雙撐靴砌壁模板系統(tǒng)懸吊承載力模型試驗研究

江 軍，王 博，朱啟銀，王建州，郝宇航

(1.中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

在我國煤炭資源“由淺入深”的開發(fā)趨勢下，超深井建設(shè)將成為煤礦建井工程的主流[1-5]。目前國內(nèi)主要采用傳統(tǒng)鉆爆法下的短段掘砌混合作業(yè)方式[6]搭配單滾輪纏繞提升系統(tǒng)進(jìn)行立井施工，但隨著提升高度和速度的增加，易誘發(fā)平衡尾繩擺動，影響提升效率和安全性[7，8]。此外，超深井提升高度過大，所用鋼絲繩過長，鋼絲繩自重較大使得有效提升重量不足[9，10]，難以實現(xiàn)井內(nèi)懸空砌壁。

針對超深立井建井過程中的井內(nèi)移動設(shè)備懸吊問題[11]，利用已砌井壁提供懸吊支撐是有效的解決方案，其主要類型有梁窩懸吊、預(yù)埋螺栓牛腿或錨桿固定牛腿、撐靴等。左帥等[12]通過井壁中的預(yù)留件固定邁步式液壓金屬模板系統(tǒng)，僅利用已砌井壁作為支撐，借助邁步裝置使模板成為獨立行走的設(shè)備。劉杰等[13]設(shè)計液壓整體邁步式鑿井吊盤時，利用吊盤牛腿插入井壁預(yù)埋盒中提供支撐力，實現(xiàn)無地面穩(wěn)車懸吊。但預(yù)埋件或設(shè)置梁窩方案會增加施工難度，邁步難以提速。呂紅娟等提出立井環(huán)形雙層支撐靴井內(nèi)設(shè)備懸吊解決方案[14]，該方案參照TBM隧道掘進(jìn)機(jī)的撐靴方案，利用鋼結(jié)構(gòu)與井壁之間的摩擦力提供懸吊荷載，實現(xiàn)深井內(nèi)懸空砌壁，該支撐靴方案結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，邁步速度可調(diào)可控。然而，其承載特性極度依賴撐靴與井壁間的摩擦阻力。陳福強(qiáng)等[15]通過130組試驗探究了混凝土接觸面的摩擦系數(shù)，其值介于0.55～0.75之間。蘇慶田等[16]通過測試鋼與混凝土界面抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)二者之間的靜摩擦系數(shù)在0.73～1.06之間，動摩擦系數(shù)在0.5～0.74之間。Rabbat等[17]發(fā)現(xiàn)鋼板與混凝土界面摩擦系數(shù)在干燥狀態(tài)下為0.57，濕潤狀態(tài)下為0.65。李超等[18]利用GDEM軟件探究豎井掘進(jìn)機(jī)撐靴對井壁的作用，并建立了井壁的極限承載力公式。肖建莊等[19]指出，當(dāng)溫度超過400℃后，高強(qiáng)混凝土與軋制鋼板間的靜、動摩擦系數(shù)為0.25～0.35。綜上，支撐靴方案需要解決的主要問題包括撐靴的撐緊方式、撐靴與井壁之間的接觸比壓以及撐緊力與懸吊承載力的關(guān)系等。

本文開展立井環(huán)形無梁窩雙層支撐靴相似模型試驗，設(shè)置上層撐靴為單伸縮口和雙伸縮口兩種結(jié)構(gòu)類型，試驗內(nèi)容包括：①代表正常工作的常規(guī)脫模工況以及代表惡劣工作條件的涂油工況下，雙伸縮口支撐靴系統(tǒng)最大懸吊荷重與撐緊力關(guān)系；②表面涂油工況以及常規(guī)脫模工況下雙伸縮口支撐靴與常規(guī)脫模工況下單伸縮口支撐靴與井壁摩擦特性。通過對撐靴撐緊力及懸重荷載的測量與分析，探究常規(guī)脫膜與涂油不利工況下最大懸吊荷重與撐緊力關(guān)系以及撐靴與井壁間的摩擦行為。

