錨桿支護理論的發展與實踐

0錨桿支護史上的共性在維護深層地下道路時，發現支管的護岸力無法承受垂直地幔力。然而,深部巷道使用棚式支架卻使其得到了有效維護。由此人們進一步認識到,圍巖自身具有自承能力,也就是說巷道圍巖更深部的巖體是由靠近巷道表面處的圍巖來支承的,進而引發了支護史上的革命性變革——錨桿支護。錨桿支護經過了幾10年的探索研究和實踐,才發展到了目前能夠處理各種松軟破碎圍巖的技術高度。錨桿支護的理論也由最初的懸吊理論逐漸發展到了組合梁理論、擠壓加固理論、松動圈理論和關鍵承載圈理論等。這些理論和觀點在錨桿支護史上起到了一定的積極作用,但對于松軟破碎的圍巖情況有的不能使用,有的僅有指導意義。因而,建立松軟破碎圍巖巷道的錨桿支護理論體系和設計方法,在錨桿支護領域具有十分重要的意義。1錨桿支護是一種固定支護體,支護的出發點不同錨桿之所以能對巷道圍巖起“支護”作用,是因為圍巖自身具有自穩能力,而并不是因為錨桿能夠直接抵抗地應力。架棚式支護的出發點是對圍巖起直接支撐作用;而錨桿支護的出發點是以圍巖自身為支承體,靠圍巖自承。這是錨桿支護與架棚式支護作用的本質區別。1.1整體停止變形在原巖中開挖巷道后不進行支護時會出現以下兩種情況:(1)巷道圍巖變形到一定程度后即停止變形,并能長期穩定而不垮落;(2)巷道圍巖變形過程中伴隨片幫和頂部冒落,當頂部冒落到一定程度時達到相對穩定平衡。實踐證明,巷道圍巖在一定的狀態下是可以自穩的。巷道自穩時的狀態能抵抗正常垂直地應力的作用。1.2巷道材料的尺寸設計目前的一些研究認為,頂板的自承作用在于巷道的頂板內圍巖中存在1個擠壓加固拱,它能夠承受地應力,使巷道保持相對穩定平衡狀態。砌碹巷道的破壞多是由于不均勻受壓導致的,而料石碹的不均勻受壓主要由于開挖巷道的圍巖和碹體之間的空隙所造成的。為了克服這種缺陷,提高支承能力,料石可以“原地”取材,這樣,圍巖與“碹體”之間的空隙就不存在了。也就是說,圍巖本身就是料石。問題的關鍵是,圍巖中哪些部位是“有用的料石”,這些有用的料石能否滿足承載要求;哪些是“無用的料石”,錨桿的什么作用能使這些無用的料石保持穩定。料石砌碹時,必須將巷道設計為半圓拱形、弧形、三心拱形等,也就是說,只有拱形碹體才能有效地起支承作用。據此,如果料石采用原地取材的方式,必然形成如圖1所示的隱形拱。這樣的隱形拱在一定的條件下能夠保持巷道的穩定,保持巷道在服務期內的正常使用。2道路頂部的自穩形拱2.1單拱巷道變形拱pi在巷道頂板中任意位置畫出1條圓拱線,可以形成1個隱形拱,這種隱形拱的承載能力是由拱體本身的強度和隱形拱的假設厚度決定的。一般情況下,圓形拱的承載能力為pi=σc2(1?R1R2)2(1)pi=σc2(1-R1R2)2(1)式中:σc為巷道頂板隱形拱范圍內最差巖體的抗壓強度,MPa;R1為隱形拱的內半徑,m;R2為隱形拱的外半徑,m。由式(1)可以進一步推導出這種隱形拱的極限承載能力為pimax=limR2→∞pi=σc/2(2)pimax=limR2→∞pi=σc/2(2)式(2)說明了這種隱形拱的最大承載能力為σc/2,也就是說,當垂直應力大于σc/2時,這種隱形拱不能有效保證巷道頂板穩定。2.2應力與應力質量的概念從上述可以看出,巷道頂板中的隱形拱以圓形模擬是無法解釋圍巖的自穩現象的,無法指導錨桿的施工。考慮到砌碹巷道的基本原理,即砌碹體之所以起到支護作用,是由于砌體中的每一塊料石都處于“相互咬合”的狀態。這種相互咬合表現為砌體的料石只要有一塊脫落,整個砌體就會完全失去承載能力。其理論含義是,能夠有效承載的拱形砌體中只有擠壓應力而無拉應力的存在。據此,可以在原巖中剛開挖的巷道頂板中尋找到無拉應力單元和有拉應力單元的分界面,這種從拉應力向壓應力轉變的分界面在巷道頂板中必然形成1個曲面,這個曲面所形成的拱能夠抵抗正常的應力,保持巷道長期穩定,稱其為“自穩隱形拱”,見圖2。這種自穩隱形拱的位置和形狀是由原巖應力和圍巖特性所決定的,其具體參數可以應用現代巖石力學有關理論計算。下式是根據連續巖梁的假說近似推導出的自穩隱形拱曲線方程,即y=(3p0w012-12p0x232σc)1/2(3)式中:p0為垂直原巖應力,MPa;w01為巷道頂部寬度,m。3車道底板的巖石劃分和保護配置3.1頂部支護的確定雖然巷道兩幫的支護在整個支護工作中具有舉足輕重的地位,但因為幫部的施工條件比頂部好得多,容易保證施工質量,所以在幫部支護合理的情況下,頂部的支護顯得尤為重要。從自穩隱形拱理論觀點出發,對巷道頂部進行劃分是對頂部支護的基本前提。根據巷道頂部的應力分布情況,可將頂板巖體劃分為4類,即穩定巖體、擠壓承載巖體、不穩定巖體和易冒落巖體,見圖3。3.2錨桿支護時的荷載巷道頂板中的擠壓承載巖體抵抗了垂直地應力;自穩隱形拱內的巖體為不穩定和易冒落巖體,這兩部分巖體為頂板的直接荷載,支架設計時的荷載應以此為依據。錨桿支護設計時,錨桿長度以其深入擠壓承載巖體最為可靠;錨桿荷載以懸吊的巖體重量為準。4自穩變形拱理論(1)巷道在無任何支護的情況下,在一定條件下能夠自穩。(2)巷道頂板中任意位置的隱形拱在某些條件下不能抵抗正常的地應力。(3