抗浮錨桿在礦山翻車機(jī)房中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王忠杰，晏鄂川，張 峰，孫 浩

（1.中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

翻車機(jī)房屬于能源開采行業(yè)較為常見的基礎(chǔ)設(shè)施，一般礦山地上部分為單層，礦山井下部分為封閉結(jié)構(gòu)，且埋深較大，在井下水位較高的區(qū)域，則存在地下室抗浮問題。目前，因礦山開采機(jī)械化程度提高，礦山巷道斷面需求擴(kuò)大，為解決底板穩(wěn)定問題，抗浮錨桿在底板變形控制中的應(yīng)用較多，取得了豐富的可借鑒的成果[1-3]。但由于井下抗浮理論和規(guī)范均不完善，并沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。抗浮錨桿在礦山翻車機(jī)房中的應(yīng)用較少，有待進(jìn)一步研究。

本文以某礦山的開采項(xiàng)目為例，對(duì)比研究了采用不同規(guī)范抗浮錨桿在礦山翻車機(jī)房中的設(shè)計(jì)方法，得出合理并符合工程實(shí)際的抗浮錨桿設(shè)計(jì)方案，并通過現(xiàn)場抗浮錨桿的極限抗拔試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，抗浮錨桿的抗拔承載力和位移均符合相關(guān)規(guī)范要求，希望對(duì)類似的施工應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 礦山翻車機(jī)房的整體概況

1.1 所處地層的地質(zhì)概況

礦山翻車機(jī)房的井下部分的平面近似為矩形，有四層結(jié)構(gòu)，其中一至三層底板面積相等，埋深為井下20.0m，第四層在短邊方向收縮，面積變小，埋深為井下24.5m，本工程±0.0為2587.45m。

所在場地主要地層有：人工填土（Qml）、第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）和第三系中新統(tǒng)（E）粉砂質(zhì)泥巖。礦山翻車機(jī)房底板直接接觸的地層為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖（4-1）層，棕紅色～磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀構(gòu)造，上部泥巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育，礦物成分顯著變化，含砂量較少，該層內(nèi)賦存有裂隙水，遇水易軟化，易崩解，厚度在10m左右。

井下水文情況：礦山翻車機(jī)房所處位置井下水屬孔隙潛水，大氣降水和地下徑流是其主要的補(bǔ)給來源。圓礫層為主要含水層。本次勘查期間穩(wěn)定水位為0m～16.00m，相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高為2566.35m～2584.13m。井下水水位隨季節(jié)的變幅約為0.50m左右。井下水整體由南向北徑流，場區(qū)屬徑流區(qū)。另外，（4-1）層強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖裂隙發(fā)育，貫通性好，富含基巖裂隙水。

1.2 礦山翻車機(jī)房整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算浮力首先要確定硐室底板抗浮設(shè)防水位，抗浮設(shè)防水位的合理選取是一個(gè)決定性的參數(shù)[4]，有文獻(xiàn)提出選取常年最高水位為抗浮設(shè)防水位[5]，有文獻(xiàn)提出選取歷史最高水位為抗浮設(shè)防水位[6]，規(guī)范中沒有明確的規(guī)定。本項(xiàng)目依據(jù)勘查報(bào)告取±0.0m為抗浮設(shè)防水位。根據(jù)計(jì)算所得，上浮力值為119760kN，礦山翻車機(jī)房底板下巖體富含基巖裂隙水，為透水層，浮力值不進(jìn)行折減[7]。礦山翻車機(jī)房自重計(jì)算不考慮活荷載，僅考慮四層硐室底板的重量。計(jì)算得自重值為57330kN。浮力分項(xiàng)系數(shù)取1.0、自重分項(xiàng)系數(shù)取0.9、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05。礦山翻車機(jī)房硐室整體抗浮驗(yàn)算未通過，需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

2 抗浮方案選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的資料，礦山翻車機(jī)房浮力值大于硐室底板自重值，必須進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。常見的抗浮措施有：壓重、抗浮樁、抗浮錨桿等[2]。壓重，顧名思義就是增加硐室底板的重量，使其超過浮力值，目前壓重的方法主要靠增加頂板和底板厚度，該方法設(shè)計(jì)簡單，方便施工，針對(duì)性強(qiáng)，適用于浮力比較小的情況，但成本高，且會(huì)壓縮硐室的空間；抗浮樁又叫抗拔樁，主要通過樁與礦體之間的摩擦力進(jìn)行抗浮，施工中一般樁基可兼做抗浮樁，由于柱網(wǎng)間距大，工程樁間距也大，在未設(shè)置抗浮樁的純地下室底板處，往往承受著水浮力引起的較大的彎矩和剪力，必須通過增加底板剛度來保證底板的安全，另外，抗浮樁施工工藝較復(fù)雜和成本較高；抗浮錨桿類似于抗浮樁，也是通過周圍礦層與錨固體發(fā)生相對(duì)位移所產(chǎn)生的摩阻力來抵抗浮力，但有著抗浮樁無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：首先，抗浮錨桿短小，間距小，在水浮力作用下，基礎(chǔ)底板可承受較小的彎矩和剪力，無需增加底板厚度，可適當(dāng)降低工程造價(jià)，其次，抗浮錨桿成孔直徑較小，施工簡單，技術(shù)成熟。針對(duì)礦山翻車機(jī)房的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，綜合對(duì)比分析后，宜選擇抗浮錨桿方案為礦山翻車機(jī)房硐室抗浮措施。因?yàn)轫鲜业装逡韵聻閹r體，為減少施工難度，不施加預(yù)應(yīng)力。

