（岩土工程专业论文）半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用.pdf

半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 摘要 地下网壳喷层作为空间钢筋混凝土壳体结构，目前尚没有成熟的计算理论。 本论文根据地面大跨度壳体的力学原理，在网壳锚喷支护结构原理分析的基础 上，研究了半刚性钢筋网壳锚唢结构的力学特性及其承载力。论文对网壳锚喷 结构进行内力分析和计算，利用开口圆柱壳的般力学原理和方法，推导出壳 体的内力、位移和应力计算式。 依托工业性试验，对单片的钢筋刚壳及整架支护结构进行了模型试验，研 究网壳支护系统的变形、破坏形态与发展规律。同时，根据模型试验和理论分 析建立有限元数值计算模型，并利用a n s y s 软件对整架网壳喷层结构进行数 值计算。利用对应的节点位移、单元内力的数值计算结果对该网壳结构的内力 分析起到一定的补充校核作用，比较不同计算方法结果的差异性，完成了设计 方案的优化。结合典型工程，并与其他常用软岩支护方式相比较，完成了网壳 支护典型隧道的技术、经济对比和社会效益评价。 综合四方面研究表明，钢筋网壳锚喷支护结构具有良好的力学性能与较高 的承载能力。本论文的研究成果为钢筋网壳混凝土支护结构的理论分析与计算 及结构的设计与优化奠定了一定的理论基础和依据。 关键词：网壳锚喷支护；软岩隧道 有限元分析；工业性试验 数值计算；模型试验；半刚性 开口圆柱壳 兰! ! 壁旦塞笪堕堕塑垄兰壁竺堡塑垦壁旦 a b s t r a c t t h e r ei sa1 a c k o fm a t u r ec a l c u l a t i o nt h e o r yo nt h eu n d e r g r o u n d l a t t i e e ds h e l1a si ti sb yw a yo fs p a c er e i n f o r c e dc o n c r e t eh u l ls t r u c t u r e t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ca n d t h eh e a r y i n gc a p a c i t yo ft h eh a l f r i g i d i t yr e i n f o r c e ds h e l lb o l t i n ga n ds h o t c r e t es u p p o r tw a ss t u d i e do i l t h eb a s iso ft h ea n a l y s i sf o rt h em e c h a n i c sp r in c i p l eo fs h e l1s t r u c t u r e s t h es t r u c t u r e ：si n t e r n a lf o r c ew a sa n a l v z e da n dc a l c u l a t e da n dt h e f o r m u l a so fi t si n t e r n a lf o r c e ， a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lm e c h a n i c s s h e l l d i s p l a c e m e n t ，s t r e s sw a sd e d u c e d t h e o r yo ft h er i n g e n tc y l i n d r i c a l t h em o d e le x p e r i m e n tw a sd o n eb yr e l y i n go nt h ei n d u s t r i a lt e s ta n d t h ed i s t o r t i o n ，r u i h a t es h a p e ，d e v e l o _ p m e n t a lr u l eo ft h es u p p o r t i n g s y s t e mw a se x a m in e dw h i l et h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i n gr u lea n d a l s ot h eu l t i m a t el o a dw e r eo h t a i n e d t h ec a l c u l a t i v em o d e lo ff n jt e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e rw a se s t a b l i s h e do nb a s eo f c o m b i n gt h et h e o r ya n a l y s i sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u lt a st h er e s u lt o ft h en u m e r