深井煤礦頂管法施工管體承載力試驗和工程應(yīng)用

劉子默，唐 彬，2，，黃志鴻，王傳兵，張琪林，程 松，陳旭之，孫長紅

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽淮南 232001；3.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；4.中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001）

隨著淺部煤炭資源日益枯竭，我國煤炭采掘工作正逐步向深部地層轉(zhuǎn)移，造成煤與瓦斯突出和地下水侵入的威脅日益增大[1]。為解決煤與瓦斯突出和地下水侵入的安全隱患，需在煤層頂?shù)装迨┕ご罅客咚购退χ卫韼r石巷道。當(dāng)前我國巖巷掘進(jìn)多采用鉆爆法和綜掘法，其中鉆爆法危險性高、勞動強度大；而綜掘法難以掘進(jìn)硬巖巷道，當(dāng)前較為落后的巖巷掘進(jìn)技術(shù)成為影響煤礦安全生產(chǎn)和正常采掘接替的“卡脖子”問題。近年來隨煤礦深井TBM 的推廣應(yīng)用，大幅提高了巖巷掘進(jìn)的自動化和智能化水平，突破了巖巷掘進(jìn)安全性和掘進(jìn)效率的瓶頸[2-3]。但當(dāng)前煤礦TBM 直徑多為3 m 以上，對于瓦斯和水害治理巷道，巷道直徑在1.5 m 左右即可滿足要求[4]。過大的斷面尺寸將增加巷道掘進(jìn)能耗、排矸工作量和支護(hù)難度，使巖巷施工成本難以降低。因此，安全高效的小斷面巷道掘進(jìn)技術(shù)及裝備已成為我國煤礦亟待解決的問題。

頂管法作為1 種非開挖施工技術(shù)，在地鐵隧道開挖工程中得到廣泛應(yīng)用，但對于深井煤礦等復(fù)雜巖石地層，頂管技術(shù)還未得到大范圍的使用[5]。相對于現(xiàn)階段的煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)，頂管法具有一次成型、節(jié)省材料、頂進(jìn)速度快、適應(yīng)性強、開挖斷面小等優(yōu)點[6-7]。近年來，許多學(xué)者對巖層頂管施工方面進(jìn)行了一些嘗試和研究。李永彪等[8]分析了頂管施工非爆破掘進(jìn)技術(shù)在堅硬巖層中的適用性；王雷等[9]采用數(shù)值模擬和試驗測試，研究地應(yīng)力和重力作用下煤礦巖巷頂管施工沿途阻力；黃智剛[10]等結(jié)合工程實例、圍巖壓力理論研究和數(shù)值模擬，按照管道埋深界限劃分，提出并且驗證了適用于巖石地層頂管的圍巖壓力計算公式；龔?fù)⒚馵11]等對適用于復(fù)合地層的硬巖泥水平衡頂管的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

深井煤礦地應(yīng)力遠(yuǎn)高于淺埋地層，深井煤礦頂管作業(yè)，需要更高的注漿壓力來平衡較高的地應(yīng)力。但鋼筋混凝土管體在煤礦深部地層中的受力特性鮮有研究，因此，需針對深井煤礦特殊的工程地質(zhì)條件，開展管體力學(xué)特性方面的研究，為煤礦深井巷道頂管法施工提供理論依據(jù)?；诖?，采用管體三軸加載系統(tǒng)，對3 種不同強度等級和配筋率的鋼筋混凝土管體縮尺模型進(jìn)行三軸試驗；基于試驗結(jié)果，優(yōu)選頂管管體設(shè)計參數(shù)；最后依據(jù)張集煤礦頂管法掘進(jìn)工程經(jīng)驗，提出煤礦深井巷道頂管法施工推廣應(yīng)用的技術(shù)途徑。

1 煤礦深井頂管法管體模型試驗

1.1 頂管管體模型制備

根據(jù)相似理論、原型尺寸和試驗裝置來確定模型尺寸。為了研究混凝土等級和配筋率對管體的影響，制作了3 種不同的模型。相似模型具有相同的幾何參數(shù)：內(nèi)徑280 mm，外徑350 mm，厚度35 mm，高度360 mm，相似比為30/7。根據(jù)《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》和《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》，管體的水泥等級不低于P.O 42.5，混凝土強度應(yīng)高于40 MPa，配筋率應(yīng)大于等于0.4%[12]?；炷凉橇蠟楹由昂托鋷r卵石，水泥為P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，采用直徑4 mm Q345 鋼筋，制備了3 種不同規(guī)格的管體模型。3 種模型的參數(shù)和配置見表1。

