地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展.pdf

第4 5 卷第8 期 2 0 2 0 年8 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．8 A u g ． 2 0 2 0 移动阅读 王琦，许硕，江贝，等．地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 8 2 7 6 0 一2 7 7 6 ． W A N GQ i ，x US h u o ，J I A N GB e i ，e ta 1 ．R e s e a r c hp r o g r e s so fc o n f i n e dc o n c r e t es u p p o r tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o ru n d e r ． g m u n de n g i n e e r i n g [ J ] ．J o u m a lo fC h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 8 2 7 6 0 2 7 7 6 ． 地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展 王琦1 ’2 ，许硕1 ’2 ⋯，江贝1 ’2 ，李术才1 ，肖宇驰1 ’3 ，辛忠欣1 ’3 ，刘博宏1 ’3 1 ．山东大学岩土工程中心，山东济南2 5 0 0 6 l ；2 ．中国矿业大学 北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．山东天 勤工程科技有限公司，山东菏泽2 7 4 7 9 9 摘要随着我国地下工程的迅速发展，建设规模不断扩大，工程建设过程中面临大量高应力、极软 岩、强采动和断层破碎带等复杂条件，导致围岩变形严重、控制困难，联合支护是复杂条件围岩有效 控制的必然选择。工程实践表明，拱架作为联合支护的最后一道防线，其承载能力不足导致冒顶、 塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点，近年来在矿 山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工 等方面进行了系统研究。在室内试验方面，进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研 究，为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面，建立了拱架内力 计算模型，形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面，进行了约束混凝土拱架整体选 型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在 现场施工方面，形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法，研发了成套关键技术与 装备。对上述研究内容进行了总结，同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及 在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。 关键词地下工程；约束混凝土；支护；设计方法；施工工艺；现场应用 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 8 2 7 6 0 一1 7 R e s e a r c hp r o g r e s so fc o n 6 n e dc o n c r e t es u p p o r tt h e o r ya n dt e c h n o l o 韶 f ．0 ru n d e r g r O u n de n g i n e e r i n g W A N GQ i ‘”，X US h u 0 1 2 ”，J I A N GB e i ‘”，L IS h u c a i ’，X I A OY u c h i l ⋯，X I NZ h o n g x i n l ”，U UB o h o n g ‘ 3 t 、．№e o r c hc e m e rq 饶m e c h n l c o ln n ds t 兀| c t u m lE n g l 聪e 咖g ，s 沁n d o n gU n 漩r s 啦，J l M nj 2 5 t l 响l ，L h t M ；j z ．蛳。把K e yL n b o m l o 吖，o T 恤o 。袱c 她n l c so n d 眠P 踟应w ．o u 蒯E n g i ，聊一凡g ，劬i 舭踟i 卯r s 渺矿肘澌凡g ＆‰h ，l o f o g y 讲昭 ，＆驴愕l o 0 0 8 3 ，饥f ，m ；3 ．