直墻半圓拱形鋼管混凝土支架力學性能實驗及應用

高延法，王 軍，黃萬朋，陳冰慧，王 亮，王 超

(1.中國礦業大學，北京 100083；2.山東科技大學，山東 青島 266510；3.中煤國際工程集團北京華宇工程有限公司，北京 100120；4.大地工程開發(集團)有限公司，北京 100102)

直墻半圓拱形鋼管混凝土支架力學性能實驗及應用

高延法1，王 軍1，黃萬朋2，陳冰慧1，王 亮3，王 超4

(1.中國礦業大學，北京 100083；2.山東科技大學，山東 青島 266510；3.中煤國際工程集團北京華宇工程有限公司，北京 100120；4.大地工程開發(集團)有限公司，北京 100102)

為研究直墻半圓拱形斷面巷道面臨的支護難題，設計了直墻半圓拱形鋼管混凝土支架與U型鋼支架力學性能對比實驗；實驗全面測試并分析了鋼管混凝土支架的承載力、位移與應變，同時分析了熱煨彎曲對鋼管原材料抗拉性能的影響及C60混凝土配合比合理性；實驗證明鋼管混凝土支架具有突出的承載優勢。在實驗指導下，對華豐礦-1100水平大巷動壓巷道和大淑村礦-450水平新東翼皮帶巷高應力集中巷道做了直墻半圓拱形鋼管混凝土支架支護設計并應用，實踐證明鋼管混凝土支架支護效果明顯，優于同斷面U型鋼支架，同時也發現直墻半圓拱形封閉支架的底角為薄弱點，并進行了改進與結構強化。

鋼管混凝土支架；直墻半圓拱斷面；力學性能實驗；巷道支護

0 引言

隨著采深的增加和開采條件的日益復雜，錨桿錨索已難以解決深井軟巖巷道支護，U型鋼等可縮性支架在支護實踐中也經常出現支護不穩定等問題，主要原因是地壓增大導致圍巖自承載力下降，錨桿錨索主動支護力不足，U型鋼支架支護反力有限，難以抵抗圍巖壓力[1-3]。鋼管混凝土支架作為一種新的支護架型，是將空鋼管熱煨成巷道斷面形狀，焊接各種附屬件，在井下安裝并灌注混凝土而成，具有支護能力強且施工安裝簡單等優點，目前被越來越多地應用于深井軟巖巷道中，已解決了全國20多個煤礦支護難題[4-8]。

許多學者對于鋼管混凝土支架的承載力計算、力學性能實驗、結構設計與現場應用等問題做了較為深入的研究[9-11]，并得到了一些重要成果。直墻半圓拱形斷面具有諸多優點，是巷道支護中最常用的斷面形狀，但鋼管混凝土支架目前的實驗研究多集中于圓形斷面[12-13]，而對于常用的直墻半圓拱形支架結構缺乏實驗研究；對于直墻半圓拱形鋼管混凝土支架與同斷面U型鋼支架承載力差別無實驗數據，同時對于無縫鋼管熱煨后的材料力學性能變化實驗研究較少。

本文設計了直墻半圓拱形鋼管混凝土支架與U29型鋼支架力學性能對比實驗。對鋼管混凝土支架做了承載力分析、位移分析與應變分析，對U29型鋼支架做了承載力分析。同時對熱煨后的鋼管原材料做了抗拉實驗分析，對鋼管核心混凝土做了抗壓強度實驗分析。

在實驗結果指導下對華豐礦-1100水平大巷動壓巷道和大淑村礦-450水平新東翼皮帶巷高應力巷道做了直墻半圓拱形鋼管混凝土支架支護設計并進行應用，實踐表明鋼管混凝土支架適合動壓或高應力集中巷道支護，支護效果明顯優于U型鋼支架支護。

1 鋼管混凝土支架力學實驗

1.1 支架結構

使用中頻熱煨彎管機將無縫鋼管彎制成設計斷面形狀，分4段組裝。中頻熱煨彎管采用中頻電感應加熱鋼管，使鋼管溫度升高到塑性狀態。900～940 ℃時，將工件在局部加熱的條件下進行彎曲。

