軟巖硐室高預應(yīng)力錨注加固模擬及應(yīng)用分析

強峙有

(山西汾西礦業(yè)集團 柳灣煤礦，山西 呂梁 032300)

軟巖條件下大斷面硐室支護時，如果支護參數(shù)選取不合理、支護系統(tǒng)各構(gòu)件耦合性能差、施工標準不科學，往往會出現(xiàn)底鼓、頂板與兩幫位移量大等現(xiàn)象，嚴重時不得不重新修復。某礦九采區(qū)泵房、變電所等井巷工程布置在太原組底部的軟巖地層中，受軟巖流變特性及初次支護參數(shù)不合理的影響，硐室施工后不久即出現(xiàn)了變形量大、底鼓嚴重等特征，巷道表面噴層開裂嚴重，部分錨索破斷，錨桿隨巷道變形而整體內(nèi)移，無法滿足設(shè)備安裝的基本要求，該礦曾對硐室進行了多次加固維修，仍未有效地控制硐室的基本穩(wěn)定，嚴重影響九采區(qū)的按時投產(chǎn)。

1 工程概況

1.1 硐室圍巖概況

九采區(qū)泵房、變電所位于-320 m水平，為九采區(qū)(開采16上、17煤層)服務(wù)。根據(jù)鉆孔資料及硐室施工揭露，泵房和變電所處在太原組底部18煤層頂?shù)装甯浇?，硐室圍巖以黏土巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，巖性松軟、破碎且部分巖層遇水泥化。

泵房及變電所硐室斷面形狀為直墻半圓拱形，墻高2 m，凈寬4 m，凈高4 m，凈斷面14.28 m2. 初次采用錨網(wǎng)噴支護，錨桿采用d18 mm×2 000 mm普強螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm；錨索采用d15.24 mm×6 000 mm鋼絞線錨索，“2-2”隔排布置。拱部掛雙層金屬網(wǎng)噴漿支護，噴漿厚度150 mm.

1.2 硐室圍巖變形

硐室施工后不久即出現(xiàn)了較嚴重的變形顯現(xiàn)，破壞形式歸納為以下3種：1) 錨噴層開裂程度非常嚴重，出現(xiàn)寬度大于50 mm的裂縫，而且不斷向深部擴展。2) 底鼓顯現(xiàn)嚴重，最高達500～700 mm，而且底板凸起張裂，兩底角巖層十分破碎。3) 錨桿隨巷道內(nèi)斂，導致巷道整體變形大，硐室有效斷面大幅縮小，不能滿足泵房、變電所設(shè)備安裝的基本要求。

分析可知，初次支護失效的主要原因是錨桿預應(yīng)力低且保持性能差，錨桿強度低，最終導致錨桿支護系統(tǒng)不能有效地控制塑性圈向深部發(fā)展；當塑性圈的擴展范圍超出錨桿體的支護范圍后，錨桿受力急劇減小，支護失效。

軟巖巷道的初次支護是解決軟巖問題的重點和難點，初次支護的失效使得錨桿的主動支護性能喪失，巷道圍巖塑性圈加大，導致巷道失去有效支護而被破壞。九采區(qū)變電所及泵房平面位置見圖1.

圖1 九采區(qū)變電所及泵房平面位置圖

2 高預應(yīng)力錨注支護參數(shù)設(shè)計

2.1 預選錨桿參數(shù)

設(shè)計之前，采用鉆孔錄像觀測的硐室圍巖松動圈在2.0 m左右。

錨桿長度選擇應(yīng)考慮巷道頂板離層情況與圍巖破壞范圍，同時還應(yīng)保證錨桿錨固到穩(wěn)定巖層中?；诰挪蓞^(qū)硐室的基本情況，通過懸吊理論計算，確定錨桿桿體長度為2.4 m.

錨桿支護強度應(yīng)該在安全系數(shù)1.5的范圍內(nèi)承載頂板巖體的靜載荷，且錨桿安裝載荷不應(yīng)該超過錨桿強度的50%. 預選Q500 d20 mm礦用高強螺紋鋼錨桿，其屈服強度16.02 t，抗拉強度21.14 t.

