纖維混凝土?U型鋼支架巷道組合支護結構研究

蘇 毅，李 婷，周明敏，黃東升，周愛萍

纖維混凝土?U型鋼支架巷道組合支護結構研究

蘇 毅，李 婷，周明敏，黃東升，周愛萍

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

以岱河某煤礦巷道為背景，提出利用聚丙烯纖維增強混凝土變形能力，與U型鋼支架結合，并對一種新的巷道組合支護結構，進行纖維混凝土的性能進行對比試驗研究，選出了優化的配合比。將試驗得到的關鍵參數輸入有限元模型，對用于巷道支護的U型鋼支架進行了有無纖維混凝土約束的工況下對比分析。結果表明，相比于單獨設置的U型鋼支架，組合支護結構的承載力約提高3.1倍。此外，組合支護結構的極限荷載約為承載力的1.4倍，表明纖維混凝土的高變形能力明顯提高了支護結構的安全度。現場監測表明，巷道圍巖來壓后組合支護結構的應變變化與數值分析結果一致,60 d后應變變化減緩，結構重新達到平衡。分析和監測結果表明這種組合支護結構可靠，支護效果顯著。

纖維混凝土;U型支架;力學性能;巷道支護;巷道結構監測

0 引 言

隨礦井深度不斷加大，軟巖巷道支護方式越發受到重視，研究高效而經濟的軟巖巷道支護方法，是目前礦井生產急需解決的問題[1-5]。因機具和經濟條件限制，目前應用最廣泛的錨噴支護與錨網噴支護在地質條件惡劣的軟巖巷道中使用受限[3-5]。

U型鋼可縮性金屬支架在軟巖巷道中能夠有效控制并適應圍巖變形[6-8]。但由于金屬支架剛度小，圍巖來壓時金屬支架易失穩。所以，金屬支架的收縮率通常不足以使其在軟巖巷道中得到有效應 用[10]。連接件的強度較低、連接方式不科學、支架與圍巖相互作用差等導致U型鋼支架結構失 穩[11-12]。目前改善U型鋼支架受力情況主要通過填充混凝土和結構補償二種措施[13-16]。采用U型支架?錨索補償性支護在工程實踐中取得了顯著效果，但填充普通混凝土后整體支架穩定性仍然較差[13]。采用纖維混凝土噴射施工配合錨桿和錨索組成的聯合支護體系在高應力、大變形、流變軟巖錨桿支護存在著難度大且變形得不到有效控制的問題。此時使用纖維混凝土效果不顯著，多種耦合支護施工較為困難：高應力破碎軟巖巷道中，隨掘隨冒，錨網支護無法實施[17-19]。

將支架和纖維混凝土組合到一起，纖維混凝土的約束作用可防止U型鋼支架因過早失穩而喪失承載能力，從而使U型鋼支架得以充分利用。通過噴射施工，纖維混凝土包裹了預先安裝的U型鋼支架，可形成組合受力結構共同承擔圍巖壓力。此外，纖維增強的混凝土具有良好的變形性能，組合支護結構在彈塑性受力階段，可生成具有良好轉動能力的塑性鉸，從而充分進行內力重分布，使其它受力部位承受更大的圍巖壓力。

本文以岱河煤礦某采區運輸石門巷道為背景，通過噴射纖維混凝土的力學性能試驗結果優化選擇更優的纖維含量及配合比。將試驗得到的混凝土關鍵參數作為數值模擬的重要參數，建立新型支護結構的數值模型，分析其受力情況并指導實際工程的現場監測布置方案。最后通過現場監測驗證數值分析結果的正確性，并監測巷道修護效果。