表1 管體模型參數(shù)Table 1 The parameters of pipe models

管體模型由鋼筋混凝土制成，制作步驟如下：①豎起鋼籠，將其放入鋼模中；②將混凝土倒入模具中；③振搗混凝土并養(yǎng)護(hù)；④從模具中取出模型。

為了確保試驗過程中模型徹底被密封，在養(yǎng)護(hù)28 d 后，將模型的頂部和底部表面進(jìn)行修整和拋光。模型澆筑前，在鋼筋籠中心截面沿環(huán)向和軸向固定了6 套應(yīng)變片，夾角為120°。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，在模型內(nèi)、外表面中心部位沿環(huán)向和軸向各粘貼6 套應(yīng)變片，夾角為120°。應(yīng)變片由硅橡膠密封，以保護(hù)應(yīng)變片不受液壓油影響。管體相似模型制作如圖1。

圖1 管體相似模型的制作Fig.1 Fabrication of similitude pipe models

1.2 試驗裝置

管體模型加載系統(tǒng)如圖2，使用安徽理工大學(xué)設(shè)計的管體模型加載系統(tǒng)，對管體模型施加圍壓和軸向荷載。加載系統(tǒng)主要由1 個圓筒形三軸腔組成，在側(cè)面和頂部均帶有小孔，用來安裝監(jiān)控電纜和液壓油管。通過在模型和三軸腔外殼之間泵送液壓油，從而對管體模型表面施加圍壓?？招膱A筒三軸腔的底板有軸向荷載活塞，該活塞向模型底部施加垂直荷載。

圖2 管體模型加載系統(tǒng)Fig.2 Pipe model loading system

液壓油泵與三軸腔相連，對三軸腔內(nèi)所含的液壓油施加并保持壓力。采用直接測量液壓油壓力的電子壓力傳感器測量三軸腔壓力。

將裝有模型的三軸腔放置在YAW-3000 電液伺服三軸試驗系統(tǒng)中，使用YAW-3000 試驗系統(tǒng)對三軸腔頂部和底部施加豎向荷載。加載活塞將軸向壓力從試驗系統(tǒng)的載荷板傳遞到模型底部。壓力機最大承載力為3 000 kN，誤差為±1%，軸力記錄間隔為0.1 s，采用電阻應(yīng)變計測量鋼筋和混凝土應(yīng)變。

1.3 加載方案

首先將模型裝入三軸腔，并通過施加50 kN 的軸力進(jìn)行固定?，F(xiàn)場施工中為抵抗煤礦深部地層較高的地應(yīng)力，泥漿壓力為1 MPa。為真實模擬施工現(xiàn)場頂管管體工況和受力情況，管體承載力模型試驗圍壓定為1 MPa。試驗開始后，保持圍壓恒定直至試驗結(jié)束，軸力從初始值開始以100 kN 間隔增加，達(dá)到要求值保壓0.5 min，在保壓期間測量并記錄模型的軸力、圍壓和應(yīng)變值。軸力增加和數(shù)據(jù)測量交替進(jìn)行，直至模型失效。

2 試驗結(jié)果

2.1 應(yīng)力分析

鋼筋混凝土管體在頂進(jìn)過程中主要承受沿巷道軸向方向的應(yīng)力，因此管體模型的軸向應(yīng)力為主要參數(shù)。通過環(huán)向和軸向應(yīng)變值計算施加在管體模型內(nèi)、外表面上的應(yīng)力。管體模型的內(nèi)表面以二維應(yīng)力狀態(tài)加載，與此相反，由于液壓油施加的圍壓，管體模型的外表面以三維應(yīng)力狀態(tài)加載，軸向應(yīng)力計算如下[13]：

式中：σzin、σzex分別為管體模型內(nèi)、外表面的軸向應(yīng)力；εzin、εzex分別為管體模型內(nèi)、外表面的軸向應(yīng)變；εθin、εθex分別為管體模型內(nèi)、外表面的環(huán)向應(yīng)變；E 為彈性模量；μ 為泊松比；p 為圍壓。