3 抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與研究

3.1 抗浮錨桿的平面布置

抗浮錨桿由兩部分組成，分別是錨固體和傳力鋼筋桿件，抗拔力表現(xiàn)為錨固體與周圍巖土層的摩擦力。具體作用機(jī)制如下：當(dāng)井下水對(duì)礦山翻車機(jī)房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的浮力大于硐室結(jié)構(gòu)重力時(shí)，上浮拉力對(duì)桿件產(chǎn)生作用力，桿件和注漿錨固體握裹狀態(tài)，進(jìn)而將拉力傳遞錨固體，錨固體和礦體相互接觸，受拉力作用產(chǎn)生摩擦力，摩擦力抵消了拉力作用，也就是將拉力擴(kuò)散到周圍地層中[8]。抗浮錨桿的平面布置形式采用網(wǎng)格型，在柱下基礎(chǔ)和純底板處均布置抗浮錨桿，這樣布置既能充分利用墻柱的自重，又能平衡純硐室底板的彎矩和剪力。在井下-20m硐室底板兩側(cè)共布置112根，在井下-24.5m處硐室底板共布置126根。抗浮錨桿平面布置如下圖所示。

圖1 礦山翻車機(jī)房抗浮錨桿平面布置圖

3.2 抗浮錨桿設(shè)計(jì)研究

現(xiàn)階段，對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)并沒有明文的規(guī)定，主要參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2015）和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），其計(jì)算結(jié)果只能用來估算，通過現(xiàn)場的抗拔試驗(yàn)來確定錨桿的抗拔承載力特征值最為可靠。

以《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》為例。

單根抗浮錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

TK——單根抗浮錨桿的受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值(N)；

Ff——礦井水浮力標(biāo)準(zhǔn)值(N)；

G——結(jié)構(gòu)自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和(N)；

n——抗浮錨桿總數(shù)；

計(jì)算得到，單根錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值為287.5kN。

錨桿的截面面積按下式確定：

上面式中：Nd——錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值(N)；

fy——錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360N/mm2。

根據(jù)計(jì)算得：錨桿錨固面積為As=1185.82mm2。

錨桿錨固段長度由下兩式中較大值確定[9]：

上面式中：La——錨桿錨固段的長度（m）；

K——錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)；

Nt——錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)；

D——錨固體的鉆孔直徑；

d——錨桿的直徑（m）；

fmg——錨固體與地層間的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

fms——粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ξ——界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.75；

ψ——錨固長度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；

n——錨桿數(shù)量

抗浮錨桿作為礦山翻車機(jī)房的永久性結(jié)構(gòu)，錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)取2，錨固體的鉆孔直徑取0.2m，錨桿直徑取28mm，根據(jù)勘查報(bào)告結(jié)合規(guī)范，將fmg的取值設(shè)定為0.24MPa，將fms的取值設(shè)定為0.9MPa，ξ的取值設(shè)定為0.75，ψ的取值設(shè)定為0.9，根據(jù)以上取值進(jìn)行最終計(jì)算。

由計(jì)算公式算得：La＞6.3m。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）對(duì)錨桿的規(guī)定主要是針對(duì)邊坡施工的，也可以進(jìn)行抗浮錨桿的設(shè)計(jì)參考。現(xiàn)將利用兩種規(guī)范進(jìn)行抗浮錨桿計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如下：

表1 采用不同規(guī)范的抗浮錨桿設(shè)計(jì)結(jié)果比較表

從表中可以看出，在計(jì)算截面面積時(shí)，采用邊坡規(guī)范計(jì)算的結(jié)果大；在計(jì)算錨固體錨固長度時(shí)，采用錨桿規(guī)范的計(jì)算結(jié)果大，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，可保證礦山翻車機(jī)房的安全。考慮地層情況和實(shí)際施工能力，將錨桿自由段設(shè)置為0.2m。

4 錨桿極限抗拔試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，選取三根抗浮錨桿進(jìn)行極限抗拔試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)繪制Q-S曲線如圖2：

圖2 抗浮錨桿抗拔試驗(yàn)Q-S曲線

根據(jù)曲線可知：抗浮錨桿的極限抗拔力超過了設(shè)計(jì)所需的極限抗拔力，且錨桿位移值很小，在規(guī)定的允許范圍值內(nèi)。

5 結(jié)語

本文研究礦山翻車機(jī)房抗浮錨桿的設(shè)計(jì)原理，并用現(xiàn)場施工和極限抗拔試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。主要研究的結(jié)論如下：

（1）礦山翻車機(jī)房硐室抗浮措施采用抗浮錨桿是適用的。

（2）在計(jì)算加筋截面面積時(shí)，采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》計(jì)算的結(jié)果大；在計(jì)算錨固體錨固長度時(shí)，采用《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果大。抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

（3）在抗浮錨桿設(shè)計(jì)理論和依據(jù)不完善的情況下，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的抗浮錨桿施工完畢后應(yīng)進(jìn)行抗拔試驗(yàn)的驗(yàn)證，如驗(yàn)證不滿足規(guī)范要求，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。