基于地下圆形结构弹塑性理论的让压支护研究

对比普通支护,让压支护在高地应力大变形隧道中的应用有着明显的优势,其不仅能最大限度利用围岩的自承能力,而且能减小支护结构的受力,保证地下结构的安全性。基于地下圆形结构弹塑性理论,假设围岩及衬砌符合理想弹塑性本构关系,并符合库仑屈服条件,对隧道中的让压支护进行了理论分析,并通过算例对其试算。

深埋松散特厚煤层巷道变形及全锚索梯次让压支护技术研究

针对深埋藏松散特厚煤层巷道围岩变形与破坏的显著问题,往昔采用的传统锚杆支护方式显然难以遏制其变形趋势。为改变当前深埋巷道的支护状况,进一步强化围岩承载能力,对巷道围岩的变形特点及其破坏成因展开了详尽的分析。在此基础上,提出了新颖的全锚索梯次让压支护技术。现场应用结果表明,这一支护方案实施之后,巷道围岩的变形得到了显著控制,围岩裂隙发育的程度相对适中,顶板下沉及两帮收敛的最大累计值分别为58 mm和120 mm,巷道围岩的变形状况完全满足正常的使用需求。

硬岩破碎带公路隧道柔性让压支护结构受力特性分析

针对硬岩破碎带隧道开挖后易出现变形过大,导致坍塌、强刚性支护结构实用性不高的问题,文章采用数值模拟方法,研究柔性让压支护结构应用于硬岩破碎带隧道中的可行性,并基于GSI岩体分级对硬岩破碎带围岩模拟计算参数进一步精细化,使计算结果更贴近实际工况。通过数值模拟计算得到柔性让压支护结构在硬岩破碎带中的应用效果及受力特性:在硬岩破碎带中施作柔性让压支护结构,能够更好地发挥围岩的自稳能力,有效减小坍塌等灾害出现的可能性;施作柔性让压支护结构时,破碎带隧道开挖后的形变量较小;柔性让压支护结构中的锚杆与钢带能够共同作用,更合理分配受力,提高锚杆的使用效率。

轻质吸能材料在地下矿山巷道让压支护中的数值模拟研究

在深部黄金资源开发过程中,复杂破碎围岩巷道支护是矿山亟须解决的问题之一。目前矿山多使用钢拱架背木联合支护形式,但木材可燃易腐蚀的特点,不适用于井下永久支护。基于数值模拟研究,提出采用具有轻质吸能特点的新型支护材料作为衬砌,在巷道支护中取代背木的作用。理论分析结果表明,新型轻质吸能类材料具有明显的吸能、让压效果,较为适用于复杂破碎巷道让压支护体系。

高应力软岩巷道可接长锚杆让压支护技术

高应力软岩巷道的塑性区范围和变形量均较大,其稳定型控制需要支护材料具备良好的延伸性能及深部锚固特性。基于'高阻让压'而研发的可接长锚杆长度大于4 m、延伸率为17%,破断载荷为195 kN,能够适应此类巷道的变形破坏特征。根据支护材料和围岩的变形破坏特征,分别建立了可接长锚杆和'锚杆+锚索'支护系统的本构模型,结果表明:为保证支护结构稳定,避免支护系统本构模型失稳后应变量剧增,支护系统本构模型的应变上限不能超过支护元件的最大应变量;可接长锚杆能够能提供远大于锚索的让压距离,保障软岩巷道支护系统的支护强度和稳定性。试验条件下,可接长锚杆的平均支护阻力约为170.2 kN,顶板0~4 m内围岩理论变形量为264 mm,与工程实际变形量比较接近,起到了对高应力软岩巷道顶板的让压支护的目标。

