地下工程約束混凝土支護(hù)理論與技術(shù)研究進(jìn)展

王 琦，許 碩,3，江 貝，李術(shù)才，肖宇馳,3，辛忠欣,3，劉博宏,3

(1.山東大學(xué) 巖土工程中心，山東 濟(jì)南 250061; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.山東天勤工程科技有限公司，山東 菏澤 274799)

隨著我國(guó)地下工程的迅速發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程建設(shè)過(guò)程中面臨大量高應(yīng)力、極軟巖、強(qiáng)采動(dòng)和斷層破碎帶等復(fù)雜條件。受上述復(fù)雜條件影響，傳統(tǒng)支護(hù)體系破斷失效，圍巖變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，復(fù)修率高，冒頂、塌方等突發(fā)性工程災(zāi)害和重大事故頻發(fā)[1-3]。

在新奧法理論指導(dǎo)下，地下工程大量采用錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行大量研究，形成一系列的成果，如Cone錨桿[4]、Roofex錨桿[5]、Garford錨索[6]等，何滿潮[7]、孫曉明等[8]提出了深部圍巖非線性大變形設(shè)計(jì)理論，并基于此研發(fā)了恒阻大變形錨桿支護(hù)技術(shù)，對(duì)于復(fù)雜條件下圍巖控制有很好的效果。但是復(fù)雜條件地下工程圍巖破碎嚴(yán)重，可錨性較差，錨桿的錨固性能難以有效發(fā)揮[9]，錨網(wǎng)噴支護(hù)強(qiáng)度不足，圍巖控制困難，采用錨網(wǎng)噴、錨注、拱架等多種方式的聯(lián)合支護(hù)是解決該類控制難題的必然選擇。

康紅普等[10]針對(duì)超千米深井巷道圍巖、支護(hù)體變形及破壞狀況，提出了高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合加固技術(shù)，能夠有效控制超千米深井巷道大變形，保持圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定;謝生榮等[11]針對(duì)深部軟巖巷道圍巖總變形量大、收斂速率快，提出了錨噴注強(qiáng)化支護(hù)技術(shù);劉泉聲等[9]針對(duì)淮南礦區(qū)煤礦深部破碎軟弱圍巖支護(hù)問(wèn)題，提出分步聯(lián)合支護(hù)的設(shè)計(jì)理念和優(yōu)化支護(hù)方案;筆者團(tuán)隊(duì)[12]針對(duì)三軟地層沿空巷道圍巖控制難題，提出了注漿錨桿+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方法，同時(shí)，針對(duì)千米深井軟弱圍巖巷道控制難題，提出了方鋼約束混凝土支護(hù)體系，有效控制了圍巖變形[2];李樹(shù)忱等[13]針對(duì)膨脹力作用下的隧道支護(hù)難題，提出了格柵拱架+鋼拱架+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式;文競(jìng)舟等[14]建立了由系統(tǒng)錨桿為支護(hù)外層拱以及噴層與鋼拱架為支護(hù)內(nèi)層拱所共同構(gòu)成的復(fù)合拱力學(xué)模型，結(jié)果表明，以型鋼拱架和噴層組成的支護(hù)內(nèi)層拱起主要承載作用。

拱架作為聯(lián)合支護(hù)的最后一道防線，需具有高強(qiáng)、高剛的性質(zhì)。傳統(tǒng)型鋼拱架包括U型鋼拱架和工字鋼拱架，其與錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)起到了較好的圍巖控制作用。但是在超高應(yīng)力、軟弱圍巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)型鋼拱架易出現(xiàn)局部屈曲、整體折斷、法蘭節(jié)點(diǎn)破壞、卡纜節(jié)點(diǎn)失效、搭接部位撕裂折損等現(xiàn)象[15]，導(dǎo)致支護(hù)體系整體失效，不能滿足復(fù)雜條件圍巖控制需求。

地下工程約束混凝土支護(hù)體系能夠解決上述問(wèn)題，有效控制復(fù)雜條件圍巖變形[2-3,18]。筆者對(duì)約束混凝土支護(hù)體系的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)該體系設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收規(guī)范制定以及在不同工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用方面進(jìn)行了展望。

1 約束混凝土支護(hù)發(fā)展歷程

1.1 約束混凝土支護(hù)體系

約束混凝土支護(hù)體系[2-3,16-23]的核心為內(nèi)部高強(qiáng)承載層，即高強(qiáng)約束混凝土拱架(圖1)。高強(qiáng)約束混凝土拱架是在鋼管等外部約束材料中灌注混凝土形成的，鋼管混凝土是約束混凝土中的一類形式，為了方便論述，本文將鋼管混凝土以及其他形式約束混凝土統(tǒng)稱為約束混凝土。約束混凝土由于外部結(jié)構(gòu)的約束作用使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度，核心混凝土又保證了外部約束不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，約束結(jié)構(gòu)與核心混凝土共同承載，兩者表現(xiàn)出力學(xué)性能上的“共生現(xiàn)象”，使其具有強(qiáng)度高、延性好、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 約束混凝土支護(hù)體系Fig.1 Confined concrete support system