1 模型試驗平臺搭建

1.1 模型尺寸

模型試驗?zāi)M井筒實際尺寸為內(nèi)徑7.00m、壁厚1.00m?？紤]試驗精度和模型的制作難度，將幾何縮比定為1∶5。采用量綱分析法[20]計算模型試驗中相似常數(shù)取值，計算結(jié)果見表1。

表1 模型試驗相似常數(shù)取值

因此，設(shè)定混凝土井壁模型高度0.40m，內(nèi)徑1.40m，厚度0.20m，采用C30混凝土澆筑。支撐靴模型高度0.32m，外徑1.38m，其由2個連接塊和5個標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成，塊間連接鋼板厚度為5mm，其余豎向、環(huán)向加強(qiáng)板和背板厚度均為4mm。支撐靴開口處設(shè)置5mm厚鋼板，方便液壓撐緊及提供局部加強(qiáng)。為提供充足的懸吊荷載施加空間，試驗平臺高度為1.78m，外徑為1.93m，混凝土井壁模型下底面凈高1.2m。

1.2 雙撐靴上撐靴單開口試驗方案

雙撐靴上撐靴單開口試驗平臺剖面及傳感器布置如圖1所示。雙撐靴單開口即是設(shè)置上、下層支撐靴，上下層支撐靴之間通過3個豎直液壓油缸連接，上支撐靴一側(cè)開口設(shè)置2個水平液壓油缸實現(xiàn)支撐靴撐緊井壁作用，通過控制3個豎直油缸施加懸吊荷重。根據(jù)試驗測試需求，進(jìn)行了試驗傳感器測點布置，上、下層支撐靴水平和豎直液壓油缸分別設(shè)置壓力變送器進(jìn)行油壓量測；為保證豎直懸吊荷重的采集精度，布置了拉壓傳感器與壓力變送器，其量測結(jié)果可相互驗證。測點編號規(guī)則：U代表上層支撐靴、L代表下層支撐靴、V代表豎直方向、SPT代表壓力變送器、STC代表拉壓傳感器。

圖1 單開口模型試驗平臺及傳感器布置

1.3 雙撐靴上撐靴雙開口試驗方案

雙撐靴雙開口即是設(shè)置上、下層支撐靴，上層支撐靴對稱位置設(shè)置2個伸縮口，每一伸縮口設(shè)置2個水平撐緊油缸。下層支撐靴設(shè)一伸縮口，設(shè)2個水平液壓油缸實現(xiàn)支撐靴撐緊井壁作用。上下層支撐靴之間通過6個豎直液壓油缸連接，通過控制所設(shè)的6個豎直油缸進(jìn)而實現(xiàn)模型試驗中懸吊荷重施加。根據(jù)實驗測試需求，進(jìn)行了實驗的測點布置，如圖2所示。

圖2 雙開口模型試驗平臺及傳感器布置

1.4 測試工況

對于雙撐靴上撐靴單開口試驗，首先上、下層支撐靴撐緊井壁，然后豎直油缸收縮測試不同撐緊力條件下的懸吊荷重承載情況。具體試驗條件為：常規(guī)脫模工況下，固定下層支撐靴的撐緊力1.5t(油壓10MPa)，改變上層支撐靴水平油缸壓力分別穩(wěn)定在6MPa、8MPa和10MPa，然后逐漸增大懸吊荷重直至上層支撐靴滑動或累計位移超過閾值5mm，記錄撐緊力和相應(yīng)的懸吊荷重。

對于雙撐靴上撐靴雙開口試驗，利用設(shè)置完成的模型試驗系統(tǒng)，完成9組雙伸縮口上層支撐靴模型不同撐緊力條件下的懸吊荷重承載測試，見表2。具體條件為：在常規(guī)脫模或涂油工況下，固定下層支撐靴的撐緊力(單伸縮口，2個水平油缸油壓8～10MPa)，改變上層支撐靴水平油缸壓力，油缸壓力分別穩(wěn)定在6MPa、8MPa、10MPa和12MPa，然后逐漸增大懸吊荷重(均布的6個豎直液壓油缸施加)至上層支撐靴滑動或累計位移超過閾值5mm，記錄相應(yīng)的撐緊力和懸吊荷重。