ie a lc a l c u l a t i o nt h es t u d y0 1 3t h es t r u c t u r ew a ss u p p e m e n t a r y v e r i f i e du l t e r i o r ly t h er e s u l to fd if f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d sw a s c o m p a r e da n dt h eo t h e r n e s sw a sm a k i n gf o rt h eo p t i m i z i n go ft h ed e s i g n p r o j e c t a tl a s t ，t h ec d n c l u s i o no fh u m e r i c a lc a c u l a t i o n sp r o v e dt h a t a n s y sp r o g r a mi sr e a s o n a b l ea n dc r e d it a b l e w i t hc o m b i n a t i o nb yt y p i c a l e n g in e e r i n g ，i tw a sc o m p a r e dt oo t h e rs u p p o r t i n gm e t h o dt h a tu s e d c o m m o n l yi ns o f tr o c kt u n n e ls ，t h et e c h n i q u e ，e c o n o m icc o n t r a s to ft h e t y p i c a lt u n n e lw i t hs h e l ls u p p o r tw a sc o m p l e t e da n dt h es o c i a lb e n e f i t w a se v a l u a t e d i tw a si n d i c a t e db yt h ei n t e g r a t ea n a l y z i n gt h a tt h es h e l lb o l t i n g a n ds h o t c r e t es u p p o r ts t r u c t u r eh a da d v a n c e dt e c h n i c a lf e a t u r e sa n dc o u l d b ea d a p t e dt os u p p o r l n gs o f tr o c k s t h ef r u i to ft h i sp a p e rm a yl a ya f o u n d a t i o nf o i - t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o i l ，a n do f f e rag i s tf o rt h e s t r u c t u r ei naw a y k e y w o r d s ：s h e l lb o l t i n ga n ds h o t c r e t es u p p o r t ：s o f tr o c kt u n n e l ： n u m e r i c a lc a l c u l a t i n g ：m o d e le x p e r i m e n t ：h a l fr i g i d i t y ：f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ：i n d u s t r i a lt e s t ：r i n g e n tc y li n d r i c a ls h e l l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徵翌王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硝、鬼辱 签字日期：髀乒月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王态堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵垄墨 态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：礴鱼争导师签名冰皂考 签字日期：移年年月2 d 日 签字日期：年每月u 日 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 第一章绪论 1 1 课题背景 在我国的能源构成中，煤炭约占总能源的6 8 。为了满足臼益增长的能源 需求，我国在今后相当长的时间内煤炭开采的任务十分艰巨，而且经过长期大 规模地开发之后，开采条件较为优越的煤炭资源已接近枯竭，因此提高产量的 出路在于开采那些赋存条件差、埋藏很深的煤炭资源，这就意味着今后的采掘 工作将在高地应力、围岩条件很差的环境中进行。