可回收錨桿使用支護穩定性的分析

張 軍

（晉能控股集團煤業集團四臺礦綜采一隊， 山西 大同 037000）

引言

煤礦井下開采作業離不開錨桿對巷道的支護作用，我國的煤礦分布廣泛，對錨桿的需求及使用量巨大。錨桿的結構簡單、易于施工，具有較強的可靠性，但是在施工后永久的埋存于地下中，造成地下空間的污染及一次性成本的浪費等問題[1]。隨著錨桿支護技術的發展，通過設定解鎖機構或者先進的注漿工藝實現錨桿的整體或部分可回收，從而形成可回收的錨桿，可以解決錨桿埋存地下的問題[2]。可回收錨桿進行支護對施工的要求較高，作為新型的支護技術，其加固使用的機理與常規使用的錨桿不同，對其使用過程中的穩定性可具有較高的要求。針對可回收錨桿的使用，采用數值模擬的形式將普通錨桿替換成可回收錨桿[3]，對其支護的穩定性進行分析，從而為可回收錨桿的推廣使用提供技術參考及指導。

1 可回收錨桿支護模型的建立

可回收錨桿在我國的使用尚處于起步階段，采用數值模擬的方法可在一定程度上檢驗可回收錨桿的工作性能。采用PLAXIS 3D 有限元分析軟件對錨桿的使用性能進行分析，PLAXIS 3D 是進行巖土分析的專用仿真軟件[4]，具有強大的建模及分析功能，具有多種巖土的本構模型，可模擬巖土的結構及是送過程，對錨桿的施工及支護過程中巖土與錨桿之間的相互作用及動載荷進行模擬分析[5]，在多種巖土工程中具有廣泛的應用。

對錨桿支護的工程穩定性進行分析，采用HSS本構模型建立土體的模型，模型為彈塑性的雙曲線模型，選定的工程案例基坑開挖的平均深度為10～13 m，采用可回收錨桿進行支護，錨索共設有4 排，注漿體的直徑為150 mm，1～2 排支護自由段及錨固段的長度分別為4 m、11 m，第4 排為構造措施，自由段為3 m，錨固段為8 m。錨桿桿體均采用粘結型鋼絞線，施工過程中采用M20 水泥進行二次注漿錨固[6]。

建立土體的基本模型，選定長度為32 m，寬度為4.5 m，已經土層的地質條件設定各土層的厚度，雜填土為1.6 m，粉質黏土為10.1 m，卵石層為9.3 m，采用創建面的形式模擬施工階段土體不同的開挖程度，開挖分為4 步，第一步的開挖深度為2.5 m，2～3 步開挖3 m，最后一步開挖至坑底[7]。坡面與水平面的夾角為73°，擋土板的厚度為100 mm，在建模過程中，將所采用的立柱、橫梁及擋土板等進行相應的簡化，設定為250 mm 的彈性板單元，面層與土體的分割面采用相交和聚類的命令進行模擬，分步進行激活從而模擬開挖的步驟[8]。

錨桿的支護豎向及水平的間距分別為3 m、2 m，長度均為15 m，自由段為4 m，設計錨桿的鎖定值為120 kN，采用點對點錨桿的形式進行模擬，可以在施工階段進行預應力的設定，材料為彈性材料[9]，建立支護結構的模型如圖1 所示。依據不同巖層的厚度，分別設定錨固段的樁側摩擦力以表示樁土間的作用力，粉質黏土層為28 kN，卵石層為58 kN，錨桿在不同的土層間采用相應的摩擦力進行設置相應的錨桿長度[10]。

圖1 錨桿支護模型

對所建立的模型進行網格劃分，采用中等大小的網格單元對模型進行自動網格劃分處理，在LAXIS 3D 軟件中可對局部網格進行自動細化以提高計算的準確性，經檢查網格無誤后，可進行分階段的加載施工。

2 可回收錨桿支護的穩定性結果分析

在分階段施工過程中，自動創建Initial phase 階段，保持參數一致，創建開挖1—開挖4 共四個施工階段，在開挖1 階段，激活第一排的可回收錨桿的錨固段、自由段及相應的板單元，并消除該階段土體在自重力作用下產生的位移影響，后續的開挖階段通過停用該階段的土體并激活相應的支護結構即可，直至開挖4 階段開挖至坑底，對不同施工階段坡頂的位移變化進行分析[11]。

對不同施工階段的坡頂的位移進行分析，得到如圖2 所示的坡頂的水平及豎直方向的位移變化曲線，其中水平方向正向位移表示向靠近基坑的方向變形，負向位移表示遠離基坑的位移變形，豎直方向正向位移表示隆起變形，負向位移表示下降變形。

圖2 不同施工階段的邊坡位移

從圖2 中可以看出，隨著開挖后土體上的載荷逐漸減小，下部的土體產生隆起，使得開挖1、2 階段的水平位移變形分別為-0.5 mm、-0.7 mm，在開挖3 階段中為2.5 mm，開挖結束時的最大水平位移為9.5 mm；豎向位移在開挖的1、2 階段表現為隆起變形，分別為3.3 mm、3.5 mm，開挖3 階段的下降值為0.1 mm，開挖結束時的最大下降值為7.2 mm。在開挖過程中，坡頂的位移變化為隨基坑開挖深度的增加，水平位移及豎向位移均逐漸增加，該工程的坡頂最大位移均在規定的變形范圍內，能夠滿足試驗的要求[12]。

對邊坡的豎向位移進行分析，豎向最大位移的分布如圖3 所示，在坡面上存在豎向位移的零點，隨著土體的開挖，使得土體在重力及內部擠壓應力的作用下向著基坑的方向移動，在錨桿支護的作用下達到新的平衡狀態，零點之上表現為下降變形，零點之下表現為隆起變形；隨著上部土體開挖深度的增加，土體上的附加壓力減小，內部應力釋放達到新的平衡狀態造成土體的隆起，其中在坡腳位置的隆起變形抵消部分的豎向位移，靠近坡頂位置處的下降明顯，坡面的豎向位移零點位于10.5～12 m 的標高范圍內，距坡頂約2/3 處，以該位置處作坡面的平行面為分界面，則此分界面至基坑底部的主要變形為隆起變形，距離坑底的隆起變形越大，最大值為24.9 mm，分界面至遠離基坑區域的主要變形為下降，距離分界面越遠則下降值越小，但在X 軸距離坡頂位置處的沉降值最大，最大值為9.1 mm。

圖3 邊坡豎向位移變化云圖

3 結語

煤礦開采過程中離不開錨桿的支護作用，隨著錨桿使用量的增加，容易造成地下空間的污染。采用可回收的錨桿進行巷道等施工過程的支護，是解決這一問題的有效方式。針對可回收錨桿的使用，采用數值模擬的方法對可回收錨桿使用的穩定性進行分析，建立了可回收錨桿支護的模型，并對其分步驟進行開挖模擬，得到不同開挖階段邊坡的變形位移量。結果顯示，在開挖過程中，坡頂的位移變化為隨基坑開挖深度的增加，水平位移及豎向位移均逐漸增加，最大位移量均在工程施工的設計范圍內，滿足使用的要求。對豎向位移的進一步分析可知，在豎向位移變形中，以新平衡點處為分界面產生隆起及下降的變形，平衡位置在距坡頂約2/3 處。