软岩隧道支护让压体系优化及安全状态易损性评价

软岩隧道围岩参数变异性大,支护体系与围岩相互作用不确定性强,易发生大变形等安全问题,为此国内外开展了隧道让压支护优化等工作以应对上述风险,但对其安全状态评价仍面临诸多难题。设计了一种新型柔-刚型让压接头,并基于可靠度分析方法,从易损性出发,综合拱顶沉降及初衬强度破坏准则,提出了基于概率的隧道开挖安全状态易损性评价方法。其通过利用概率有限元分析围岩‒支护相互作用,拟合形成极限状态功能函数响应面,经由随机抽样获得隧道开挖失效概率与可靠度指标;以此为基础,建立拱顶沉降与结构应力响应之间的拟合关系,提出了基于拱顶沉降的结构极限状态条件概率计算方法,并根据概率分布区间划定易损区进行支护安全性评价。基于上述理论方法,结合工程实际,开展了新型让压支护与传统刚性支护的易损性对比分析,验证了让压支护体系在大变形承载可靠性方面的优势。

径向让压系统对软岩隧道围岩力学特性影响研究

为处理深部软岩隧道存在的大变形问题,一般采取强支护或支护后进行修复,但收效甚微。在三维地质力学模型的基础上,提出以径向让压为核心的主动支护,先释放围岩应力,后抵抗围岩变形,改善挤压型大变形隧道的力学特性,有效地控制隧道开挖过程中的位移变形。文章以公路隧道典型大变形段为研究对象,建立三维地质力学模型,分析径向让压支护对围岩变形和支护承载能力的控制效果。结果表明:径向让压支护段相对正常支护段能有效控制围岩相对变形,从锚杆变形看出,最大拉应变减小了75.8%,最大压应变减小了67.6%;从围岩与初支接触压力看,将拱底、拱脚压力降低80%,验证了径向让压支护对于围岩塑性区发展和应力释放的有效控制。研究成果可为同类深部软岩隧道围岩控制技术提供数据参考。

高应力沿空留巷协同让压机理研究

针对高应力沿空留巷围岩控制难题,基于峰值应变分别为2%、4%、6%的改性混凝土,提出了深井高应力下“顶板卸压-巷旁改性混凝土让压承载”协同作用的留巷围岩控制技术。运用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究切顶卸压后使用不同型号改性混凝土做巷旁支护体时留巷围岩应力分布规律与顶板变形特征。研究结果表明:(1)顶板卸压后,改性混凝土峰值应变越大,支护体内部裂隙数量越少,对顶板变形的适应能力越强,然而峰值应变较大的改性混凝土弹性模量较低,在留巷后期提供的支撑力较小,支护体内部垂直应力随改性混凝土峰值应变的增加呈现出先增大后减小的趋势。(2)使用峰值应变为4%的混凝土做巷旁支护体时,支护体可以适应顶板变形并提供较高的支撑力,从而优化留巷围岩应力环境。

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。

顺层边坡让剪让压型锚拉桩预加固结构承载性能数值模拟研究

针对顺层边坡的灾害防治问题,采用在边坡岩土体和锚索以及抗滑桩之间设置柔性材料垫层的让剪让压型锚拉桩预加固结构。通过有限元数值模拟方法,分析让压层材料弹性模量(E_(1))、厚度(D)和让剪层材料弹性模量(E_(2))、厚度(d)对让剪让压型锚拉桩承载性能的影响。研究结果表明:让剪让压型锚拉桩的桩身水平位移、内力以及锚索轴力相较于普通锚拉桩均明显减小。E_(1)、E_(2)越小或D、d越大,桩身水平位移、桩身内力和锚索轴力均减小,桩身剪力和弯矩峰值均在桩身中下部分出现。影响让剪让压型锚拉桩承载性能的因素敏感性依次为D、E_(1)、d、E_(2)。

高强度让压环力学特性试验及仿真效果分析

为解决井下支护构件受力过大而导致预应力失效的问题,提出采用让压环承压来降低预应力的损失。通过理论分析、实验室力学试验、数值仿真及井下实测对让压环的受力分析、变形状态及支护效果进行研究。结果表明:让压环在弹性恒阻阶段吸收了55.5%的围岩变形产生的载荷,但是让压环的变形仅为全部变形的1.1%;让压环在屈服恒阻阶段用8.6%的变形量吸收了20%的围岩变形产生的载荷;一次让压和二次让压阶段的让压变形量占比90.3%,变形总长度为36 mm。在沿空掘巷期间进行了让压环变形监测,发现让压环在滞后影响段、超前影响段与未受超前应力影响段的变形各不相同。让压环表现出的高延伸率、高强度特性在大断面巷道和深井高应力矿井可以有效地控制围岩的变形,为巷道围岩稳定性控制提供了重要的手段。