而围岩稳定性差、隧道变形 破坏比较严重的软岩问题在煤矿开采中早已存在：“九五”期间，我国1 0 个能 源建设基地中有8 个相继出现了软岩问题，每年约有6 1 0 6 m 的隧道在软弱围岩 中开掘，而且随着今后开采深度的不断增大，常规支护方式难以维护隧道稳定， 软岩问题将会更加突出，在相当程度上影响了煤矿的安全生产。煤矿生产建设 的发展趋势迫切需要对软岩隧道支护，特别是高应力软岩隧道支护问题继续进 行深入研究，寻求解决高应力软岩隧道支护问题的合理方法和有效途径。因此， 研究商应力围岩与支护相互间的作用机理，开发新型软岩支护结构，进而减少 隧道返修量、降低工程造价是软岩隧道支护迫切需要解决的技术难题之。 12 软岩支护特点 由于软岩隧道具有其自身显著的变形特征，支护结构只有遵循软岩的变形 规律，才能维护隧道的长期稳定。具体体现在以下几个方面 1 , 2 l 1 较强柔性 理论分析表明，在软岩隧道变形破坏初期，围岩压力随变形量的增加而减 少，因此支护结构应该具有较强的柔性，这样在支护过程中，支护结构允许围 岩适当收敛以降低支护结构所承受的围岩压力。 2 高可缩性 软岩隧道围岩变形收敛量大。当变形收敛达到一定量时，围岩压力会有明 显降低，直到降至支护结构能承受的范围，这就要求支护结构具有较高的可缩 性。当然，这种可缩也有一定的界限以阻止围岩进一步变形破坏，从而保证隧 道断面满足工程使用的需要。 3 增阻特性 软岩隧道的支护结构必须具有增阻性，即具有支护抗力随变形增大而增强 的特性。特别是在软岩隧道变形后期，支护结构的增阻性尤为重要，以达到完 全阻止同岩变形破坏的目的。- 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 4 边支边让 力学试验表明，软岩破坏后强度有很大的降低，当围压较大时，软岩的塑 性明显增强，屈服以后强度降低不再明显。这说明一定的围压能够显著改善软 岩变形过程，使软岩在变形过程中强度不会有太大的降低。体现在设计上，要 求支护结构在支护过程中自始至终都能给围岩以支撑，并提供一定的初始支撑 力，在变形过程中使围岩强度保持一定的值，减小作用于支护结构上的围岩压 力。 5 结构合理 由于地应力和软岩的力学性质具有各向异性的特点，软岩隧道的变形也就 因方向而异，导致支护结构承受不均匀的围岩压力并产生很大的附加弯矩。很 多支护结构特别是混凝土构件的抗弯能力很低，在附加弯矩作用下极易破坏， 因此存殴计软岩支护结构时，必须考虑软岩隧道这一变形特征和支护构件的力 学性能，使支护结构在不均匀压力作用下，充分发挥构件抗压性能大大优于抗 拉、抗剪的特性。 6 施工方便 软岩隧道施工过程中，作业空间极为有限，大规模的机械化设备难以开展， 也就要求隧道支护结构尺寸、重量必须适宜，施工方便，工艺简单，以降低工 人的劳动强度。 7 经济实用 某些软岩支护结构，如全封闭、架设密集的u 型钢支架，不存在技术方面 的不足，完全能够维护软岩隧道的稳定，但其每米工程造价高达7 0 0 0 1 0 0 0 0 元，生产单位难以承受。在设计软岩隧道支护结构时，不但要求技术可行，更 要考虑经济合理，只有将两者紧密结合起来的支护结构才具有推广应用价值。 1 3 软岩隧道支护技术发展现状 软岩隧道的变形破坏特性不仅受围岩的力学性质影响而且受隧道所处的地 应力环境和工程因素控制。目前，应用于高地应力软岩隧道支护的技术与措施 有很多，如金属支架、锚喷支护、锚网喷支护以及近年来发展起来的加强型金 属支架、高强度弧板、隧道锚索支护等，但应用范围最广的仍然是锚喷支护、 锚网喷支护及u 型钢可缩性金属支架。 1 3 1 隧道金属支架 隧道金属支架是工字钢、u 型钢等金属支架的总称。由于工字钢的可缩性差， 不能适应软弱围岩变形情况，故应用得较少。目前应用较多的是u 型铜可缩性 支架，它具有良好的断面形状和几何参数，且易于实现型钢搭接后的缩让，所 以成为制造可缩性金属支架的主要材料。早在1 9 3 2 年，德国海因茨曼公司就研 半刚性网壳铺喷结构力学特性研究及应用 制了u 型钢可缩性支架，后来得到不断的完善和发展，并在煤矿隧道支护中获 得了广泛应用。在德国煤矿隧道中，从井底车场、马头门、暗井、各种硐室、 矿井主要隧道、回采隧道等，几乎都采用了u 型钢可缩性金属支架，约占隧道 总长的9 5 ，开采深度高达1 4 0 0 m 。在地压很大、年底臌量在1 0 0 0 m m 以上需要 经常卧底的隧道中，也获得了非常好的支护效果，支架本身基本上没有塑性变 形和损坏，连接件除底板处个别损坏外均完好无损。 上世纪6 0 年代初期，我国开滦、淮南等矿务局也使用了u 型钢可缩金属支 架。6 0 年代中期发展缓慢，直到7 0 年代后期，u 型钢可缩性金属支架才有了较 快的发展。在开滦矿务局，采准隧道基本上使用了可缩性金属支架，支护隧道 达3 8 万多米。1 9 8 3 年的比重已占当年全部掘进隧道支架的7 3 。 现在我国煤矿每年投入的u 型钢约1 0 万吨以上，尽管如此，在高地应力软 岩隧道中，我国的u 型钢使用状况还远远不能令人满意，主要表现在以下几个 方面：( 1 ) u 型钢可缩支架的强度低，不能有效地控制软岩隧道变形，导致支架 型钢、接头卡缆的变形破坏严重造成回收率很低。