針對(duì)高強(qiáng)約束混凝土支護(hù)技術(shù)，眾多學(xué)者在室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)、計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方面進(jìn)行了研究(圖2)，為約束混凝土支護(hù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2 約束混凝土支護(hù)研究?jī)?nèi)容Fig.2 Research contents of confined concrete support

1.2 礦山工程約束混凝土支護(hù)發(fā)展歷程

自2000年以來(lái)，眾多學(xué)者針對(duì)約束混凝土支護(hù)體系開(kāi)展了系列研究，淮南工業(yè)學(xué)院臧德勝[24-25]首次采用圓鋼約束混凝土拱架在平煤四礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與型鋼拱架相比，約束混凝土拱架耗鋼量更少，成本更低。此后，高延法教授課題組在錢(qián)家營(yíng)礦[26]首次采用先架后灌的灌注工藝和套管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拱架拼裝連接，首次將地上約束混凝土結(jié)構(gòu)普遍采用的“頂升法”灌注工藝引入了地下工程，保證了核心混凝土的灌注質(zhì)量，并在查干淖爾礦[27]進(jìn)行了應(yīng)用。2011年，筆者課題組[18-23,28-30]首次提出了與圍巖接觸緊密、縱向連接方便、壓彎承載力強(qiáng)的U型鋼、方鋼等多種約束混凝土支護(hù)體系，系統(tǒng)開(kāi)展了室內(nèi)全比尺對(duì)比試驗(yàn)，建立了非等剛度、任意節(jié)數(shù)內(nèi)力計(jì)算模型，形成了約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了成套關(guān)鍵技術(shù)與施工工法，并在深部高應(yīng)力、海域極軟巖、巨厚沖積層等典型礦井中成功應(yīng)用。2015年，劉立民等[31]首次提出了曲面D型約束混凝土支護(hù)形式，并在平煤十礦進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的圍巖控制效果。

在以上典型技術(shù)革新的基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者對(duì)上述約束混凝土支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，取得了眾多技術(shù)成果，典型技術(shù)革新見(jiàn)表1。

表1 礦山工程約束混凝土支護(hù)典型技術(shù)革新Table1 Typical technological innovation of confined concrete support in mine engineering

1.3 隧道工程約束混凝土支護(hù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代，日本首次采用將箍筋插入鋼管內(nèi)并灌注砂漿的剛性支撐形式，應(yīng)用到世界最長(zhǎng)海底隧道——青函海底隧道的膨脹區(qū)段，成功穿過(guò)了斷層[32]。這是關(guān)于約束混凝土支護(hù)在世界范圍內(nèi)被應(yīng)用到隧道工程領(lǐng)域的首次報(bào)道。

1984年，原鐵道部[33]首次將約束混凝土拱架應(yīng)用到了南嶺隧道中，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后得出:約束混凝土支護(hù)是強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)效果顯著、加固效果明顯的支護(hù)形式。這是我國(guó)首次關(guān)于約束混凝土支護(hù)被應(yīng)用到隧道工程領(lǐng)域的報(bào)道。

為解決大斷面隧道拱架重量大、人力施工效率低、在爆破完成后容易出現(xiàn)拱頂?shù)魤K、垮塌造成嚴(yán)重安全事故等問(wèn)題，山東大學(xué)筆者課題組[34-37]提出了“高強(qiáng)高剛、精確裝配”的約束混凝土支護(hù)體系施工理念，首次將方鋼約束混凝土支護(hù)技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)超大斷面交通隧道中，同時(shí)自主研發(fā)了高精度約束混凝土拱架機(jī)械化施工裝備以及自動(dòng)裝配式節(jié)點(diǎn)、快速定位縱向連接裝置等配套裝置，實(shí)現(xiàn)了約束混凝土支護(hù)技術(shù)的快速機(jī)械化施工，同時(shí)首次將約束混凝土支護(hù)技術(shù)推廣應(yīng)用到市政隧道工程中。隧道工程約束混凝土典型技術(shù)革新見(jiàn)表2。

表2 隧道工程約束混凝土支護(hù)典型技術(shù)革新Table 2 Typical technological innovation of confined concrete support in tunnel engineering

2 約束混凝土支護(hù)原理與承載性能研究

高強(qiáng)約束混凝土拱架能夠?qū)崿F(xiàn)外部約束和核心混凝土力的共生，既發(fā)揮了約束材料強(qiáng)度高、延性好的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了核心混凝土抗壓性能優(yōu)、造價(jià)成本低的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)型鋼拱架相比，其承載能力大幅提高，可對(duì)軟弱圍巖提供更大的徑向作用力，提高圍巖自身承載能力，有效控制圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展。同時(shí)，高強(qiáng)約束混凝土拱架作為內(nèi)部高強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)，是維護(hù)圍巖自承結(jié)構(gòu)完整性和有效性的主體，其與外部圍巖形成整體承載體系，避免了支護(hù)體系木桶效應(yīng)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件圍巖的“高強(qiáng)、完整”控制。