2.2 注漿材料及注漿錨桿的選取

1) 注漿材料的選取。

由于普通硅酸鹽水泥具有材料來源廣泛、成本較低、無毒性、施工工藝簡單，抗壓強度高等優(yōu)點[1-3]，硐室注漿加固時選用P.O42.5水泥作為注漿材料，注漿28 d后，形成漿液的抗壓強度和抗折強度分別為42.5 MPa和6.5 MPa.

2) 注漿壓力與擴散半徑。

注漿壓力的選取非常重要，如果注漿壓力太小，難以保證漿液充滿裂隙，加固范圍內(nèi)的圍巖很難達到彈性體，難以形成完整的加固拱結(jié)構(gòu)；注漿壓力太大易使注漿裂隙尖端劈裂嚴重，破壞巷道圍巖本身的完整性。影響注漿壓力選取的主要因素有：地層深度、靜水壓力、圍巖結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)面大小、注漿材料及其性能、注漿方法和注漿工藝等[4].

注漿后形成的混凝土錨固體圍巖裂縫已被充填，能隔絕空氣和水，防止了金屬錨桿的氧化。通常情況下，注漿壓力達到3 MPa時就能夠?qū)⑵扑閲鷰r中的裂縫全部填充而且充填漿液具有很高的堿性，能產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，其pH值一般大于12.5. 在較高的堿性環(huán)境中錨桿表面容易發(fā)生鈍化，使得鋼筋表面產(chǎn)生一層Fe2O3或者Fe3O4很難溶解的鈍化膜，能夠阻止外界空氣和水對混凝土中金屬錨桿的銹蝕，對桿體具有一定的保護作用。

根據(jù)經(jīng)驗，最終確定的注漿終止壓力為3 MPa；最大壓力控制在4 MPa以內(nèi)。

由于硐室錨網(wǎng)索加固時，除采用高強預應(yīng)力錨桿外，還采用了d17.78 mm×6 000 mm錨索作為輔助支護，故綜合分析圍巖裂隙發(fā)育情況及錨桿、錨索的布置特征，其擴散半徑應(yīng)能充滿硐室的塑性區(qū)范圍(3.17 m).

3) 注漿錨桿結(jié)構(gòu)。

設(shè)計注漿錨桿采用壁厚3 mm無縫鋼管制作，規(guī)格d22 mm×2 000 mm.

4) 底板處理。

考慮到硐室支護的整體性，底板布置3根注漿錨桿，并采用C40混凝土反底拱與設(shè)備基礎(chǔ)一起澆筑。

2.3 支護方案

考慮到硐室的服務(wù)期和重要性，采用“預應(yīng)力錨桿(索)+(初)噴漿+注漿+(復)噴漿”方案作為硐室加固維修方案，底板采用“反底拱+注漿加固”方式處理[5].

1) 剔去開裂的噴層，將硐室刷至原設(shè)計斷面尺寸。

2) 采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。錨桿選用Q500 d20 mm×2 400 mm 高強錨桿，配置150 mm×150 mm×8 mm高強托盤，錨桿布置見圖2. 錨索選擇d17.78 mm×6 000 mm鋼絞線錨索，配置300 mm×300 mm×10 mm高強托盤，錨索布置見圖2. 注漿錨桿壁厚3 mm，布置方式見圖3. 采用鋼筋網(wǎng)護表。

3) 初噴混凝土70 mm(以注漿不跑漿為目的)。

4) 反底拱設(shè)計：考慮到巷道支護的整體性，底板采用注漿、澆筑設(shè)計。a) 按照斷面圖進行硐室起底施工反拱，半徑3.05 m，采用d 10 mm的鋼筋焊網(wǎng)鋪底兩層，每1.5 m橫向設(shè)置一根道軌。b) 施工安裝底板注漿錨桿(圖3). c) 注漿完成后，采用C40混凝土全斷面一次性澆筑底拱。

圖2 變電所、泵房支護斷面圖

圖3 變電所、泵房注漿錨桿布置斷面圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計算模型的建立

為了分析泵房、變電所硐室的受力狀態(tài)及巷道圍巖變形情況，構(gòu)建ABAQUS有限元分析模型，各巖層所選取的物理力學參數(shù)見表1.

