深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC~(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用EI北大核心CSCD

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC^(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

贵州李家寨隧道系统锚杆作用效果试验研究

隧道系统锚杆作用效果一直存在较多争议,尤其在软质围岩中,一种观点认为系统锚杆可减小围岩变形,支护效果良好,特别是边墙锚杆能发挥较好的支承和约束作用;相反观点则认为系统锚杆无明显作用效果,施作系统锚杆延误了初期支护的最佳时机并导致围岩变形量的增大,而取消系统锚杆后围岩变形和受力状态良好。本文依托贵州沿印松高速公路在建李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段,针对系统锚杆作用效果问题开展大量的现场试验,有、无系统锚杆对比试验段各设置3个量测断面,量测内容包括围岩压力、钢架内外应力、系统锚杆轴力、拱顶下沉、水平收敛等。得出如下结论:(1)隧道施作系统锚杆延长了初期支护闭合时间,导致围岩压力和钢架受力略大于无锚杆状态;隧道有无设置系统锚杆,围岩变形及受力都无明显差异,取消系统锚杆不影响支护结构安全。(2)拱顶系统锚杆大部分处于受压状态,作用效果较差,施作系统锚杆措施明显过于保守,存在很大优化空间;但隧道边墙锚杆可起到锁脚锚杆作用,取消系统锚杆时要保证施作锁脚锚杆。(3)李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段架设钢拱架并取消系统锚杆能够保证初期支护结构稳定性,技术上是安全可行的。     

高应力大断面煤巷锚杆索桁架系统试验研究

高应力构造区大断面煤巷围岩控制技术是煤矿巷道工程中亟需研究的问题之一。以峰峰集团新三矿废矸充填复杂困难煤巷为典型研究对象,综合现场调研和数值模拟分析结果得出高应力作用下大断面煤巷变形破坏特征,提出一种基于“索-拱”结构为核心的高应力煤巷围岩控制系统-锚杆索桁架,分析该支护系统基本结构,设计流程及支护预应力场分布特征,在新三矿某一置换煤巷开展工业性试验,研究结果表明,新型支护系统结构稳定,巷道围岩控制效果良好,对类似困难巷道支护具有一定的理论和实用参考价值。     

浅议地勘坑道锚杆支护的应用

锚杆支护和喷射砼支护已在大量地下工程施工中采用,而在我局地勘坑道施工中则刚刚起步。本文根据我局某矿区应用锚杆支护的情况,对其作用机理、使用条件、设计、施工等问题,作一简要介绍和分析,并提出一些改进工艺和应用设想,以期对地勘坑道推广使用锚杆支护有所帮助 (一)锚杆支护及其作用机理锚杆支护是指用机械的方法,通过一定的工艺流程,将一种杆状结构安设固定在围岩中,形成能承受荷载和阻止围岩变形的结构物,对围岩起到加固支护的作用。     

高边坡防护中BFRP锚固结构的振动台试验

通过振动台试验,对钢锚杆(索)与玄武岩纤维塑料增强筋(BFRP)锚杆(索)的应变峰值分布规律进行了分析,并利用小波包工具对不同频带下锚杆(索)的应变响应情况进行研究。试验结果表明:(1) BFRP锚杆(索)与坡体协同变形的效果较钢锚杆(索)更加明显;(2) BFRP锚杆(索)上的应变值均要大于钢锚杆(索)上对应测点的应变值,且单独对钢锚杆(索)及BFRP锚杆(索)而言,锚杆(索)端部处的应变值均要大于锚杆(索)尾部处的应变值;(3)对应变起影响作用的主要频段为第一频带(0. 1～6. 26 Hz)和第二频带(6. 26～12. 51 Hz),土体对于高频(12. 51 Hz以上)地震波的吸收比较明显。其研究结果可为BFRP锚杆(索)加固高边坡的动力合理性设计提供科学依据。     