许多矿区往往把u 型钢可缩 金属支架作为次性投入，大大增加了隧道支护成本；( 2 ) u 型钢可缩支架的最 大优点在于可缩，但在实际应用中，往往其可缩量很小( 远小于隧道断面的2 0 ) 时就已发生破坏，从而失去了可缩的意义，而在德国，当隧道断面收缩3 5 甚 至高达6 4 时，u 型钢支架仍然不丧失其承载能力；( 3 ) 从u 型钢可缩性支架的 力学性能分析可知，支架在围岩地压作用下达到极限应力主要是由弯曲力矩造 成的。在软岩隧道中由于支架承受较大的侧压力和荷载的不均匀性使支架失去 稳定性、可缩性而减弱竖向承载能力，一般具有可缩性的外部支架均不可避免 受到上述破坏力系的作用，因此大大减弱了支架本身具有的优越力学性能。 1 3 2 锚喷支护与锚网喷支护 1 锚喷支护 锚喷支护的全称是锚杆喷射混凝土支护。早在1 8 7 2 年，英国北威尔士露天 页岩矿首次应用锚杆加固边坡。1 9 1 2 年德国谢列兹矿最先使用锚杆支护井下隧 道，上世纪初期锚喷支护在英美等国家开始使用，但直到4 0 年代才开始实验和 系统研究锚杆支护。5 0 年代以来已经在金属矿山、煤矿、水利及土木工程地下 结构物中广泛应用锚喷支护这项新技术，由于它能从根本上改变岩石强度特征， 使隧道支护由以前的被动支护变为主动支护，有着传统外部支撑结构所不具备 的技术优势，因而在世界各国发展很快。所谓“从根本上”是指锚喷支护结构 能与其支护围岩结合在一起共同作用，既能直接对围岩支撑保护，又能从内部 加固围岩，将被加固的围岩由载荷体变为承载体，充分发挥了围岩的自身支撑作 用”。 ： 我国自上个世纪5 0 年代开始研究和试用锚杆支护技术，6 0 年代在岩巷中试 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 用喷射混凝土支护，7 0 年代开始推广光面爆破，配合使用锚杆、喷射混凝土并 加金属网的锚网喷联合支护方式，从而形成了一整套完整的锚喷支护体系。同 时，我国将锚喷技术确定为井巷支护技术的发展方向，从而得到了广泛的应用 和推广，并由此促进了锚喷支护技术的应用研究。8 0 年代，锚喷支护技术逐渐 由中硬以上岩层转向较软弱岩层的隧道支护，使得高应力软岩隧道锚喷支护也 有所发展，锚杆杆体强度( 如锚杆材质、径级、规格、形状、种类等) 、锚固方 式( 如端部锚固与全长锚固等) 及柔性喷层( 在混凝土中搀加纤维或外加剂) 等都有了较大的改进，在一定条件下取得良好的支护效果，并由此全面展开了 高应力软岩隧道锚喷支护技术的研究工作。 由于锚喷支护具有使用方便、节省钢材、价格便宜、易于实现机械化操作， 可与传统隧道支护联合使用，适用于多种地质条件的诸多优点，以及奥地利的 “新奥法”理论的出现，开创了锚喷支护与工程施工的新概念，从而使得锚喷 支护有了更广阔的应用天地。近2 0 年来，锚喷支护技术已经获得了巨大发展， 锚喷支护的发展也促进了锚杆的研究和发展。锚杆由早期的胀壳式锚杆、倒楔 式锚杆、楔缝式等机械式锚杆，发展到锚固性能更好、适应性更强的新型锚杆， 如树脂锚杆、快硬水泥锚杆、可拉伸锚杆、缝管锚杆等等”3 。但是由于一般的 锚喷支护技术不能适用高应力软岩隧道大变形的要求，因而不成功的工程实例 也有很多，如隧道片帮、顶板冒落等事故，支护结构破坏之后常常需要进行隧 道的重新翻修，因而浪费大量的人力、物力和财力。 由于锚喷支护的发展，同时也促进了喷射混凝土的研究和发展。由最早的 喷射水泥砂浆，发展到于式喷射混凝土、潮式喷射混凝土、湿式喷射混凝土， 其中我们国家目前是以潮式喷射混凝土为主。值得一提的是日本，在干式与湿 式喷射混凝土的基础上，发展了喷射混凝土的新工艺( s e c 喷射混凝士) ，其最 大特征是使细骨料沙砾在潮湿状态下裹上一层水泥，然后再与粗骨料和水泥、 速凝剂等混合喷射，从而使水泥用量明显降低，喷射混凝土强度提高，获得了 更佳技术经济效果。喷射材料也从原来的速砂浆水泥、混凝土，到搀加各种纤 维材料，如聚乙烯、尼龙、丙烯等塑料纤维和钢纤维材料，增加了喷层适应变 形的能力，同时也常在喷层中搀加柔性外加剂，以提高喷层的柔性。尽管如此， 由于受到机具和经济条件的限制，以及高地应力软岩隧道地质条件的恶化，这 种单纯的锚喷支护还难以从根本上解决软岩隧道支护问题，很有必要对支护结 构形式加以改进。 2 锚网喷支护 其全称是锚杆、金属网、喷射混凝土支护。这种支护形式是在锚喷支护的 基础上发展起来的，是锚杆、金属网、喷射混凝土三者并用的联合支护结构。 与锚喷支护相比较，关键是增加了金属网。锚网喷联合支护形式，一般仍然是 以锚为主，以喷、网为辅。围岩的支护抗力主要由锚杆及时提供，增加金属网 4 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 在于改善喷射混凝土性能，增大喷射混凝土的整体性和抗弯、抗拉、抗剪的性 能，使喷层不易开裂，从而更好地起到封闭、防风化、防水和防止锚杆间岩体 的松动掉落，达到保护和发挥锚杆支护的目的，也使得喷层压力得到更均匀分 布”。 但是在高应力软岩隧道中，仅增加一层金属网仍然不能抵抗强大的变形压 力。近些年来，有不少生产单位在适当增大锚杆长度与锚固力的同时，改单层 网喷为双层网喷，：取得了一定支护效果。这种工程实践很有借鉴意义，说明软 岩隧道中锚杆支护能力不足，可以用加筋喷层来弥补。改进筋网结构、提高筋 网的支撑能力，是发展软岩隧道锚喷支护的有效途径。 