因此，通過上述公式可以獲得施加在管體模型橫截面上的軸向應(yīng)力。施加在鋼筋、管體模型內(nèi)表面和外表面上的軸向應(yīng)力如圖3。

圖3 管體模型平均軸向應(yīng)力Fig.3 Average axial stress of pipe models

由圖3（a）可知，在加載初始階段，3 個模型內(nèi)表面應(yīng)力均持續(xù)增加，其中模型1、模型3 內(nèi)表面應(yīng)力增加緩慢，模型1、模型2、模型3 外表面應(yīng)力均先下降再上升，其中模型2、模型3 下降趨勢比模型1 明顯，此階段模型受力較小，內(nèi)外側(cè)表面應(yīng)力增加速度較慢。軸向荷載增加至500 kN 之后，模型2 內(nèi)外側(cè)表面應(yīng)力隨軸向荷載的增加呈近似線性增長，模型1、模型3 內(nèi)外側(cè)表面應(yīng)力增速不斷增加，直至模型破壞。相同軸向荷載條件下，3 個模型內(nèi)表面應(yīng)力均高于外表面。該現(xiàn)象原因是模型外表面為三向受力狀態(tài)，混凝土受圍壓約束，應(yīng)變與應(yīng)力值低于兩向受力的內(nèi)表面，表明破壞更易出現(xiàn)于頂管管體的內(nèi)表面。模型1、模型2、模型3 的極限軸力分別為1 900、2 420、2 195 kN。圖3（b）中軸向鋼筋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，在加載后期，鋼筋應(yīng)力增長變緩、停滯，表明鋼筋開始進(jìn)入屈服狀態(tài)，難以繼續(xù)承擔(dān)荷載。3個模型中，模型2 承載能力最高，模型1 和模型3 中的鋼筋比模型2 更早屈服，表明C60 混凝土對防止鋼筋屈服有更好的效果，提高混凝土強度等級比增加配筋率更能有效提高頂管管體強度和承載能力。

2.2 管體模型破壞特征

3 種管體模型都表現(xiàn)出相似的破壞特征。在靠近管體模型邊緣的部位沿環(huán)向產(chǎn)生裂隙，分支裂隙沿縱向向邊緣擴(kuò)展。在管體模型的內(nèi)表面和外表面，混凝土大量剝落，因此在某些部位鋼筋露出。管體模型的破壞特征如圖4。

圖4 管體模型破壞特征Fig.4 Failure characters of pipe models

模型1（C40，0.4%）破壞最為嚴(yán)重，大量裂隙沿環(huán)向和縱向擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土劇烈剝落。與模型1 相比模型3（C50，0.5%）沿縱向裂隙較少，模型3 的混凝土剝落面積小于模型1 的剝落面積。模型1 和模型3 的不同破壞特征表明了較高的配筋率顯著降低了混凝土的破壞程度。模型2（C60，0.4%）的破壞程度最低，裂隙主要沿環(huán)向擴(kuò)展，沿縱向僅形成少數(shù)分支裂紋。在模型2 上幾乎沒有剝落現(xiàn)象，裂隙間隙寬度也較小。管體模型的破壞特征表明，提高混凝土強度等級可以更有效地提高管體強度。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

張集煤礦采掘作業(yè)受到地下水的威脅，需施工排水巷道。西三-600 m 排水石門位于1#煤層的上覆砂巖地層中，埋深約600 m，長190 m。巷道圍巖的單軸抗壓強度范圍為60 MPa 到100 MPa，最大水平應(yīng)力為18.354 MPa，最大垂直應(yīng)力為9.367 MPa。根據(jù)實測的水文地質(zhì)資料，巷道的橫截面積超過0.8 m2足以滿足排水作業(yè)的要求。但傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)施工中，為滿足人員、設(shè)備活動空間，排水巷道多采用跨度4 m 左右的直墻半圓拱形巷道，巷道斷面尺寸過大，增加了不必要的掘進(jìn)和排矸工作量，造成人力、設(shè)備和能耗的浪費。因此，采用頂管法掘進(jìn)西三-600 m 排水石門。