鼽口，山n g 死n 凹胁￡哂，删i n g 口蒯死如n o f - o g ，厶m i 删c o ”邪v ，胁≈2 7 4 7 9 9 ，仇i M A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e V e l o p m e n to fu n d e 昭m u n de n g i n e e r i n gi nC h i n aa n dt h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fc o n s t r u c t i o ns c a l e ，al a r g en u m b e ro fc o m p l e xc o n d i t i o n sa r ef a c e di nt h ec o n s t m c t i o np r o c e s ss u c ha sh i g hs t r e s s ，e x t r e m e l y s o f tr o c k ，s t r o n gm i n i n ga n df a u l tf h c t u r ez o n e ，w h i c hl e a dt os e r i o u ss u r r o u n d i n gr o c kd e f o H n a t i o na n dc o n t r o ld i m c u l - t i e s ．T h ee n g i n e e “n gp r a c t i c es h o w st h a t ，c o m b i n e ds u p p o ni st h ei n e V i t a b l ec h o i c et oc o n t I ．o ls u n ．o u n d i n gr o c ke f I ．e c - t i v e l yu n d e rc o m p l e xc o n d i t i o n s ．A st h el a s tl i n eo fd e f 色n s ef ．o rc o m b i n e ds u p p o n ，t h el a c ko fb e a r i n gc a p a c i t yo fa r c h l e a d st of 托q u e n tr o o ff a l la n dc o l l a p s e ．C o n f i n e dc o n c r e t e C C s u p p o r th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hb e a r i n gc a p a c i 一 收稿日期2 0 1 9 一0 7 一l O修回日期2 0 1 9 一l O 一2 0 责任编辑常琛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 9 2 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 1 5 4 ，5 1 7 0 4 1 2 5 ；山东省重点研发计划资助项目 2 0 1 8 G G x l 0 9 0 0 1 作者简介王琦 1 9 8 3 一 ，男，山东临沂人，教授，博士生导师。T e l 0 5 3 I 一8 8 3 9 2 7 9 2 ，E m a i l c h i n a w a n g q j 1 6 3 ．c o m 万方数据 第8 期王琦等地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展 t y ，g o o dp l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s s ，a n de x e e l l e n te c o n o m i cp e r f b n n a n c e ．I nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm i n e r o a d w a y sa n dt r a m ct u n n e l s ．M a n yr e s e a r c h e r sh a v ed o n eal o to fr e s e a r c hi n1 a b o r a t o r yt e s t ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，d e s i g nm e t h o da n d6 e l dc o n s t m c t i o n ．