支架分4段：頂弧段1個、側幫段2個和反底拱1個。其中頂弧段與側幫段之間采用接頭套管連接，側幫段與反底拱之間采用法蘭盤連接，如圖1所示。

支架型號為φ194×8，即鋼管直徑為194 mm，壁厚為8 mm，材料單位質量36.7 kg/m，等同于U36型鋼單位質量；接頭套管采用φ219×8鋼管。

1.2 核心混凝土配比

鋼管內核心混凝土強度等級為C60，水泥為快硬硫鋁酸鹽水泥，核心混凝土配比及用量見表1。

1.3 實驗中的支架約束與加載方式設計

支架從頂部加壓，為模擬支架在實際巷道中的受力，在支架上下設2塊弧形承壓板，在鋼管混凝土支架側幫段設4對水平拉桿，如圖2所示。承壓板選用大型槽鋼熱煨彎曲成弧形，拉桿選用8根φ58 mm的Q235圓鋼；同時，為防止支架在加壓過程中可能向兩側傾斜，在實驗臺兩側加上2根槽鋼進行加固。

在支架頂部集中加載，加載力作用于頂部承壓板，以期鋼管混凝土支架通過承壓板均勻受力。

圖1 鋼管混凝土支架結構尺寸圖(單位：mm)

表1 核心混凝土配比與用量Table 1 Mixing ratio and consumption of core concrete

圖2 支架加載與約束圖

1.4 實驗測試內容與測試方法

主要測試內容為支架承載力、支架水平與豎向位移和支架關鍵部位的荷載-應變關系。

通過液壓加載記錄找出支架極限承載力，通過位移計監測水平與豎向位移，通過應變片監測關鍵部位荷載-應變關系。位移計及應變片布置如圖3所示。

圖3 位移計及應變片布置圖

1.5 U29型鋼支架實驗

設計一組直墻半圓拱形U29型鋼支架實驗，U29型鋼支架采用與鋼管混凝土支架相同的約束與加載方式，測試其承載能力與位移。U29型鋼支架無反底拱，支架寬度大于鋼管混凝土支架，如圖4所示。

圖4 U型鋼支架實驗設計圖

1.6 鋼管材料與混凝土強度實驗

為分析鋼管混凝土支架中鋼管和混凝土材料的力學特性，分別設計了鋼管材料實驗與混凝土強度實驗。加工支架過程中從熱煨彎曲余料中截取3塊鋼管材料進行材料抗拉實驗。在支架灌注過程中制作3組9塊混凝土試件進行混凝土強度實驗。

2 鋼管混凝土支架實驗成果分析

2.1 鋼管混凝土支架承載力分析

支架加載過程如圖5所示，當荷載超過2 000 kN時，鋼管混凝土支架頂部開始下沉；荷載到達 2 107 kN時，支架接頭套管屈服變形，承載力短暫波動后開始下降。因此,鋼管混凝土支架的最大承載力為2 107 kN。

2.2 鋼管混凝土支架水平與豎向位移變化分析

水平位移隨荷載的變化在加載初期基本成線性變化，支架整體處于彈性階段；當荷載接近極限荷載時,水平位移急劇增大，支架整體處于塑性階段，最大水平位移為86.07 mm，如圖6所示。

豎直位移隨荷載變化曲線形態與水平位移隨荷載的變化曲線形態基本一致，豎直位移為距離縮減，水平位移為距離增加,最大豎向位移為40.60 mm,如圖7所示。圖中黑點實線為加載過程，虛線為卸載過程，下列各圖同樣，不再說明。

圖5 鋼管混凝土支架加載過程曲線

圖6 水平位移荷載曲線

圖7 豎直位移荷載曲線

2.3 鋼管混凝土支架應變分析

從頂弧段、側幫段和反底拱的應變片測點數據曲線中分別取關鍵曲線，分析荷載-應變關系。

2.3.1 頂弧段荷載-應變關系

頂弧段應變檢測位置如圖8所示，頂弧段拱頂內側應變隨荷載的變化曲線如圖9和圖10所示，頂弧段右側應變隨荷載的變化曲線如圖11和圖12所示。

在荷載作用下，支架拱頂內側鋼管長軸方向受拉，在加載初始階段應變隨荷載成線性變化，鋼管壁彈性拉伸。當荷載接近極限荷載時拱頂內側鋼管屈服，發生塑性變形。其他各點總體上沿軸線方向內側受拉，垂直于軸線方向受拉。