慈林山煤业沿空掘巷让压支护技术应用

为解决小煤柱沿空掘巷煤柱支承应力较大以及采空区顶板坚硬岩层断裂产生动载破坏围岩支护的问题,对慈林山煤矿15208工作面运输顺槽沿空掘巷支护存在的问题进行分析,开展单泡让压管和双泡让压管抗压试验,同时优化锚杆、锚索的施工。结果表明让压管能够提高锚索的延伸率,在压力显现时能够吸收围岩传递的能量,保证锚杆、锚索的有效性;在此基础上对帮锚索的优化能保证支护强度的同时还能提高生产效率并降低支护成本。

综采工作面末采期间让压间隔煤柱宽度研究

针对综采工作面末采期间基本顶超前破断造成顶板台阶下沉、压架等技术难题,以邵寨煤矿一盘区首采1502工作面为工程背景,分析了停采让压回撤通道围岩控制机理,并对停采让压合理位置进行了确定。鉴于煤柱失稳具有突然性、瞬时冲击破坏性等特征,基于尖点突变理论,理论得出停采让压时间隔煤柱宽度为5.6 m;对其影响因素进行分析可知,煤岩层分界面黏聚力C_(0)和弹塑性分界面侧压系数A对其影响最为显著,最终确定间隔煤柱6.0 m时,工作面停采让压。现场矿压监测表明,贯通期间未产生压架、冒顶事故,综采设备安全回撤。

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。

隧道可缩工字钢拱架让压规律模型试验研究

为研究软岩隧道可缩工字钢拱架让压装置的缩动规律,在侧压大拱压小的对称荷载(侧压比为1.5)和左拱腰偏压荷载两种工况下,进行室内整榀可缩工字钢拱架模型加载试验,分析其让压装置的让压过程及拱架变形等规律。结果表明:可缩工字钢拱架在两种工况下的让压过程可划分为弹性变形阶段、适应荷载-变形协调阶段、稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段和让压完成后刚性阶段,其中稳定让压阶段,荷载呈现出小范围“增荷—卸荷—再增荷”的让压特点。稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段的转折点可作为可缩工字钢拱架让压装置的增阻时机,并提出了相应的判断参数k。让压装置位移和拱架关键位置变形随总荷载的增加具有较高的同步性。在左拱腰偏压工况下拱顶让压装置产生平面外的错动变形,而其边墙处的让压装置和侧压大拱压小工况下的全部让压装置均未发生此类错动变形。研究成果提供了可缩工字钢拱架在侧压力大以及偏压荷载下让压缩动规律的新认识,可为在高地应力软岩隧道现场应用时提供一定的指导意义。

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害,基于岩爆能量原理,提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念,分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托,通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发,系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律,研究表明:由于围岩的局部让压效应,对围岩的扰动减少,冲击波能量在掌子面处被吸收和反射,导致动力响应减弱,使动力荷载有所消减。洞室开挖后,围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主,剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放,发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。

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。

内置让压元件衬砌支护刚度计算方法研究

环向让压衬砌(内置让压元件与喷射混凝土初期支护组合)对于高地应力软岩隧道围岩挤压大变形具有良好的控制能力,然而,目前环向让压衬砌的设计依然存在诸多难点,极大制约了其广泛应用。针对环向让压衬砌的刚度计算方法开展相关研究,根据让压元件的受力-变形特征(荷载作用下表现为弹性-让压-压实3个变形阶段),将环向让压衬砌的刚度变化划分为4个阶段,并通过等效变形原理和均匀化方法处理得到相应阶段环向让压衬砌的刚度计算公式;进一步,通过工程应用和数值模拟,验证本文提出的环向让压衬砌支护刚度计算方法的正确性与可靠性;最后,讨论让压元件不同参数(屈服应力和元件长度)对环向让压衬砌支护效果的影响。让压元件的屈服应力对环向让压衬砌应力路径影响显著,但对衬砌最终压力及位移影响并不大,而让压位移则对最终压力影响较大,并给出了相应的设计建议。研究成果可为高地应力软岩大变形隧道环向让压衬砌的设计提供一定的理论依据。

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。

锚杆(索)支护体让压减震技术研究

在大埋深、高地应力等复杂地质条件下,现有的支护体无法有效适应围岩的大变形,易导致锚杆、锚索支护体大面积破断失效。详细分析了锚杆(索)支护体的让压减震作用机理,提出了锚杆(索)支护体让压减震功能实现的关键技术(让压点、让压距离及减震能力),并对工程中常用的单炮管和新型让压减震装置特性进行了对比分析。研究表明:①新型让压减震装置在高度相同的情况下,壁厚3.0 mm、3.5 mm时所对应的让压点分别为60kN、73 kN,约束环壁厚越大,让压点也越大;②在约束环壁厚相同的情况下,35 mm高度下让压距离约15 mm,40mm高度下让压距离约20 mm,随着约束环高度的增大,让压距离也随之增大;③在受到外部冲击荷载作用时,其弹性压缩量可达4~5 mm,具有明显的吸收震动荷载的能力,让压减震效果显著,单炮管让压装置的让压距离仅为新型让压减震装置让压距离的1/2,受到外部冲击荷载作用时,在不同冲击高度下的冲击变形量仅有0.5 mm左右,压缩之后的弹性恢复能力方面存在明显不足,减震效果不明显。