1 4 课题的确定 通过以上对高地应力软岩隧道支护技术现状的分析可以看到，要使高地应 力软岩隧道得到可靠支护，围岩表面支撑与内部加固需要同步加强。过去对锚 喷结构的改进，侧重于增强围岩内部的加固作用，如加大锚深、高强锚固、注 浆加固等，而网喷结构的强度和刚度增幅不大，即围岩表面支撑能力没有得到 明展的提高。而金属支架如工字钢、u 型钢可缩支架等正好相反，它们的表面力 强大，但是一般不进行围岩内部加固，因而导致在高地应力软岩隧道支护中每 米隧道支架数量的增多，使支护费用大大提高。这两种不同的软岩隧道支护形 式各自强调其作用的一个方面是导致费用增加的重要原因。 二十世纪结构工程的重要成就之是众多大跨度网架、网壳结构物的兴建。 这类结构物是由杆系交互联接而成的空腹板壳结构，重量轻、稳定性强，不论 承受静载或动载，构件的弯曲内力都较小，用它构成的大跨度建筑物，有优良 的抗动载性能”1 。网壳结构如此优良的性能，对研究地下支撑结构有重要的借 鉴意义。深矿井软岩隧道及动压隧道的地压强度高，变形强烈，通常的锚网喷 支护不能有效地控制隧道破坏，常采用锚网喷与型钢支架或锚索、围岩注浆等 进行联合支护，因而支护工程量及支护费用大大增加，企业的技术经济效益有 所降低。网壳锚喷支护实质上仍是锚网喷支护，它的特色是用一种特殊的钢筋 网壳支架代替普通的钢筋阅，大幅度提高了锚网喷结构的支撑能力，不需要使 用型钢支架、锚索、围岩注浆等手段进行加固就能有效地支护高地压大变形隧 道、跨采动压隧道、冲击地压隧道以及大断面隧道等。其支护工程量与普通锚 网喷支护相同，支护费用略高于普通锚网喷支护，但比锚网喷加其他支护手段 的联合支护方式可大幅度降低。普通金属支架都是棚式支架，支架本身钢材用 量多、重量大，而架与架之间仅用少数几根拉杆进行联接，外铺金属网以承受 地压。它不能充分发挥支架的承载能力，架间围岩未得到充分支护，容易松动、 内挤，导致棚子扭曲失稳。 5 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 钢筋网壳支架完全不同于普通金属支架，其构件是用钢筋在地面焊接而成 的板壳结构，外表面自成一层钢筋网，可承托围岩表面；内部是立体纵横交叉 的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每块构件的两端焊接着带有螺栓孔的联接板， 每架支架由数块构件对头拼装，用螺栓联接而成。支架本身有一定的柔性让压 性能。此外，还可以在对接处嵌入木垫板，使支架也有一定的可缩性。钢筋网 壳支架是一架紧接一架进行安装的，架间不留间隔，也不需要另加联接件。支 架与围岩表面直接接触，超挖空隙需充填密实。架设完毕后，其承载体不是钢 筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变 形，增强支架的三向承载能力，钢筋用量一般可比普通金属支架节省5 0 以上。 对于煤矿软岩隧道，网壳锚喷支护分为初期支护与二次支护两步骤进行施工， 初期支护用厚度2 5 m m 左右的喷层封闭岩面，必要时安装间距为1 2 m 左右的短 锚杆，作为工作面临时支护措施，随即连续安设钢筋网壳支架，利用支架自身 的柔性逐渐释放一部分围岩变形。这种钢筋网壳支架具有与普通型钢支架相当 的支撑能力，并且是对围岩进行连续支撑，可有效地阻止围岩松动破坏，并使 围岩变形速率减小。完成初次支护后，根据围岩变形继续显现的程度不同，进 行二次支护。如果围岩变形逐渐趋稳，则可在隧道施工完毕后，复喷厚度2 5 r a m 左右的混凝土将外层钢筋网覆盖，便完成了永久支护。如果隧道变形仍较强， 则不必消极等待变形趋稳，可复喷厚度l o o m m 左右的混凝土，将钢筋网壳支架 的各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成网壳配筋衬砌结构，作为永久支护。 综上所述，本课题研究的网壳配筋衬砌是一种全新的特殊钢筋混凝土结构， 具有两个显著特点：第一、混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内，喷 层所受的拉剪应力被明显削弱，抗压强度得到充分利用，因而支撑能力比普通 配筋喷层大大提高；第二，钢筋网壳支架的可缩接头使喷层也有一定的让压性 能。这种喷层既能与围岩共同变形，又对围岩提供了更强的支撑力，因而可作 为软岩隧道、动压隧道、大断面硐室等的永久支护结构。目前，网壳钢筋混凝 土广泛应用于地面建筑工程中，但在地下工程领域的研究和应用却处于起步阶 段。现在要求企业既要保证隧道的安全可靠又要做到经济合理。虽然u 型钢可缩 支架具有良好的可缩性和较好的支护效果，但其支护成本很高；锚喷支护虽然 具有施工简单、节约材料、成本低廉等很多优点，但应用于高地应力软岩隧道 支护，其支撑能力在一定程度上往往又显得不足，使隧道的安全可靠度没有足 够的保障。另外，传统的锚喷支护用于膨胀性软岩隧道尚存在一定不足，如喷 层刚度过大柔性不够，不能适应松软围岩变形大的特点，因而近年来国内外都 在大力致力于新型锚喷支护结构的研究和应用。本论文正是在降低软岩隧道支 护成本、提高经济效益又有可观推广前景的前提下，在锚网喷支护结构的基础 上，寻找更为合理的支护结构形式，改善支护结构的力学性能，同时又不降低 支护结构的安全可靠度。