網殼錨噴支護理論分析及其在兗州礦區的應用

姚傳勤　龐建勇

安徽理工大學安徽淮南232001

    跨采及軟巖巷道地壓強度高、變形強烈，支護較為困難。近年來我國一些煤礦采用長走向、大采區布置方式，主要運輸及回風大巷服務年限很長，后期還要經受回采動壓影響，因而對巷道支護技術要求很高。這類巷道目前主要采用u型鋼支架及錨網噴兩種具有讓壓性能的支護方式，但隨著開采深度增大，高應力巷道越來越多，兩者的支護強度都在不斷提高。U型鋼支架的架距不斷縮小，網背及架間聯結件也有所加強，但架間整體穩定性一般偏弱，不能完全避免支架變形失穩，且支護費用增加較多。企業為了提高工效、降低成本，一般以錨網噴支護作為高應力軟巖巷道的首選支護形式，同時不斷開展技術革新，提高其支護可靠性，如采用雙層錨網噴支護、高強度錨桿-鋼筋梁、鋼筋梁與噴層聯合支護等，甚至采用錨網噴一金屬支架聯合支護方式。隧道工程中也不斷致力于錨噴結構的研究，早在20世紀80年代，原西德及我國先后研制出用鋼筋焊接成的格構式金屬棚子，用以代替型鋼支架作為噴層內部的加強撐，降低鋼材消耗，但這種格構金屬棚支護方式的架間混凝土仍是結構的薄弱部分，難以承受較大的變形地壓，所以隧道工程中僅用其作為施工期間的臨時襯砌結構。本文根據地面大跨度網殼結構的力學原理，進行了一系列室內試驗，設計出半剛性網殼錨噴新結構，克服了上述支護形式的缺點，較好解決了加強支撐、噴層合理配筋、簡化施工作業、降低材料消耗及支護費用等問題，并在兗州礦區跨采巷道成功進行了工業性試驗。

1、網殼錨噴結構特征

    網殼錨噴支架是礦山巷道及隧道等地下建筑的一種輕型、高支撐力的支護結構。它將通常的金屬棚子、鋼筋梁、架間聯結桿等各部分合并為整體，汲取地面大跨度網殼結構物的優點，制成一種特殊的鋼筋網殼支架。每榀構件的兩側為鋼筋組成的格構式邊框，兩端為鋼板制成并帶有數個螺栓孔的聯結板。以格構式邊框及兩端鋼板為周邊，支撐著內部的雙層鋼筋網。外層鋼筋網為弧面，可與巷道表面貼合，內層為拱形網或多跨連續拱形網，并由它對外層鋼筋網提供跨內支撐。各種鋼筋又在空間交叉組合，形成了眾多小跨度空間拱架，從而使結構整體具有良好的三向穩定性及較強的承載能力。每架鋼筋網殼支架由數榀網殼構件對頭拼裝、加螺栓聯結而成，支撐外形可為拱形、(封閉)馬蹄形、圓形或者梯形等，其外表面貼緊圍巖并將超挖部分填實，架與架之間互相拼接，不留間隙，可對巷道進行連續支護。支架本身有一定的柔性讓壓性能，此外還可以在每架支架的構件接頭處嵌入木質或橡膠質墊板，使整架支架在周向也有一定的可縮性。具體結構見圖1所示。

圖1網殼支架結構圖

    網殼錨噴支護是在圍巖松軟破碎、地壓強大時，先用錨桿與連續式鋼筋網殼支架進行初期支護，阻止圍巖松動破壞，同時釋放一部分變形地壓，然后用噴射混凝土覆蓋鋼筋網殼支架，形成網殼襯砌結構，作為巷道的永久支護。鋼筋網殼支架與薄噴層組成的半剛性襯砌結構，其承載性能也比一般鋼筋網噴層優越[2]：第一，混凝土被許多小跨度雙曲鋼筋網殼分片包圍著，鋼筋的彎曲變形與混凝土拉剪內力被削弱，大幅提高了薄層襯砌的承載能力；第二，支架構件接頭處的可縮墊板使噴層也有了一定的可縮性，因此網殼配筋噴層能夠承受高應力地壓，甚至超過錨網噴-型鋼支架聯合支護。

