傳統(tǒng)懸吊、組合拱理論與松動圈理論聯(lián)系差異探究

王一立 范留軍

（1.三峽大學，湖北 宜昌 443000；2.鄭州科技學院，河南 鄭州 450007）

0 引言

錨桿支護作為巖土體支護的一種重要方式，其支護機理也是隨著巖土體支護機理的發(fā)展而發(fā)展的，巖土體錨固機理及計算模型主要有兩種模式，一是結構力學模式，二是巖土力學模式。

結構力學模式認為，圍巖僅對支護結構產生荷載，包括圍巖主動的壓力和被動的彈性抗力，這種荷載-結構模式，是運用結構力學的解法進行求解，在這種模式的基礎上發(fā)展出來的錨桿支護機理有懸吊減跨理論，組合梁理論，組合拱理論以及楔固理論。

巖土力學模式以巖體的自身強度和自身承載能力為出發(fā)點，這種理論認為，錨桿的作用主要是加固巖土體的力學性質，從宏觀上分析錨桿是限制巖土體脫離原來位置或是產生較大變形，但從力學方面分析是提高了巖土體的抗剪強度參數(shù)，即粘聚力和內摩擦角，可以認為是錨桿與巖土體共同作用形成一個強度較大的復合體系。錨桿支護中基于這種理論提出的松動圈支護理論，錨桿提高加固體強度參數(shù)理論[1]。

有必要指出，松動圈理論與傳統(tǒng)支護理論中的懸吊理論，組合拱理論具有一定的相似之處，因為松動圈理論中的中松動圈和大松動圈原理的提出正是基于懸吊理論和組合拱理論，但他們之間又有很大的區(qū)別，因此，有必要深入的闡述松動圈理論和傳統(tǒng)懸吊理論，組合拱理論之間的聯(lián)系，著重分析他們之間的差異，使學者和工程技術人員對懸吊理論，組合拱理論和松動圈理論有個更加清晰的認識和理解，對理論的發(fā)展和工程實踐中選擇合理的支護理論進行設計都有一定的指導意義。

1 錨桿傳統(tǒng)懸吊理論，組合拱理論

1.1 錨桿傳統(tǒng)懸吊作用理論

懸吊理論認為，巷道經過開挖，其內部的應力狀態(tài)會改變，原有的穩(wěn)定巖體因應力改變，內部裂隙張開，塊體切割出現(xiàn)破碎，出現(xiàn)不穩(wěn)的巖塊，在巷道圍巖的一定范圍內，應當存在具有穩(wěn)定巖層或是穩(wěn)定巖層結構，將錨桿錨固于穩(wěn)定巖層或穩(wěn)定巖層結構中，下部破碎巖體通過錨桿的作用將自身重量荷載傳遞到深部穩(wěn)定巖層中，錨桿桿體充分發(fā)揮自身抗拉的能力傳遞荷載。

1.2 組合拱理論

錨桿懸吊作用主要強調單根錨桿對圍巖的懸吊能力，而組合拱理論則主要發(fā)揮錨桿的群體效應。組合拱理論是指，在軟弱圍巖開挖巷道時，巷道變形較大，巖體較為破碎，在巷道圍巖中錨固錨桿時，在預應力的作用下錨桿會在端部形成一個受壓的圓錐形區(qū)域[2]，如果如果沿巷道周邊均勻的布置錨桿，則受壓的錐形區(qū)域會相互重合，并形成具有一定寬度的連續(xù)受壓帶，如果能有合理的措施，保證受壓帶內的巖體不被擠出，則其強度參數(shù)會有很大程度的提高。壓縮帶不僅能保持自身的穩(wěn)定，而且形成的拱形結構還能保持圍巖的穩(wěn)定性。

1.3 松動圈概念及支護理論

1.3.1 松動圈概念

巷道圍巖松動圈是指在巷道或隧道經過開挖以后，原有圍巖應力狀態(tài)隨著開挖卸荷會重新分布，巷道周邊應力由三向受壓應力狀態(tài)轉變成二向甚至單向應力狀態(tài)，巷道表面徑向力為零，巷道環(huán)向方向會出現(xiàn)應力集中。在巷道壁面向巷道圍巖深部逐漸過渡到原巖三向受力狀態(tài)的過程中，環(huán)向應力逐漸減小，當一定深度的圍巖強度難以承受應力集中程度時，則此處圍巖將會破壞，當圍巖強度剛好平衡應力時，此處圍巖處于塑性屈服狀態(tài)，則圍巖塑性屈服點到相應巷道之間的徑向距離，就是松動的厚度，倘若開挖巷道為圓形且地質條件在各個方向一致，則松動會沿著巷道形成一定厚度圓形圈，這個圓形圈就成為松動圈。當圍巖為不均質，受較大地應力以及其他地質條件的影響時將呈異形的松動圈。

