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    恒阻内锚吸能锚杆在岩爆控制中的应用研究

    时间：2023-01-20 16:41:05来源：百花范文网本文已影响人

    马池帅

    （国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430205）

    岩爆的发生具有强突发性、强破坏性和瞬时大变形的特征［1-3］，其往往伴随着猛烈的能量释放和瞬时的动量传播。控制技术要针对岩爆发生的可能性与强弱程度，来提出减小岩爆灾害规模与等级的工程控制措施及相对应的支护优化方法，从而实现“弱岩爆不坏、中岩爆可修、强岩爆不垮”的目标。在现有的岩爆防护方案中，已注意到选择吸能构件对岩爆硐室进行支护的重要性，从而引入让压吸能锚杆或其他防冲吸能支护构件［4-9］。但在吸能锚杆结构设计、吸能特性以及基于能量平衡理论的联合支护设计优化等方面还要进一步研究。

    本研究根据现有的岩爆破坏锚杆的典型失效破坏特征和岩爆控制原则，提出一种新型恒阻滑移内锚让压锚杆，并基于开挖区岩爆倾向性指标的分界线以及爆坑深度，提出锚杆长度更为合理的确定方法。从锚固系统的吸能角度出发，依据不同岩爆等级的能量释放来优化支护参数，提出以让压吸能锚杆为核心的适用于不同岩爆等级的控制对策。

    高等级岩爆发生时会产生强大的冲击载荷，其作用到锚固作用范围的岩体上，会在瞬间一次性摧垮隧道。理想的锚固系统应兼具变形与让压的功能，兼具高承载力与大变形的功效。在总结现有研究成果的基础上，本研究提出套管式内锚让压锚杆（见图1），其通过挤压套与杆体的径向挤压和滑移，拉伸锚杆杆体，从而实现恒阻让压。

    由图1可知，内锚让压锚杆由中空杆体（外表面做非粘结处理）、让压装置（包括让压锚具、滑移杆体、套管和阻挡锥件）、托盘和紧固螺母（传力装置）组成。外端通过螺纹与螺母相连接，中间为光圆段，在光圆段的内端设有止退翼，在让压装置末端设有阻挡件和注浆帽。当其受到围岩荷载作用后，在轴向外载荷（拉力）的作用下，推动杆体向孔外拉伸，滑移的粗糙段杆体与让压锚具产生相对摩擦滑移，通过滑动摩擦力（即让压力）可实现弹性滑移变形弹性让压，并通过杆体的承载强度继续保持锚固性能。

    图1 恒阻挤压滑移内锚让压锚杆

    2.1 试件准备

    试验共设10组试件，前两组为传统锚杆，后八组为让压吸能锚杆，分别进行静态拉伸和动态冲击拉伸试验。吸能构件的内外径分别为42 mm、50 mm，阻尼材料的厚度为5 mm，圆台体的高度为50 mm，锚杆的基本参数详见表1。

    表1 锚杆试样基本物理参数

    2.2 动态拉伸试验及结果分析

    采用重锤试验机进行动态试验，用于检验吸能锚杆抵抗和吸收冲击能量的性能，表2为冲击拉伸试验的结果。

    表2 动态拉伸试验结果汇总

    让压吸能锚杆的最大拉伸滑移变形量为351.8～457.5 mm，小于500 mm设计值。恒阻力的平均值在136.7 kN左右；
    NR-32-6锚杆（夹持两端，无锚固段）的极限力为195.1 kN，锚杆本身被拉断，基本达到锚杆杆体材料的屈服极限，而其他锚杆受制于内锚固段的锚固性能，锚杆-砂浆界面一旦被破坏，将失去锚固基础，极限承载力的均值为176 kN；
    总吸收能量的变化与极限力趋势类似。普通锚杆的变形能力和吸能特性远小于让压吸能锚杆，试验结果充分说明让压吸能锚杆具有良好的吸能特性和优越的变形能力。

    总体上，在冲击拉伸的过程中，荷载-位移曲线可分为3个阶段（见图2），即初始轴力增长阶段、恒阻波动阶段和屈服强化阶段。通过锚杆的弹性变形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服对能量进行吸收。冲击拉伸锚杆的轴向力明显存在上下波动的现象，可能是因为锚杆杆体与让压构件内表面阻尼材料间存在着粗糙度不均匀的情况，使局部动态摩擦阻力增大或缩小。恒阻滑移让压后轴向力跃至接近最大锚固力（≤极限破断载荷，取决于内锚固段的锚固性能）。