2、網殼噴層理論分析計算

    網殼錨噴支護巷道常見的斷面主要是曲墻圓弧拱斷面，其適用于側壓與頂壓都很大、底板較穩定的巷道。曲墻圓弧拱斷面巷道可看作是由三塊開口柱殼所構成。如果出現嚴重底鼓現象，可在底部再加一個反底拱，以消除底鼓，保證巷道的穩定與安全。為使討論問題方便，又不失一般性，根據前面的分析可知這種殼體支護結構的基本構件是一個開口短圓柱殼，計算時把圍巖壓力當作外荷載考慮，忽略圍巖自撐能力及錨桿的加固作用，計算模型偏于安全。在整架網殼噴層的數值計算時，考慮了不同邊界條件及側壓系數，在底端固定、外載不同的條件下，結構的結點位移及單元內力有以下特點：

    (1)在法向均載、側壓大、頂壓大三種荷載條件下的結點位移變化趨勢基本一致，數值上法向均載最大，側壓大時頂板位移較小。

    (2)三種荷載作用下的結構單元內力σχ以及σγ變化趨勢基本一致，σχ均表現為壓應力，σγ除了主要表現為壓應力外，同時出現數值較小的拉應力，大小隨位置的不同而不同。

    (3)三種荷載作用條件下的彎矩及扭矩的變化趨勢大致相同，兩者的變化特點相類似。

    下面就工程上最常遇到的承受法向荷載的情形來討論該殼體結構的理論計算，殼體的內力分布如圖2所示。

圖2鋼筋網殼內力分量圖

3、室內試驗

    室內整架網殼噴層承載力試驗加載裝置如圖3所示。

圖3  網殼噴層承載力試驗加載裝置平面示意圖

    試驗支架由一塊頂弧板與兩塊側弧板組成，其結構形式采用直墻半圓拱，幾何尺寸為：混凝土厚度100mm，寬度540mm，頂拱凈半徑l750mm，底跨3500mm，鋼筋網殼主筋直徑22mm，內層縱骨筋直徑16mm，橫聯筋直徑8mm。噴射混凝土用C20現澆混凝土代替，其粗細骨料級配及水灰比與前者相同。試驗過程中，沿支架周邊共安裝l3臺千斤頂進行加載，支架底腳支撐在大塊混凝土基座上，用可縮橫撐支撐在兩底腳之間，用以模擬底板巖石對支架底腳的兩向讓壓支撐作用。試驗過程中，拱頂上的千斤頂與直腿上的千斤頂分別同步加載，直腿荷載強度與拱部荷載強度之比控制在O.7～0.8左右，同步測定鋼筋應力及混凝土的變形。支架最終荷載達38.6t時，由于右側直腿撓曲折斷而失穩，此時左直腿中部開始出現與右側初始破壞時形狀相似的裂紋，拱頂仍完好無損，說明支架直腿部分是強度薄弱部分。由于試驗支架與原型結構材料相同，假定作用于原型網殼噴層的水平、垂直地壓比與試驗支架相同，則原型網殼噴層的破壞應力狀態應與試驗支架相同，所以，原型結構的承載能力可按下式計算：

    原型網殼噴層承載能力=試驗支架承載能力×支架截面積相似比=38.6x l.5=86.85(t)。

    這相當于U29鋼棚的承載能力。根據工程類比可以確定，該種直腿鋼筋網殼支架足以在較不穩定的類圍巖條件下可靠地支護巷道。在極不穩定的類圍巖條件下，改用曲腿支架，承載力將大幅提高，再加上兩幫及底腳錨桿，也可以抑制強烈的幫鼓與底鼓，使巷道保持永久穩定。

4、工程應用與效果評價

    4.1工程概況

    兗州煤業集團東灘礦-656.3東翼軌道大巷全長2000m，設計斷面為直曲墻圓弧拱形斷面，寬4.50m，高3.75m，主要為采區提供運輸、通風、供電等。圍巖主要為泥巖、砂質泥巖，局部夾有煤層，裂隙較為發育，自承能力很差。由于受4305和4303綜采放頂煤工作面的影響，該巷道部分地段嚴重變形，原來的 U29可縮金屬支架頂梁壓彎下沉，兩幫腿被擠出，巷道收斂率超過40％，給巷道的正常通風、運輸等造成很大困難。網殼錨噴工業性試驗段頂距即將跨采的4310工作面20 m左右，為確保巷道在跨采動壓作用下的穩定可靠，在該巷道100m范圍內采用了新型網殼錨噴支護技術。