1.3.2 松動圈支護理論

巷道圍巖中普遍存在松動圈，只有少量洞徑較小的巷道圍巖處于彈性狀態(tài)。巷道圍巖松動圈支護理論為，圍巖開挖過程中會產生破碎膨脹，這種碎脹變形將會產生較大甚至大于巖體自重的碎脹荷載，此時，碎脹荷載是圍巖支護的主要荷載。松動圈為零時是圍巖可以自穩(wěn)的條件[3-4]。根據(jù)巷道中實測或根據(jù)有關分類方法預測出的松動圈半徑，將松動圈劃分為小松動圈，中松動圈和大松動圈。其中，小松動圈半徑LD<40cm，處于彈塑性狀態(tài)的圍巖體與巷道表面很小，一般看做是穩(wěn)定圍巖，可以不進行支護或是視圍巖表面情況采用噴射混凝土支護；中松動圈半徑為0cm150cm，支護理論是錨桿組合拱理論，采用的支護措施主要是錨桿形成組合拱，局部加設鋼筋網，并表面噴射混凝土[5]。

2 松動圈理論與傳統(tǒng)懸吊，組合拱支護理論的關系

由于松動圈支護理論根據(jù)松動圈半徑的不同，采用不同的支護理論。小松動圈時無需支護或是僅需要表面噴射混凝土，而中松動圈和大松動圈錨桿支護理論與傳動錨桿的懸吊理論和組合拱理論相似，所以此處重點分析中松動圈和大松動圈錨桿支護理論與傳統(tǒng)支護理論之間的差異。

2.1 錨桿中松動圈支護理論與傳統(tǒng)懸吊理論差異

錨桿中松動圈支護理論采用的是懸吊理論，與傳統(tǒng)懸吊理論在基本原理上是一致的，即都是通過錨桿的懸吊作用將不穩(wěn)定圍巖錨固于穩(wěn)定巖層中。但是在適用條件，支護對象，錨桿長度設計，錨桿與圍巖之間的協(xié)調關系方面存在較大的差異。

1）適用條件上：傳統(tǒng)懸吊理論主要基于自然冒落拱和組合梁板理論，因此，需要巷道頂板具有穩(wěn)定的巖層或是巖層結構并且不適用于巷道的側邊壁和底板，倘若巷道頂板沒有穩(wěn)定的巖層，或者穩(wěn)定巖層離巷道較遠，此時按照傳統(tǒng)懸吊理論解釋錨桿支護是沒有作用的，但實際錨桿支護效果很好，此時傳統(tǒng)懸吊就難以解釋了。松動圈懸吊支護理論是基于實測的松動圈的范圍，錨桿錨固于松動圈之外的一定范圍即可發(fā)揮錨桿的懸吊作用，無論巷道頂板一定范圍內是否具有穩(wěn)定的巖層。此外，巷道周圍均有松動圈存在，所以該理論能適用于巷道各個部位。

2）在支護對象上：傳統(tǒng)懸吊理論將巷道頂板中不穩(wěn)定的破碎巖體，冒落拱內的巖體重量作為支護的對象，很容易通過巖體的重量計算所需反力，錨桿設計參數(shù)比較明確，但倘若圍巖較為破碎，裂隙發(fā)育，則不穩(wěn)定巖體和冒落拱內的巖體重量將非常大，此時支護強度就需要很大。松動圈理論認為在巖石破碎過程中會產生碎脹力，碎脹力是錨桿支護的主要對象，碎脹力的大小與支護時機有很大的關系，所以錨桿設計參數(shù)時較難確定。

3）錨桿長度設計上：傳統(tǒng)懸吊理論和中松動圈理論支護理論在錨桿長度設計公式均為（1）[5]，主要是不穩(wěn)定層厚度的選擇不同：

其中D為不穩(wěn)定巖層厚度，k為安全系數(shù)，一般取為k=1-1.25，l1,l2分別為錨桿錨進穩(wěn)定巖層的長度和錨桿外露長度，對于安全系數(shù)，錨桿錨固和外露長度容易確定，對于不穩(wěn)定層D的厚度，松動圈理論是通過把實測的松動圈厚度作為不穩(wěn)定層的厚度，具有數(shù)值準確易定的特點。而傳統(tǒng)懸吊理論的不穩(wěn)定層厚度是從巷道頂點到圍巖堅硬穩(wěn)定層的，堅硬巖層位置難以確定，這就導致不穩(wěn)定層的厚度難以確定。

4）錨桿與圍巖之間的相互關系上：錨桿和圍巖之間的關系，是兩種理論的一個根本區(qū)別。傳統(tǒng)懸吊理論將破碎不穩(wěn)定的圍巖均認為是被支護的對象，圍巖沒有任何自承能力，只有通過錨桿的支護才能保持穩(wěn)定，所以在錨固段圍巖對錨桿剪應力向上，不穩(wěn)定段圍巖對錨桿的剪應力向下，錨桿錨固端必須支護在錨桿穩(wěn)定的堅硬巖層中。而松動圈理論認為，圍巖在松動圈之外圍巖處在塑性平衡穩(wěn)定狀態(tài)，無論是否是堅硬的巖層，都可以作為錨桿的錨固段，圍巖和錨桿是共同承受松動圈內的碎脹力的。也就是說，傳統(tǒng)懸吊理論是不考慮圍巖自承能力的，而松動圈理論考慮了圍巖的自承能力，與實際情況更加吻合。