I nt h ea s p e c to fi n d o o rt e s t ，a1 a 曙en u m b e ro fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t so fC Ca r - c h e sa n db a s i cc o m p o n e n t sa r ec a r r i e do u t ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf b rt h eb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o nt h e o r ya n dd e - s i g nm e t h o do fC Ca r c h ．I nt h ea s p e c to ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fi n t e r n a l f o r c eo fa r c hi se s t a b 1 i s h e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o na n dd e s i g nm e t h o do fC Cs u p p o r ts t r e n g t hi sf b m e db yc o m b i n i n gt h ec o m p r e s s i V eb e n d i n g s t r e n 昏hc d t e r i ao fC Cc o m p o n e n t s ．I nt e m l so fd e s 唔nm e t h o d ，t h eo V e r a Us e l e c t i o nd e s i g n ，c o n c r e t ec o r ed e s 培n ，g m u - t i n gh o l ea n de x h a u s th o l ed e s i g n ，j o i n td e s i g n ，a r c hs p a c i n ga n dl o n g i t u d i n a lc o n n e c t i o nd e s i g na r es t u d i e d ．I nt h ea s p e c to ff i e l dc o n s t m c t i o n ，t w ok i n d so fc o n s t m c t i o nm e t h o d s ，m i n er o a d w a yc o m p o s i t ec o n s t r u c t i o na n dt r a f f i ct u n n e l m e c h a n i z e dc o n s t l l l c t i o n ，h a v eb e e nf ．o m l e d ，a n das e to fk e yt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n th a v eb e e nd e v e l o p e d ．T h i s p a p e rs u m m 撕z e st h ea b o v er e s e a r c hc o n t e n t s ，a n dp I D s p e c t st h ed e s i g n ，c o n s t m c t i o na n da c c e p t a n c ec r i t e r i o nf 0 瑚u l a - t i o n o fc o n f i n e dc o n c r e t es y s t e mi nd i f b r e n te n g i n e e r i n g6 e l d si nt h en e x ts t e p ．A tt h es a m et i m e ，t h ef u t u r ed e V e l o p - m e n t so fd e s i g n ，c o n s t m c t i o na n da c c e p t a n c es t a n d a r do fc o n f i n e dc o n c r e t es y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o ni nd i f f e r e n te n g i - n e e r i n gf i e l d ss u c h a st r a m c ，w a t e rc o n s e r v a n c ya n dm u n i c i p a le n g i n e e r i n ga r ep r o s p e c t e d ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ；c o n 6 n e dc o n c r e t e ；s u p p o r t ；d e s i g nm e t h o d ；c o n s t l l J c t i o nt e c h n o l o g y ；f i e l da p p l i - P a t i n n 随着我国地下工程的迅速发展，建设规模不断扩 大，工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动 和断层破碎带等复杂条件。