薄壁钢管混凝土巷道支护的研究

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发布时间：2021-09-06

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薄壁钢管混凝土巷道支护的研究
金延俊，侯和涛，邱灿星
(山东大学土木工程学院，山东济南250061)
摘要：简述了现行的几种围岩支护理论及其适用范围，并对当前所开展的试验研究和有限元分析成果进行
了总结．理论分析和试验研究表明，薄壁钢管混凝土具有独特的优越性，但需要设置合理的构造措施保证其承
载力的稳定发挥．将薄壁钢管混凝土用于巷道支护，与普通的型钢支架相比，具有承载力高、成本低、与围岩的
协同作用好等优势，但仍有许多关键技术问题亟待解决，如薄壁钢管混凝土与围岩的耦合作用、适用于工程实
践的简化计算方法等．最后对今后的研究T作提了展望．
关键词：薄壁钢管混凝土；巷道支护；优越性
中图分类号：TU94 2 文献标志码：A
巷道开挖后，原有的3向平衡应力状态遭到破
坏，岩体内部发生应力重分布从而引起了围岩的变
形和位移．对于强度高、整体性好的岩体，变形发展
到一定程度会自动停止，即围岩可以实现自稳；而大
多数煤矿巷道围岩的地质条件复杂，尤其对于高地
应力软岩巷道，若不及时对其进行有效的支护，岩体
变形将自由发展，最终导致巷道的整体失稳破
坏．因此，如何选择合理的支护手段和设计方法
保证围岩长期稳定并有效提高施工效率和经济性成
为目前众多学者的研究课题．支护方法按照作用机
理不同可分为表面支护法和内部加固法．前者设置
在开挖表面限制开挖边界位移，如各种支架支护、砌
碹、混凝土村砌等；后者插入或灌人巷道内部实现煤
岩体自稳，主要有锚杆、锚索、注浆等．根据围岩
和支护的相互作用机理，实际工程中通常将几种支
护手段结合起来，满足不同条件下的稳定和变形要
求．随着围岩一支护理论的发展，各种新型结构被应
用到巷道支护中，如薄壁钢管混凝土拱架．
1 围岩一支护理论的研究
目前，国内外形成了几套比较完整支护理论体
系：散体支护理论、弹塑性支护理论、新奥法支护理
论、松动圈支护理论和耦合支护理论．
散体支护理论仅用简单的指标反映复杂围岩且
忽略了围岩变形的因素，不能解释高应力区的一些
工程现象，仅在浅部工程中有一定的应用价值 J．
弹塑性支护理论是现代岩土力学中典型的支护
理论，该理论认为巷道支护的对象是围岩的弹塑性
变形和处于弹塑性状态的围岩．文献[4—6]运用
Mohr—Coulomb准则、Drucker—Prager或岩石峰后
应变软化本构模型对巷道支护荷载和围岩承载结构
进行了数值分析．著名的围岩响应曲线是建立在弹
塑性理论基础上的，但文献[7]指出形成该曲线的
卡斯特纳方程不具有工程实际意义，因此运用该曲
线进行支护时机的判断不合理．
新奥法在目前国内外的隧道工程中被广泛采
收稿日期：2010—08—30
基金资助：山东大学自主创新基金自然科学类专项项目(2009TS091)．
作者简介：金延俊(1986一)，女，山东烟台人，硕士研究生，主要从事薄壁钢管混凝土支护方面的研究．
通讯作者：侯和涛(197O～ )，男，山东沂南人，副教授，博士后，硕导，国家一级注册结构工程师，中国钢结构协会结构稳定与疲
劳分会常务理事，主要从事钢框架稳定与极限承载力验算方法、钢结构住宅产业化、节能复合墙板、薄壁钢管混凝
土支护、钢结构高等分析与设计方面的研究．
l6 华北水利水电学院学报 2010年12月
用，它与传统理论的区别是不将围岩视为荷载，而是
将其作为一种承载机构，支护的目的是保持周岩与