让压支护体系在软岩大变形公路隧道中的应用研究

随着软岩大变形公路隧道支护体系中衬砌开裂、钢支撑扭曲、锚杆拉断等各种灾害问题的凸显,传统的强支护体系在大变形隧道处治中受到了极大的挑战,基于此,从围岩形变能合理释放、进而优化支护结构受力的这一思想出发,提出及时-强-让压支护的新型设计理念,并依据该设计理念提出基于让压锚杆+可缩性钢拱架+带变形槽或让压控制器的喷射混凝土组成的让压支护系统。以此支护系统为基础,结合杜家山公路隧道的大变形特征,对该体系中起始让压点及让压量等关键技术问题进行研究,结果表明:采用让压支护体系时,起始让压点越晚或让压量越大,围岩应变能释放越多,支护结构承受荷载亦即越小。但若让压量较小或起始让压点过早,则不能达到有效释放围岩形变能、改善支护结构受力的目的。若起始让压点过晚或让压量较大,虽充分释放了围岩位移,但因释放量过大而有可能导致围岩的破坏甚至塌方风险,故让压支护体系中起始让压点及让压量的设置应结合具体工程合理选择。

深埋大跨度软岩硐室让压支护设计研究

针对金川三矿区破碎硐室进行了较系统的支护设计研究,得到了一些有价值的成果。首先根据工程地质和围岩自身的特点,在原设计方案的基础之上提出了三步开挖、二次支护和三次让压的总体计算方案,并采用三水平四因素的正交试验表设计了16个让压支护方案;然后,应用FLAC2D对这16个支护方案分别进行了计算,并采用文中所提出的优选评价指标Es进行了综合评定和分析,得到了最佳让压方案;最后,应用FLAC3D对最佳让压方案进行了24工序的三维开挖与支护计算,并提出了较为合理的开挖与支护建议。实际应用表明,优化后的方案有利于该深埋大跨度软岩硐室的长期稳定,该优化设计方法有一定的推广价值。

让压支护技术在软岩大变形隧道中的应用探讨

以新型让压锚杆的研发及其在煤矿系统大变形巷道中的成功应用为基础,提出了在交通隧道软岩大变形支护过程中应采用"及时支护、强支护与让压支护"三者相结合的基本原则,即保持一定支护阻力维持围岩稳定的同时,允许支护体系产生一定的位移,以达到支护、让压及卸载多重并举的功能。并据此设计了由让压锚杆、喷射砼、让压控制器及钢拱架等组成的让压支护体系。通过探讨让压锚杆的基本作用机理,对让压支护系统的各组成构件、关键技术等问题深入分析,提出了让压支护系统中构件间的组合方式,指出了今后需解决的关键技术问题:即保持让压支护系统变形协调性及稳定性,确定围岩自由变形量、围岩-支护共同变形量及恒阻让压量三者之间的关系,科学设定起始让压荷载及保持构件恒阻让压特性等。同时建议未来依托合适的工程背景开展让压支护系统的现场试验研究,进一步验证该系统的可靠性与适宜性。

软岩隧道大变形环向让压支护机制研究

传统锚喷支护不能满足软岩隧道变形控制的要求,让压支护成为控制变形的重要手段。环向让压支护是在隧道环向设置让压装置,实现支护结构刚-柔-刚的特性。从隧道开挖-支护过程中能量转化的角度,阐明了环向让压支护的原理,运用结构力学的解析法分析影响支护结构变形的主要因素,利用有限元软件ABAQUS比较分析传统支护与环向让压支护力学特点。得出如下结论:初期支护属于典型的压弯构件,环向让压支护通过环向压力使得让压装置屈曲,与支护结构的内力相一致,既能实现一定的支护阻力,又通过周长的缩短调整围岩应力和围岩压力;环向让压装置应设置在弯曲应力较小处,并确保其抗剪切的刚度和承载力,应具备"强剪弱压"的特点;环向让压支护具有刚-柔-刚的力学特性,可以实现与高地应力软岩的流变特性相适应。