1 巷道概況

岱河煤礦某采區運輸石門巷道長約85 m，底標高為?435 m。該巷道為高應力軟巖巷道，項目初期是由錨桿和錨網噴支撐，后期出現頂板的錨桿失效、支護混凝土脫落以及兩幫片幫塌陷的現象，如圖1所示。采用原支護方式無法從根本上解決問題。巷道前期因軟巖巷道來壓受損，已臨時采用U型鋼支架進行加固，擬通過噴射施工，快速形成新型組合巷道支護結構。噴射纖維混凝土層是在修整巷道斷面并架設U型鋼支架后5個月進行的。此時部分U型鋼支架已讓壓完成，噴射混凝土施工前拆除了變形較大的鋼支架，并替換為新的U型鋼支架。

圖1 巷道變形及破壞示意圖

2 噴射纖維混凝土性能試驗

聚丙烯纖維的高強度、高彈性以及較強的變形能力使其在加入普通混凝土之后，不但提高了混凝土的強度，而且使得混凝土在延性上出現較大程度的提升。且在混凝土開裂后，細密的聚丙烯纖維連接于裂縫兩側的混凝土上，限制裂縫發展，并在變形發展后裂縫兩側形成混凝土界面咬合，使混凝土在較大變形下仍能承受較大荷載。

本工程采用的聚丙烯纖維長19±1 mm，其物理性能指標見表1。

2.1 試驗方法

為比較聚丙烯纖維摻合量對噴射纖維混凝土軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量的影響，進行5組力學性能對比試驗。各組噴射纖維混凝土的聚丙烯纖維含量分別為0，00.9，1.0，1.2和1.4 kg/m3，試件具體配合比見表2。選取碳酸鹽做噴射纖維混凝土的速凝劑，初凝時間為3 min，終凝時間為9 min。

表1 聚丙烯纖維的物理性能指標

表2 噴射纖維混凝土試塊配合比

為了使室內試驗結果與實際工況相近，先制作尺寸為450 mm×450 mm×300 mm的纖維混凝土試件，養護28 d后鉆孔取芯。抗壓試驗采用尺寸為Φ100×100 mm的試件，劈裂抗拉試驗以及彈性模量試驗采用尺寸為Φ100×50 mm的試件。

2.2 試驗結果與分析

5組噴射纖維混凝土的力學性能參數如表3 所示。

表3 噴射纖維混凝土的力學性能參數

2.2.1 抗壓強度

噴射纖維混凝土中聚丙烯纖維含量在0~0.9 kg/m3時，抗壓強度基本不變；當纖維含量為0.9~1.4 kg/m3時，纖維含量越高，噴射纖維混凝土能夠承受的壓應力越低。且素混凝土的抗壓強度是噴射纖維含量為1.4 kg/m3的纖維混凝土的1.1倍。

這主要是由纖維的界面效應造成的。纖維的疏水性使其與基材界面的水灰比變大，故與素混凝土相比其抗壓強度降低。但實驗現象表明，由于混凝土中的纖維起到了連接裂縫、限制裂縫發展的作用，試件在達到抗壓強度后，表面出現眾多裂紋但混凝土不剝落。試驗結果顯示，其承載力緩慢降低，表明纖維增強了混凝土的延性性能。

2.2.2 劈裂抗拉強度

從表3纖維含量與混凝土劈裂抗拉強度的數據可以看出，劈裂抗拉強度隨著聚丙烯纖維含量的增加有所提高。纖維含量為1.2 kg/m3時，其抗拉強度為3.38 MPa，是素混凝土的1.16倍。此外，試驗加載至表面出現裂紋時，立刻卸載，出現裂紋寬度變小的現象，表明纖維對混凝土延性具有增強作用。

2.2.3 靜態彈性模量

從表3纖維含量與混凝土彈性模量的數據可以看出，試驗采用的噴射纖維混凝土的彈性模量最小為26300 MPa，最大為26900 MPa，即纖維含量影響很小。

基于上述試驗結果，本工程選用聚丙烯纖維摻合量1.2 kg/m3的噴射纖維混凝土，其配比為：水 泥:水:石子:砂:速凝劑=1:0.45:1.2:1.2:1.2:0.03。