為對(duì)比分析約束混凝土拱架與傳統(tǒng)型鋼拱架的承載性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)開(kāi)展了約束混凝土短柱試驗(yàn)、直梁與圓弧拱試驗(yàn)、縮尺與全比尺拱架試驗(yàn)，并針對(duì)約束混凝土自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展了約束混凝土拱架密實(shí)度試驗(yàn)、灌注口與組合節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究。

2.1 約束混凝土短柱試驗(yàn)

2.1.1軸壓試驗(yàn)

1984年，蔡紹懷等[38]進(jìn)行了約束混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，得到了約束混凝土短柱軸壓承載力;1999年，韓林海[39]通過(guò)大量約束混凝土短柱試驗(yàn)，研究了不同因素對(duì)約束混凝土短柱破壞形態(tài)及承載力的影響;2006年，王來(lái)等[40]對(duì)十字形約束混凝土短柱的軸壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，分析了鋼材型號(hào)和混凝土等級(jí)對(duì)短柱力學(xué)性能的影響;2014年至今，筆者課題組[17,21,35,41-42,62]對(duì)U型約束混凝土(以下簡(jiǎn)稱UCC)與方鋼約束混凝土(以下簡(jiǎn)稱SQCC)及對(duì)應(yīng)的型鋼短柱進(jìn)行了軸壓對(duì)比試驗(yàn)，并利用聲發(fā)射技術(shù)研究了核心混凝土破裂機(jī)理及其與約束鋼管的耦合性能。

綜合上述研究可知:約束混凝土短柱受約束效應(yīng)的影響，整體為塑性破壞，形態(tài)主要為腰鼓狀破壞和剪切破壞，有效避免了型鋼短柱由于早期失穩(wěn)導(dǎo)致承載能力大幅下降的現(xiàn)象。荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)上升→平緩上升的形式，沒(méi)有下降段，反映出約束混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的延性和后期承載能力。以U型約束混凝土短柱為例，在截面含鋼量基本相同的情況下，其軸壓極限承載力是相同類型U型鋼短柱的2.6倍以上(圖3)。

圖3 約束混凝土與型鋼短柱試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of test results of confined concrete and steel short columns

2.1.2偏壓試驗(yàn)

1997年，韓林海[43]對(duì)約束混凝土構(gòu)件進(jìn)行偏壓數(shù)值試驗(yàn)，分析了偏壓構(gòu)件力學(xué)性能;2006年，陳志波[44]進(jìn)行了約束混凝土短柱偏壓室內(nèi)試驗(yàn)，分析了短柱偏壓力學(xué)性能，并提出偏壓承載力計(jì)算方法;2008年，聶建國(guó)等[45]進(jìn)行了圓鋼、方鋼約束混凝土短柱偏壓試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同偏心距下兩種截面形式的短柱承載力;2015年，郭曉松[46]進(jìn)行了橢圓形短柱在兩種偏心距下繞短軸的偏壓試驗(yàn)，同時(shí)采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，提出了承載力計(jì)算公式;2016年，江貝[34]對(duì)不同類型約束混凝土短柱進(jìn)行偏壓數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)各短柱偏壓承載能力進(jìn)行了對(duì)比分析;2017年，向星赟[47]進(jìn)行了約束混凝土短柱偏心受壓試驗(yàn)，對(duì)其承載力及影響因素進(jìn)行研究，并提出了偏壓承載力計(jì)算公式。

目前關(guān)于約束混凝土短柱軸壓、偏壓試驗(yàn)的研究已經(jīng)成熟，上述研究通過(guò)不同類型約束混凝土短柱試驗(yàn)，得到了短柱的軸壓極限承載力、壓彎承載力及影響因素，為短柱與拱架承載力計(jì)算及設(shè)計(jì)方法提供了依據(jù)。

2.2 約束混凝土直梁、圓弧拱抗彎試驗(yàn)

2001年，楊有福等[48]進(jìn)行了矩形約束混凝土純彎構(gòu)件室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)矩形約束混凝土構(gòu)件在純彎狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行研究;2006—2008年，于清[49]、陶忠等[50]進(jìn)行了不同鋼管壁厚、混凝土強(qiáng)度的圓鋼和方鋼約束混凝土構(gòu)件純彎試驗(yàn)，得到了構(gòu)件抗彎承載力，試驗(yàn)結(jié)果表明，約束混凝土構(gòu)件具有較強(qiáng)的抗彎能力和良好的延性。

2013年，劉國(guó)磊[51]和曲廣龍[52]等進(jìn)行了約束混凝土圓弧拱抗彎試驗(yàn)研究，對(duì)約束混凝土、空鋼管、U36,22 b工字鋼等不同類型的圓弧拱構(gòu)件進(jìn)行承載性能對(duì)比分析;2018年，單仁亮等[53]對(duì)約束混凝土拱架中單拱構(gòu)件進(jìn)行徑向加載試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)，得到了圓弧拱的極限承載力及影響因素。

