可回收錨桿使用支護(hù)穩(wěn)定性的分析

張 軍

（晉能控股集團(tuán)煤業(yè)集團(tuán)四臺礦綜采一隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

煤礦井下開采作業(yè)離不開錨桿對巷道的支護(hù)作用，我國的煤礦分布廣泛，對錨桿的需求及使用量巨大。錨桿的結(jié)構(gòu)簡單、易于施工，具有較強(qiáng)的可靠性，但是在施工后永久的埋存于地下中，造成地下空間的污染及一次性成本的浪費(fèi)等問題[1]。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，通過設(shè)定解鎖機(jī)構(gòu)或者先進(jìn)的注漿工藝實(shí)現(xiàn)錨桿的整體或部分可回收，從而形成可回收的錨桿，可以解決錨桿埋存地下的問題[2]?？苫厥斟^桿進(jìn)行支護(hù)對施工的要求較高，作為新型的支護(hù)技術(shù)，其加固使用的機(jī)理與常規(guī)使用的錨桿不同，對其使用過程中的穩(wěn)定性可具有較高的要求。針對可回收錨桿的使用，采用數(shù)值模擬的形式將普通錨桿替換成可回收錨桿[3]，對其支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而為可回收錨桿的推廣使用提供技術(shù)參考及指導(dǎo)。

1 可回收錨桿支護(hù)模型的建立

可回收錨桿在我國的使用尚處于起步階段，采用數(shù)值模擬的方法可在一定程度上檢驗(yàn)可回收錨桿的工作性能。采用PLAXIS 3D 有限元分析軟件對錨桿的使用性能進(jìn)行分析，PLAXIS 3D 是進(jìn)行巖土分析的專用仿真軟件[4]，具有強(qiáng)大的建模及分析功能，具有多種巖土的本構(gòu)模型，可模擬巖土的結(jié)構(gòu)及是送過程，對錨桿的施工及支護(hù)過程中巖土與錨桿之間的相互作用及動載荷進(jìn)行模擬分析[5]，在多種巖土工程中具有廣泛的應(yīng)用。

對錨桿支護(hù)的工程穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用HSS本構(gòu)模型建立土體的模型，模型為彈塑性的雙曲線模型，選定的工程案例基坑開挖的平均深度為10～13 m，采用可回收錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨索共設(shè)有4 排，注漿體的直徑為150 mm，1～2 排支護(hù)自由段及錨固段的長度分別為4 m、11 m，第4 排為構(gòu)造措施，自由段為3 m，錨固段為8 m。錨桿桿體均采用粘結(jié)型鋼絞線，施工過程中采用M20 水泥進(jìn)行二次注漿錨固[6]。

建立土體的基本模型，選定長度為32 m，寬度為4.5 m，已經(jīng)土層的地質(zhì)條件設(shè)定各土層的厚度，雜填土為1.6 m，粉質(zhì)黏土為10.1 m，卵石層為9.3 m，采用創(chuàng)建面的形式模擬施工階段土體不同的開挖程度，開挖分為4 步，第一步的開挖深度為2.5 m，2～3 步開挖3 m，最后一步開挖至坑底[7]。坡面與水平面的夾角為73°，擋土板的厚度為100 mm，在建模過程中，將所采用的立柱、橫梁及擋土板等進(jìn)行相應(yīng)的簡化，設(shè)定為250 mm 的彈性板單元，面層與土體的分割面采用相交和聚類的命令進(jìn)行模擬，分步進(jìn)行激活從而模擬開挖的步驟[8]。

錨桿的支護(hù)豎向及水平的間距分別為3 m、2 m，長度均為15 m，自由段為4 m，設(shè)計(jì)錨桿的鎖定值為120 kN，采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿的形式進(jìn)行模擬，可以在施工階段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的設(shè)定，材料為彈性材料[9]，建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型如圖1 所示。依據(jù)不同巖層的厚度，分別設(shè)定錨固段的樁側(cè)摩擦力以表示樁土間的作用力，粉質(zhì)黏土層為28 kN，卵石層為58 kN，錨桿在不同的土層間采用相應(yīng)的摩擦力進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的錨桿長度[10]。

圖1 錨桿支護(hù)模型

對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用中等大小的網(wǎng)格單元對模型進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分處理，在LAXIS 3D 軟件中可對局部網(wǎng)格進(jìn)行自動細(xì)化以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，經(jīng)檢查網(wǎng)格無誤后，可進(jìn)行分階段的加載施工。

