爆破掘進巷道支護錨桿的振動響應研究

胡帥偉

摘要：為了研究爆破掘進施工對巷道支護錨桿的影響，本文采用結構動力學理論，從理論上推導出了錨桿在動荷載作用下的運動規律，計算出錨桿上的軸力與剪切力變化；分析研究了端錨式錨桿在爆破動荷載作用下的動力響應特征。結果表明：不同錨桿長度時錨桿受力狀態不同，錨桿會產生的軸向變形和彎曲變形，對于同一長度的錨桿，彎曲變形要大于軸向變形，因此錨桿是以彎曲變形為主導形式。靠近巷道的錨桿段可能受壓也可能受拉，但錨桿較長時錨桿整體受拉，且無論軸力還是剪力都比較小，也就是說爆破振動擾動一般不會使錨桿產生破壞失效。成果對掘進爆破安全技術的提高具有一定的指導意義。

Abstract： In order to study the influence of underground blasting seismic waves on the bolt supporting structure， in this paper， the dynamic response characteristics of the end anchored bolt under blasting load are studied by using the structural dynamics theory. Bolt stress state is different when the bolt length is different. The vibration will induce axial deformation and bending deformation in the bolt. For same bolt length， the bending deformation was bigger than axial deformation. Thus， the bending deformation was the leading deformation in the bolt. The bolt segment near the tunnel may be under pressure or tension， but the whole bolt is under tension when the bolt is longer. Whether axial force or shear in bolt is relatively small， which means that blasting vibration generally does not cause bolt damage and failure. The results have some significance to improve safety blasting technology.

關鍵詞：地下爆破；爆破地震波；錨桿

Key words：underground blasting；blasting seismic wave；bolt

中圖分類號：TD824 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0117-04

0 引言

錨桿支護是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采場等地下硐室施工中采用的一種加固支護方式。巷道中錨桿支護結構在實際工程中除了受地壓等靜載外，還常受到爆破、采掘、地震等動載作用，而爆破振動被認為是鉆孔爆破特別是地下工程爆破中各種公害之首，對結構產生的影響甚至是災難性的，造成無法挽回的損失。迄今為止，對于錨桿支護的研究主要集中在靜載作用下的現場拉拔試驗、模型試驗和數值分析，而對于動載作用下錨桿力學性能的研究比較少見，基本上也只是停留在試驗階段。Gisle和Arne[1]根據現場試驗研究得出充分注漿錨桿可以應用在作業面上或接近作業面處的結論。Ana Ivanovi[2-4]針對錨固系統建立了集中參數模型，探討了外部激發荷載對錨固系統的動力特性的影響；同時她還探討了系統固有頻率及其參數影響。劉國華[5]、石洪超[6]和孫金山[7]等分別采用了不同數值模擬工具探討了爆破開挖荷載下圍巖的振動響應和穩定性問題。單仁亮[8]，周紀軍[9]，張哲誠[10]等通過模型試驗對錨桿在動力荷載下進行了專門的研究。總結發現，爆破振動對錨桿支護結構作用機理研究相對較少，大多停留在定性分析和數值模擬與試驗層面上。本文側重在理論上推導出錨桿在動荷載作用下的運動規律，通過它的運動規律計算出錨桿上的軸力與剪切力變化。研究成果對鉆孔爆破法施工中錨桿支護結構有重大的指導作用，判斷在爆破的過程中，錨桿是否發生破壞具有重要參考意義。

1 巷道圍巖中錨桿振動的計算模型

如圖1所示，在爆破施工過程中，前方掌子面爆破施工產生爆破振動，將引起后方既有支護錨桿產生振動，錨桿的振動是來自于錨桿四周的圍巖振動引起的，因此錨桿端部A、B的振動則完全由自身端部的圍巖振動決定的，而錨桿中部的振動則是由兩端的振動共同作用引起。錨桿振動計算簡圖如圖2（a）所示。由于錨桿四周的圍巖及端部的錨固對錨桿有約束作用，將錨桿A、B端的運動考慮為固定和自由狀態下的疊加，即將錨桿支護結構的振動分解成如圖2（b）、（c）所示的兩個結構振動的疊加。