通過(guò)上述研究可知:由于約束混凝土拱架尺寸大、成本高，進(jìn)行拱架局部構(gòu)件試驗(yàn)可一定程度上反映拱架力學(xué)性能，便于研究拱架局部破壞機(jī)制。此類拱架局部構(gòu)件試驗(yàn)未考慮節(jié)點(diǎn)等因素影響，試驗(yàn)結(jié)果不能充分反映拱架破壞和承載機(jī)制。

2.3 約束混凝土拱架試驗(yàn)

2001年，臧德勝等[54]開(kāi)展了直腿半圓形約束混凝土拱架縮尺試驗(yàn);2009—2014年，高延法課題組開(kāi)展了圓形[51]和淺底拱圓形[52]等拱架縮尺或大比尺力學(xué)性能試驗(yàn)(圖4(a)～(d));2014年，魏建軍等[55]進(jìn)行了直腿半圓形拱架縮尺試驗(yàn)(圖4(c));2015年至今，筆者課題組研發(fā)了組合式約束混凝土拱架全比尺力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)[56]，開(kāi)展了礦山巷道U型約束混凝土、方鋼約束混凝土、圓鋼約束混凝土(以下簡(jiǎn)稱CCC)拱架以及U型鋼和工字鋼拱架的1∶1系列對(duì)比試驗(yàn)[2,16,20-21,34-37,57](圖4(e)～(i))。首次進(jìn)行了交通隧道三心圓拱架的大比尺室內(nèi)試驗(yàn)。系統(tǒng)分析了不同加載模式、不同斷面形狀、不同截面參數(shù)以及不同核心混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)拱架承載能力的影響機(jī)制，并于2019年首次進(jìn)行了大斷面隧道組合拱架的室內(nèi)大比尺試驗(yàn)[58]。

約束混凝土拱架室內(nèi)試驗(yàn)具體參數(shù)見(jiàn)表3，對(duì)比分析可以得到如下結(jié)論:

圖4 約束混凝土拱架承載特性試驗(yàn)Fig.4 Bearing characteristics test of confined concrete arch

表3 約束混凝土拱架承載特性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of confined concrete arch bearing characteristics test

續(xù) 表

(1)拱架尺寸有2種形式:第1種是縮尺，模型尺寸較小;第2種是全比尺，可實(shí)現(xiàn)不同形狀、不同尺寸拱架的1∶1力學(xué)試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)有2種加載方式:第1種加載方式為頂部加載，其他位置多點(diǎn)約束;第2種加載方式為多點(diǎn)加載，能夠更真實(shí)模擬拱架在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力狀況。

(3)約束混凝土拱架承載力是相同截面含鋼量的傳統(tǒng)型鋼拱架的2倍以上，且具有更好的延性和后期承載力。

(4)方鋼約束混凝土拱架承載力比相同含鋼量的圓鋼約束混凝土拱架最高可提高22.7%，且與混凝土噴層結(jié)合更緊密，抗彎性能和穩(wěn)定性能更好，在地下工程拱架均承受壓彎荷載的情況下，方鋼約束混凝土拱架更具有適用性。

2.4 約束混凝土密實(shí)度試驗(yàn)

核心混凝土不密實(shí)是造成約束混凝土破壞的主要原因。核心混凝土空腔及脫空缺陷導(dǎo)致混凝土自身承載力下降(圖5)，鋼管與混凝土膠結(jié)力減弱，鋼管和混凝土無(wú)法形成“力的共生”效應(yīng)。

眾多學(xué)者對(duì)含不同空腔及脫空缺陷的約束混凝土拱架及構(gòu)件進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)果表明，核心混凝土不密實(shí)會(huì)引起約束混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度折減[59-62]。核心混凝土脫空率為2.2%時(shí)，約束混凝土壓彎扭試件的極限承載力下降11.5%，脫空率為4.4%時(shí)，約束混凝土壓彎扭試件的極限承載力下降17.95%[59];約束混凝土拱架中核心混凝土空腔率超過(guò)14.3%時(shí)，在長(zhǎng)期荷載作用下，整體抗彎承載能力下降較大，易發(fā)生拱架斷裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅地下工程施工與生產(chǎn)安全[62]。

提高核心混凝土密實(shí)度十分必要。傳統(tǒng)提高密實(shí)度的方法主要為改善核心混凝土灌注方式和改善自密實(shí)性質(zhì)兩種。目前常用的核心混凝土灌注方法是頂升法，即從下向上灌注混凝土，依靠混凝土自重?cái)D壓密實(shí)，頂升法多用自密實(shí)混凝土。目前在地上工程中針對(duì)自密實(shí)混凝土已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，有效控制了核心混凝土的早期膨脹和后期收縮[63-65]，但在地下約束混凝土結(jié)構(gòu)中尚未得到應(yīng)用。筆者課題組[62]開(kāi)展了核心混凝土外加膨脹劑試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，添加膨脹劑可以增加混凝土與鋼管之間的黏結(jié)特性，防止由于混凝土收縮帶來(lái)的脫空影響。