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。     

隧道挤压型变形与支护特性研究

针对挤压型大变形问题,通过木寨岭隧道科研试验与相关资料分析,得出挤压型大变形具有变形量大、持续时间长的特点,一般两侧为变形优势部位。测试数据表明,刚性支护中围岩压力、拱架应力、锚杆轴力值均较大,其中拱架应力值可能超过材料屈服强度,边墙锚杆较拱部锚杆作用明显,围岩压力与变形增量呈反比关系;在挤压型变形隧道中允许有控制性地释放围岩变形,能够减小支护结构上的围岩压力,有利于隧道结构的长期稳定。文中阐述了可让式支护原理,对可让式支护结构预留变形量进行初步预测,数值计算表明,采用刚性支护将位移控制在较小的范围内需要足够大的刚度,而可让式支护具有能够允许围岩一定程度的变形同时减小支护结构受力的优势,可在铁路隧道中推广使用。     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

高应力破裂岩体条件下锚网支护研究

通过研究传统新奥法充分利用和调动巷道围岩强度及其自身承载能力,依靠围岩支护共同作用原理来维护围岩的稳定性。对锚网支护作用机理进行研究,建立预应力锚杆的力学模型,发现高强预应力锚杆的锚固力与围岩性质、锚固方式、锚杆杆体和围岩应力等因素有关;同时分析了锚网支护与围岩共同作用机理,并应用FLAC对锚网支护机理进行研究,发现锚网支护与围岩形成压缩拱,依靠压缩拱来抵抗围岩应力,进而维护巷道围岩的稳定。通过在小官庄铁矿进行试验,在小官庄铁矿41联巷采用高强预应力锚网支护,取消喷射混凝土,巷道围岩变形量比较小,锚网支护能够维护高应力破裂岩体围岩的稳定,在同类矿山中具有推广应用价值。     

大兴煤矿软岩巷道锚索带网支护技术应用研究

针对大兴煤矿3 208材料巷顶板岩石特征和煤层赋存条件,结合现代煤巷支护技术理论,提出了该巷道锚杆锚索挂网支护参数,并对其顶板离层、巷道收敛变形、锚杆（索）锚固力等日常巷道矿压与支护合理性进行了长期的监测。试用和监测结果表明,大兴煤矿较软弱顶板煤巷应用锚索带网支护技术是成功的、可行的。此外还对层理、节理和裂隙发育的破碎厚伪顶软弱围岩巷道的支护方式提出了建议。     

大跨度地下工程支护结构研究

针对大跨度地下工程结构受力复杂、安全风险高的工程特点,采用理论分析、经验评价、数值模拟的综合评价方法,对某地下实验大厅的支护结构稳定性进行综合评价。通过多种塑性力学计算方法,对比了卡柯（Caquot）公式、芬纳（Fenner）公式、修正的芬纳公式或卡斯特纳（Kastner）公式在具体工程中的应用,优化分析得出适合于硬岩条件下大跨度结构的理论分析方法。采用Q评价系统和工程类比方法,确定了大跨度地下工程锚杆、锚索和喷射混凝土的支护参数,通过相似工程的经验类比,认为锚索长度应不小于跨度的40%。采用三维离散元计算方法对支护结构的稳定性进行数值模拟,数值计算中的岩体采用基于HB强度准则的应变软化模型,结构面采用基于摩尔-库仑强度准则的理想弹塑性模型。通过数值分析,对边墙上部施加3排预应力锚索,边墙变形得到抑制,同时围岩潜在失稳块体数量和范围显著得到有效的控制。通过支护结构的应力分析得出60％的锚杆轴力在2.0～2.25 MN之间,表明地下工程具有良好的安全性。建立了塑性区理论分析、经验类比和数值模拟的综合评价方法,形成三位一体的评价体系,可有效地对大跨度支护结构的合理性进行评价。综合分析可知,支护方案设计合理时,能够有效应对围岩中的块体稳定风险和高应力破坏现象;在局部安全性较差的部位,锚索和锚杆应力水平相对较高,可以考虑对适当降低锚索预张拉力、增加随机锚杆数量。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统布置方式对比研究