圖8 頂拱應變片位置

圖9 拱頂內側鋼管軸向應變-載荷曲線(A0)Fig.9 Curve of axial strain of steel tube on inner side of crown Vs load (A0)

圖10 拱頂內側鋼管環向應變-載荷曲線(A1)Fig.10 Curve of circumferential strain of steel tube on inner side of crown Vs load (A1)

圖11 頂弧右側鋼管環向應變-荷載曲線(C0 )Fig.11 Curve of circumferential strain of steel tube on the right side of the crown arc Vs load(C0)

圖12 頂弧右側鋼管軸向荷載-應變曲線(C1)Fig.12 Curve of axial strain of steel tube on the right side of the crown arc Vs load(C1)

從以上曲線可以看出，在極限荷載作用下頂拱各處都進入了塑性階段，并且塑性變形較大，尤其A0處在卸載后變形無法恢復。實驗后通過對支架的觀察，發現該處出現了細微的裂縫，是由于卸載后變形無法恢復的原因。

2.3.2 側幫段荷載-應變關系

側幫段應變檢測位置如圖13所示，側幫段內側應變隨荷載的變化曲線如圖14和圖15所示，側幫段側面應變隨荷載的變化曲線如圖16和圖17所示。

圖13 側幫段應變片位置圖

圖14 側幫段內側豎向荷載-應變曲線圖(G0)Fig.14 Curve of strain on inner side of side wall Vs vertical load (G0)

圖15 側幫段內側水平方向荷載-應變曲線(G1)Fig.15 Curve of strain on inner side of side wall Vs horizontal load(G1)

圖16 側幫段側面豎向荷載-應變曲線圖(F0)Fig.16 Curve of strain of side face of the side wall Vs vertical load (F0)

圖17 側幫段側面水平方向荷載-應變曲線(F1)Fig.17 Curve of strain of side face of the side wall Vs horizontal load (F1)

從圖14—16可以看出，壓應變的峰值點并不是在最大荷載處，而是出現在1 500 kN附近，峰值點過后壓應變開始減小，同時側幫段內側后期出現較大拉應變，這說明在加載過程中因拉桿承受較大水平荷載使側幫段鋼管受彎矩作用發生彎曲，因而內側出現受拉變形。

側幫段的荷載-應變曲線較為復雜，內側應變較大，并產生了很大的塑性變形；側向的應變方向基本不變，且在極限荷載下仍處于彈性階段，沒有產生塑性變形。從圖14和圖15中還可以看出內側的應變方向發生了改變，產生這種變化的原因是側幫段鋼管發生了彎曲。實驗無法模擬實際煤礦中巷道兩幫對于支架的均勻約束，雖然采用了多對拉桿進行約束，但仍然是一種集中約束，在大荷載作用下必然會導致鋼管以拉桿和鋼管接觸處為支點發生彎曲，并且這種彎曲會加劇頂弧段的塑性破壞，使得實驗測得的極限荷載偏低。可以推測，如果側幫段不發生發生彎曲，可以承載來自頂拱的壓力。

2.3.3 反底拱荷載-應變關系

反底拱應變檢測位置如圖18所示，反底拱內側應變隨荷載的變化曲線如圖19和圖20所示。

圖18 反底拱應變片位置

圖19 反底拱內側鋼管軸向應變-荷載曲線(J0)Fig.19 Curve of axial strain of steel tube on inner side of invert Vs load (J0)

圖20 反底拱內側鋼管環向應變-荷載曲線(J1)Fig.20 Curve of circumferential strain of steel tube on inner side of invert Vs load (J1)

從圖18和圖19可以看出，反底拱鋼管在環向和垂向都發生了很大的塑性變形。

2.4 U29型鋼支架實驗結果

U29型鋼支架實驗中，液壓千斤頂逐級加載，支架出現了3次卡纜滑動，即可縮性支架在承載力達到極限后，為了避免支架破壞，進行了3次卸載。當荷載達到396 kN時頂部下沉速度明顯增加，支架承載能力下降，因此U29型鋼支架的極限承載力為396 kN。實驗中U29型鋼支架頂部下沉較多，超過300 mm，水平方向位移不明顯。