2 可回收錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性結(jié)果分析

在分階段施工過程中，自動創(chuàng)建Initial phase 階段，保持參數(shù)一致，創(chuàng)建開挖1—開挖4 共四個施工階段，在開挖1 階段，激活第一排的可回收錨桿的錨固段、自由段及相應(yīng)的板單元，并消除該階段土體在自重力作用下產(chǎn)生的位移影響，后續(xù)的開挖階段通過停用該階段的土體并激活相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)即可，直至開挖4 階段開挖至坑底，對不同施工階段坡頂?shù)奈灰谱兓M(jìn)行分析[11]。

對不同施工階段的坡頂?shù)奈灰七M(jìn)行分析，得到如圖2 所示的坡頂?shù)乃郊柏Q直方向的位移變化曲線，其中水平方向正向位移表示向靠近基坑的方向變形，負(fù)向位移表示遠(yuǎn)離基坑的位移變形，豎直方向正向位移表示隆起變形，負(fù)向位移表示下降變形。

圖2 不同施工階段的邊坡位移

從圖2 中可以看出，隨著開挖后土體上的載荷逐漸減小，下部的土體產(chǎn)生隆起，使得開挖1、2 階段的水平位移變形分別為-0.5 mm、-0.7 mm，在開挖3 階段中為2.5 mm，開挖結(jié)束時的最大水平位移為9.5 mm；豎向位移在開挖的1、2 階段表現(xiàn)為隆起變形，分別為3.3 mm、3.5 mm，開挖3 階段的下降值為0.1 mm，開挖結(jié)束時的最大下降值為7.2 mm。在開挖過程中，坡頂?shù)奈灰谱兓癁殡S基坑開挖深度的增加，水平位移及豎向位移均逐漸增加，該工程的坡頂最大位移均在規(guī)定的變形范圍內(nèi)，能夠滿足試驗(yàn)的要求[12]。

對邊坡的豎向位移進(jìn)行分析，豎向最大位移的分布如圖3 所示，在坡面上存在豎向位移的零點(diǎn)，隨著土體的開挖，使得土體在重力及內(nèi)部擠壓應(yīng)力的作用下向著基坑的方向移動，在錨桿支護(hù)的作用下達(dá)到新的平衡狀態(tài)，零點(diǎn)之上表現(xiàn)為下降變形，零點(diǎn)之下表現(xiàn)為隆起變形；隨著上部土體開挖深度的增加，土體上的附加壓力減小，內(nèi)部應(yīng)力釋放達(dá)到新的平衡狀態(tài)造成土體的隆起，其中在坡腳位置的隆起變形抵消部分的豎向位移，靠近坡頂位置處的下降明顯，坡面的豎向位移零點(diǎn)位于10.5～12 m 的標(biāo)高范圍內(nèi)，距坡頂約2/3 處，以該位置處作坡面的平行面為分界面，則此分界面至基坑底部的主要變形為隆起變形，距離坑底的隆起變形越大，最大值為24.9 mm，分界面至遠(yuǎn)離基坑區(qū)域的主要變形為下降，距離分界面越遠(yuǎn)則下降值越小，但在X 軸距離坡頂位置處的沉降值最大，最大值為9.1 mm。

圖3 邊坡豎向位移變化云圖

3 結(jié)語

煤礦開采過程中離不開錨桿的支護(hù)作用，隨著錨桿使用量的增加，容易造成地下空間的污染。采用可回收的錨桿進(jìn)行巷道等施工過程的支護(hù)，是解決這一問題的有效方式。針對可回收錨桿的使用，采用數(shù)值模擬的方法對可回收錨桿使用的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，建立了可回收錨桿支護(hù)的模型，并對其分步驟進(jìn)行開挖模擬，得到不同開挖階段邊坡的變形位移量。結(jié)果顯示，在開挖過程中，坡頂?shù)奈灰谱兓癁殡S基坑開挖深度的增加，水平位移及豎向位移均逐漸增加，最大位移量均在工程施工的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足使用的要求。對豎向位移的進(jìn)一步分析可知，在豎向位移變形中，以新平衡點(diǎn)處為分界面產(chǎn)生隆起及下降的變形，平衡位置在距坡頂約2/3 處。