表2 雙伸縮口上層支撐靴懸吊荷重測試工況

2 承載性能分析

2.1 上撐靴單開口試驗結(jié)果分析

試驗過程遵循由簡單到復(fù)雜的原則，首先進(jìn)行了上撐靴單開口試驗。上撐靴單開口懸吊荷重加載試驗過程中，固定下?lián)窝尉o力(LPT)，設(shè)置初始上層撐緊力(UPT)，逐漸增加懸吊荷重(STC、SPT)的試驗結(jié)果如圖3所示。以6MPa為例，下層支撐靴撐緊力(LPT)會隨著撐緊油缸的油壓降低而逐漸減小，上層支撐靴撐緊力也存在類似情況，而且每級懸吊荷重(STC、SPT)施加過程會導(dǎo)致上層支撐靴的撐緊力(UPT)有不同幅度降低，降低幅度隨著懸吊荷重大小及其導(dǎo)致的上層支撐靴位移成正比。油壓更高的8MPa和10MPa條件下，撐緊力減小幅度更大。因此，支撐靴的實際撐緊力會隨著試驗進(jìn)行和懸吊荷重施加而降低。單開口條件下，撐緊力在撐靴上分布不均，從而撐靴在懸吊荷載下易引起滑動變形。

圖3 上下層支撐靴撐緊與懸吊荷重測試

為探求常規(guī)脫模工況上層撐靴單伸縮口條件下，最大懸吊荷重與撐緊力關(guān)系，分別對最大懸吊荷重與實時撐緊力、初始撐緊力的關(guān)系進(jìn)行整理。實時撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系如圖4所示，懸吊荷重隨上層撐緊力逐漸增加，但懸吊荷重與撐緊力比值先增加后減小，波動范圍為2.3～3.0，平均值為2.7。初始撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系如圖5所示，最大懸吊荷重與初始撐緊力比值范圍為1.7～2.0，平均值為1.9。

圖4 實時撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系

圖5 初始撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系

2.2 上撐靴雙開口試驗結(jié)果分析

上撐靴雙開口試驗過程為：固定下層支撐靴的撐緊力(LPT)(單伸縮口，2個水平油缸油壓8～10MPa)，改變上層支撐靴水平油缸壓力(UPT)(雙伸縮口，共2對4個水平油缸)，油缸壓力分別穩(wěn)定在6MPa、8MPa、10MPa和12MPa，然后逐漸增大懸吊荷重(STC)(均布的6個豎直液壓油缸施加)至上層支撐靴滑動，記錄并分析相應(yīng)的撐緊力和懸吊荷重關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙伸縮口支撐靴撐緊與懸吊荷重測試

圖6(a)顯示常規(guī)脫模工況下上層支撐靴撐緊力(UPT=1.1t)6MPa時系統(tǒng)壓力隨時間演化規(guī)律。豎直油缸懸吊荷重(STC)分級加載，懸吊荷重加載會使撐緊油壓(UPT)有小幅度升高，這與液壓系統(tǒng)油路有關(guān)，撐緊油壓(UPT)在加載過程中整體表現(xiàn)為降低趨勢。懸吊荷重(STC)達(dá)到極值時，伴隨支撐靴的滑動，一般撐緊油壓(UPT)會有較大幅度降低。在混凝土表面常規(guī)脫模狀態(tài)及撐緊油壓大于10MPa后(圖6b)，支撐靴基本不會出現(xiàn)滑動現(xiàn)象。

對井壁模型混凝土表面涂抹潤滑油，模擬相對光滑狀態(tài)下的支撐靴撐緊懸吊性能。以圖6(c)上層支撐靴撐緊力(UPT=1.7t)6MPa結(jié)果為例，支撐靴懸吊性能較常規(guī)脫模狀態(tài)在撐緊力相對較小時存在明顯差異，支撐靴滑動現(xiàn)象明顯，且滑動時加載的懸吊荷重較小。