3.2 設(shè)備布置

EDG-1500/NS 1.5 m 頂管機由中煤科工集團(tuán)沈陽研究院研制，直徑1.5 m，刀盤配備18 個10 英寸（250 mm）滾刀，采用泥漿排渣。頂管機由4 個頂推油缸推進(jìn)，單個油缸推力1 960 kN。掘進(jìn)時在鋼筋混凝土管體與圍巖間隙內(nèi)注入膨潤土漿液，減少頂管與巖石表面之間的摩擦，并在頂進(jìn)過程中提供支護(hù)反力。考慮到煤礦井下的高地應(yīng)力，膨潤土注漿壓力設(shè)置為1 MPa，用以平衡圍巖壓力。激光定向儀和全站儀在頂進(jìn)過程中用來校準(zhǔn)精度。EDG-1500/NS煤礦頂管機如圖5。

圖5 EDG-1500/NS 煤礦頂管機Fig.5 EDG-1500/NS coal mine pipe jacking machine

頂進(jìn)過程中使用了鋼筋混凝土管，根據(jù)相似模型試驗結(jié)果確定鋼筋混凝土管的參數(shù)。鋼筋混凝土管由C60 混凝土制成，外徑為1 500 mm，壁厚為150 mm，長為2 000 mm，配筋率為0.4%。

頂管機工作場地由頂管機的作業(yè)硐室和輔助硐室組成。作業(yè)硐室用于安裝和操作頂管機，電氣系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、泥漿池、潤滑系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、鋼筋混凝土管和其他材料放在輔助硐室。

3.3 頂管機頂力監(jiān)測

頂力通過監(jiān)測頂推油缸推力獲得，頂力為迎面阻力和管體摩擦力之和。頂管機頂力隨頂進(jìn)距離變化如圖6。

圖6 頂力隨頂進(jìn)距離變化Fig.6 Pushing force changes with jacking distance

頂進(jìn)初期，頂力增加較為緩慢，頂進(jìn)5 m 之前頂力低于500 kN，這是由于膨潤土漿液潤滑效果良好，同時，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，地應(yīng)力的顯現(xiàn)還需要一段時間，此階段頂力偏小。

頂進(jìn)后期，頂力總體隨頂進(jìn)距離增加而增長。穿越破碎地層過程中，由于膨潤土漿液滲漏，出現(xiàn)頂力急劇增加的情況，及時補充漿液減阻后，頂力則有所降低[9]。

3.4 煤礦頂管機掘進(jìn)巷道施工問題

1）泥漿泄露。頂進(jìn)開始時，拱面墻壁泄露，導(dǎo)致摩擦力和頂推力顯著增加。在補救密封后，膨潤土漿液從裂隙、接縫或斷層滲漏導(dǎo)致摩擦力增大。通過補充膨潤土漿液，緩解了膨潤土漿液滲漏問題。

2）頂管掘進(jìn)定向。頂管機易向薄弱地層偏轉(zhuǎn)，因此頂管機需要頻繁的轉(zhuǎn)向校正操作。

3）泥漿管堵塞。巖渣經(jīng)常引起泥漿管堵塞，因此需要更高的泥漿流動速度，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，排渣臨界漿液流速約為3.8 m/s。

4 結(jié) 論

1）與淺埋地層頂管施工相比，深層煤礦地層中采用頂管法需要更高的注漿壓力，用以平衡高地應(yīng)力。管體相似模型試驗結(jié)果表明，增加混凝土強度等級更能有效提高管體結(jié)構(gòu)強度。

2）頂管管體破壞首先出現(xiàn)于頂管管體兩端，特點為首先出現(xiàn)環(huán)向裂隙，隨荷載提高，在環(huán)向裂隙處向頂管管體中心處產(chǎn)生分支裂隙，同時伴有混凝土剝落、鋼筋外露等破壞形式。

3）在煤礦頂管工程實踐中，泥漿滲漏是頂管工程主要問題之一。與土層中頂管工程不同，膨潤土漿液容易通過巖層裂隙泄露，導(dǎo)致漿液保壓困難，影響漿液的支護(hù)與減阻潤滑效果，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖變形擠壓管體，最終導(dǎo)致管體摩阻力增加。因此，煤礦深部地層頂管法施工適用于完整性較好的地層。針對破碎地層漿液保壓困難的問題，應(yīng)在施工前開展注漿等地層改性工作。