巷道防沖吸能鋼管混凝土拱架支護(hù)性能研究

許海亮 ，高晗鈞 ，宋義敏 ，安 棟 ，鄭鑫雷

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 北京 100144）

0 引 言

近年來，我國資源開采逐漸走向深部，由于深部巷道高應(yīng)力和強(qiáng)動力擾動的復(fù)雜條件，導(dǎo)致出現(xiàn)大量難支護(hù)巷道[1-2]。面對支護(hù)難題，潘一山等[3]提出三級支護(hù)理論，增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性與抗擾動能力。其中第二級支護(hù)采用O 型棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)，O 型棚主體通常由U 型鋼拱架組成。但隨著采深增加，U 型鋼拱架逐漸暴露出承載強(qiáng)度不足的問題，U 型鋼拱架+錨桿噴聯(lián)合支護(hù)方式不斷出現(xiàn)支護(hù)失效的情況[4-5]。鋼管混凝土作為一種高強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，能在用鋼量相同的條件下達(dá)到U 型鋼支架2～3 倍的承載效果[6-8]。但深部巷道動力災(zāi)害防治要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)保持較高承載力的同時需要具備吸能讓位性能[9-10]。常規(guī)鋼管混凝土拱架并不具備吸能讓位性能，在實(shí)際工程中需搭配泡沫讓壓層、噴射混凝土碹體或設(shè)置可縮型節(jié)點(diǎn)。但目前鋼管混凝土拱架具體讓壓參數(shù)尚未明確，眾多學(xué)者針對鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的讓壓形式展開一系列研究。魏建軍等[11]在鋼管混凝土拱架模擬試驗(yàn)中制作可縮型節(jié)點(diǎn)，并研究可縮節(jié)點(diǎn)增阻規(guī)律; 李術(shù)才團(tuán)隊(duì)[12-13]針對性的研發(fā)了定量讓壓節(jié)點(diǎn)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用，取得較好的初步效果；李為騰等[14]建立了任意節(jié)U型約束混凝土拱架的力學(xué)模型，由此提出了U型約束混凝土拱架的屈服承載力計(jì)算方法；王軍等[15]設(shè)計(jì)了頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前期恒阻可縮、后期增阻可縮的性質(zhì)，并在工程中成功應(yīng)用；鹿偉等[16]對鋼管混凝土拱架節(jié)點(diǎn)處不同連接方式力學(xué)性能進(jìn)行分析；侯元將等[17]對比了不同截面鋼管混凝土支架，彎曲D型鋼管混凝土支架最大應(yīng)力和變形量均小于圓形鋼管混凝土支架。針對鋼管混凝土拱架在巷道支護(hù)中的應(yīng)用，上述研究取得一定效果，但仍存在讓壓點(diǎn)和讓壓量尚未明確，讓壓參數(shù)缺少理論指導(dǎo)等問題，鋼管混凝土拱架可縮讓壓的核心問題仍亟待解決。

針對上述問題，從吸能讓位角度提出了一種巷道防沖吸能鋼管混凝土拱架結(jié)構(gòu)，根據(jù)合理的讓位阻力和讓位位移2 方面對吸能構(gòu)件定量與定位進(jìn)行設(shè)計(jì)，并改變連接處套管形狀，對常規(guī)鋼管混凝土拱架進(jìn)行優(yōu)化。建立新型鋼管混凝土拱架與圍巖組合模型，施加荷載模擬巷道支護(hù)情況，研究新型拱架在靜載和不同方向動載作用下對巷道的支護(hù)效果與抗沖擊能力。

1 巷道防沖吸能鋼管混凝土拱架設(shè)計(jì)

1.1 鋼管混凝土拱架設(shè)計(jì)原理

鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種高強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用到深部軟巖巷道中應(yīng)具備吸能讓位性能，滿足先柔后剛，柔讓適度的支護(hù)理念[18]?；赨 型鋼卡纜的連接形式，將鋼管混凝土連接處套管與鋼管設(shè)置為折紋形狀，并在連接處放置吸能構(gòu)件。在拱架受到?jīng)_擊時，通過鋼管與套管壁摩擦和吸能構(gòu)件的變形，在環(huán)向縮進(jìn)的同時徑向讓位，起到讓位吸能的作用。