科學(xué)有效的核心混凝土密實(shí)度檢測(cè)方法，能及時(shí)指導(dǎo)對(duì)約束混凝土結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。地上工程中多采用超聲波無(wú)損檢測(cè)法[66-69]，判別不密實(shí)缺陷的范圍及其嚴(yán)重程度。地下工程約束混凝土結(jié)構(gòu)截面較小且施工環(huán)境復(fù)雜，超聲波無(wú)損檢測(cè)受尺寸效應(yīng)影響，檢測(cè)結(jié)果誤差較大，且由于缺陷位置和大小的不確定性，導(dǎo)致超聲波無(wú)損檢測(cè)方法在地下工程無(wú)法有效運(yùn)用。地下工程約束混凝土結(jié)構(gòu)常采用敲擊法[62]。

檢測(cè)出約束混凝土結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)后，一般采取鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[60,70]，但鋼管鉆孔缺陷對(duì)約束混凝土承載能力影響較大。針對(duì)混凝土不密實(shí)引起約束混凝土結(jié)構(gòu)承載能力下降的問(wèn)題，筆者課題組[62]進(jìn)行了側(cè)彎強(qiáng)化板、四面強(qiáng)化板及周邊強(qiáng)化板補(bǔ)強(qiáng)方案試驗(yàn)研究，得到了補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化比選方法，并在萬(wàn)福煤礦支護(hù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

通過(guò)上述研究，總結(jié)可知:

(1)核心混凝土不密實(shí)會(huì)造成自身承載力下降，引起約束混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度折減。

(2)地上約束混凝土結(jié)構(gòu)多通過(guò)超聲波無(wú)損方法檢測(cè)核心混凝土密實(shí)度，但由于其精度較小和地下工程空間的局限性，地下工程中常采用敲擊法檢測(cè)密實(shí)度。應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展約束混凝土拱架密實(shí)度實(shí)時(shí)定量檢測(cè)方法研究。

(3)通過(guò)頂升灌注、采用自密實(shí)混凝土和添加膨脹劑等方式，可提高核心混凝土的密實(shí)度;當(dāng)檢測(cè)出約束混凝土結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)后，通過(guò)鋼板補(bǔ)強(qiáng)的方式，可有效提高約束混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

2.5 灌注口補(bǔ)強(qiáng)研究

約束混凝土拱架大多進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌注，需要在拱架上預(yù)留灌注口。灌注口的留設(shè)會(huì)造成拱架局部強(qiáng)度降低和應(yīng)力集中，導(dǎo)致拱架整體承載能力的下降，是拱架破壞的關(guān)鍵部位，因此有必要對(duì)灌注口進(jìn)行系統(tǒng)研究并提出補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。高延法等[71]在拱架灌注口處采用焊接加強(qiáng)鋼板的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng);CHANG Xu等[72]基于對(duì)一系列的有缺口的約束混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，分析其破壞模式，研究鋼管的缺口對(duì)約束混凝土短柱力學(xué)性能的影響，并提出用于預(yù)測(cè)帶有缺口的約束混凝土短柱極限抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)方程。

筆者課題組[34,73-74]進(jìn)行了方鋼和U型約束混凝土留設(shè)灌注口短柱及灌注口補(bǔ)強(qiáng)短柱試驗(yàn)研究(圖6)，對(duì)比分析了短柱變形破壞形態(tài)、荷載位移曲線及承載力等力學(xué)性能，建立約束混凝土強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合對(duì)比短柱補(bǔ)強(qiáng)效果。結(jié)果表明，留設(shè)灌注口短柱極限承載力比普通短柱降低29.9%;在側(cè)彎鋼板補(bǔ)強(qiáng)、開(kāi)孔鋼板補(bǔ)強(qiáng)和周邊鋼板3種補(bǔ)強(qiáng)方法中，側(cè)彎鋼板補(bǔ)強(qiáng)效果最好，極限承載力比留設(shè)灌注口短柱的提高了70.2%，該類側(cè)彎鋼板補(bǔ)強(qiáng)方案效果在拱架室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到有效驗(yàn)證。

圖6 留設(shè)灌注口短柱破壞及補(bǔ)強(qiáng)效果Fig.6 Damage and reinforcement effect of short columns with grouting hole

2.6 約束混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

在地上約束混凝土結(jié)構(gòu)中，約束混凝土構(gòu)件多通過(guò)法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，其相關(guān)研究已較為充分。在地下工程中，套管節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度與施工效率高，裝配式節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)拱架的折疊與自動(dòng)卡合，均具有廣泛的研究?jī)r(jià)值。

目前關(guān)于節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)較少，筆者課題組[34-35,37,75]對(duì)地下工程約束混凝土拱架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究(圖7):明確了法蘭節(jié)點(diǎn)和套管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能及影響機(jī)制，提出了套管節(jié)點(diǎn)兩種臨界彎曲破壞模式，推導(dǎo)了套管節(jié)點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的實(shí)用計(jì)算公式，建立了套管節(jié)點(diǎn)壓彎承載力學(xué)判據(jù)，得到了約束混凝土拱架套管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù);進(jìn)行了約束混凝土裝配式節(jié)點(diǎn)室內(nèi)試驗(yàn)，并將裝配式節(jié)點(diǎn)約束混凝土拱架應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

圖7 約束混凝土套管節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)Fig.7 Performance test of confined concrete casing joint