根据高地应力软岩隧道的特点，要求这种结构既能大 6 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 幅度提高结构本身承受地压的能力，又能有效的防止结构发生大变形时过早破 坏。因此，论文根据大跨度空间壳体结构的力学原理，探索和研究地下网壳喷 层，达到用较少的材料而大幅度提高喷层支撑能力与让压能力的目标，又将这 种网壳喷层与长短锚杆组成一种空间支护结构一一网壳锚喷结构，在高地应力 软岩隧道中进行工业性试验，以求为软岩隧道提供经济合理、技术先进、安全 可靠的新型支护形式。 15 研究内容与技术路线 软岩隧道网壳锚喷是一种全新的支护结构，需要深入研究结构与围岩的作 用机理，完善支架本身承载力的计算理论，为进一步推广应用提供科学的理论 基础。 论文研究的内容与技术路线主要包括： ( 1 ) 阐述软岩隧道的岩石力学特性和支护原则；分析锚固、喷射混凝士和 钢筋网壳组成的复合支护力学机理，研究岩体、锚固承载圈与结构间的相互作 用。 ( 2 ) 地下网壳喷层作为空间钢筋混凝土壳体结构，目前尚没有成熟的计算 理论。论文把网壳锚喷结构简化成力学模型为受均匀外载作用的圆柱形壳体结 构，根据短柱形壳在轴对称外载作用下的弯曲变形理论，对该网壳结构进行内 力分析，完成喷层弯矩、剪力、轴力和挠度等的静力分析和计算。 ( 3 ) 依托工业性试验的典型软岩隧道工程，使用大型地下结构试验台，完 成高地压作用下的1 ：1 1 ：2 原材料网壳结构模型试验。研究网壳支架、网壳 喷层及网壳结构的力学性能和承载能力，以及网壳支护系统的变形、破坏形态 与发展规律，确保设计方案的可靠度与准确性。 ( 4 ) 利用有限单元a n s y s 软件对网壳喷层结构进行数值计算，在外载方式 大致相同的情况下，利用对应的节点位移、单元内力的数值计算结果与理论计 算和模型试验结果进行对比，从而为结构的参数优化提供依据。同时通过数值 计算，也可对该网壳结构的内力分析起到补充、校核作用，比较不同计算方法 结果的差异性，得到较好的设计方案，完成设计方案的优化。 ( 5 ) 结合典型工程，完成网壳锚喷工业性试验，测定网壳隧道的收敛、围 岩变形及网壳钢筋应力应变等参数，为设计和修正网壳结构的形式和支护参数 提供依据，利用现场监测为工程提供反馈信息，并与其它常用软岩支护方式相 比较，完成网壳支护典型隧道的技术、经济对比和社会效益评价。 半刚性网竞锚喷结构力学特一陆研究及应用 第二章软岩隧道支护理论矜析 2 1 软岩隧道的岩石力学特性 软岩的属性是决定隧道围岩稳定性的基本因素，也是选择软岩隧道支护的 基本依据。这些性质主要包括：强度低、含水率高、吸水性强、胶结性差，具 有膨胀性、流变变形特征等。软岩具有以下属性“1 ： 1 一般属性 软弱：一般指普氏系数厂 3 的岩石，抗压强度1 5 m p a ； 松散破碎：胶结程度差，裂隙聚集、孔隙率大于3 0 ； 遇水崩解、泥化：遇水几分钟或几小时内崩解泥化。 2 特有属性 强膨胀：蒙脱石含量，特别是钠蒙脱石含量大于1 5 ，自由膨胀率大于3 0 ； 强流变：围岩点荷载强度r 0 _ 9 0 ( j8 0 07 0 06 ( 1 f ) 5 0 04 0 ( j3 0 。2 0 0 1 0 00 0 3 03 54 04 55 05 5 时间( d ) l 一3 收敛率 o51 01 52 0衢3 03 5“ 4 5 时5 铀( 嚣 ( d ) 测点1 5 、2 3 收敛率 图6 7 试验隧道收敛率曲线圈 o51 01 52 02 63 03 5 帅4 葑心1 d ) 5 5 ( a ) 顶片钢筋应变时间曲线 7 4 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 一9 0 0 兰 丽8 0 0 翅7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 。51 01 52 02 5 3 03 5 4 0 4 55 05 5 时问f d ) ( b ) 侧片钢筋应变时间曲线 图6 8 试验隧道钢筋应变时间曲线图 6 3 经济社会效益分析 淮南矿业集团张集煤矿在及v 类软弱围岩中，大量采用新型网壳锚喷支 护代替锚网喷、u 型钢支架及其联合支护，取得了满意效果。在不良地质条件下 采用网壳锚喷结构支护了约1 0 0 0 米隧道。迄今，网壳锚喷支护隧道已经历了两 年时间的考验，隧道变形轻微，并已完全稳定，支护完好无损，未发生喷层破 损掉皮现象，而在地质条件较好的区段，普通锚网喷支护已局部出现喷层破裂 现象。对比可见，网壳锚喷支护具有很强的支护功能，满足了软岩隧道的支护 需要。 6 3 1 经济效益比较 现将钢筋网锚喷、网壳锚喷、u 型钢棚三种支护方式的直接成本进行比较。 计算时，仅列入支护材料费与支架加工费，没有列入支架安设的人工费，计算 结果汇总参见附表3 、附表4 。 由附表3 可见，在类围岩条件下，锚网喷支护的一次投入为1 0 9 1 元米， 网壳锚喷支护总费用为1 6 3 9 元米。网壳锚喷支护的总会用比锚网喷支护的一 次投入虽然多5 0 ，但支护强度高，能经受采动影响，隧道不需返修，而锚网 喷支护经受动压影响后，需返修一次，其总费用将比网壳锚喷支护增加2 5 。 