涂油狀態(tài)下支撐靴撐緊力和最大懸吊荷重關(guān)系如圖7所示，支撐靴最大懸吊荷重與撐緊力比值范圍在1.8～2.4之間，平均值為2.15?？傮w上，懸吊荷載與撐緊力呈正線性比例關(guān)系。

圖7 雙伸縮口撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系(涂油)

2.3 單、雙伸縮口上層支撐靴模型結(jié)果對比

將獲得的單、雙伸縮口上層支撐靴模型撐緊力與最大懸吊荷重比值進(jìn)行綜合比較，如圖8所示。從試驗結(jié)果可以看出，雙伸縮口的懸吊荷重承載能力要優(yōu)于單伸縮口形式，撐緊力與最大懸吊荷重比值均在2.0以上范圍?；炷帘砻嫱坑蜖顟B(tài)下，支撐靴懸吊荷重承載性能有所降低，但在高撐緊力區(qū)間，降低現(xiàn)象并不明顯。

圖8 單、雙伸縮口撐緊力與最大懸吊荷重關(guān)系(常規(guī)脫模、涂油)

為計算整個支撐靴-井壁接觸面的近似平均摩擦系數(shù)，參照彈性力學(xué)[21]圓環(huán)受均布壓力的計算，接觸面壓力P與撐緊應(yīng)力σψ之間滿足以下關(guān)系：P≈0.06σψ，根據(jù)不同撐緊力條件下支撐靴懸吊荷載數(shù)據(jù)，估算出支撐靴-井壁接觸面之間的平均摩擦系數(shù)f=F/AjchP(F為支撐靴模型上施加的懸吊荷重，Ajch為支撐靴-井壁接觸面積)，匯總的撐靴與井壁摩擦系數(shù)如圖9所示。結(jié)果表明，常規(guī)工況下雙伸縮口支撐靴-井壁接觸面平均摩擦系數(shù)介于0.45～0.69之間，單伸縮口支撐靴-井壁接觸面平均摩擦系數(shù)介于0.35～0.55之間；常規(guī)工況下的鋼材-混凝土摩擦系數(shù)低于Rabbat等[17]得到的0.57，說明受限于圓形井壁與撐靴的制作工藝，二者未能完全接觸，存在一定的非接觸區(qū)。涂油工況下，雙伸縮口支撐靴-井壁接觸面平均摩擦系數(shù)介于0.34～0.50之間。

圖9 支撐靴-井壁接觸面平均摩擦系數(shù)(常規(guī)脫模、涂油)

3 結(jié) 論

通過雙撐靴單雙開口相似模型試驗，在常規(guī)脫模、涂油工況支撐靴-混凝土接觸面工況，單、雙伸縮口兩種結(jié)構(gòu)形式下，進(jìn)行上、下層支撐靴模型的懸吊性能試驗，探究支撐靴懸吊荷載承載性能，得出以下結(jié)論：

1)混凝土表面涂油工況下，支撐靴懸吊荷重承載性能有所降低，但隨著撐緊力的增加，懸吊性能降低現(xiàn)象逐漸減弱。

2)常規(guī)脫模工況下，上層撐靴單伸縮口結(jié)構(gòu)最大懸吊荷重與撐緊力比值應(yīng)控制在2.3～3.0，上層撐靴雙伸縮口最大懸吊荷重與撐緊力比值應(yīng)控制在2.5～3.8。表面涂油工況下，上層撐靴單伸縮口最大懸吊荷重與撐緊力比值應(yīng)控制在1.0～1.3，上層撐靴雙伸縮口最大懸吊荷重與撐緊力比值應(yīng)控制在1.9～2.8。

3)常規(guī)脫模工況下，支撐靴與井壁平均摩擦系數(shù)在0.4～0.7。表面涂油工況下，支撐靴與井壁平均摩擦系數(shù)在0.3～0.5。雙伸縮口支撐靴一定程度上可以改善其與井壁混凝土的接觸狀態(tài)，支撐靴懸吊荷重承載能力要優(yōu)于單伸縮口形式。