2.2 大松動圈理論與組合拱理論差異

當在軟巖中開挖巷道時，一般會產生較大的松動圈，當松動圈厚度值LD>150cm，稱為大松動圈圍巖狀態(tài)，此時的錨桿懸吊理論難以滿足支護機理，而組合拱理論則對大變形軟巖巷道的支護提供了一種理論基礎。組合拱理論是圍巖在單根錨桿擠壓作用下會形成一個錐形擠壓區(qū)，多根錨桿沿巷道周邊合理布置后，錐形擠壓區(qū)會相互重合形成一個具有一定厚度的連續(xù)擠壓帶，在擠壓帶內部的巖體，無論是否破碎，只要經過鋼筋網或是噴射混凝土等合理措施，以限制其不掉塊擠出，則內部巖體就會是三向受力狀態(tài)，大大增加了其力學性質，有效的增強了巷道的穩(wěn)定性。擠壓帶隨著巷道斷面改變在松動圈中會形成不同的形狀，當巷道斷面是拱形時，則擠壓帶呈拱形結構，當是矩形斷面時，會出現(xiàn)矩形結構擠壓帶。

大松動圈的擠壓拱理論是借鑒了傳統(tǒng)組合拱理論，但是松動圈的擠壓拱理論還著重考慮了一下三個方面的問題。

1）擠壓拱厚度的確定：擠壓拱厚度b由公式（2）確定[5]：

其中l(wèi)為錨桿長度，α是錨桿對破碎巖體的控制角，取值45度，a為錨桿間距。

由公式（2）可知，擠壓拱的厚度隨錨桿長度的增大而增大，隨錨桿間距的減小而增大，可見，擠壓拱厚度的確定對錨桿長度和間距的設計至關重要，此時，可以借鑒松動圈懸吊理論的做法，將錨桿松動圈厚度乘以一個安全系數(shù)作為擠壓拱厚度，而松動圈厚度可以采用超聲波，巖石電阻率等方法進行較為準確的測定。

2）擠壓拱錨桿間的巖體限制：傳統(tǒng)組合拱理論也要求對錨桿間的巖體進行有效的限制，這多是出于對巷道周邊變形量和掉塊安全的考慮，而松動圈擠壓拱理論則更多的從保持擠壓拱的完整性考慮，倘若錨桿間的巖體不能有效的進行限制而導致巖體掉塊、脫落，則擠壓拱就會隨之減弱，甚至漸進破壞而導致整個擠壓帶失效。所以，讓圍巖形成有效的擠壓帶除了合理布置錨桿之外，還應當對進行加設鋼筋網，噴射混凝土等措施進行加固。

3）動態(tài)壓力對松動圈支護的影響：松動圈理論認為，巷道開挖完成后，其松動圈范圍基本確定，但是當巷道出現(xiàn)二次開挖，周圍隧道群的開挖，煤礦中巷道上次及下層煤的開采等都會引起巷道原有松動圈的變化，因此，在進行松動圈擠壓拱厚度的確定時，要充分考慮這些因素的影響，掌握松動圈動態(tài)發(fā)展規(guī)律，對擠壓拱進行合理設計，確保一次設計能充分考慮到未知壓力變化時對擠壓拱的影響。松動圈擠壓拱的動態(tài)設計是傳統(tǒng)組合拱理論沒有充分考慮的地方。

3 結論

本文通過對錨桿傳統(tǒng)懸吊理論，組合拱理論以及松動圈支護理論的分析，指出松動圈理論中的懸吊理論，擠壓拱理論與傳統(tǒng)懸吊理論，組合拱理論之間的聯(lián)系與差異，并著重指出不同理論的差異點，使學者或是工程技術人員能對這三種理論有個清晰的認識，對以后錨桿支護理論的發(fā)展和錨桿在實際工程中的應用也有一定的指導意義，并得出如下結論：

1）中松動圈的懸吊理論在適用條件上更加廣泛，支護對象主要是圍巖破碎過程中的碎脹力，錨桿長度設計不穩(wěn)定巖層的厚度可取松動圈的厚度，錨桿與圍巖之間的協(xié)調關系上充分利用論文圍巖的自承能力，以上幾個方面與傳統(tǒng)支護理論具有較大的差異。

2）大松動圈擠壓拱理論對擠壓拱錨桿間的巖體限制主要是為增強擠壓拱的穩(wěn)定性，而動態(tài)壓力對松動圈支護具有明顯的影響，這些方面比傳統(tǒng)組合拱理論的認識和分析更加深入。

［1］沈紹學.錨桿支護理論探析[J].科技創(chuàng)新導報,2008,25：90.

［2］賈穎絢,宋宏偉.土木工程中錨桿支護機理研究現(xiàn)狀與展望[J].巖土工程界,2003,08：53-56.

［3］畢遠志,朱贊成.利用松動圈原理確定錨桿支護參數(shù)的方法[J].江南大學學報,2006,02：241-245.

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［5］周保生,富強,謝耀社.圓形巷道錨桿支護參數(shù)研究[J].江蘇煤,1996,02：30-31+40.