3 U型鋼支架承載能力分析

U型鋼支架選用20 Mnk，根據金屬支架幾何尺寸、選用鋼材的物理參數及工程實際荷載情況建立有限元模型。U型鋼支架由2段側直柱腿以及拱形頂部組成，每段之間使用鋼卡搭接，各段尺寸見圖2。新修巷道石門斷面尺寸見圖3。

圖2 U型金屬支架尺寸

3.1 有限元模型建立

實際支護工程中，U型鋼支架在圍巖壓力作用下主要發生屈曲破壞[20-21]。建模時采用如下假定：

圖3巷道斷面尺寸

（1）不考慮摩擦力；

（2）假定支架底部為固支；

（3）不考慮支架平面外失穩；

（4）假定所受力垂直于結構；

（5）假定所受力均勻分布。

半圓拱形支架模型的邊界條件為在拱鉸處施加全約束，采用C3D8R單元。在結構外側施加垂直于U型支架的單位線荷載，進行非線性特征值屈服分析。

3.2 計算結果分析

圍巖壓力下，U型鋼支架由于彎曲破壞而失穩，支架失穩破壞時的變形情況見圖4。U型鋼支架破壞點出現在柱腿的上部1.45 m處。圖5是U型鋼支架局部應力云圖。由圖5可知，U型鋼支架拱頂處應力較小，未出現屈服。支架底部支座及柱腿上部均發生屈服。但U型鋼支架柱腿的上面部分，也就是變形最大的點，鋼材出現失穩現象，即薄弱截面。U型鋼支架因此處薄弱截面而失穩破壞。

薄弱截面位移?荷載關系曲線見圖6。從有限元分析結果可知，受力為88 kN/m時，支架變形最大為82.8 mm，后曲線逐漸平緩。表明U型鋼支架在荷載為88 kN/m時發生屈服。

圖4 U型支架變形云圖

圖5 U型支架局部應力云圖

圖6 最大變形處位移與荷載關系

4 鋼支架—纖維混凝土組合支護承載能力分析

為保證混凝土在巷道發生大變形后依然發揮作用，巷道布置U型鋼支架間距為800 mm，在U型鋼支架周圍噴射224 mm厚的纖維混凝土層，使U型鋼和纖維混凝土共同參加工作，取800 mm寬為計算單元寬度，組合結構截面形式見圖7。U型鋼支架與纖維混凝土的力學參數見表4，這些力學參數由試驗得出。錨桿采用螺紋鋼筋，半徑18 mm，長2 000 mm，間距800 mm×800 mm。支護結構分析不考慮錨桿的加強作用。

圖7 U型金屬-纖維混凝土組合結構截面示意

表4 Abaqus模型中鋼骨混凝土參數

4.1 有限元模型建立

建模時，混凝土采用C3D8R單元，U型鋼支架采用C4R單元。建模時采用如下假定：

（1）假定U型鋼支架與纖維混凝土之間緊密連接，無相對滑移；

（2）組合結構底部為固支；

（3）不考慮支架平面外失穩；

（4）假定所受力垂直于結構；

（5）假定所受力均勻分布。

考慮到計算方便，本文取給定巷道斷面的1/2進行實體建模。垂直于支架的單位面荷載為1 MPa。

4.2 計算結果分析

圖8是U型鋼?纖維混凝土組合結構模型變形云圖。當圍巖荷載增至0.46 MPa時，組合結構金屬支架支座處及墻腿上部發生失穩現象。此時兩幫直墻腿上部位移較大，最大達到13.9 mm。

在均勻圍壓作用下，組合結構的拱形頂部將外部施加的壓力分散開來。而墻腿處的抗彎強度決定了組合結構在受力情況下能否保持穩定，所以墻腿處受力最大。當圍壓達到0.64 MPa時，拱頂噴射纖維混凝土應力為24.9 MPa，墻腿距底部支座1.508 m處，噴射纖維混凝土應力值為37.2 MPa，約為拱頂處噴射纖維混凝土壓應力的1.4倍。噴射纖維混凝土的應力云圖如圖9所示。此時，支護結構的2個底部支座和拱頂均已形成塑性鉸，可認為0.64 MPa為極限荷載。