表1 巷道圍巖物理力學參數(shù)值表

本次數(shù)值模擬分別對無支護、錨噴支護、普通注漿支護、預應(yīng)力錨注支護4種情況下的Mises應(yīng)力分布、最大及最小主應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭臀灰频淖兓M行模擬。通過在不同預應(yīng)力下對圍巖的Mises應(yīng)力區(qū)控制范圍進行比較，最終確定高預應(yīng)力錨桿的預應(yīng)力大小。

3.2 不同支護條件下的Mises應(yīng)力分析

Mises應(yīng)力就是一種等效應(yīng)力，它綜合考慮了第一、第二、第三主應(yīng)力，是對疲勞破壞的評價[6]. 對于某一材料來說，它都有一個屈服強度，這個屈服強度對應(yīng)于相應(yīng)的屈服點。當材料受到長時間的外力作用時，如果其內(nèi)部某處應(yīng)力(VMS)大于這個屈服強度，認為材料在此處有可能發(fā)生屈服。

不同支護條件下距兩幫不同深度的等效應(yīng)力曲線見圖4.從圖4中得到,無支護的條件下,最大等效應(yīng)力分布在巷道表面，值為30.83 MPa，深部(8 m處)圍巖的等效應(yīng)力為17.60 MPa，向巷道深部逐漸降低；最大等效應(yīng)力主要集中分布在巷道的兩幫及底角，在巷道頂板和底板相對較小。錨噴支護的等效應(yīng)力分布發(fā)生變化，在錨固端出現(xiàn)了“楔形”區(qū)，此處的等效應(yīng)力大于附近錨桿支護范圍之外的等效應(yīng)力；巷道表面最大等效應(yīng)力為15.76 MPa，深部(8 m處)圍巖的等效應(yīng)力為10.38 MPa. 普通注漿后硐室表面最大等效應(yīng)力為14.64 MPa，深部等效應(yīng)力為4.985 MPa.

不同支護條件下的Mises應(yīng)力分布比較如下：

1) 錨噴支護。采用錨網(wǎng)索支護后，巷道表面的Mises應(yīng)力由30.83 MPa降低到了15.76 MPa，說明在預應(yīng)力錨桿作用下，圍巖加固效果明顯。但如果錨桿安裝應(yīng)力低或巷道表面圍巖的強度低，預應(yīng)力損失嚴重，很難將巷道表面的Mises應(yīng)力控制在可控范圍內(nèi)，巷道仍發(fā)生破壞。

2) 普通注漿支護。采用普通注漿支護后混凝土體內(nèi)部的Mises應(yīng)力降到14.64 MPa，深部(8 m)圍巖的Mises 應(yīng)力在無支護下由17.60 MPa下降到4.985 MPa，這說明注漿后不但提高了加固范圍內(nèi)的巖體強度，而且深部圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生了變化，減小了對深部圍巖的破壞。但注漿后受拉應(yīng)力的影響，混凝土體表面仍存在較大的Mises應(yīng)力。

圖4 不同支護條件下距兩幫不同深度的應(yīng)力曲線圖

3) 高預應(yīng)力錨桿注漿支護。采用高預應(yīng)力錨注支護后，混凝土體內(nèi)部及圍巖深部(8 m)的圍巖Mises應(yīng)力都處于2 MPa左右，錨桿錨固端的最大值為6.543 MPa. 混凝土體表面的Mises應(yīng)力與錨網(wǎng)索、普通注漿支護相比分別減少了87.3%和86.34%，圍巖深部(8 m)Mises應(yīng)力分別減少了80.7%和40.1%.

