恒阻內(nèi)錨吸能錨桿在巖爆控制中的應用研究

馬池帥

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430205）

0 引言

巖爆的發(fā)生具有強突發(fā)性、強破壞性和瞬時大變形的特征［1-3］，其往往伴隨著猛烈的能量釋放和瞬時的動量傳播。控制技術(shù)要針對巖爆發(fā)生的可能性與強弱程度，來提出減小巖爆災害規(guī)模與等級的工程控制措施及相對應的支護優(yōu)化方法，從而實現(xiàn)“弱巖爆不壞、中巖爆可修、強巖爆不垮”的目標。在現(xiàn)有的巖爆防護方案中，已注意到選擇吸能構(gòu)件對巖爆硐室進行支護的重要性，從而引入讓壓吸能錨桿或其他防沖吸能支護構(gòu)件［4-9］。但在吸能錨桿結(jié)構(gòu)設計、吸能特性以及基于能量平衡理論的聯(lián)合支護設計優(yōu)化等方面還要進一步研究。

本研究根據(jù)現(xiàn)有的巖爆破壞錨桿的典型失效破壞特征和巖爆控制原則，提出一種新型恒阻滑移內(nèi)錨讓壓錨桿，并基于開挖區(qū)巖爆傾向性指標的分界線以及爆坑深度，提出錨桿長度更為合理的確定方法。從錨固系統(tǒng)的吸能角度出發(fā)，依據(jù)不同巖爆等級的能量釋放來優(yōu)化支護參數(shù)，提出以讓壓吸能錨桿為核心的適用于不同巖爆等級的控制對策。

1 恒阻內(nèi)錨吸能錨桿及其結(jié)構(gòu)特征

高等級巖爆發(fā)生時會產(chǎn)生強大的沖擊載荷，其作用到錨固作用范圍的巖體上，會在瞬間一次性摧垮隧道。理想的錨固系統(tǒng)應兼具變形與讓壓的功能，兼具高承載力與大變形的功效。在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎上，本研究提出套管式內(nèi)錨讓壓錨桿（見圖1），其通過擠壓套與桿體的徑向擠壓和滑移，拉伸錨桿桿體，從而實現(xiàn)恒阻讓壓。

由圖1可知，內(nèi)錨讓壓錨桿由中空桿體（外表面做非粘結(jié)處理）、讓壓裝置（包括讓壓錨具、滑移桿體、套管和阻擋錐件）、托盤和緊固螺母（傳力裝置）組成。外端通過螺紋與螺母相連接，中間為光圓段，在光圓段的內(nèi)端設有止退翼，在讓壓裝置末端設有阻擋件和注漿帽。當其受到圍巖荷載作用后，在軸向外載荷（拉力）的作用下，推動桿體向孔外拉伸，滑移的粗糙段桿體與讓壓錨具產(chǎn)生相對摩擦滑移，通過滑動摩擦力（即讓壓力）可實現(xiàn)彈性滑移變形彈性讓壓，并通過桿體的承載強度繼續(xù)保持錨固性能。

圖1 恒阻擠壓滑移內(nèi)錨讓壓錨桿

2 恒阻內(nèi)錨吸能錨桿性能試驗

2.1 試件準備

試驗共設10組試件，前兩組為傳統(tǒng)錨桿，后八組為讓壓吸能錨桿，分別進行靜態(tài)拉伸和動態(tài)沖擊拉伸試驗。吸能構(gòu)件的內(nèi)外徑分別為42 mm、50 mm，阻尼材料的厚度為5 mm，圓臺體的高度為50 mm，錨桿的基本參數(shù)詳見表1。

表1 錨桿試樣基本物理參數(shù)

2.2 動態(tài)拉伸試驗及結(jié)果分析

采用重錘試驗機進行動態(tài)試驗，用于檢驗吸能錨桿抵抗和吸收沖擊能量的性能，表2為沖擊拉伸試驗的結(jié)果。

表2 動態(tài)拉伸試驗結(jié)果匯總

讓壓吸能錨桿的最大拉伸滑移變形量為351.8～457.5 mm，小于500 mm設計值。恒阻力的平均值在136.7 kN左右；NR-32-6錨桿（夾持兩端，無錨固段）的極限力為195.1 kN，錨桿本身被拉斷，基本達到錨桿桿體材料的屈服極限，而其他錨桿受制于內(nèi)錨固段的錨固性能，錨桿-砂漿界面一旦被破壞，將失去錨固基礎，極限承載力的均值為176 kN；總吸收能量的變化與極限力趨勢類似。普通錨桿的變形能力和吸能特性遠小于讓壓吸能錨桿，試驗結(jié)果充分說明讓壓吸能錨桿具有良好的吸能特性和優(yōu)越的變形能力。