高地压巷道锚索让压支护技术的探讨

锚索配合锚杆进行松软顶板及高地压巷道的支护,使巷道的安全性和支护状况得到显著改善;然而在松软顶板、位于断层构造带或高地层压力特别是高水平应力围岩巷道中使用锚杆与锚索联合支护,锚索出现了大量的断裂或损坏。论文根据对高地压顺槽中锚索普遍破断的状况原因的调查与分析研究,提出了采用防止锚索破断的让压支护技术与措施,取得了明显的技术效果。

金川矿区副井工程让压支护数值分析与参数优化

针对金川三矿区副井工程的支护,根据现代支护理念提出了适当让压后再支护的原则。通过现场调查提出了12个让压支护方案,恰当地选取各种岩体及支护计算参数,运用FLAC2D数值分析软件对12个让压支护方案进行了数值分析。通过分析不同衬砌厚度下围岩收敛量、衬砌的收敛量、塑性区厚度及衬砌最大主应力与围岩让压位移值的关系曲线,得到不同衬砌厚度的最佳让压范围和平均最佳让压值。然后又根据其最佳让压值,模拟分析了不同支护厚度下衬砌收敛量、围岩塑性区厚度及衬砌最大主应力。通过对比分析,得到最佳让压值下最佳的支护厚度,最终给出了合理的让压支护方案。

大变形隧洞支护现状与新型让压支护发展与展望

随着我国各项基础设施建设的发展,穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的深埋长大隧洞工程不断涌现,高地应力、软岩条件下隧洞大变形问题日益凸显,并危及工程安全。对国内外大变形隧洞支护方式进行了系统调研。调研结果显示,目前对交通、水电水利等行业的隧道大变形问题的处理,均是以强支护或分层强支护为主的方案进行的,不仅造成材料的极大浪费,而且大变形造成的危害并未有效消除。而煤矿行业在处理大变形问题时成功采用了一种让压支护方案,通过对两种不同支护方式的对比分析,认为让压支护体系克服了目前交通、水电水利等行业中支护体系的缺陷,具有良好的应用前景。

三软煤层回采巷道恒阻让压支护技术

为解决第三系地层三软煤层回采巷道在掘进及回采期间围岩变形量大、难以支护的问题、多次返修后仍无法实现稳定等问题,分析了巷道变形破坏的特征和机理,指出了巷道围岩抗压强度低、遇水膨胀、受动压影响,以及传统支护材料无法适应围岩大变形而产生破断是巷道产生变形破坏的主要原因。提出了采用以新型恒阻大变形锚杆(锚索)为主体的恒阻让压支护技术,南二采区205工作面运输巷应用结果表明:采用恒阻让压支护技术后巷道最大底鼓量为350 mm左右,在其允许变形的范围内,顶板最大下沉量为200 mm左右,巷道整体变形量较原支护大幅减小,该支护技术有效地解决了三软煤层回采巷道变形量大的问题。

高地应力软岩隧洞挤压型大变形的非线性流变属性及采用让压支护的工程整治研究

针对软岩大变形工程处置目前大多仍沿用传统强支硬顶施工方法所存在的问题,分析挤压型大变形隧洞中采用让压支护的必要性,认为在挤压型大变形隧洞施工中,采用刚性支护进行“硬扛”是不行的;可缩式钢拱架在大变形(如δ≥500 mm)隧洞中是不能用的,需要“另辟蹊径”,创新求变。经5处工程实践证明,在软岩挤压大变形隧洞施工中,施作让压锚杆/预应力长让压锚索是一种更为有效可行的对策措施。阐述让压支护“边支边让、先柔后刚“的设计理念,阐明其工作原理,对让压锚杆及预应力让压锚索进行比选,从施工和受力2方面考虑,建议采用预应力长让压锚索。并对锚杆、锚索参数、锚固头形式、锚腔位置等关键技术指标进行分析推荐。讨论让压支护的经济性,经与传统“硬扛”的方式对比估算,认定采用让压支护是完全划得来的。首先,对软岩挤压型大变形隧洞计算分析中的若干问题作简要说明,包括:1)二、三维分析模式的选择问题;2)几何非线性问题;3)非线性、非定常黏弹塑性围岩流变/蠕变时效的耦合相互作用问题;4)几何非线性与材料非线性耦合专用程序软件研发及应用问题。然后,简述了挤压大变形隧洞中考虑几何非线性和材料非线性的耦合作用的研究进展。最后,对下一步深化研究提出5点建议:1)进一步积累大量流变试验和隧洞现场实测资料,提出数值模拟预测挤压大变形更有理论依据、更加可信、适用的方法;2)非线性黏弹塑性流变本构模型分析的编程工作,需引入和拓展至三维非线性黏弹性流变属性并选用相应的流变本构模型;3)完善目前工作中存在的不足,收集更为详细的研究资料和现场实测与流变试验数据,并将试验手段、数值计算与理论演引三者相结合,对几类不同软弱岩性的挤压型非线性流变力学行为进行更细致完善的系统研究;4)深入分析挤压型大变形问题时,应考虑多场耦合问题;5)本研究仅局限于软岩,基于连续介质理论所建立的大变形理论,不适用于软黏土隧洞的大变形破坏问题,这应作为今后拓展研究的一个方面。