受上述复杂条件影响，传 统支护体系破断失效，围岩变形量大、持续时间长，复 修率高，冒顶、塌方等突发性工程灾害和重大事故频 发㈣] 。 在新奥法理论指导下，地下工程大量采用锚网喷 支护技术。国内外学者针对锚杆支护技术进行大量 研究，形成一系列的成果，如c o n e 锚杆HJ 、R o o f e x 锚 杆“ J 、G a 面r d 锚索【6o 等，何满潮一J 、孙晓明等【8 1 提出 了深部围岩非线性大变形设计理论，并基于此研发了 恒阻大变形锚杆支护技术，对于复杂条件下围岩控制 有很好的效果。但是复杂条件地下工程围岩破碎严 重，可锚性较差，锚杆的锚固性能难以有效发挥p ] ， 锚网喷支护强度不足，围岩控制困难，采用锚网喷、锚 注、拱架等多种方式的联合支护是解决该类控制难题 的必然选择。 康红普等叫针对超千米深井巷道围岩、支护体 变形及破坏状况，提出了高预应力、高强度锚杆与锚 索及注浆联合加固技术，能够有效控制超千米深井巷 道大变形，保持围岩长期稳定；谢生荣等针对深部 软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快，提出了锚喷 注强化支护技术；刘泉声等∽o 针对淮南矿区煤矿深 部破碎软弱围岩支护问题，提出分步联合支护的设计 理念和优化支护方案；笔者团队2 1 针对三软地层沿 空巷道围岩控制难题，提出了注浆锚杆 注浆锚索联 合支护方法，同时，针对千米深井软弱围岩巷道控制 难题，提出了方钢约束混凝土支护体系，有效控制了 围岩变形。2o ；李树忱等副针对膨胀力作用下的隧道 支护难题，提出了格栅拱架 钢拱架 喷射混凝土联 合支护方式；文竞舟等4 1 建立了由系统锚杆为支护 外层拱以及喷层与钢拱架为支护内层拱所共同构成 的复合拱力学模型，结果表明，以型钢拱架和喷层组 成的支护内层拱起主要承载作用。 拱架作为联合支护的最后一道防线，需具有高 强、高刚的性质。传统型钢拱架包括u 型钢拱架和 工字钢拱架，其与锚网喷联合支护起到了较好的围岩 控制作用。但是在超高应力、软弱围岩等复杂地质条 件下，传统型钢拱架易出现局部屈曲、整体折断、法兰 节点破坏、卡缆节点失效、搭接部位撕裂折损等现 象5 ’，导致支护体系整体失效，不能满足复杂条件围 岩控制需求。 地下工程约束混凝土支护体系能够解决上述问 题，有效控制复杂条件围岩变形[ 2 。 1 8 ] 。笔者对约束 混凝土支护体系的研究内容进行了总结，同时对该体 系设计、施工与验收规范制定以及在不同工程领域的 推广应用方面进行了展望。 1 约束混凝土支护发展历程 1 ．1 约束混凝土支护体系 约束混凝土支护体系心‘3 ，1 6 屯33 的核心为内部高强 承载层，即高强约束混凝土拱架 图1 。高强约束混 凝土拱架是在钢管等外部约束材料中灌注混凝土形 成的，钢管混凝土是约束混凝土中的一类形式，为了 方便论述，本文将钢管混凝土以及其他形式约束混凝 万方数据 2 7 6 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 土统称为约束混凝土。约束混凝土由于外部结构的 约束作用使核心混凝土具有更高的抗压强度，核心混 凝土又保证了外部约束不易发生失稳破坏，约束结构 与核心混凝土共同承载，两者表现出力学性能上的 “共生现象”，使其具有强度高、延性好、造价低的优 约 束 混 凝 土 支 护 研 究 点。 针对高强约束混凝土支护技术，众多学者在室内 试验、数值试验、计算理论与设计方法和现场实践等 方面进行了研究 图2 ，为约束混凝土支护技术的广 泛应用奠定了基础。 ㈥1约束混凝土支护体系 F i g ．1 C o n n n e { ‘o n ‘r e t es u p P r ts y s t e I l 室内试验 与数值试验 计算理论 与设计方法 1 正i 亍瑟] 厂叫 △垄堕三 兰堕 尘垫查IL _ ．厂、再磊i 磊王 节点连接 纵向连接 机械化装备研发 图2 约束混凝土支护研究内容 F i g ．2 R e s e a r c h ’o n t e n t s 1 fc o I l f i n e 1c o n c r e t Ps u p p t r t 1 ．2 矿山工程约束混凝土支护发展历程 自2 0 0 0 年以来，众多学者针对约束混凝土支护 体系开展了系列研究，淮南工业学院臧德胜旧4 。15 。首 次采用圆钢约束混凝土拱架在平煤四矿进行了现场 应用，与型钢拱架相比，约束混凝土拱架耗钢量更少， 成本更低。此后，高延法教授课题组在钱家营矿旧6 。 首次采用先架后灌的灌注工艺和套管节点进行拱架 拼装连接，首次将地E 约束混凝土结构普遍采用的 “顶升法”灌注工艺引人了地下工程，保证了核心混 凝土的灌注质量，并在查干淖尔矿【”。进行了应用。 2 0 1 1 年，笔者课题组| 。8 t3 ’2 卜。首次提出了与围岩接 触紧密、纵向连接方便、压弯承载力强的u 型钢、方 钢等多种约束混凝土支护体系，系统开展了室内全比 尺对比试验，建立了非等刚度、任意节数内力计算模 型，形成了约束混凝土支护设计方法，研发了成套关 键技术与施工工法，并在深部高应力、海域极软岩、巨 厚冲积层等典型矿井中成功应用。