针对深部厚顶煤巷道围岩变形特点,以“先控后让再抗”为支护理念,设计了让压型锚索箱梁支护系统横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种不同布置方式的支护方案。数值试验结果表明,纵横组合方案具有最好的围岩控制效果,横梁方案支护效果相对较差。对让压型锚索箱梁支护系统的4种方案进行了现场试验,监测结果显示,纵横组合方案作用下的围岩变形量最小,其两帮移近量和顶板沉降量仅为120 mm和90 mm,同时该方案支护反力最大;锚杆、锚索受力与巷道围岩控制效果相对应,且锚索让压环作用明显;设计制作的测力箱梁监测表明,箱型支护梁受力合理协调,材料性能发挥充分。对让压型锚索箱梁支护系统及其不同布置方案的作用机制进行了探讨。综合分析表明,深部厚顶煤巷道中,优先选用让压型锚索箱梁支护系统中的纵横组合与纵向单梁方案,可有效地控制巷道围岩变形,满足支护要求。     

深部复杂地质条件下矿井交岔点支护关键技术研究

由于具有断面大、结构复杂、施工扰动次数多等特点，深部条件下的矿井交岔点工程支护难度一般比较大。通过现场地质条件的调查，用确定施工工程难度系数的方法，选择对应的支护形式和参数。深部复杂地质条件下的大断面交岔点，主要具有4种变形力学机制，即构造庖力作用力学机制、白重应力作用力学机制、结构变形力学机制和与施工过程有关的变形力学机制。在分析变形力学机制的基础上，可以进行最优的支护参数设计和过程设计。优化后的试验方案应用于具体的工程实例，取得了良好的支护效果。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究

合理选择开挖坡比、正确认识变形破坏机理是影响松散堆积体边坡稳定性和施工安全的前提, 本文研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征, 根据地形条件确定了合理的开挖坡比, 采用二维有限元研究了开挖边坡的变形机理并根据模拟结果确定潜在滑动面, 在此基础上, 提出支护对策。研究结果表明, 边坡由厚度达70m 的坡洪积、泥石流块碎石堆积体组成, 斜坡下部缓中部稍陡, 开挖平台位于缓坡部位, 根据地形条件结合坡体结构特征确定边坡开挖坡比为1: 0. 75; 数值模拟结果表明, 边坡变形开挖面附近及坡顶拉应力和坡体下部最大剪应力控制, 坡顶部位将首先产生拉张裂隙, 开挖边坡内部产生从坡脚部位向上发展的剪切变形, 滑面一旦与坡顶拉裂缝贯通, 边坡将产生整体失稳; 边坡采用锚拉桩、锚索框架、锚杆框架、排水相结合的综合治理措施进行支护。     

预应力锚索+系统挂网锚杆在人工高边坡支护中的应用

以河北钢铁集团舞钢新建厂区北边坡第4工段支护工程为例,介绍了预应力锚索和系统挂网锚杆的支护结构在破碎的岩石高边坡支护中的应用。     

不同支护条件下锚杆支护作用的模型试验研究与数值分析

以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出相似模型材料和配套试验设备,进行不同长度锚杆支护条件下的隧道超载试验。采用应变测量技术,测量两种不同长度锚杆支护工况下的隧道关键部位的应变值,据此分析围岩体在锚杆支护后的应力变化规律。通过模型材料室内试验,获取岩体相关计算参数,采用与模型试验相同的边界条件进行相应工况的有限元数值模拟,研究围岩体的变形量、应力场和锚杆轴力因锚杆长度不同而产生的变化。结果表明,模型试验和数值模拟反映围岩体应力和锚杆轴力因锚杆长度的不同而产生的变化是一致的。