2 巷道圍巖中錨桿振動規律解析解

2.1 錨桿的軸向振動

將圖2（a）中錨桿的橫向振動與軸向振動分開討論。錨桿的軸向振動計算簡圖如圖3所示。

G為剪切模量，鋼材取0.792×105MPa。

3 計算實例與結果討論

某巷道掘進開挖工程采用微差爆破技術施工，循環進尺為1.5m，孔徑40mm，周邊孔間距45cm。巷道為圓形，半徑為2.5m。采用乳化炸藥，密度1100kg/m3，爆速3200m/s，炸藥單耗0.75kg/m3。巖體為風化的花崗巖，密度2350kg/m3，彈性模量18GPa，泊松比0.25。設荷載衰減指數4000。錨桿采用直徑為20mm的HRB400鋼筋。

文獻[12]給出的是巷道圍巖在爆炸瞬間有了最大初位移以后的運動規律，因此上述錨桿也是對應于圍巖有了最大初位移以后的運動規律和受力狀態。在前述爆破振動計算實例中，若錨桿直徑為20mm，長度分別取1.0m、1.5m、2.0m，將相關參數代入式（3），（4），（9）中，則爆破荷載引起的錨桿位移如圖6-13所示。

3.1 錨桿軸向位移在錨桿不同位置上的變化

3.2 錨桿軸力在錨桿不同位置上的變化

3.3 錨桿剪力在錨桿不同位置上的變化

從圖5-7可以看出，在巷道軸向距離相同，靠近巷道圍巖表面的錨桿部分始終是沿著徑向向內運動，而另一端可能是沿著徑向向外運動也可能向內運動，這與錨桿的長度有關。錨桿中部的運動主要是沿著徑向向內運動，這與靠近巷道圍巖表面的錨桿部分的振動振幅要大于另一端振動的振幅疊加所導致的。從圖5可以看出，對于不同長度的錨桿，當錨桿軸向位移過大時，錨桿會被圍巖擠出，從而使錨桿失效。

從圖8-10可以看出，在巷道軸向距離相同，不考慮錨桿之前的受力狀態，靠近巷道圍巖表面的錨桿部分可能受拉也可能受壓，遠離圍巖表面的部分始終受拉，這與不同錨桿的長度對應于遠離圍巖表面的錨固段的速度方向不同，導致錨桿的振動產生的應變狀態不同導致，錨桿總體處于受拉狀態。

從圖11-13可以看出，在巷道軸向距離相同，錨桿的剪切力的大小與徑向距離有關，對于同一長度的錨桿，軸向距離越大，剪切力越大，這是由于，軸向距離越大，它的豎向位移也越大，導致它的剪切變形越大，所以剪力會越大，而巷道表面的錨桿由于沒有位移，則剪切變形為零，因此它的剪切力為零。對于不同長度的錨桿，端部豎向位移不同，導致錨桿的剪力不同。

相對于錨桿材料強度（？覫20mm的HRB400鋼筋錨桿承載能力設計值為113kN）來講，無論軸力還是剪力都比較小，也就是說爆破振動擾動一般不會使錨桿產生破壞失效。

4 結論

本文通過理論推導，運用錨桿的振動微分方程，求解出錨桿的振動方程隨軸向距離、徑向距離和時間的變化規律，然后通過錨桿的振動方程求出求解出錨桿的應變得出錨桿的受力狀況，主要結果如下：

①總結發現，錨桿會產生的軸向變形和彎曲變形，對于同一長度的錨桿，彎曲變形要大于軸向變形，因此錨桿是以彎曲變形為主導形式，此結論與單仁亮[8]的實驗結論相一致。②當錨桿達到一定的長度時，由于振動疊加以后錨桿位移過大，導致錨桿會被圍巖擠出，使錨桿失效。③不同錨桿長度時錨桿受力狀態是不同的，靠近巷道的錨桿段可能受壓也可能受拉，但錨桿較長時則錨桿整體受拉。相對于錨桿材料強度，無論軸力還是剪力都比較小，也就是說爆破振動擾動一般不會使錨桿產生破壞失效。

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