    图2 动态拉伸锚杆轴力-位移曲线

    3.1 锚杆长度估算

    本研究基于开挖区的岩爆倾向性指标分界线以及爆坑深度，提出工程施工中锚杆长度更为合理的确定方法。基于开挖区数值模拟来确定不同等级岩爆对应的分界线、爆坑深度以及塑性区边界轮廓线，从而确定相对准确的锚杆长度。锚杆长度的估算公式见式（1）。

    式中：LB为岩爆支护吸能锚杆的设计长度；
    L弱为弱岩爆边界线距洞壁的深度；
    L有效为剩余有效锚固长度，其要超过L弱，一般取值为50 cm；
    LC为爆坑深度；
    LP为塑性区边界距洞壁深度。

    如图3所示，以极强岩爆为例，岩爆指标集中区域为拱顶的10点钟方向到13点钟方向和爆坑中心距洞壁3～4 m处。以中等岩爆等值线为边界来划分范围，最大深度与跨度分别为8.5 m、15.5 m；
    塑性区跨度约为10.8 m，深度为2.86 m。分析确定锚杆的长度要大于4.5 m，并依据岩爆等值线范围来确定合理的锚杆数目及间排距，从而优化锚杆的支护密度。

    图3 基于修正能量指标和塑性区的锚杆长度确定方法

    3.2 锚杆布设数目及间排距计算

    基于锚喷支护系统的吸能设计要求见式（2）、式（3）。

    式中：E支为支护系统单位面积内极限吸能；
    E岩爆为岩爆发生时单位面积内释放能量；
    E锚杆为单位面积锚杆所吸收能量；
    E混为喷射混凝土的吸收能量；
    b、l分别为锚杆的环向布设宽度和排距；
    n为锚杆数目；
    ER为单根锚杆所吸收的能量。联立式（2）、式（3），可得式（4）。

    以巴基斯坦N-J水电项目为例，极强岩爆的能量释放为100 kJ/m2，混凝土喷层厚度为25 cm，估算吸能为27.4 kJ/m2，让压吸能选取NR-32，可吸收能量约为70 kJ，隧道直径为8.53 m，支护示意图见图4。将参数带入式（4）中，得到锚杆数目n与排距l的关系，结合岩爆能量、势指标分布范围来确定合理的支护参数（见表3）。

    图4 基于能量的支护示意图

    表3 岩爆支护设计

    在对锚杆吸能特性进行研究时，普通32 mm胀壳式锚杆在位移极限为30～50 mm时，吸收能量为7 kJ/根；
    NR-32的内锚让压锚杆由于与恒阻吸能构件配套，可吸收能量约为47.9～59 kJ/根。为了便于计算，统一取50 kJ/根。不同厚度的纤维喷射混凝土搭配菱形金属网联合支护吸收能量进行大致估算：工程普遍采用厚度分别为100 mm、150 mm、200 mm、250 mm的纤维喷射混凝土，对应的吸收能量分别为7.86 kJ/m2、14.36 kJ/m2、20.86 kJ/m2、27.36 kJ/m2。对不同的岩爆等级，现场钢拱架搭配格栅组成的“铁篦子”方案［17］按弱、中等、强岩爆来进行区分，建议钢拱架间距取2.0 m、1.7 m、1.5 m，“铁篦子”每延米分别为直径φ=20 mm、20根，φ=22 mm、20根，φ=20 mm、30根。

    综上所述，基于锚网喷联合支护技术参数优化，提出预防不同等级岩爆的支护体系（见表4）。

    表4 不同等级岩爆支护体系

    针对冲击危险隧道的锚杆支护结构的破坏特征及冲击载荷对锚杆-围岩支护系统的特殊要求，提出一种新型恒阻滑移内锚让压支护技术。对其进行室内试验，试验结果表明，在冲击拉伸中内锚让压锚杆表现出良好的自我保护与冲击适应性，让压吸能特性良好。从能量角度来看，依据不同岩爆等级的能量释放优化支护参数，提出不同的支护对策，建立基于能量原理，以让压吸能锚杆为核心的、适用于不同岩爆等级的控制体系。

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