大变形巷道锚固系统让压装置设计与支护方案优化

随着我国煤矿开采深度的加大,伴随出现的巷道大变形、矿压显现明显等诸多现象愈发严重。为解决深部回采巷道大变形,决定对影响锚固系统锚固性能的核心要素进行研究。通过对锚固系统荷载传递过程现场光纤锚杆试验监测,明确了不同锚固参数下锚固系统受力状态分布特点;通过实验室试验与数值模拟研究,制定了适用于大变形巷道的锚固系统外固元让压装置设计准则;通过现场试验研究,进一步明确了不同内固元参数下锚杆的受力反馈特征与巷道围岩的协同控制效果。基于优化内固元参数辅以让压装置,进行大变形巷道支护方案优化设计,现场工业性试验监测结果表明:优化的支护方案可有效把回采期间巷道收敛量控制在300 mm以内、顶板深部最大离层位移在100 mm以内,且设计的新型让压装置可产生一定形变,有助于提升锚固系统整体的稳定性。研究成果可对解决深部巷道大变形支护难题提供一定的参考。

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。

顺层岩质边坡让压型抗滑桩预加固性能研究

让压型抗滑桩是针对顺层岩质边坡研发的预加固结构,为了探究其预加固性能,首先分析了让压型抗滑桩预加固机理,其次以变形和应力作为参考指标,采用了物理模型试验结合数值仿真的方式对让压型抗滑桩与传统抗滑桩进行对比,最后探究了让压层厚度、锚固段长度、让压层弹性模量对让压桩加固效果的影响。结果表明:①边坡预加固结构让压型抗滑桩是通过让压层的设置诱发潜在滑体产生微弱变形,发挥岩层层面间抗剪强度的有利作用,改善桩身位移和应力状态;②让压型抗滑桩支护时岩层下滑的位移明显增大,而作用在桩身的侧向压力相较于普通抗滑桩有所降低,较好地提升抗滑桩的抗滑效果;③让压桩预加固效果随锚固段长度的增大呈现逐渐变优的趋势,而随让压层厚度、让压层弹性模量的增大呈现先变优后变差的趋势。

高吸能比大变形锚索让压结构优化研究

为了提高巷道锚索吸能让压结构的吸能效率及其变形稳定性,采用力学测试和有限元数值仿真两种方法对粗腰鼓形、直管、楔形槽、长槽以及直管V形槽5种不同吸能让压结构进行研究。研究表明形状及结构特征决定了峰值抗压强度、极限变形量、吸能效率以及结构整体稳定性。5 mm壁厚直管吸能结构虽然相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构吸能效率分别提高48%、66%和56%,但受压过程中容易发生局部应力集中,进而偏压诱发变形不均匀和结构失稳。内侧设有变形诱导V形槽的直管结构吸能效率为45.29 kJ/g,相对于直管吸能让压结构吸能效率仅仅降低6%,受到V形槽的变形诱导作用,避免了局部应力集中导致的偏压问题,比直管吸能让压结构变形更加稳定,将V形槽吸能让压结构应用于现场锚索,巷道变形得到了有效控制。

隧道新型恒阻让压装置的工作机制研究

恒阻让压支护是挤压大变形隧道的大变形控制中较为理想的支护形式,现有技术在高承载力、大变形量及荷载稳定3个方面尚难统一。针对这一难题,受启发于金属拉拔工艺,结合钢拱架支护受力特点,自主研发了拉压转换恒阻让压装置,论述了其工作原理,分析了其力学响应规律与特征,并通过室内试验和数值模拟,对其设计参数的影响规律进行了分析,确定了拉压转换恒阻让压装置性能衡量指标。分析表明:(1)拉压转换恒阻让压装置可在压力条件下恒阻变形,将其安装于钢拱架分段接头处,与钢拱架嵌合为一体,即可保证钢拱架的稳定性,提高钢拱架的大变形适应能力,也可为围岩提供恒定的支护力;(2)基于锥角、摩擦系数、让压杆截面收缩率和直径4个设计参数,该装置可实现让压恒阻力和让压量可控,且其荷载稳定性好,可为软岩隧道大变形及支护稳定控制提供重要技术支撑。