抗浮錨桿在礦山翻車機房中的設計與應用

王忠杰，晏鄂川，張 峰，孫 浩

（1.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

翻車機房屬于能源開采行業較為常見的基礎設施，一般礦山地上部分為單層，礦山井下部分為封閉結構，且埋深較大，在井下水位較高的區域，則存在地下室抗浮問題。目前，因礦山開采機械化程度提高，礦山巷道斷面需求擴大，為解決底板穩定問題，抗浮錨桿在底板變形控制中的應用較多，取得了豐富的可借鑒的成果[1-3]。但由于井下抗浮理論和規范均不完善，并沒有形成統一的設計標準。抗浮錨桿在礦山翻車機房中的應用較少，有待進一步研究。

本文以某礦山的開采項目為例，對比研究了采用不同規范抗浮錨桿在礦山翻車機房中的設計方法，得出合理并符合工程實際的抗浮錨桿設計方案，并通過現場抗浮錨桿的極限抗拔試驗進行了可行性驗證，抗浮錨桿的抗拔承載力和位移均符合相關規范要求，希望對類似的施工應用具有一定的參考價值。

1 礦山翻車機房的整體概況

1.1 所處地層的地質概況

礦山翻車機房的井下部分的平面近似為矩形，有四層結構，其中一至三層底板面積相等，埋深為井下20.0m，第四層在短邊方向收縮，面積變小，埋深為井下24.5m，本工程±0.0為2587.45m。

所在場地主要地層有：人工填土（Qml）、第四系全新統沖洪積（Q4al+pl）和第三系中新統（E）粉砂質泥巖。礦山翻車機房底板直接接觸的地層為強風化粉砂質泥巖（4-1）層，棕紅色～磚紅色，泥質結構層狀構造，上部泥巖結構構造大部分破壞，風化裂隙發育，礦物成分顯著變化，含砂量較少，該層內賦存有裂隙水，遇水易軟化，易崩解，厚度在10m左右。

井下水文情況：礦山翻車機房所處位置井下水屬孔隙潛水，大氣降水和地下徑流是其主要的補給來源。圓礫層為主要含水層。本次勘查期間穩定水位為0m～16.00m，相當于絕對標高為2566.35m～2584.13m。井下水水位隨季節的變幅約為0.50m左右。井下水整體由南向北徑流，場區屬徑流區。另外，（4-1）層強風化粉砂質泥巖裂隙發育，貫通性好，富含基巖裂隙水。

1.2 礦山翻車機房整體抗浮穩定性驗算

計算浮力首先要確定硐室底板抗浮設防水位，抗浮設防水位的合理選取是一個決定性的參數[4]，有文獻提出選取常年最高水位為抗浮設防水位[5]，有文獻提出選取歷史最高水位為抗浮設防水位[6]，規范中沒有明確的規定。本項目依據勘查報告取±0.0m為抗浮設防水位。根據計算所得，上浮力值為119760kN，礦山翻車機房底板下巖體富含基巖裂隙水，為透水層，浮力值不進行折減[7]。礦山翻車機房自重計算不考慮活荷載，僅考慮四層硐室底板的重量。計算得自重值為57330kN。浮力分項系數取1.0、自重分項系數取0.9、抗浮穩定安全系數取1.05。礦山翻車機房硐室整體抗浮驗算未通過，需進行抗浮設計。

2 抗浮方案選擇

根據設計方提供的資料，礦山翻車機房浮力值大于硐室底板自重值，必須進行抗浮設計。常見的抗浮措施有：壓重、抗浮樁、抗浮錨桿等[2]。壓重，顧名思義就是增加硐室底板的重量，使其超過浮力值，目前壓重的方法主要靠增加頂板和底板厚度，該方法設計簡單，方便施工，針對性強，適用于浮力比較小的情況，但成本高，且會壓縮硐室的空間；抗浮樁又叫抗拔樁，主要通過樁與礦體之間的摩擦力進行抗浮，施工中一般樁基可兼做抗浮樁，由于柱網間距大，工程樁間距也大，在未設置抗浮樁的純地下室底板處，往往承受著水浮力引起的較大的彎矩和剪力，必須通過增加底板剛度來保證底板的安全，另外，抗浮樁施工工藝較復雜和成本較高；抗浮錨桿類似于抗浮樁，也是通過周圍礦層與錨固體發生相對位移所產生的摩阻力來抵抗浮力，但有著抗浮樁無法比擬的優點：首先，抗浮錨桿短小，間距小，在水浮力作用下，基礎底板可承受較小的彎矩和剪力，無需增加底板厚度，可適當降低工程造價，其次，抗浮錨桿成孔直徑較小，施工簡單，技術成熟。針對礦山翻車機房的地質條件和工程特點，綜合對比分析后，宜選擇抗浮錨桿方案為礦山翻車機房硐室抗浮措施。因為硐室底板以下為巖體，為減少施工難度，不施加預應力。