圖8支架模型變形云圖

分別提取噴射纖維混凝土最大應力點節點和U型鋼最大應力點節點的荷載?應力數據，得到噴射纖維混凝土與U型鋼的應力荷載關系如圖10所示。

試驗加載初期，噴射纖維混凝土與U型鋼的應力應變都為線性關系，屬于彈性狀態。加載至0.18 MPa時，噴射纖維混凝土進入塑性狀態，繼續加載，噴射纖維混凝土的塑性應變增速加快。圍壓為0.46 MPa時，U型鋼支架支座處應力達480 MPa，此時U型鋼支架進入屈服。繼續加載，U型鋼支架的應力不變。且此時，噴射纖維混凝土的壓應力是37.2 MPa，與混凝土的抗壓強度相等。即當組合支架承受0.46 MPa圍壓時，墻腿上部分的混凝土發生破壞，同一點的金屬支架亦屈服，故此時為承載能力極限狀態。將模型的極限荷載轉換為作用在U型支架上的線荷載，故支護結構承載力為368 kN/m。

圖10 模型墻腿根部的應力?荷載曲線

5 現場監測

為驗證U型鋼支架?纖維混凝土組合支護結構在軟巖巷道應用中的可行性，實施了為期1 a的現場監測。根據數值分析結果，選取受力較大的拱頂和墻腿處作為測量點進行觀測，圖11是具體的測點布置情況。

巷道應變變化如圖12所示，第28 d，因巷道圍巖來壓，測點的應變出現突變，占總應變的3/5。拱頂處測點2的應變變化小于墻腿處測點1和測點4的應變變化，也就是說，最大位移發生在支架墻腿處，實地測量數據與計算結果一致。測點的應變變化均未超過150 με，且在60 d之后應變變化逐漸減緩，說明了在圍巖來壓后，通過內力重分布，U型鋼支架?纖維混凝土巷道組合支護結構再次處于穩定狀態。

修護1 a之后，巷道基本完好，各測點無開裂，無脫落。可見，采用噴射纖維混凝土與U型鋼支架組合形成巷道支護結構的支護效果顯著，不僅噴射纖維混凝土無破裂情況發生，而且組合結構較高的抗壓強度使得巷道斷面的變形情況得以控制，支護結構可靠。

圖11 測點布置

圖12 測點應變?時間曲線

6 結 論

（1）纖維增強了混凝土的變形能力，塑性鉸的充分發展引起內力重分布不斷發生，提高了巷道組合支護結構在塑性下的延性性能。經計算分析可知，組合支護結構在纖維混凝土卓越的塑性變形下能夠受荷0.46 MPa，而極限荷載達0.64 MPa，使結構留有較大的安全度。

（2）噴射纖維混凝土在支架中能夠承受部分圍巖荷載，減小支架的最大位移，防止U型鋼支架由于失穩發生破壞。

（3）在均勻圍壓下，混凝土在墻腿的上部分達到最大變形，U型支架同樣如此，因此墻腿的上部分在組合支護結構中屬于薄弱區。

（4）當組合支護結構墻腿中部內側混凝土應力為0.46 MPa時，U型鋼支架剛好屈服，該狀態可定義為承載能力極限狀態，由于噴射纖維混凝土的延性，組合支護結構仍然可以作為支撐結構使用，直到拱頂屈服，此時結構極限荷載為0.64 MPa。

（5）現場監測表明，60 d以后組合支護結構應變變化減緩，表明通過內力重分布后，結構重新達到平衡。可見，該支護結構可靠，不僅噴射纖維混凝土完好無破裂，而且支護結構有足夠的抗壓能力，控制了巷道斷面的變形范圍。

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(2019-03-31)

蘇 毅(1977—)，男，湖南湘鄉人，副教授，博士，主要從事建筑結構抗震與減振，現代木結構方向研究，Email: suyi@njfu.edu.cn。