3 約束混凝土計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法

約束混凝土拱架計(jì)算理論主要包括拱架內(nèi)力計(jì)算、強(qiáng)度與穩(wěn)定承載能力計(jì)算。根據(jù)約束混凝土拱架試驗(yàn)、計(jì)算理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究，本節(jié)總結(jié)了拱架整體選型，核心混凝土、灌注口與排氣口、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及拱架間距與縱向連接設(shè)計(jì)等內(nèi)容在內(nèi)的約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

3.1 拱架內(nèi)力計(jì)算

拱架內(nèi)力一般利用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算。作用在拱架上的圍巖外荷載主要根據(jù)工程所在區(qū)域地應(yīng)力大小與方向、巖體類型與性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)面特性等地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行綜合確定[76-79]。

2009年，谷拴成等[80]假設(shè)作用在圓形約束混凝土拱架的彈性抗力為三角形分布，建立了拱架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型，采用彈性中心法計(jì)算拱架各截面的內(nèi)力。

2016年，筆者課題組[17]針對(duì)巷(隧)道常用斷面—直腿半圓形拱架、圓形拱架及多心圓拱架，建立了任意節(jié)數(shù)、非等剛度約束混凝土拱架內(nèi)力計(jì)算模型(圖8中，EI為拱架剛度；EI′為節(jié)點(diǎn)等效剛度；Oi為三心圓拱架的第i個(gè)圓心；Ri為第i段圓弧的半徑；θi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角；αi為節(jié)點(diǎn)定位角，表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置；q為施加在拱架上的圍巖等效荷載)，利用試驗(yàn)得到的節(jié)點(diǎn)等效剛度結(jié)果，將節(jié)點(diǎn)影響區(qū)域剛度和長(zhǎng)度進(jìn)行等效，得到約束混凝土拱架內(nèi)力計(jì)算方法。

圖8 拱架內(nèi)力計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果Fig.8 Arch internal force calculation model and calculation result

3.2 拱架強(qiáng)度與穩(wěn)定承載能力計(jì)算

約束混凝土拱架承載能力包括強(qiáng)度承載能力與穩(wěn)定承載能力。

3.2.1強(qiáng)度承載能力

2001年，臧德勝等[24]將原巖應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)化為均勻應(yīng)力場(chǎng)，從安全的角度出發(fā)，取無(wú)支護(hù)時(shí)的松動(dòng)區(qū)半徑，利用彈塑性理論求解最大支護(hù)壓力Pjmax和最小支護(hù)壓力Pjmin，得到約束混凝土支護(hù)反力Pj范圍，從而驗(yàn)算約束混凝土拱架的軸壓強(qiáng)度承載能力。

2010年，高延法課題組[26]建立了均布荷載作用下約束混凝土半圓形拱架承載力計(jì)算模型。通過(guò)積分半圓形拱架上的徑向支護(hù)反力，建立徑向支護(hù)反力與拱架軸向承載力之間的關(guān)系式。采用等效系數(shù)的方法考慮壓彎影響，驗(yàn)算半圓形拱架軸向強(qiáng)度承載能力。

約束混凝土拱架強(qiáng)度承載能力主要包括拱架基本承載能力和拱架節(jié)點(diǎn)承載能力。筆者課題組[75]根據(jù)套管節(jié)點(diǎn)的破壞模式，推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)破壞判據(jù)，建立了套管節(jié)點(diǎn)承載能力計(jì)算公式;根據(jù)裝配式節(jié)點(diǎn)的破壞模式[81]，對(duì)節(jié)點(diǎn)中銷軸抗剪、承壓板承壓及耳板承壓進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，得到了裝配式節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式，結(jié)合約束混凝土拱架任意節(jié)數(shù)、非等剛度內(nèi)力計(jì)算模型與壓彎強(qiáng)度承載力判據(jù)，得到了反映真實(shí)圍巖條件下的約束混凝土支護(hù)強(qiáng)度承載力計(jì)算方法[20]。

3.2.2穩(wěn)定承載能力

2016年，江貝[34]采用靜力平衡法，通過(guò)曲桿的平衡微分方程和幾何條件建立了非等剛度兩鉸多心和固接多心拱架穩(wěn)定承載力計(jì)算公式。2019年，筆者課題組[81]結(jié)合靜力平衡法和數(shù)值分析方法，研究了多心約束混凝土拱架及拱架的空間組合支護(hù)體系的平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定性問(wèn)題。

3.3 設(shè)計(jì)方法

基于上述約束混凝土支護(hù)的室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)、計(jì)算理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究，形成了較為完善的約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)理論。約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括拱架整體選型設(shè)計(jì)、核心混凝土設(shè)計(jì)、灌注口與排氣口設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及拱架間距與縱向連接設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容Fig.9 Confined concrete support design content

拱架整體選型設(shè)計(jì)包括巷(隧)道斷面選型、約束鋼管截面選型及拱架間距設(shè)計(jì)。常用的巷(隧)道斷面形狀包括圓形、直腿半圓形、馬蹄形及三心圓形。根據(jù)地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)巷(隧)道斷面形狀進(jìn)行選型。常用的約束鋼管截面形式包括圓形、方形和U形?；趦?nèi)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合壓彎強(qiáng)度承載力判據(jù)，對(duì)約束鋼管截面形狀和尺寸進(jìn)行選型。