2.5 鋼管材料力學性能實驗與混凝土強度實驗結果

根據文獻[14]，壁厚小于16 mm的20#無縫鋼管的屈服強度為245 MPa，抗拉強度≥410 MPa。

為研究熱煨彎曲對20#無縫鋼管材料性能產生的變化，從支架中截取3塊鋼管材料進行材料性能實驗，實驗結果如表2所示。實驗表明，鋼管熱煨后材料屈服強度和抗拉強度均有所增加。

表2鋼管材料力學性能實驗結果
Table 2 Results of experiment on material mechanical property of steel tube

試樣號屈服強度/MPa抗拉強度/MPa延伸率/%E/GPa135958319．8165236957724．0185336359023．1180

在鋼管混凝土支架灌注過程中制作9塊100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件，分為3組，分別養護1，3，28 d后進行混凝土強度實驗。混凝土1 d即有強度明顯增長，28 d強度測試平均值為63.6 MPa，符合C60強度要求。

2.6 鋼管混凝土支架實驗結果應用價值

直墻半圓拱形斷面是巷道常用斷面，具有空間利用率高、頂部穩定等優點。直墻半圓拱形鋼管混凝土支架和U29型鋼支架實驗測試成果，對巷道支護具有重要的應用價值。

實驗中，直墻半圓拱加反底拱形鋼管混凝土支架的極限承載力為2 107 kN，直墻半圓拱形U29型鋼支架的承載力為396 kN，前者承載力是后者的5倍以上，充分證明鋼管混凝土支架承載力的優越性，應用鋼管混凝土支架進行巷道支護設計將大大提高支護穩定性。支護中采用U型鋼支架等常規支護不能保證巷道穩定的地段，可以嘗試采用鋼管混凝土支架支護設計。

3 鋼管混凝土支架在巷道支護中的應用

3.1 華豐煤礦-1100水平大巷鋼管混凝土支架支護

華豐煤礦-1100水平大巷埋深1 230～1 250 m，巷道穿層掘進，受深井地壓和2次采煤工作面采動壓力的影響，巷道使用U36型鋼支架多次支護返修均不能穩定。2011年初采用直墻半圓拱加反底拱形鋼管混凝土支架返修，支架選用φ194×8無縫鋼管，材料單位質量36.7 kg/m，支架分4段，接頭套管連接。

巷道支護后至穩定，經現場觀測，支架累計變形小于80 mm，鋼管混凝土支架支護巷道現狀如圖21所示。

圖21華豐煤礦鋼管混凝土支架支護巷道
Fig.21 Roadway supported by concrete-filled steel tube supports in Huafeng coal mine

3.2 大淑村煤礦高地壓巷道鋼管混凝土支架支護

大淑村煤礦一采區-450水平東翼皮帶巷新掘巷道埋深約500 m，巷道布置于孤島煤柱下，屬高應力集中巷道。采用鋼管混凝土支架支護設計，支架型號φ194×8，分4段，支護情況如圖22所示。

圖22大淑村煤礦鋼管混凝土支架支護巷道
Fig.22 Roadway supported by concrete-filled steel tube supports in Dashucun coal mine

選擇8架鋼管混凝土支架做監測，從2011年4月10日開始，對巷道頂底板和兩幫進行了150 d的變形監測。監測到第2個月末時發現支架開始變形，支架頂底板移近量約3 mm/d，兩幫移近量約4 mm/d，且支架底角焊口出現開裂現象，主要原因是底角容易產生應力集中。隨后及時采取措施，對底角進行了強化，到第4個月時支架變形趨于穩定，底角未出現再次開裂，如圖23所示。

巷道變形監測結束后，支架頂底板移近和兩幫移近總量約100 mm，巷道至今穩定。

圖23 支架底角加固前后對比圖Fig.23 Foot corner of steel tube support before consolidation Vs that after consolidation