    4.2結構設計與施工

    根據巷道地壓大小與圍巖特性，通過計算確定鋼筋網殼結構形式為雙層網殼結構，每架鋼筋網殼由l片頂網殼和2片側網殼拼裝而成。每片由4根啦2內弦桿、8根Фl6縱骨鋼筋、4根Ф8橫聯筋焊接而成，兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯結板，頂、側網殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊厚50 mm的可縮墊板，再用螺栓聯結而成：網殼支架一架緊接一架進行架設，中間不留間隙，拼裝完畢后，便緊貼圍巖表面形成眾多小跨連續的雙曲拱形支撐架，先期對圍巖進行讓壓支護，經過一段讓壓時間后，再噴射混凝土，形成網殼鋼筋襯砌結構，作為巷道的永久支護。

    施工時支架的架設順序是：兩幫網殼→頂網殼。第一架網殼支架是基準，必須嚴格掌握中、腰線予以定位，頂、幫網殼一定在同一平面內，不能有邁步、錯位現象，以保證后續支架架設質量。每架支架的外緣必須與圍巖保持良好接觸，若間隙過大，可用矸石、混凝土預制塊等材料充填。由于支架埋入底板較淺，在高圍巖應力作用下，為了防止側網殼踢出，在距底板300 mm左右支架兩幫各打一根長2.0m斜向限位樹脂錨桿，見圖4。

圖4軌道大巷網殼噴層施工圖

    鋼筋網殼支架架設一段距離后，實施永久噴層。滯后時間根據圍巖變形大小適當掌握，但必須在下弦桿鋼筋出現明顯局部變形之前施噴。根據對巷道地壓、變形觀測，支架架設25 m后即可噴射混凝土，設計永久噴層混凝土強度等級C20．加上臨時支護，噴層總厚度為l50mm。

    4.3工程效果評價

    為了研究新型網殼錨噴支架的實際受力情況及工作性能，進一步完善支架的設計理論與設計方法，對試驗段網殼支架實際工作狀態進行了現場監測，主要測試內容包括支架表面收斂、網殼鋼筋應力應變和圍巖內部位移，其中中間測站支架收斂率分布如圖5所示.

圖5網殼支架收斂率曲線

    從現場監測結果可以看出：

    (1)實測表明，2個月左右，網殼錨噴支架的收斂率達到最大值1．8 mm／d，以后收斂速度趨于減緩，說明巷道經過跨采一段時間后，變形趨于穩定。

    (2)通過實測網殼支架受力分析，該新型支架受力合理，且具備一定的安全儲備，完全適合跨采及軟巖巷道的永久支護。

5、結論

    (1)網殼支架變被動支護為主動支護，在具有較大支護阻力的同時又具有良好的可縮性，而支架結構具有“先柔后剛”的特性，符合軟巖支護的基本思想。 

    (2)通過現場對鋼筋應變、巷道圍巖位移及收斂的量測，可知網殼錨噴支護結構與圍巖相互作用的整體性好，能夠延長圍巖的自穩時間，有利于充分發揮圍巖自身的作用。

    (3)使用半剛性網殼混凝土支架，施工安全、工藝可行，做到了一次支護成功，該新技術從根本上改變了某些巷道需要不斷維修或返修的狀況。

    (4)網殼支架成功應用于兗州煤業集團東灘煤礦，為動壓及軟巖支護提供了成功經驗。根據東灘煤礦技術經濟分析，該新型支護結構設計合理，整體性強，具有抵抗巷道大變形的能力，與重型u鋼支架相比，可節約鋼材40％，降低支架直接成本30％，因而可大力推廣和使用。

    (5)網殼噴層支護技術已經獲得國家發明專利(專利號001191012)，為改進我國跨采及軟巖巷道支護結構開拓了新途徑。

參考文獻

[1]李紹春，李仲輝．跨采軟巖巷道支護技術[J]煤炭科學技術，2000，28(10)：1-3

[2]龐建勇．半剛性網殼噴層支架護巷特征及其工程應用[J]．礦山壓力與頂板管理，2003，20(31：46-48

[3]龐建勇，郭蘭波．軟巖巷道網殼噴層新技術[J]．中國礦業大學學報，2003，5 （32)：508—511

[4]徐干成，白洪才，鄭穎人，等．地下工程支護結構[M]．北京：中國水利水電出版社，2002

[5]尹德鈺．網殼結構設計[M]．北京：中國建筑工業出版社， 1996

[6]王煥文，王繼良．錨噴支護[M]．北京：煤炭工業出版社，1989

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)