核心混凝土設(shè)計(jì)包括混凝土型號(hào)設(shè)計(jì)、灌注方法設(shè)計(jì)和不密實(shí)處強(qiáng)化設(shè)計(jì)。核心混凝土可采用自密實(shí)混凝土和微膨脹混凝土提高密實(shí)度，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)[82]應(yīng)不低于C30，一般選用C40碎石混凝土，粗骨料粒徑宜采用5～15 mm，水灰比不宜大于0.45，坍落度不宜小于150 m，以滿足泵送頂升灌注的要求。針對(duì)核心混凝土不密實(shí)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，可采取鉆孔壓漿法進(jìn)行強(qiáng)化。同時(shí)，可以采用筆者課題組[62]提出的側(cè)彎強(qiáng)化板、四面強(qiáng)化板及周邊強(qiáng)化板強(qiáng)化方案。灌注方法應(yīng)采用先架后灌頂升灌注，保證核心混凝土密實(shí)度。

灌注口設(shè)計(jì)包括尺寸設(shè)計(jì)、位置設(shè)計(jì)和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。灌注口形狀多采用圓形開(kāi)口，灌注口在滿足施工要求的前提下盡量靠下布置。在補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方面，可采用高延法課題組[71]提出的注漿短管、加強(qiáng)板和封孔塞的組合補(bǔ)強(qiáng)方式，也可采用筆者課題組[73]提出的側(cè)彎鋼板、開(kāi)孔鋼板和周邊鋼板補(bǔ)強(qiáng)方式。排氣口在滿足施工條件下盡量靠上布置。

約束混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括套管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。相關(guān)設(shè)計(jì)可參考筆者課題組的研究結(jié)果，其中套管節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)[75]，法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)[34]，裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)[81，83]。

筆者課題組[75]綜合考慮了方鋼約束混凝土套管節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性要求，給出了套管長(zhǎng)度、套管間隙及套管壁厚的設(shè)計(jì)方法。江貝[34]通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)的方式進(jìn)行法蘭節(jié)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)計(jì)。孫會(huì)彬、筆者[81]根據(jù)銷軸、耳板及承壓板的破壞模式，給出了裝配式節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式與設(shè)計(jì)方法。

拱架間距根據(jù)單榀拱架的極限承載能力與所需圍巖支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算。縱向連接主要包括人力施工形式和機(jī)械化施工形式[84]，基于精確定位和保證整體穩(wěn)定的原則，對(duì)拱架縱向連接進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 約束混凝土現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與施工工藝

4.1 約束混凝土典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)前期大量的研究工作，約束混凝土支護(hù)技術(shù)得到了快速發(fā)展。在礦山工程領(lǐng)域，除了表1中所列舉的臧德勝在平煤四礦[24]，高延法在錢(qián)家營(yíng)礦[26]、查干淖爾礦[27]，筆者在趙樓煤礦[21]、梁家煤礦[3]和萬(wàn)福煤礦[28]以及劉立民在平煤十礦[31]進(jìn)行的典型工程應(yīng)用外，眾多學(xué)者與工程技術(shù)人員也對(duì)約束混凝土支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了推廣:王思[86]、谷拴成[90]分別將直腿半圓形約束混凝土拱架應(yīng)用到了大淑村煤礦和澄合二礦中，李帥[91]將橢圓形約束混凝土拱架應(yīng)用到了口孜東煤礦，李劍鋒[92]和楊惠元等[93]分別將圓形約束混凝土拱架應(yīng)用到了新安煤礦和清水營(yíng)煤礦，楊明等[94]、毛慶福等[95]分別將淺底拱圓形約束混凝土拱架應(yīng)用到了查干淖爾與陽(yáng)城煤礦;在隧道工程領(lǐng)域，主要為表2中所列舉的日本青函海底隧道[32]，符華興在南嶺隧道[33]，筆者在龍鼎隧道[35]、濟(jì)南市政隧道[36]和樂(lè)疃隧道[37]，以及谷拴成[80]在地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行的約束混凝土支護(hù)技術(shù)應(yīng)用。約束混凝土在礦山工程和隧道工程的典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖10，11所示。

圖10 礦山工程典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.10 Typical field applications of mine engineering

圖11 隧道工程典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.11 Typical field applications of tunnel engineering

在礦山工程中，約束混凝土拱架的形式主要包括:馬蹄形，圓(橢圓)形以及直(弧)腿半圓形;在隧道工程中，約束混凝土拱架的形式主要采用圓(圓拱)形和三心圓形。

約束混凝土拱架前期截面基本為圓形，后期出現(xiàn)了方形、U形和D形截面，其中以方形截面應(yīng)用最為廣泛。拱架的節(jié)數(shù)以4～6節(jié)為主，間距主要集中在0.5～1.0 m，核心混凝土等級(jí)主要采用C40～C60。