跨采软岩巷道让压支护技术

动压影响下的巷道支护一直是煤矿巷道支护研究的重点。白皎煤矿21盘区轨道下山受上覆工作面开采影响局部地段巷道变形破坏严重,文章分析了巷道的地质条件及破坏原因,在工程经验的基础上提出了跨采巷道的加固方案,即"高强预应力让压锚杆+W型钢带+预应力让压锚索",现场实测了巷道围岩变形及锚杆、锚索受力情况,结果表明巷道加固效果良好,保证了巷道的稳定和正常使用,达到了预期目的。

让压支护技术在高压力、高变形巷道的应用

通过对高压力、高变形巷道支护现状及矿压显现的分析 ,提出了复合顶板的原岩应力和弹性应变能是造成原支护巷道严重变形的主要原因 ,并采取了让压支护技术 ,成功地解决了这一难题 ,确保了巷道的安全使用 。

采区大断面硐室让压支护控制技术研究

针对某硐室在采动期间遭受到严重破坏的情况,根据采区的地质条件,通过数值模拟分析该巷道硐室的受力状态及影响硐室围岩稳定的因素。基于该矿地质采矿条件和支护经验,提出采用高强预应力让压锚杆和锚索联合支护硐室方案。

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。

深埋隧洞让压支护结构的锚固机理探究

为研究层状岩性下深埋隧洞让压支护结构对围岩分区破裂的影响及其锚固机理,文章开展了高应力条件下深埋隧洞三维相似物理模型试验。选取3∶3和4∶3两种配比的相似材料分层铺设夯实,对4种支护结构形式(刚性衬砌支护、刚性衬砌+让压锚杆支护、柔性衬砌支护和柔性衬砌+让压锚杆支护)进行对比研究。应力试验结果表明,采用刚性衬砌与柔性衬砌支护时,隧洞拱顶、拱肩和侧墙应力均出现波峰与波谷的波浪变化,围岩依然存在分区破裂趋势。而刚性衬砌+让压锚杆组合支护下应力波浪变化趋势减弱,表明支护结构抑制了围岩分区破裂趋势。让压锚杆应变监测结果表明,刚性衬砌和柔性衬砌拱顶位置,让压锚杆均出现了拉压应变交替变化规律,而柔性衬砌支护时隧洞拱肩与侧墙位置让压锚杆只出现拉应变现象。刚性衬砌+让压锚杆的新型让压组合支护结构对抑制深埋隧洞围岩分区破裂有重要意义。

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题.根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征,基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法.针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题,通过引入分数阶微积分理论,采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形.此外,通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数,克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题.据此,本文推导了在考虑支护延迟安装影响下,不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解.为了验证理论研究的正确性,对一算例进行了不同解答及工程结果的比对,吻合较好.最后,参数研究结果表明:围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大.隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系,但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内,隧道的位移或支护压力变化并不显著.