2 0 1 5 年，刘立民 等‘3 。首次提出了曲面D 型约束混凝土支护形式，并 在平煤十矿进行了应用，取得了良好的围岩控制效 果。 一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一 万方数据 第8 期 王 琦等地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展 在以上典型技术革新的基础上，众多学者对上述 约束混凝土支护技术进行了改进优化，取得了众多技 术成果，典型技术革新见表l 。 1 ．3 隧道工程约束混凝土支护发展历程 2 0 世纪7 0 年代，日本首次采用将箍筋插入钢管 内并灌注砂浆的刚性支撑形式，应用到世界最长海底 隧道青函海底隧道的膨胀区段，成功穿过了断 层口2 | 。这是关于约束混凝土支护在世界范围内被应 用到隧道工程领域的首次报道。 1 9 8 4 年，原铁道部b 圳首次将约束混凝土拱架应 用到了南岭隧道中，通过对比试验和现场监测后得 出约束混凝土支护是强度高、稳定性好、经济效果显 著、加固效果明显的支护形式。这是我国首次关于约 束混凝土支护被应用到隧道工程领域的报道。 表1矿山工程约束混凝土支护典型技术革新 T a b l e l T y p i c a lt e c h n o l o g i ∞l i 肿o V a t i o no fc o I I f i I 州∞n c 阳t es u p p o ni nm i n ee n g i n e e r i n g 为解决大断面隧道拱架重量大、人力施工效 率低、在爆破完成后容易出现拱顶掉块、垮塌造成 严重安全事故等问题，山东大学笔者课题组∽4 。3 7 J 提出了“高强高刚、精确装配”的约束混凝土支护 体系施工理念，首次将方钢约束混凝土支护技术 应用在我国超大断面交通隧道中，同时自主研发 了高精度约束混凝土拱架机械化施工装备以及自 动装配式节点、快速定位纵向连接装置等配套装 置，实现了约束混凝土支护技术的快速机械化施 工，同时首次将约束混凝土支护技术推广应用到 市政隧道工程中。隧道工程约束混凝土典型技术 革新见表2 。 表2 隧道工程约束混凝土支护典型技术革新 T a b I e2 T y p i c a lt e c h n o I o g i c a li n n o V a t i o no fc o I l f i n e dc o n c r e t es u p p o ni nt u n n e le n 西n e e r i n g 2 约束混凝土支护原理与承载性能研究 高强约束混凝土拱架能够实现外部约束和核心 混凝土力的共生，既发挥了约束材料强度高、延性好 的优点，又发挥了核心混凝土抗压性能优、造价成本 低的特点。与传统型钢拱架相比，其承载能力大幅提 高，可对软弱围岩提供更大的径向作用力，提高围岩 自身承载能力，有效控制围岩变形和塑性区发展。同 时，高强约束混凝土拱架作为内部高强承载结构，是 维护围岩自承结构完整性和有效性的主体，其与外部 围岩形成整体承载体系，避免了支护体系木桶效应的 产生，实现了复杂条件围岩的“高强、完整”控制。 为对比分析约束混凝土拱架与传统型钢拱架的 承载性能，国内外学者系统开展了约束混凝土短柱试 验、直梁与圆弧拱试验、缩尺与全比尺拱架试验，并针 对约束混凝土自身结构特点，开展了约束混凝土拱架 密实度试验、灌注口与组合节点性能试验研究。 2 ．1 约束混凝土短柱试验 2 ．1 ．1 轴压试验 1 9 8 4 年，蔡绍怀等∞副进行了约束混凝土短柱轴 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 压试验，得到r 约束混凝土短柱轴压承载力；1 9 9 9 年，韩林海弼J 通过大量约束混凝土短柱试验，研究了 不同因素对约束混凝土短柱破坏形态及承载力的影 响；2 0 0 6 年，于来等H oo 对f 字形约束t 昆凝土短柱的 轴压过程进行数值试验，分析了钢材型号和混凝土等 级对短柱力学性能的影响；2 0 1 4 年至今，笔者课题 组⋯’2 。一5 4 卜4 2 ’6 2 对u 型约束混凝土 以下简称u c c 与方钢约束混凝土 以下简称s Q c c 及对应的型钢 短柱进行了轴压对比试验，并利用声发射技术研究了 核心混凝土破裂机理及其与约束钢管的耦合性能。 综合上述研究可知约束混凝土短柱受约束效应 的影响，整体为塑性破坏，形态主要为腰鼓状破坏和 剪切破坏，有效避免了型钢短柱由于早期失稳导致承 载能力大幅下降的现象。荷载一应变曲线呈现上升 一平缓上升的形式，没有下降段，反映出约束混凝土 结构具有较好的延性和后期承载能力。以u 型约束 混凝土短柱为例，在截面含钢量基本相同的情况下， 其轴压极限承载力是相同类型u 型钢短柱的2 ．6 倍 以匕 图3 。 Z 一 乏 R 撰 图3 约束混凝t 与型钢短柱试验结果对比 F i g ，3C o n l p a r i s t J no rt e s lI ‘e s u | t so f ‘o n “n e 1 ’o n c I _ e t ea n d s f p e ls h r t l u n l l l s 2 ．