總體上，在沖擊拉伸的過程中，荷載-位移曲線可分為3個階段（見圖2），即初始軸力增長階段、恒阻波動階段和屈服強化階段。通過錨桿的彈性變形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服對能量進行吸收。沖擊拉伸錨桿的軸向力明顯存在上下波動的現(xiàn)象，可能是因為錨桿桿體與讓壓構(gòu)件內(nèi)表面阻尼材料間存在著粗糙度不均勻的情況，使局部動態(tài)摩擦阻力增大或縮小。恒阻滑移讓壓后軸向力躍至接近最大錨固力（≤極限破斷載荷，取決于內(nèi)錨固段的錨固性能）。

圖2 動態(tài)拉伸錨桿軸力-位移曲線

3 基于恒阻內(nèi)錨吸能錨桿的巖爆控制對策

3.1 錨桿長度估算

本研究基于開挖區(qū)的巖爆傾向性指標分界線以及爆坑深度，提出工程施工中錨桿長度更為合理的確定方法?；陂_挖區(qū)數(shù)值模擬來確定不同等級巖爆對應的分界線、爆坑深度以及塑性區(qū)邊界輪廓線，從而確定相對準確的錨桿長度。錨桿長度的估算公式見式（1）。

式中：LB為巖爆支護吸能錨桿的設計長度；L弱為弱巖爆邊界線距洞壁的深度；L有效為剩余有效錨固長度，其要超過L弱，一般取值為50 cm；LC為爆坑深度；LP為塑性區(qū)邊界距洞壁深度。

如圖3所示，以極強巖爆為例，巖爆指標集中區(qū)域為拱頂?shù)?0點鐘方向到13點鐘方向和爆坑中心距洞壁3～4 m處。以中等巖爆等值線為邊界來劃分范圍，最大深度與跨度分別為8.5 m、15.5 m；塑性區(qū)跨度約為10.8 m，深度為2.86 m。分析確定錨桿的長度要大于4.5 m，并依據(jù)巖爆等值線范圍來確定合理的錨桿數(shù)目及間排距，從而優(yōu)化錨桿的支護密度。

圖3 基于修正能量指標和塑性區(qū)的錨桿長度確定方法

3.2 錨桿布設數(shù)目及間排距計算

基于錨噴支護系統(tǒng)的吸能設計要求見式（2）、式（3）。

式中：E支為支護系統(tǒng)單位面積內(nèi)極限吸能；E巖爆為巖爆發(fā)生時單位面積內(nèi)釋放能量；E錨桿為單位面積錨桿所吸收能量；E混為噴射混凝土的吸收能量；b、l分別為錨桿的環(huán)向布設寬度和排距；n為錨桿數(shù)目；ER為單根錨桿所吸收的能量。聯(lián)立式（2）、式（3），可得式（4）。

以巴基斯坦N-J水電項目為例，極強巖爆的能量釋放為100 kJ/m2，混凝土噴層厚度為25 cm，估算吸能為27.4 kJ/m2，讓壓吸能選取NR-32，可吸收能量約為70 kJ，隧道直徑為8.53 m，支護示意圖見圖4。將參數(shù)帶入式（4）中，得到錨桿數(shù)目n與排距l(xiāng)的關系，結(jié)合巖爆能量、勢指標分布范圍來確定合理的支護參數(shù)（見表3）。

圖4 基于能量的支護示意圖

表3 巖爆支護設計

在對錨桿吸能特性進行研究時，普通32 mm脹殼式錨桿在位移極限為30～50 mm時，吸收能量為7 kJ/根；NR-32的內(nèi)錨讓壓錨桿由于與恒阻吸能構(gòu)件配套，可吸收能量約為47.9～59 kJ/根。為了便于計算，統(tǒng)一取50 kJ/根。不同厚度的纖維噴射混凝土搭配菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護吸收能量進行大致估算：工程普遍采用厚度分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm的纖維噴射混凝土，對應的吸收能量分別為7.86 kJ/m2、14.36 kJ/m2、20.86 kJ/m2、27.36 kJ/m2。對不同的巖爆等級，現(xiàn)場鋼拱架搭配格柵組成的“鐵篦子”方案［17］按弱、中等、強巖爆來進行區(qū)分，建議鋼拱架間距取2.0 m、1.7 m、1.5 m，“鐵篦子”每延米分別為直徑φ=20 mm、20根，φ=22 mm、20根，φ=20 mm、30根。

綜上所述，基于錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，提出預防不同等級巖爆的支護體系（見表4）。

表4 不同等級巖爆支護體系

4 結(jié)語

針對沖擊危險隧道的錨桿支護結(jié)構(gòu)的破壞特征及沖擊載荷對錨桿-圍巖支護系統(tǒng)的特殊要求，提出一種新型恒阻滑移內(nèi)錨讓壓支護技術(shù)。對其進行室內(nèi)試驗，試驗結(jié)果表明，在沖擊拉伸中內(nèi)錨讓壓錨桿表現(xiàn)出良好的自我保護與沖擊適應性，讓壓吸能特性良好。從能量角度來看，依據(jù)不同巖爆等級的能量釋放優(yōu)化支護參數(shù)，提出不同的支護對策，建立基于能量原理，以讓壓吸能錨桿為核心的、適用于不同巖爆等級的控制體系。