為實(shí)現(xiàn)支架防沖6 項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，從合理的讓位阻力特性與合理的讓位位移特性2 方面，對吸能構(gòu)件的定量與定位進(jìn)行考慮：①合理的讓位阻力特性：吸能構(gòu)件屈服阻力需滿足靜載作用下支架的支護(hù)需求，在圍巖發(fā)生沖擊時，吸能構(gòu)件需立即發(fā)生屈服變形，并滿足防沖支護(hù)的強(qiáng)度指標(biāo)。②合理的讓位位移特性：吸能構(gòu)件應(yīng)滿足支架結(jié)構(gòu)需要的讓壓行程，并在變形后不影響后續(xù)的支架承載，滿足支護(hù)的位移指標(biāo)。

1.2 鋼管混凝土拱架吸能讓壓設(shè)計(jì)

根據(jù)某現(xiàn)場U 型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸圖，通過Abaqus建立圖1 所示的鋼管混凝土拱架，從吸能和讓位的角度對現(xiàn)有鋼管混凝土拱架進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 模型尺寸Fig.1 Model size

鋼管和混凝土為C3D8R 單元，鋼管與混凝土之間采用綁定約束，可使混凝土和鋼管保持良好的黏結(jié)力和協(xié)同作用。鋼管的外緣與套管緊貼，此時套管節(jié)點(diǎn)只能為拱架傳遞軸力和小部分剪力，近似鉸接，因此可將其稱為鉸接模式[12]。其中不同構(gòu)件連接面設(shè)置為通用接觸，法線方向的接觸方式采用硬接觸，切向方法設(shè)置摩擦因數(shù)為0.4。

其中鋼管采用20 號結(jié)構(gòu)鋼，混凝土為C40 混凝土，具體參數(shù)見表1、2。套管彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa，密度為7.85×103kg/m3，本構(gòu)采用理想彈塑性，混凝土采用混凝土塑性損傷模型。

表1 鋼管相關(guān)參數(shù)Table 1 Steel pipe related parameters

表2 混凝土參數(shù)Table 2 Concrete parameters

1.2.1吸能構(gòu)件定量與定位

要實(shí)現(xiàn)添加吸能構(gòu)件的舉措，需要解決吸能構(gòu)件定位與定量的問題。首先研究吸能構(gòu)件定量的問題，因其需要在靜載作用下能夠穩(wěn)定承載，受到動載作用時要先于拱架發(fā)生變形，所以要求吸能構(gòu)件承載力略小于鋼管混凝土受彎承載力。

首先對軸壓作用下鋼管混凝土短柱彈性階段的最大承載力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式[19]為：

然后對吸能構(gòu)件尺寸與壁厚進(jìn)行探究，吸能構(gòu)件采用圖2 所示的結(jié)構(gòu)[21]，材料采用Q550 鋼材，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為550 MPa，密度為7.85×103kg/m3。將圖2 中結(jié)構(gòu)按比例縮放后，分析其厚度為6.0、6.5、7.0 mm 時吸能構(gòu)件的承載力與壓潰后最大尺寸，與鋼管混凝土最大承載力和尺寸進(jìn)行對比。

圖2 吸能構(gòu)件模型Fig.2 Model of energy-absorbing components

由表3 可以看出壁厚為7 mm 的一號、二號吸能構(gòu)件和6.5 mm 壁厚的三號吸能構(gòu)件均滿足承載力略小于鋼管混凝土拱架受彎承載力這一條件。但其中二號吸能構(gòu)件在軸向壓潰高度達(dá)到2/3 時，最大尺寸達(dá)到204 mm，超過鋼管混凝土最大截面面積，可能會造成拱架部分堵塞。三號構(gòu)件因其尺寸過大，導(dǎo)致壓潰過程中過早的與拱架壁接觸，影響后續(xù)形變，導(dǎo)致放置位置處結(jié)構(gòu)破壞。故根據(jù)套管尺寸選用壁厚為7 mm 的一號吸能構(gòu)件進(jìn)行模擬。

表3 吸能構(gòu)件對比Table 3 Energy absorbing components contrast

工程中鋼管混凝土拱架受彎后發(fā)生屈折破壞情況較多，考慮將吸能構(gòu)件放置在彎矩和位移量較小處。

如圖3 所示，將現(xiàn)有鋼管混凝土拱架放置巷道進(jìn)行模擬，壓強(qiáng)q加載時間為0.05 s。土體采用參數(shù)見表4，圍巖底面設(shè)置為完全固定，并約束前后面法向位移。為方便計(jì)算，提出如下假設(shè)：①圍巖為連續(xù)均質(zhì)的理想彈塑性體；②模擬過程中圍巖不產(chǎn)生滑移[7]。

