深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点,在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件,是进行支护结构合理设计的前提,对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比,针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景,对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验,对比各构件的变形过程及破坏形态;基于M-θ曲线,综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律,提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果,进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明,依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系,围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高,极大地缩短了施工难度,降低了经济成本,应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。     

方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用

方钢约束混凝土(SQCC)拱架作为复杂条件地下工程中的一种新型支护方式,具备很高的支护强度和后期承载能力,而拱架留设的灌浆孔因局部削弱和应力集中效应而成为拱架的关键破坏部位,对拱架整体承载能力具有很大的影响,需对灌浆孔进行补强处理以提高拱架开孔后的整体强度.针对SQCC开孔短柱进行室内试验及数值试验,对比分析短柱变形破坏形态、荷载位移曲线及极限承载力等力学性能,研究方钢约束混凝土拱架补强机制;建立约束混凝土强度及经济指标,综合对比短柱补强效果.以SQCC150×8短柱为例,留设灌浆孔后短柱极限承载力相比SQCC短柱降低29.9%;侧弯钢板补强(ASS)后短柱的强度指标达148.7%,经济指标为90.8%,补强效果最好,且补强钢板长度在180~240 mm范围内,厚度为8 mm时,侧弯钢板对灌浆孔补强效果最明显,经济指标增长率最大.侧弯钢板补强试验结果在全比尺拱架室内试验中得到充分验证,在现场巷道支护应用中效果良好,研究成果为约束混凝土支护设计提供了依据.      

复杂条件超大断面隧道围岩控制技术研究

为解决现场实际施工中隧道拱顶塌方、支护构件破坏等围岩控制难题,系统开展了不同开挖方式(CD法、CRD法)、不同支护形式下(I18,I22b)超大断面隧道围岩控制技术试验研究,对比分析了隧道拱顶位移、塑性区发展、支护构件受力变化规律,综合考虑现场施工便捷程度、成本节约及安全施工等因素,现场开挖方式宜选择CD法,支护拱架宜采用I22b。试验结果在现场实际应用中得到很好的验证,围岩控制效果显著。     

U型约束混凝土补强机制研究及应用

U型约束混凝土拱架支护可有效解决传统拱架支护后期承载力不足的问题,但灌注口的存在会降低其承载力,它是整个拱架的关键部位之一,需进行局部补强加固。为研究U型约束混凝土拱架补强机制,取留设灌注口U型约束混凝土短柱为研究对象,通过强度指标α和经济指标β对3种不同补强方式及不同补强板厚度在轴压作用下受力机制进行研究。结果表明:沿口竖向补强、沿口横向补强、沿口周全包3种局部补强方式可将短柱的轴压承载力分别提高至补强前的115.6%,105.8%,103.8%;补强钢板厚度在14~22 mm范围时竖向补强方式的经济指标β值增长率最大。将竖向补强方式在全比尺试验验证后应用于工程实际,取得了良好的效果。     

超大断面隧道软弱围岩控制机制及应用

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展交叉中隔墙(center cross diagram, CRD)法和双侧壁导洞开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩、不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护和H型钢拱架+锚杆支护四种支护方式下隧道围岩变形、支护构件受力变化规律,并研究超大断面隧道软弱围岩控制机制。同时对H型钢+锚网喷联合支护方式在超大断面破碎围岩隧道进行了CRD和双侧壁导洞两种开挖方法下的现场试验,拱顶沉降分别稳定在27.2 mm和18.7 mm,很好地控制了围岩变形、保证了现场初期支护安全。     

隧道拱架装配式施工关键技术及应用研究

为解决复杂条件隧道拱架安装施工效率低、安全性差等问题,本文基于传统拱架施工难题,研发了高自由度拱架主安装机、辅助安装机等机械化设备和适用于机械化施工的装配式配套装置,形成了装配式拱架机械化施工工艺;并根据关键施工工序装配式拱架分阶段承载特性,开展了不同约束条件下装配式拱架稳定承载特性数值试验研究。结果表明:装配式施工工法对拱架初期强度提高具有显著的意义,拱架承载系统的快速形成,是保证围岩弹塑性变形得到有效控制的关键;研究成果在滨莱高速改扩建马公祠隧道现场进行了初步应用,施工效率显著提升,围岩变形得到有效控制。     

约束混凝土拱架套管节点压弯承载特性研究

为解决约束混凝土现场应用过程中套管节点设计保守、施工困难等难题,采用室内试验与数值试验相结合的方式,综合考虑不同套管节点构造参数及不同偏心率加载,分析套管节点试件压弯组合力学性能及破坏形态,开展套管节点参数影响规律研究。结果表明:1)节点试件压弯组合作用下呈现典型两阶段工作模式及变形破坏模式;2)节点与拱架接触部位发生明显的应力集中现象,试件呈折线形破坏;3)荷载-位移曲线表现为典型的弹性、弹塑性和塑性3阶段特性,轴压承载力与无套管试件相比降低19.4%左右;4)得到了不同套管节点参数的M-N曲线,提出了节点经济性指标β1,β2,量化了套管节点强度与经济成本之间的关系,提出了工程设计建议,为相关工程设计应用提供借鉴。     

三软煤层沿空巷道破坏机制及锚注控制

针对龙口矿区梁家煤矿典型三软地层沿空巷道-4606材料巷围岩控制难题,通过现场监测和试验,分析原支护方案下围岩变形破坏机制。煤层结构复杂,围岩易膨胀、软化,围岩破坏范围大,拱架变形破坏严重,锚杆支护潜力无法有效发挥是巷道变形破坏的主要原因。以锚注支护为核心,实施了U型棚+注浆锚杆+注浆锚索和注浆锚杆+注浆锚索2种联合支护对比试验方案。结果表明：方案实施后,巷道围岩变形量均小于原支护方案37%以上,U型棚+注浆锚杆+注浆锚索联合支护方案中U型棚对围岩的控制作用不明显,注浆锚杆+注浆锚索联合支护完全可以取代传统的U型棚支护。