830MPa支架支護(hù)巷道變化圖

綜合來看，支架支護(hù)與無支護(hù)的巷道破壞都是從淺部圍巖向深部圍巖開始破壞。無支護(hù)巷道提早發(fā)生崩塌式破壞，而支架支護(hù)巷道能夠承受更大的荷載。但當(dāng)荷載很高時(shí)，支架容易嵌入到巖體中，此時(shí)鋼管混凝土支架不易發(fā)生平面外失穩(wěn)。

3 結(jié) 論

1)鋼管混凝土支架支護(hù)巷道作用機(jī)理是，隨著圍巖應(yīng)力釋放，鋼管混凝土支架將頂板垂直向下的荷載傳遞到底部圍巖且受側(cè)向應(yīng)力影響的過程。在此過程中，鋼管混凝土支架受圍巖壓縮并轉(zhuǎn)化成自身的軸力、彎矩、剪力。

2)無支護(hù)巷道與鋼管混凝土支護(hù)巷道破壞都是從淺部圍巖向深部圍巖發(fā)生變形、破壞。無支護(hù)巷道的破壞模式是先離層再發(fā)生破壞，而支架支護(hù)巷道破壞模式是先整體變形再發(fā)生整體破壞，且在高強(qiáng)支護(hù)下容易向圍巖內(nèi)部嵌入。

3)支架支護(hù)巷道更容易在軟弱巖層、圍巖壓力較大方向、施工過程中沒有保證鋼管混凝土支架與圍巖完全貼合處先發(fā)生位移。為保證支架最合理受力形式，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合理斷面尺寸。鋼管混凝土支架型號(hào)選擇是支護(hù)力設(shè)計(jì)值的首要考慮因素。