表4 巖層與巖石力學(xué)參數(shù)Table 4 Rock formation and rock mechanics parameters

圖3 鋼管混凝土模型Fig.3 Steel pipe concrete impact model

圖4a、4b 為0.02 s 時鋼管混凝土拱架變形初期軸力彎矩圖與水平豎直方向位移矢量圖?？梢钥闯?，左右上部套管連接處、兩幫底部1/4 處和頂?shù)谆《沃胁课恢檬軓澟c位移量較小。相較于頂弧段，底弧段中部位置受彎和位移量更小，考慮在圖4c 中標(biāo)識點(diǎn)位置添加吸能構(gòu)件，觀察其壓潰后效果。

圖4 數(shù)據(jù)圖與路徑點(diǎn)示意Fig.4 Data map with path point diagram

圖5 為各吸能構(gòu)件放置位置變形情況?？梢钥闯?，在吸能構(gòu)件放置標(biāo)識點(diǎn)2 時，拱架受彎塌陷較為嚴(yán)重，標(biāo)識點(diǎn)1 和3 處吸能構(gòu)件壓潰后未影響拱架后續(xù)環(huán)向收縮，效果較好。故將吸能構(gòu)件放置拱架兩側(cè)標(biāo)識點(diǎn)1 處，底弧段則放置在標(biāo)識點(diǎn)3 處。

圖5 吸能構(gòu)件壓潰效果Fig.5 Energy-absorbing component crush effect

1.2.2拱架套管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于U 型鋼卡攬結(jié)構(gòu)提供縮動讓壓的理念，設(shè)計(jì)帶折紋的套管并設(shè)置一定的可縮動范圍，使其與鋼管壁進(jìn)行摩擦，實(shí)現(xiàn)套管處的可縮動讓壓，具體尺寸如圖6 所示。

圖6 套管尺寸Fig.6 Casing size

2 巷道圍巖與鋼管混凝土支護(hù)模型建立

2.1 防沖吸能拱架模型

防沖吸能鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)裝配示意圖如圖7 所示，拱架部分尺寸與優(yōu)化前拱架尺寸相同。其中各部分吸能構(gòu)件上部均預(yù)留10 mm，避免套管與鋼管壁摩擦?xí)r過早與吸能構(gòu)件接觸。吸能構(gòu)件底面設(shè)置tie 約束，防止變形過程中因滑動而導(dǎo)致吸能構(gòu)件偏壓。

圖7 最終裝配示意Fig.7 Final assembly

2.2 巷道圍巖與拱架耦合模型建立

為對比優(yōu)化前后拱架支護(hù)效果，以某礦地質(zhì)條件作為研究背景，結(jié)合工程地質(zhì)條件創(chuàng)建圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合模型，圍巖從上到下分別為細(xì)砂巖、煤和粗砂巖層，具體參數(shù)見表4。

為抵消圍巖在開挖時的撓動，圍巖尺寸設(shè)置為巷道的8 倍，圍巖模型長寬高分別為40 m×0.5 m×40 m。圍巖密度取2 000 kg/m3，埋深取800 m，根據(jù)式（2）得到圍巖自身的豎向應(yīng)力為16 MPa。因深部巷道水平應(yīng)力對穩(wěn)定性影響更明顯，將水平應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)設(shè)為豎向應(yīng)力的1.25 倍。

模型采用動力顯示學(xué)分析，該方法適用于分析沖擊、碰撞等時間短暫的動力學(xué)問題。分為兩步，第一步為初始圍壓加載，在圍巖上方設(shè)置16 MPa 的豎向圍巖壓力，取側(cè)壓系數(shù)為1.25，設(shè)置20 MPa 水平圍巖壓力，該段為靜載段。第二步為動力擾動加載，在初始圍壓作用0.02 s 后保持圍巖壓力不變，在圍巖頂部和兩側(cè)施加20 MPa 的沖擊荷載，來分別模擬豎向和側(cè)向的動力擾動，沖擊荷載施加時間為0.03 s，具體模擬方案如圖8 所示。

