馬池帥

（國(guó)家知識(shí)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(qiáng)突發(fā)性、強(qiáng)破壞性和瞬時(shí)大變形的特征［1-3］，其往往伴隨著猛烈的能量釋放和瞬時(shí)的動(dòng)量傳播。控制技術(shù)要針對(duì)巖爆發(fā)生的可能性與強(qiáng)弱程度，來(lái)提出減小巖爆災(zāi)害規(guī)模與等級(jí)的工程控制措施及相對(duì)應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方法，從而實(shí)現(xiàn)“弱巖爆不壞、中巖爆可修、強(qiáng)巖爆不垮”的目標(biāo)。在現(xiàn)有的巖爆防護(hù)方案中，已注意到選擇吸能構(gòu)件對(duì)巖爆硐室進(jìn)行支護(hù)的重要性，從而引入讓壓吸能錨桿或其他防沖吸能支護(hù)構(gòu)件［4-9］。但在吸能錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸能特性以及基于能量平衡理論的聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面還要進(jìn)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(biāo)的分界線以及爆坑深度，提出錨桿長(zhǎng)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(jí)的能量釋放來(lái)優(yōu)化支護(hù)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(jí)的控制對(duì)策。

1 恒阻內(nèi)錨吸能錨桿及其結(jié)構(gòu)特征

高等級(jí)巖爆發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊載荷，其作用到錨固作用范圍的巖體上，會(huì)在瞬間一次性摧垮隧道。理想的錨固系統(tǒng)應(yīng)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(chǔ)上，本研究提出套管式內(nèi)錨讓壓錨桿（見圖1），其通過(guò)擠壓套與桿體的徑向擠壓和滑移，拉伸錨桿桿體，從而實(shí)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(guò)螺紋與螺母相連接，中間為光圓段，在光圓段的內(nèi)端設(shè)有止退翼，在讓壓裝置末端設(shè)有阻擋件和注漿帽。當(dāng)其受到圍巖荷載作用后，在軸向外載荷（拉力）的作用下，推動(dòng)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(duì)摩擦滑移，通過(guò)滑動(dòng)摩擦力（即讓壓力）可實(shí)現(xiàn)彈性滑移變形彈性讓壓，并通過(guò)桿體的承載強(qiáng)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(yàn)

2.1 試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)共設(shè)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(jìn)行靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)沖擊拉伸試驗(yàn)。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(tái)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(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用重錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)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(yàn)的結(jié)果。

表2 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)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(shè)計(jì)值。恒阻力的平均值在136.7 kN左右；NR-32-6錨桿（夾持兩端，無(wú)錨固段）的極限力為195.1 kN，錨桿本身被拉斷，基本達(dá)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(chǔ)，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(shì)類似。普通錨桿的變形能力和吸能特性遠(yuǎn)小于讓壓吸能錨桿，試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)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(guò)程中，荷載-位移曲線可分為3個(gè)階段（見圖2），即初始軸力增長(zhǎng)階段、恒阻波動(dòng)階段和屈服強(qiáng)化階段。通過(guò)錨桿的彈性變形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服對(duì)能量進(jìn)行吸收。沖擊拉伸錨桿的軸向力明顯存在上下波動(dòng)的現(xiàn)象，可能是因?yàn)殄^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(dòng)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(dòng)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(duì)策

3.1 錨桿長(zhǎng)度估算

本研究基于開挖區(qū)的巖爆傾向性指標(biāo)分界線以及爆坑深度，提出工程施工中錨桿長(zhǎng)度更為合理的確定方法?；陂_挖區(qū)數(shù)值模擬來(lái)確定不同等級(jí)巖爆對(duì)應(yīng)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(duì)準(zhǔn)確的錨桿長(zhǎng)度。錨桿長(zhǎng)度的估算公式見式（1）。

式中：LB為巖爆支護(hù)吸能錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(zhǎng)度，其要超過(guò)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(qiáng)巖爆為例，巖爆指標(biāo)集中區(qū)域?yàn)楣绊數(shù)?0點(diǎn)鐘方向到13點(diǎn)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(lái)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(zhǎng)度要大于4.5 m，并依據(jù)巖爆等值線范圍來(lái)確定合理的錨桿數(shù)目及間排距，從而優(yōu)化錨桿的支護(hù)密度。

圖3 基于修正能量指標(biāo)和塑性區(qū)的錨桿長(zhǎng)度確定方法

3.2 錨桿布設(shè)數(shù)目及間排距計(jì)算

基于錨噴支護(hù)系統(tǒng)的吸能設(shè)計(jì)要求見式（2）、式（3）。

式中：E支為支護(hù)系統(tǒng)單位面積內(nèi)極限吸能；E巖爆為巖爆發(fā)生時(shí)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(shè)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(xiàng)目為例，極強(qiáng)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(hù)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(guān)系，結(jié)合巖爆能量、勢(shì)指標(biāo)分布范圍來(lái)確定合理的支護(hù)參數(shù)（見表3）。

圖4 基于能量的支護(hù)示意圖

表3 巖爆支護(hù)設(shè)計(jì)

在對(duì)錨桿吸能特性進(jìn)行研究時(shí)，普通32 mm脹殼式錨桿在位移極限為30～50 mm時(shí)，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(jì)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(hù)吸收能量進(jìn)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(duì)應(yīng)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(duì)不同的巖爆等級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)鋼拱架搭配格柵組成的“鐵篦子”方案［17］按弱、中等、強(qiáng)巖爆來(lái)進(jìn)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(hù)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，提出預(yù)防不同等級(jí)巖爆的支護(hù)體系（見表4）。

表4 不同等級(jí)巖爆支護(hù)體系

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)沖擊危險(xiǎn)隧道的錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特征及沖擊載荷對(duì)錨桿-圍巖支護(hù)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(hù)技術(shù)。對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)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(hù)與沖擊適應(yīng)性，讓壓吸能特性良好。從能量角度來(lái)看，依據(jù)不同巖爆等級(jí)的能量釋放優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提出不同的支護(hù)對(duì)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(jí)的控制體系。