在v 类围岩条件下，普通锚网喷支护的效果更差，需要加强支护。附表4 将网壳锚喷与u 2 9 钢棚的支护费用进行了比较，两者的支护总费用分别为1 8 3 3 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 元米、2 9 7 2 元米，亦即网壳锚喷的支护费用可比u 2 9 钢棚节省3 8 。并且， 室内试验及现场试验结果都表明，网壳锚喷支护可对软弱围岩提供均匀的高支 撑力，消除了架间薄弱环节，同时还具有一定的让压性能，因而很适合于用其 代替u 2 9 钢棚进行软岩隧道支护。 张集煤矿西翼胶带机大巷及轨道大巷目前已采用网壳锚喷结构支护了近 1 0 0 0 米隧道，支护效果很好，共节约支护费用约8 0 万元。矿井投产后，尚有大 量隧道适合于采用这种支护方式，经济效益相当显著。 大量室内理论及试验研究初步证明，钢筋网壳配筋喷层的支撑能力可以超 过u 2 9 型钢支架的水平，通过工业性试验证明，钢筋网壳锚喷支护能可靠地支 护高地压、大变型隧道，技术、经济效果达到了国内外先进水平。 6 32 社会效益评价 钢筋网壳锚喷支护与软岩隧道的传统支护方式如锚网喷支护，锚网喷型一 一钢支架联合支护等相比较，结构上有重大改进，主要有： ( 1 ) 用钢筋网壳支架代替u 型钢支架及钢筋网，进行隧道支护。该种支架 安装速度快，安装后，立即对隧道表面提供较强的连续支撑，可有效地防止围 岩松动，同时具有一定的让压性能，满足了软岩隧道支护的需要。 ( 2 ) 钢筋网壳支架为连续式多跨双曲拱形结构，实现了支架轻型化、立体 化、连续化，使支架的整体稳定性大大增强，可承受变形地压及采动荷载，同 时降低了支架成本，简化了安装作业。 ( 3 ) 当钢筋网壳支架发挥了适当让压作用后，再施作喷层，形成钢筋网壳 配筋衬砌结构，利用双曲拱形钢筋网大幅度提高了喷层的抗弯能力，同时使喷 层具有一定的可缩性，从商使这种喷层也能承受变形地压及采动荷载，实现隧 道一次支护成功，不需维修。 ( 4 ) 在围岩有严重底臌、帮臌倾向的情况下，采用增强侧钢筋网壳刚度以 及安设底脚与拱肩锚杆等措施，能有效地控制住隧道底、帮变形，增强支架整 体稳定性，钢筋用量增加不多，就能大幅度提高其整体承载能力，满足极软岩 巷的支护需要。 上述支护技术在国外没有先例，在国内是首次大范围用于软岩隧道支护， 为改进我国软岩隧道支护结构开拓了新途径，社会效益相当突出。 综合上述，钢筋网壳锚喷支护具有结构新颖，力学性能优越，支护可靠、 成本低、便于施工等一系列优点，在软岩隧道、动压隧道、大断面硐室以至隧 道工程中都可采用，有着广阔的推广应用前景。 6 4 本章结论 本项目使用网壳结构支护了约1 0 0 0 米隧道，是国内外首次在软岩工程中大 7 6 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 量应用这种新型支护结构，为其推广应用积累了可贵的经验。我们认为，网壳 锚喷支护开辟了软岩隧道支护的新途径，具有突出的优点，主要表现在： ( 1 ) 网壳锚喷支护功能可靠，在软岩及高地压条件下均可实现一次成功， 避免了隧道需要多次返修的麻烦。隧道成形美观，断面规格好，施工速度快； ( 2 ) 根据钢筋应变的测量值得知，网壳与围岩相互作用稳定，钢筋在地压 作用下变形稳定，其强度在容许范围内，网壳的顶筋及边筋是结构的主要承载 对象； ( 3 ) 通过对隧道围岩收敛的测量，支护结构与围岩共同作用时，松动圈内 的位移量大，围岩处于破坏状态，而松动圈外的位移较缓慢，数值小，围岩基 本保持整体连续移动，表明采用网壳锚喷支护的隧道整体稳定性好围岩自稳时 间长： ( 4 ) 通过经济效益及社会效益的分析，网壳锚喷支护具有结构新颖、力学 性能优越、支护可靠等优点，在隧道工程中有着光明的推广应用前景。 7 7 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 第七章结论与展望 7 1 综合分析 软岩隧道网壳锚喷衬砌是一种全新的支护结构，本文通过理论计算、模型 试验、数值模拟及工程应用，分析结构与围岩的作用机理，深入地研究了钢筋 网壳锚喷支护结构的力学特性。综合这几方面的研究成果： ( 1 ) 阐述软岩隧道围岩的基本属性及其变形规律，依据围岩压力的特点， 论述了软岩隧道支护遵循的基本原则：提高围岩的自稳能力、优化二次支护时 间、彻底消除局部弱支护及其产生根源等。同时，依据软岩隧道常用的支护理 论分析锚固、喷射混凝土和钢筋网壳组成的复合支护力学机理，研究岩体锚圃 承载圈与结构间的相互作用。 ( 2 ) 应用壳体理论，对钢筋网壳结构进行开口柱壳结构解析解分析，将其 简化为边界条件四边简支、承受均匀法向荷载的力学计算模型，分析了结构的 内力及变形。通过理论分析得出：壳体的纵向弯曲内力水平很低，而在环向上 相对较大。这阐明了短柱形壳弯曲变形理论较好地符合网壳支护结构的实际受 力状态。、 ( 3 ) 根据相似模型试验的结果，对数据进行处理，分析得出，壳体中外侧 的面弧筋应变较大，应力水平较高：纵向连接钢筋出现了拉应力，但值非常小： 在加载过程中试件有纵向的变形，这主要与试验中没有施加纵向约束有关。