拱架連接節(jié)點(diǎn)主要包括套管節(jié)點(diǎn)、法蘭節(jié)點(diǎn)與裝配式節(jié)點(diǎn)。套管節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度高，施工效率高，被廣泛采用;法蘭節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度低、施工效率慢，主要被用于拱腿與反底拱的連接中;裝配式節(jié)點(diǎn)主要用于機(jī)械化施工中，能夠?qū)崿F(xiàn)拱架折疊與自動(dòng)卡合，具有安全高效的優(yōu)點(diǎn)。

核心混凝土灌注工藝主要包括3種形式:① 先在地上灌注養(yǎng)護(hù)再將拱架移至現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)。這種灌注工藝可保證核心混凝土的灌注質(zhì)量，但是導(dǎo)致了拱架重量增加，增大了運(yùn)輸與現(xiàn)場(chǎng)施工難度，需配合機(jī)械化施工工藝;② 先架設(shè)拱架，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行“由上至下”的灌注工藝。該方法減小了拱架在安裝過(guò)程中的施工難度，但混凝土極容易產(chǎn)生氣泡，造成混凝土的不密實(shí)，大幅降低拱架承載能力;③ 先架設(shè)拱架，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行“頂升灌注”的灌注工藝。該方法能夠有效排出氣體、保證核心混凝土密實(shí)度，從而保證約束混凝土拱架的整體承載能力。

約束混凝土拱架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具體參數(shù)見(jiàn)表4，5。

表4 隧道工程典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Table 4 Typical field applications of tunnel engineering

表5 礦山工程典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Table 5 Typical field applications of mine engineering

4.2 施工工藝

約束混凝土支護(hù)技術(shù)在礦山巷道方面主要應(yīng)用于高應(yīng)力、極軟巖、強(qiáng)采動(dòng)等條件中，在交通隧道方面主要應(yīng)用于大斷面、小凈距、極淺埋與斷層破碎帶等條件中。針對(duì)礦山巷道和交通隧道不同的地質(zhì)條件、形狀尺寸以及施工特點(diǎn)，形成了兩類不同的施工工藝。

礦山巷道斷面尺寸小，對(duì)應(yīng)拱架每節(jié)尺寸也較小，多采用套管節(jié)點(diǎn)連接，使用人力施工，在架設(shè)后頂升灌注核心混凝土。針對(duì)巷道支護(hù)特點(diǎn)，建立了礦山巷道復(fù)合施工工法，主要包括定量讓壓拱架組合拼裝、核心混凝土高效灌注、釋能讓壓材料快速充填、拱架關(guān)鍵部位重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)[85-86]。礦山巷道典型施工工藝如圖12所示。

圖12 礦山工程現(xiàn)場(chǎng)施工工藝Fig.12 Field construction technology of mine engineering

交通隧道斷面尺寸大，對(duì)應(yīng)的拱架每節(jié)尺寸也較大，多采用使用機(jī)械化施工，拱架提前預(yù)制，在架設(shè)前灌注核心混凝土。針對(duì)隧道支護(hù)的特點(diǎn)，研制了高精度拱架安裝機(jī)、高自由度拱架輔助安裝機(jī)等機(jī)械化施工裝備，建立了交通隧道機(jī)械施工工法，主要包括約束混凝土拱架預(yù)制折疊、裝配式節(jié)點(diǎn)自動(dòng)卡合、拱架縱向精確定位等關(guān)鍵技術(shù)[87-88]。交通隧道典型施工工藝如圖13所示。

5 結(jié)論與展望

(1)約束混凝土拱架具有高強(qiáng)、高剛的性質(zhì)，其承載力是相同截面含鋼量傳統(tǒng)型鋼拱架的2～5倍，可對(duì)軟弱圍巖提供更大的徑向作用力，提高深部巖體的峰后強(qiáng)度和圍巖自承能力，能夠?qū)崿F(xiàn)“高強(qiáng)、完整”控制，有效控制復(fù)雜條件圍巖變形，避免工程安全事故。

(2)約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要包括拱架整體選型設(shè)計(jì)、核心混凝土設(shè)計(jì)、灌注口與排氣口設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及拱架間距與縱向連接設(shè)計(jì)。目前建立的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了約束混凝土支護(hù)的科學(xué)定量設(shè)計(jì)，發(fā)揮了約束混凝土高強(qiáng)承載特性，保證了支護(hù)體系整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

(3)約束混凝土支護(hù)體系現(xiàn)場(chǎng)施工主要包括礦山巷道復(fù)合施工工法與交通隧道機(jī)械施工工法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件地下工程安全經(jīng)濟(jì)施工。機(jī)械化施工裝備與配套設(shè)備的研發(fā)，為約束混凝土支護(hù)的高效智能施工提供了條件，是未來(lái)施工的發(fā)展方向。

(4)約束混凝土支護(hù)技術(shù)已經(jīng)在礦山工程中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，并在隧道工程中推廣使用，下一步應(yīng)制定約束混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范，并推進(jìn)約束混凝土支護(hù)技術(shù)在交通、水利、市政等不同行業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。