圖8 圍巖與支護(hù)組合模型Fig.8 Surrounding rock and support model

3 防沖吸能鋼管混凝土拱架支護(hù)效果

3.1 豎向沖擊下拱架支護(hù)效果

在圍壓作用0.02 s 后，對巷道施加豎向沖擊荷載，分析優(yōu)化前后鋼管混凝土拱架支護(hù)下巷道位移變化，巷道位移如圖9 所示，結(jié)果表明：巷道豎向位移呈現(xiàn)頂部下沉和底弧段上拱的趨勢，且右側(cè)豎向位移大于左側(cè)；巷道水平位移集中在兩幫位置，且右側(cè)部分略大于左側(cè)，上半部分大于下半部分。

圖9 優(yōu)化前后拱架巷道位移矢量Fig.9 Vector of archway displacement before and after optimization

因巷道左右兩側(cè)位移變化呈對稱分布，為研究對巷道支護(hù)效果，選取巷道的右側(cè)布設(shè)觀測點(diǎn)進(jìn)行分析。提取2 種拱架支護(hù)下巷道各路徑點(diǎn)變形量如圖10 所示，圖中實(shí)線為優(yōu)化后拱架支護(hù)巷道，虛線為原拱架支護(hù)巷道，路徑點(diǎn)1 和2 處水平變形較小，不予考慮。

圖10 各路徑點(diǎn)位移量對比Fig.10 Comparison of displacement of each path point

靜載段巷道變形量呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢。受到?jīng)_擊荷載后，巷道底弧段豎向變形量呈先降低后上升的趨勢，頂弧段為上升趨勢，巷道水平變形量均逐漸增加。

其中在靜載段0.02～0.026 s，沖擊荷載未傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)時，巷道豎向和水平變化逐漸趨于穩(wěn)定，表明此時拱架結(jié)構(gòu)可穩(wěn)定承載。此后在沖擊荷載的影響下，巷道變形量持續(xù)增加，最終優(yōu)化后拱架支護(hù)的巷道各點(diǎn)變形量都有所下降，表明優(yōu)化后拱架對巷道支護(hù)效果較好。

3.2 水平?jīng)_擊下拱架支護(hù)效果研究

在圍壓作用0.02 s 后，對巷道兩側(cè)施加沖擊荷載，圖11 為巷道各路徑點(diǎn)變化量，結(jié)果表明：巷道豎向位移呈現(xiàn)頂部下沉和底弧段上拱的趨勢，其中底弧段上拱大于頂弧段下沉；巷道水平位移集中在兩幫位置，且右側(cè)部分略大于左側(cè)，上半部分大于下半部分。

圖11 優(yōu)化前后拱架巷道位移矢量Fig.11 Vector of archway displacement before and after optimization

各點(diǎn)提取路徑與豎直沖擊一致，如圖12 所示。受到?jīng)_擊荷載后，巷道底弧段豎向變形量呈先降低后上升的趨勢，頂弧段為上升趨勢，巷道水平變形量均逐漸增加。

圖12 各路徑點(diǎn)位移量對比Fig.12 Comparison of displacement of each path point

在側(cè)向沖擊作用下，最終優(yōu)化后拱架支護(hù)的巷道各點(diǎn)變形量都有所下降，表明優(yōu)化后拱架對巷道支護(hù)效果較好。

4 優(yōu)化前后拱架受沖擊形變研究

為研究2 種拱架在支護(hù)中的形變規(guī)律，提取圖13 所示2 種拱架在豎向沖擊和側(cè)向沖擊時的等效塑性應(yīng)變云圖，左圖為原拱架，右圖為優(yōu)化后拱架，圖中彩色部分為屈服位置。

圖13 拱架等效塑性應(yīng)變Fig.13 Equivalent plastic strain of the arch

原拱架左右兩幫與上部連接處首先發(fā)生變形，而后頂?shù)谆《伟l(fā)生塑性變形。優(yōu)化后拱架則是套管與連接處吸能構(gòu)件首先發(fā)生變形，后續(xù)形變與原拱架一致，形變面積隨沖擊的增加而增大。

圖14 為優(yōu)化前后拱架等效塑性應(yīng)變值對比，研究發(fā)現(xiàn)：靜載段拱架通過套管與鋼管之間的摩擦和吸能構(gòu)件的變形，提供了較好的吸能讓壓性能，靜載段后期拱架等效塑性應(yīng)變均未增加，拱架未繼續(xù)發(fā)生形變。