混 凝土在试验过程中存在有纵向拉应变，但并没有发生开裂现象，这说明拉应力 对试件的影响很小。这与前面的理论分析结果基本吻合。 ( 4 ) 由模型试验所得出的应变一荷载曲线可以看出，在较小的荷载水平下， 网壳衬砌钢筋的应变具有良好的线性关系，除纵向联接钢筋为受拉外，其余的 钢筋都是受压，通过应变荷载图可以看出，当荷载接近极限值时，钢筋混凝 网壳内的主弧筋和联接弧筋都接近或达到屈服状态，混凝土的环向压应力达到 或超过其单轴强度，这就说明网壳钢筋充分发挥了材料的特性，提高了混凝土 结构体的承载能力。 ( 5 ) 在钢筋混凝土网壳的极限承载力试验中，单片构件在荷载加到 1 5 4 m p a 时，发生破坏。单片网壳的极限承载力可换算得出为1 8 4 8 m p a 。根 据试验过程与破坏形态，判定衬砌为压剪破坏。破坏的位置发生在靠近壳体中 对称面附近，这与理论分析的结果相吻合。对整架网壳衬砌进行承载能力试验， 支架最终在总荷载达4 8 6 t 时由于右直腿大挠曲折断而失稳，此时，左直腿中 部开始出现与右侧初始破裂时形状相似的裂纹，拱顶仍完好无损，说明该种支 架的直腿是薄弱郝分。 ( 6 ) 数值模拟分析与模型试验得出的钢筋网壳应力分布以及混凝土应力分 布极为相似，在结构正常使用下，同一载荷下两者得出的相应指标值极为接近； 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 数值模拟所得出的整架钢筋混凝土网壳构件的极限承载力为1 3 6 8 6 t ，比模型试 验所测得的值1 0 9 3 t 要大，这主要是因为：模型试验时对构件两底脚的固定方 式存在一定的应力集中，所施加的荷载与实际情形有一定的偏差，对两侧面没 有施加约束，钢筋网壳支架构件处于平面应力状态，从而造成极限承载力的偏 低；在a n s y s 数值模拟分析中，构件的边界条件及加载条件与实际情形基本一 致，忽略了接头影响，将其考虑为一连续的整体结构，在一定程度上提高了钢 筋网壳混凝土支架的极限承载力； ( 7 ) 利用a n s y s 软件对网壳喷层结构进行数值计算，根据模型试验和现场 工程试验，对对应的节点位移、单元应力及应变进行计算分析。对理论计算、 模型试验、数值模拟进行对比，在位移变形的验算中，三种方法得出的位移都 非常小，模型试验中屈服破坏对的最大位移也只有0 8 m m ( 不包括壳体的径向 刚体位移) 。在相同大小荷载作用下( 取0 2 m p a ) ，模型试验所测得的结果是 0 8 m m ，理论分析的结果是0 ，5 8 m m ，数值计算的结果是1 3 3 5 m m 。模型试验 结果比理论分析值高2 7 5 ，而数值分析的结果偏大，其原因是数值模拟时释 放了端面的径向约束导致壳体有刚性位移。在理论分析中，引入强度理论所得 出的极限荷裁值较试验值低6 5 ，原因也是因为模型试验中曲线边界条件没施 加简支约束，且在端部也放松了径向约束。 ( 8 ) 通过理论分析、模型试验和数值计算的比较分析，为结构的参数优化 提供了依据。同时，通过数值计算，也对该网壳结构的内力分析起到了一定的 补充、校核作用。比较不同计算方法的结果，为支护结构的设计提供理论依据， 完成设计方案的优化。 ( 9 ) 结合网壳锚喷结构的工程应用，依据网壳隧道的收敛、围岩变形及钢 筋应力应变等测定数据，并与其他常用的软岩支护方式相比较，钢筋混凝土网 壳结构具有很强的支护能力，网壳锚喷支护非常适用于软岩隧道支护的技术与 设计要求，具有很高的应用价值。网壳锚喷支护结构的费用是u ，。型钢支架的 6 2 ，具有很好的市场前景。根据软岩巷道钢筋网壳锚喷应用技术经济分析， 认为该新型支护结构设计合理、整体性强，具有抵抗隧道大变形的能力，与u 型钢等重型金属支架相比，直接成本降低3 0 以上。 ( 1 0 ) 钢筋网壳锚喷支护技术在国内外尚无先例，它为改进我国软岩隧道 支护结构开拓了新途径。 7 2 存在问题与展望 钢筋网壳锚喷支护技术是在工程实践中发展起来的一种新技术，到目前为 止其理论研究在国内外都非常少见。钢筋混凝土网壳的计算分析在理论上还存 在很大的困难。壳体的解析分析，尤其稳定性分析在理论和数学上有相当大的 难度。 ( 1 ) 在理论分析上，壳体内力中弯矩占有一定的比例，这是支护结构设计 中要注意的，以防止弯曲拉应力过大而拉坏了混凝土结构。对钢筋混凝土结构 半刚性网壳锚喷结构力学特性研究及应用 可采用复合力学和损伤力学等手段来进一步分析，使得理论分析更接近实际模 型。 ( 2 ) 模型试验研究试验得出了钢筋混凝土网壳的极限承载力，为钢筋混凝 土网壳支护结构设计与分析的可靠性提供了依据。理论分析中并未考虑钢筋网 壳对结构的贡献。所以两者结果的差别没有真实反映出钢筋网壳对整个壳体承 载力的影响。 ( 3 ) 数值模拟分析中，只模拟分析了钢筋混凝土网壳结构本身的力学响应， 没有考虑围岩与网壳的共同作用，这与网壳支护结构实际受力状态是有一定的 出入的。得出的结果也存在一定的误差，建议以后对钢筋混凝土网壳进行 a n s y s 数值模拟可加入界面单元，对围岩和支护结构进行接触分析，以考虑其 共同作用。 ( 4 ) 有限元数值模拟计算建立整体支护模型进行分析，但没有考虑接头处 螺栓的影响，这有待于今后数值分析进一步完善。由此可对具体软岩工程提出 合理的优化设计方案。同时有必要进行动荷载的