4 結論與建議

4.1 結論

通過直墻半圓拱形鋼管混凝土支架力學性能實驗及工程應用，得出以下主要結論。

1)實驗證明鋼管混凝土支架具有較高承載力，φ194×8支架承載力達2 107 kN，U29型鋼支架承載力為396 kN，前者承載力是后者的5倍以上。

2)鋼管原材料經熱煨彎曲加工后，屈服強度和抗拉強度均得到提高。

3)直墻半圓拱形鋼管支架應用于高應力巷道支護，支護效果良好，能解決U型鋼支架不能解決的巷道穩定問題。

4.2 存在問題與建議

1)因實驗受準備條件限制，鋼管混凝土支架與U型鋼支架的實驗對比未能建立在完全相同斷面與結構基礎上。為保證實驗的嚴謹性，必須對后續支架對比實驗進行改進。

2)實驗中未進行鋼管原材料熱煨前力學性能測試，而是直接參考國家標準，不夠嚴謹，后續實驗需進行改進。

3)直墻半圓拱形封閉支架的底角連接不宜采用折線形拐角，容易出現應力集中而導致連接處開裂，應采用弧形過渡形，有利于壓力傳遞，同時可避免應力集中。

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[14]GB/T 8162—2008 結構用無縫鋼管[S].北京：中國標準出版社，2008.

國內最大矩形盾構進場組裝

2014年元旦剛過，中鐵隧道集團股份有限公司鄭州市下穿中州大道隧道工程1標施工現場便迎來了又一個施工高潮，項目部經過前期的精心組織和合理策劃，加班加點地完成了盾構始發井主體結構施工。

2014年1月8日，國內斷面最大矩形盾構頂管機陸續開始運進盾構始發井，目前矩形盾構部分組件正在緊張有序地組裝施工，計劃于2014年春節前將斷面長為10.12 m，高7.27 m，質量為400多t的機動車道矩形盾構頂管機和斷面長為7.52 m，高5.42 m的非機動車道矩形盾構頂管機全部組裝調試完畢。

(摘自 中華鐵道網 http://www.chnrailway.com/html/20140113/337858.shtml 2014-01-13)

ExperimentonMechanicalPropertyofStraight-wallSemicircle-archConcrete-filledSteelTubeSupportanditsApplication

GAO Yanfa1,WANG Jun1,HUANG Wanpeng2,CHEN Binghui1,WANG Liang3,WANG Chao4

(1.ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China;2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266510,Shandong,China; 3.BeijingHuayuEngineeringCo.,Ltd.,Sino-CoalInternationalEngineeringGroup,Beijing100120,China;4.GeotechnicalEngineeringDevelopment(Group)Co.,Ltd.,Beijing100102,China)

Mechanical property experiment is designed to compare the performance of straight-wall semicircle-arch concrete-filled steel tube support and that of U-shaped steel support,so as to solve the instability problem of the support for roadways with conventional straight-wall semicircle-arch cross-section.In the experiment,the load bearing capacity,displacement and strain of the concrete-filled steel tube support are measured and analyzed,and the influence of the roasted bend on the anti-tensioning property of the raw material of the steel tubes,as well as the rationality of the mixing ratio of the C60 concrete,are analyzed.The experiment shows that the concrete-filled steel tube support has outstanding load-bearing advantages.Guided by the experiment results,straight-wall semicircle-arch concrete-filled steel tube support is designed and applied for the 1100 horizontal dynamic pressure roadway of Huafeng coal mine and the 450-level new east wing high stress roadway of Dashucun coal mine.The practice shows that the concrete-filled steel tube support has good supporting effect and is superior to the U-shaped steel support with the same profile.It is also found that the foot corners of the closed straight-wall semicircle-arch support are weak points and need to be improved and strengthened.

concrete-filled steel tube support; straight-wall semicircle-arch cross-section; mechanical property experiment; roadway support

2013-09-12;

2013-11-19

國家自然科學基金重點項目(51134025)；高等學校博士學科點專項科研基金(20100023110009)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(2010YL03)；中國礦業大學(北京)博士研究生拔尖創新人才培育基金資助(00800015z643)

高延法(1962—)，男，山東泰安人，1991年畢業于武漢水利水電學院巖土工程專業，教授，博士生導師，主要從事巖石力學和巷道支護研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.002

U 45

A

1672-741X(2014)01-0006-07