綜上所述，高預應(yīng)力錨注支護不僅使圍巖深部Mises應(yīng)力大幅度降低，且使混凝土體內(nèi)部的Mises應(yīng)力大幅度減小。Mises應(yīng)力是塑性破壞的指標，同時也是疲勞破壞的重要參考值。Mises應(yīng)力的減小，表明圍巖抵抗疲勞破壞的能力加大。疲勞破壞有明顯的時間效應(yīng)，通過采用高預應(yīng)力錨注支護，巷道的混凝土加固圈能長時保持巷道穩(wěn)定。

3.3 不同支護條件下的最大及最小主應(yīng)力分析

隨著支護方式的變化，巷道圍巖所受到的最大主應(yīng)力有較小幅度的減小，最小主應(yīng)力有大幅度增加；最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差逐漸減小。從第一強度理論(最大拉應(yīng)力理論)分析，對于混凝土、鋼材等脆性材料,最大主應(yīng)力達到某一極限值時材料發(fā)生斷裂。數(shù)值模擬結(jié)果為：從無支護、錨網(wǎng)索支護、普通注漿支護到高預應(yīng)力錨注支護的最大主應(yīng)力逐漸減小，高預應(yīng)力錨注支護的最大主應(yīng)力較錨網(wǎng)索減小了40.16%，較普通注漿支護減小了30.60%. 主應(yīng)力的減小表明混凝土體所受的拉應(yīng)力減小，硐室將更加穩(wěn)定。不同支護條件下的最大、最小主應(yīng)力值見表2.

表2 不同支護條件下的最大、最小主應(yīng)力值表

4 硐室加固效果

硐室高預應(yīng)力錨注支護施工后進行了巷道頂?shù)装?、兩幫移近量觀測，其觀測結(jié)果見圖5. 在施工硐室修復1個月后巷道移近量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm，兩幫的最大移近量為4 mm.

圖5 頂?shù)装逡平壳€圖

觀測表明，巷道整體變形量很小，未出現(xiàn)噴層開裂現(xiàn)象，無底鼓。硐室運行環(huán)境良好，未出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。加固效果表明，在預應(yīng)力錨注加固條件下，保證了硐室自身的穩(wěn)定，有效地控制了混凝土體不發(fā)生破壞，成功修復了硐室。

5 結(jié) 論

1) 九采區(qū)泵房、變電所硐室修復采用“高預應(yīng)力錨注加固”方案。支護采用Q500 d20 mm×2 400 mm高強高預應(yīng)力錨桿，預應(yīng)力4 t，輔助支護采用d17.78 mm×6 000 mm的鋼絞線錨索；注漿錨桿規(guī)格d22 mm×2 000 mm，選用P.O42.5水泥作為注漿材料，注漿終壓3 MPa；硐室底板采用“反底拱+注漿+澆筑混凝土”加強支護方式。

2) 采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬得到，高預應(yīng)力錨注支護適宜的錨桿預應(yīng)力為4 t.在高預應(yīng)力錨注聯(lián)合支護條件下，圍巖的表面和深部(8 m)Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、最大與最小主應(yīng)力之差、巷道頂?shù)装?、兩幫移近量由普通注漿加固方案的14.64 MPa、4.985 MPa、1.108 MPa、16.708 MPa、113 mm、39 mm降低至2.0 MPa、2.0 MPa、0.769 MPa、1.44 MPa、71 mm、5 mm. 高預應(yīng)力錨注支護方案能減小外載荷對混凝土體的塑性破壞，提高了抗剪切和抗拉能力，改善了圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)，易于保持巷道的長期穩(wěn)定。

3) 現(xiàn)九采區(qū)泵房、變電所已投入使用20個月，觀測結(jié)果顯示，硐室穩(wěn)定性好，無底鼓，巷道收斂變形小，表面噴層未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，“高預應(yīng)力錨注加固”巷道修復技術(shù)得到了成功應(yīng)用。