支护的其同变形，最大限度利用围岩自承能力，其主
要支护手段是锚杆+喷混凝土．文献[8]总结了运
用新奥法对软岩、大跨度围岩进行支护的成功经验，
即要做到“少扰动、早喷锚、勤测量、紧封闭”．虽然
该理论将围岩与支护视为一个相互作用的整体，但
在考虑围岩稳定问题时，仍然采用传统的“荷载一
结构”模式，缺少明确的设计理论和方法．
松动圈支护理论由董方庭提出，认为支护的作
用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有
害变形，而不是阻止围岩的松动破坏，这与弹塑性理
论完全不同．松动圈的厚度( )是同岩强度和地
应力的综合指标，以此为参数确定支护手段能有效
避免原岩应力和围岩体强度测试的困难．文献
[1 1]提出主次承载区协调作用的理论，认为围岩的
稳定取决于主次承载区的协调作用结果，是对松动
圈支护理论的重要补充，同时也体现了新奥法的动
态设计思想．
耦合支护理论由何满潮提出，它基于软岩变形
的力学机制且主要采用锚一网一索组合的支护手
段，必要时增加可缩性钢架．耦合支护要求支护的强
度、刚度、变形要与围岩的特性相协调，最大限度发
挥围岩自承能力，实现支护一体化、荷载均匀化和保
持巷道稳定¨ ．文献[13]介绍了运用耦合支护理论
对高应力软岩巷道进行支护，能够较好地发挥支护
的承载能力并充分调动深层围岩的强度，支护成本
降低．文献[14]提出了耦合支护的基本思路，运用
有限元模拟和正交设计法得到的耦合支护参数降低
了实际工程的造价和返修率．文献[15]采用FLAC
中的指数模型模拟软岩，指出合理二次支护时问应
在应力与变形速度趋于稳定的时间段附近，从而实
现支护与围岩的强度耦合．文献[16]采用有限元程
序2D—or对支护与围岩的耦合作用进行了数值分
析，结果表明，耦合支护能减小应力集中范围和结构
整体变形，围岩应力状态趋于均匀化．文献[17]运
用ANSYS对巷道的耦合支护进行了优化设计，其中
本构模型采用Drucker—Prager准则，并用PLANE42
单元模拟围岩、LINE1模拟锚杆和锚索、BEAM3模
拟钢筋网和喷混凝土，选择巷道5倍距离作为边界．
结果表明，提高喷层混凝土的厚度能有效提高支护
刚度．文献[18]建立了围岩与支护相互作用的非线
性动力学模型，该模型可预测围岩与支护耦合一定
时间后各参数的变化规律．
2 薄壁钢管混凝土的研究现状
薄壁钢管混凝土是在薄壁钢管中填充高性能混
凝土形成的构件，与普通钢管混凝土相比，其主要特
点是管壁薄，可有效减少用钢量和焊接工作量，降低
工程造价．钢管混凝土受压时两种材料在力学性能
上表现出“共生现象”，能有效提高混凝土的强度、
塑性和韧性，延缓局部屈曲，从而保证材料性能得到
充分发挥” ．目前，国内外对于薄壁钢管混凝土的
研究主要集中在确定管壁壁厚界限、力学性能以及
提高其力学性能的构造措施几个方面．
2．1 试验研究
文献[20]进行了方钢管混凝土轴压、纯弯和偏
压荷载下的力学试验，结果表明，即使宽厚比(B／t)
达到100，方钢管混凝土的延性和后期承载力仍较
好．文献[21]对圆形、方形以及八边形薄壁钢管混
凝土短柱进行了轴压试验，结果表明，圆钢管混凝土
试件在达到极限承载力以前钢管未发生局部屈曲，
而其他两种截面试件在达到极限荷载的26％～
65％时表面即发生局部屈曲，这说明内填混凝土对
提高圆钢管的局部稳定作用比较明显．文献[22]进
行了方形和八边形薄壁钢管混凝土长柱的轴压试
验，结果表明，试件在破坏前均发生了钢管的局部屈
曲，方形薄壁钢管混凝土表现为弯曲屈曲破坏，而八
边形柱表现为强度破坏．文献[23]对内部焊有纵向
加劲肋的薄壁方钢