3 抗浮錨桿的設計與研究

3.1 抗浮錨桿的平面布置

抗浮錨桿由兩部分組成，分別是錨固體和傳力鋼筋桿件，抗拔力表現為錨固體與周圍巖土層的摩擦力。具體作用機制如下：當井下水對礦山翻車機房結構產生的浮力大于硐室結構重力時，上浮拉力對桿件產生作用力，桿件和注漿錨固體握裹狀態，進而將拉力傳遞錨固體，錨固體和礦體相互接觸，受拉力作用產生摩擦力，摩擦力抵消了拉力作用，也就是將拉力擴散到周圍地層中[8]。抗浮錨桿的平面布置形式采用網格型，在柱下基礎和純底板處均布置抗浮錨桿，這樣布置既能充分利用墻柱的自重，又能平衡純硐室底板的彎矩和剪力。在井下-20m硐室底板兩側共布置112根，在井下-24.5m處硐室底板共布置126根。抗浮錨桿平面布置如下圖所示。

圖1 礦山翻車機房抗浮錨桿平面布置圖

3.2 抗浮錨桿設計研究

現階段，對抗浮錨桿的設計并沒有明文的規定，主要參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB50086-2015）和《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013），其計算結果只能用來估算，通過現場的抗拔試驗來確定錨桿的抗拔承載力特征值最為可靠。

以《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》為例。

單根抗浮錨桿拉力標準值可按下式計算：

TK——單根抗浮錨桿的受拉承載力標準值(N)；

Ff——礦井水浮力標準值(N)；

G——結構自重及其他永久荷載標準值之和(N)；

n——抗浮錨桿總數；

計算得到，單根錨桿拉力標準值為287.5kN。

錨桿的截面面積按下式確定：

上面式中：Nd——錨桿的軸向拉力設計值(N)；

fy——錨桿抗拉強度設計值，抗拉強度設計值為360N/mm2。

根據計算得：錨桿錨固面積為As=1185.82mm2。

錨桿錨固段長度由下兩式中較大值確定[9]：

上面式中：La——錨桿錨固段的長度（m）；

K——錨桿錨固體的抗拔安全系數；

Nt——錨桿的軸向拉力設計值(kN)；

D——錨固體的鉆孔直徑；

d——錨桿的直徑（m）；

fmg——錨固體與地層間的極限粘結強度標準值；

fms——粘結強度標準值；

ξ——界面粘結強度降低系數，取0.75；

ψ——錨固長度對粘結強度的影響系數；

n——錨桿數量

抗浮錨桿作為礦山翻車機房的永久性結構，錨桿錨固體的抗拔安全系數取2，錨固體的鉆孔直徑取0.2m，錨桿直徑取28mm，根據勘查報告結合規范，將fmg的取值設定為0.24MPa，將fms的取值設定為0.9MPa，ξ的取值設定為0.75，ψ的取值設定為0.9，根據以上取值進行最終計算。

由計算公式算得：La＞6.3m。

《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）對錨桿的規定主要是針對邊坡施工的，也可以進行抗浮錨桿的設計參考。現將利用兩種規范進行抗浮錨桿計算的結果對比如下：

表1 采用不同規范的抗浮錨桿設計結果比較表

從表中可以看出，在計算截面面積時，采用邊坡規范計算的結果大；在計算錨固體錨固長度時，采用錨桿規范的計算結果大，實際設計時應綜合考慮，可保證礦山翻車機房的安全。考慮地層情況和實際施工能力，將錨桿自由段設置為0.2m。

4 錨桿極限抗拔試驗

根據規范要求，選取三根抗浮錨桿進行極限抗拔試驗，根據現場試驗記錄的數據繪制Q-S曲線如圖2：

圖2 抗浮錨桿抗拔試驗Q-S曲線

根據曲線可知：抗浮錨桿的極限抗拔力超過了設計所需的極限抗拔力，且錨桿位移值很小，在規定的允許范圍值內。

5 結語

本文研究礦山翻車機房抗浮錨桿的設計原理，并用現場施工和極限抗拔試驗驗證設計的可行性。主要研究的結論如下：

（1）礦山翻車機房硐室抗浮措施采用抗浮錨桿是適用的。

（2）在計算加筋截面面積時，采用《建筑邊坡工程技術規范》計算的結果大；在計算錨固體錨固長度時，采用《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》的計算結果大。抗浮錨桿設計時應綜合考慮。

（3）在抗浮錨桿設計理論和依據不完善的情況下，設計人員設計的抗浮錨桿施工完畢后應進行抗拔試驗的驗證，如驗證不滿足規范要求，應采用動態設計法進行設計調整。