圖14 等效塑性應(yīng)變對比Fig.14 Equivalent plastic strain comparison

豎向沖擊作用下，動載傳遞到拱架后，路徑點(diǎn)4等效塑性應(yīng)變開始上升，但仍小于原拱架，其余各點(diǎn)塑性應(yīng)變?nèi)晕丛黾印Ｔ?.041 s 時吸能構(gòu)件被壓潰，并未影響拱架后續(xù)的環(huán)向縮進(jìn)，拱架整體開始承載，拱架各點(diǎn)等效塑性應(yīng)變開始上升。最終優(yōu)化后拱架各處等效塑性應(yīng)變明顯小于原拱架，受彎最嚴(yán)重的路徑點(diǎn)4 等效塑性應(yīng)變降低了10%，其余路徑點(diǎn)也降低了30%～50%。

側(cè)向沖擊傳遞到拱架后，路徑點(diǎn)2、3 和6 等效塑性應(yīng)變?nèi)晕丛黾?，其余各點(diǎn)開始上升。在0.039 s時吸能構(gòu)件被壓潰，并未影響拱架后續(xù)的環(huán)向縮進(jìn)，拱架各點(diǎn)等效塑性應(yīng)變開始上升。最終優(yōu)化后拱架各處等效塑性應(yīng)變明顯小于原拱架，受彎較嚴(yán)重的路徑點(diǎn)5 處降低12.5%，其余路徑點(diǎn)也降低了13%～78%。

表明優(yōu)化后拱架在加設(shè)吸能構(gòu)件與改變套管形狀后，給拱架結(jié)構(gòu)提供吸能讓壓性能，拱架在靜載和動載作用下整體形變顯著降低，對拱架保護(hù)作用較好。在深部巷道支護(hù)中更有優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

1）計(jì)算得到鋼管混凝土受彎彈性階段的最大承載力為2 125.65 kN，通過調(diào)整吸能構(gòu)件的尺寸和壁厚，選取壁厚為7 mm 的一號吸能構(gòu)件，滿足保持較高承載力且先于鋼管混凝土變形的條件；根據(jù)現(xiàn)有鋼管混凝土拱架受沖擊時的彎矩軸力與位移矢量，選取適合加裝吸能構(gòu)件的3 個位置，觀察其最后壓潰效果，最終選取上部連接處和底弧段中部進(jìn)行加裝吸能構(gòu)件；基于U 型鋼卡攬結(jié)構(gòu)提供讓壓的理念，設(shè)置折紋套管，通過套管與鋼管壁摩擦實(shí)現(xiàn)讓壓。

2）優(yōu)化后拱架支護(hù)下巷道位移量明顯減少，提取側(cè)壓系數(shù)為1.25 時巷道路徑點(diǎn)位移發(fā)現(xiàn)，靜載段后期巷道位移趨于穩(wěn)定，此時優(yōu)化后拱架可穩(wěn)定承載，最終巷道各點(diǎn)位移減少3～20 mm。表明優(yōu)化后拱架在改變結(jié)構(gòu)后，能滿足正常工作的要求，支護(hù)效果更強(qiáng)。

3）優(yōu)化前后拱架套管附近受彎較嚴(yán)重，等效塑性應(yīng)變最大值為兩幫拐角處，為易發(fā)生破壞位置；在靜載作用下，優(yōu)化后拱架經(jīng)過初期的縮進(jìn)與吸能構(gòu)件接觸，吸能構(gòu)件開始發(fā)生形變，此時優(yōu)化后拱架各點(diǎn)等效塑性應(yīng)變不再增加。在動載傳遞到拱架后，兩幫拐角處開始彎曲，但其余部分仍未發(fā)生較大變形。吸能構(gòu)件壓潰后，拱架各點(diǎn)處等效塑性應(yīng)變開始增加。最終優(yōu)化后拱架各點(diǎn)處等效塑性應(yīng)變豎向沖擊下降低了10%～50%，側(cè)向沖擊下降低了12.5%～78%。表明優(yōu)化后拱架在面對靜載和動載時效果更好，在深部巷道高應(yīng)力與動力擾動的環(huán)境下更具優(yōu)勢。