1 ．2 偏压试验 1 9 9 7 年，韩林海。4 纠对约束混凝土构件进行偏压 数值试验，分析了偏压构件力学性能；2 0 0 6 年，陈志 波⋯进行了约束混凝土短柱偏压室内试验，分析丫 短柱偏压力学性能，并提出偏压承载力计算方法； 2 0 0 8 年，聂建国等1 45 。进行了圆钢、方钢约束混凝土 短柱偏压试验，对比分析了不同偏心距下两种截面形 式的短柱承载力；2 0 1 5 年，郭晓松‘4 叫进行了椭圆形 短柱在两种偏心距下绕短轴的偏压试验，同时采用 A B A Q u s 软件进行数值分析，提出了承载力计算公 式；2 0 1 6 年，江贝| 3 4J 对不同类型约束混凝土短柱进 行偏压数值试验，对各短柱偏压承载能力进行了对比 分析；2 0 1 7 年，向星赞‘47 】进行了约束混凝土短柱偏 心受压试验，对其承载力及影响因素进行研究，并提 出了偏压承载力计算公式。 目前关于约束混凝土短柱轴压、偏压试验的研究 已经成熟，上述研究通过不同类型约束混凝土短柱试 验，得到了短柱的轴压极限承载力、压弯承载力及影 响因素，为短柱与拱架承载力计算及设计方法提供了 依据。 2 ．2 约束混凝土直梁、圆弧拱抗弯试验 2 0 0 1 年，杨有福等H 圳进行了矩形约束混凝土纯 弯构件室内试验，对矩形约束混凝土构件在纯弯状态 下的力学性能进行研究；2 0 0 6 2 0 0 8 年，于清。4 9 。、陶 忠等。5 ”J 进行了不同钢管壁厚、混凝土强度的圆钢和 方钢约束混凝土构件纯弯试验，得到了构件抗弯承载 力，试验结果表明，约束混凝土构件具有较强的抗弯 能力和良好的延性。 2 0 1 3 年，刘国磊。5 1 。和曲广龙p2 。等进行了约束混 凝土圆弧拱抗弯试验研究，对约束混凝土、空钢管、 u 3 6 ，2 2 } 工字钢等不同类型的圆弧拱构件进行承载 性能对比分析；2 0 1 8 年，单f 亮等N 列对约束混凝土 拱架中单拱构件进行径向加载试验，结合数值试验， 得到了圆弧拱的极限承载力及影响因素。 通过上述研究可知由于约束混凝土拱架尺寸 大、成本高，进行拱架局部构件试验可一定程度上反 映拱架力学性能，便于研究拱架局部破坏机制。此类 拱架局部构件试验未考虑节点等因素影响，试验结果 不能充分反映拱架破坏和承载机制。 2 ．3 约束混凝土拱架试验 2 0 0 1 年，臧德胜等。5 4J 开展了直腿半圆形约束混 凝土拱架缩尺试验；2 0 0 9 2 0 1 4 年，高延法课题组开 展了圆形。5 1 ] 和浅底拱圆形‘5 2 1 等拱架缩尺或大比尺 力学性能试验 图4 a ～ d ；2 0 1 4 年，魏建军 等∞纠进行了直腿半圆形拱架缩尺试验 图4 c ； 2 0 1 5 年至今，笔者课题组研发了组合式约束混凝土 拱架全比尺力学试验系统。5 ⋯，开展了矿山巷道U 型 约束混凝土、方钢约束混凝土、圆钢约束混凝土 以 下简称C C C 拱架以及U 型钢和工字钢拱架的l l 系列对比试验‘2 ’。6 珈。’∽4 。7 ’5 7 】 图4 e ～ i 。首次 进行了交通隧道三心圆拱架的大比尺室内试验。系 统分析了不同加载模式、不同断面形状、不同截面参 数以及不同核心混凝土强度等因素对拱架承载能力 的影响机制，并于2 0 1 9 年首次进行了大断面隧道组 合拱架的室内大比尺试验M 8 。 约束混凝土拱架室内试验具体参数见表3 ，对比 分析可以得到如下结论 万方数据 第8 期琦等地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展 2 7 6 5 b 刘国磊 2 0 1 3 年 c 魏建军 2 0 1 3 年 f 江贝 20 1 6 年 黟翟 p ／” 、7 、／ ． H、 、～1 ．0 ．‘、一．．一一 l 二二』．j 。二支二纠 g 笔者 2 0 1 7 年 h 笔者 2 0 1 8 年 i 笔者 2 叭9 年 图4 约束混凝土拱架承载特性试验 I ．’i g ．4l { e a r i l l gc h a l l a ，t e r i s I j t - sI P H 【o f 【- ‘ nr i n e 1 - ‘ 1 1 - 1 1 P l ea I t 表3 约束混凝土拱架承载特性试验统计 T a b l e3S t a t i s t i c so fc O n n n e dc o n c r e t ea r c hb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c st e s t 万方数据 2 7 6 6 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 1 拱架尺寸有2 种形式第1 种是缩尺，模型 尺寸较小；第2 种是全比尺，可实现不同形状、不同尺 寸拱架的l l 力学试验。 2 试验有2 种加载方式第1 种加载方式为顶 部加载，其他位置多点约束；第2 种加载方式为多点 加载，能够更真实模拟拱架在现场的实际受力状况。 3 约束混凝土拱架承载力是相同截面含钢量 的传统型钢拱架的2 倍以上，且具有更好的延性和后 期承载力。 4 方钢约束混凝土拱架承载力比相同含钢量 的圆钢约束混凝土拱架最高可提高2 2 ．7 ％，且与混 凝土喷层结合更紧密，抗弯性能和稳定性能更好，在 地下I 程拱架均承受压弯荷载的情况下，方钢约束混 凝土拱架更具有适用性。 2 ．4 约束混凝土密实度试验 核心混凝土不密实是造成约束混凝土破坏的主 要原因。核心混凝土空腔及脱空缺陷导致混凝土自 身承载力下降 图5 ，钢管与混凝土胶结力减弱，钢 管和混凝土无法形成“力的共生”效应。 图5空腔缺陷造成的拱架破坏 F 嘻5A I ’h I Ⅲa 龄c a L l s P 1 1 y ‘a v i t y ‘l e f e ‘l s 众多学者对含不同空腔及脱空缺陷的约束混凝 土拱架及构件进行了大量试验，结果表明，核心混凝 土不密实会引起约束混凝土构件的强度折减p 。6 1 。 核心混凝土脱空率为2 ．2 ％时，约束混凝土压弯扭试 件的极限承载力下降1 1 ．5 ％，脱空率为4 ．4 ％时，约 束混凝土压弯扭试件的极限承载力下降1 7 ．9 5 ％”。； 约束混凝土拱架中核心混凝土空腔率超过1 4 ．3 ％ 时，在长期荷载作用下，整体抗弯承载能力下降较大， 易发生拱架断裂等现象，，亚重威胁地下工程施工与生 产安全【葩1 。 提高核心混凝土密实度卜分必要。传统提高密 实度的方法主要为改善核心混凝土灌注方式和改善 自密实性质两种。目前常用的核心混凝土灌注方法 是顶升法，即从下向．I 灌注混凝土。依靠混凝土自重 挤压密实，顶升法多用自密实混凝土。目前在地上工 程中针对自密实混凝土已经进行了大量研究，有效控 制了核心混凝土的早期膨胀和后期收缩1 6 卜”。，但在 地下约束混凝土结构中尚未得到应用。笔者课题 组。6 开展了核心混凝土外加膨胀剂试验研究，结果 表明，添加膨胀剂可以增加混凝土与钢管之间的黏结 特性，防止由于混凝土收缩带来的脱空影响。 科学有效的核心混凝土密实度检测方法，能及时 指导对约束混凝土结构缺陷区采取补强措施。地上 工程中多采用超声波无损检测法。6 6 。“9 ，判别不密实 缺陷的范围及其严重程度。地下工程约束混凝土结 构截面较小且施工环境复杂，超声波无损检测受尺寸 效应影响，检测结果误差较大，且由于缺陷位置和大 小的不确定性，导致超声波无损检测方法在地下工程 无法有效运用。地下工程约束混凝土结构常采用敲 击法l 啦j 。 检测出约束混凝土结构缺陷区后，一般采取钻孔 压浆法进行补强旧o ’““，但钢管钻孔缺陷对约束混凝 土承载能力影响较大。针对混凝土不密实引起约束 混凝土结构承载能力下降的问题，笔者课题组∽副进 行了侧弯强化板、四面强化板及周边强化板补强方案 试验研究，得到了补强优化比选方法，并在万福煤矿 支护设计中进行了现场应用。 通过上述研究，总结可知 1 核心混凝土不密实会造成自身承载力下降， 万方数据 第8 期 琦等地下1 二程约束混凝土支护理论与技术研究进展 引起约束混凝土结构的强度折减。 2 地上约束混凝土结构多通过超声波无损方 法检测核心混凝土密实度，但由于其精度较小和地下 工程空问的局限性，地下工程中常采用敲击法检测密 实度。应进一步开展约束混凝土拱架密实度实时定 量检测方法研究。 3 通过顶升灌注、采用自密实混凝土和添加膨 胀剂等方式，可提高核心混凝土的密实度；当检测出 约束混凝土结构缺陷区后，通过钢板补强的方式，可 有效提高约束混凝土结构的承载力。 2 ．5 灌注口补强研究 约束混凝土拱架大多进行现场灌注，需要在拱架 上预留灌注。灌注口的留设会造成拱架局部强度 降低和应力集中，导致拱架栏体承载能力的下降，是 拱架破坏的关键部位，冈此有必要对灌注口进行系统 研究并提出补强没计方法。高延法等。7 川在拱架灌注 口处采用焊接加强钢板的方法进行补强；C H A N CX u 等。7 引基于对一系列的有缺的约束混凝土短柱进行 轴压试验，分析其破坏模式，研究钢管的缺口对约束 混凝土短柱力学性能的影响，并提出用于预测带有缺 口的约束混凝土短柱极限抗压强度的经验方程。 笔者课题组∞4 “ 。7 4 进行了方钢和u ，型约束混 凝土留设灌注口短柱及灌注口补强短柱试验研 究 图6 ，对比分析了短柱变形破坏形态、荷载位 移曲线及承载力等力学性能，建立约束混凝土强度 及经济指标，综合对比短柱补强效果。结果表明， 留设灌注口短柱极限承载力比普通短柱降低 2 9 ．9 ％；在侧弯钢板补强、开孑L 钢板补强和周边钢 板3 种补强方法中，侧弯钢板补强效果最好，极限 承载力比留没灌注口短柱的提高了7 0 ．2 ％，该类侧 弯钢板补强方案效果在拱架室内试验和现场应用 中得到有效验证。 2 ．6 约束混凝土节点试验 在地上约束混凝土结构中，约束混凝土构件多通 过法兰节点进行连接，其相关研究已较为充分。在地 下工程中，套管节点连接强度与施工效率高，装配式 节点能够实现拱架的折叠与自动卡合，均具有广泛的 研究价值。 目前关于节点的研究相对较少，笔者课题 组、3 4 。一” 7 5o 对地下工程约束混凝土拱架节点进行了 试验研究 图7 明确了法兰节点和套管节点的力学 性能及影响机制，提出了套管节点两种临界弯曲破坏 模式，推导了套管节点抗弯强度的实用计算公式，建 立了套管节点压弯承载力学判据，得到了约束混凝土 拱架套管节点设计