恒阻內錨吸能錨桿在巖爆控制中的應用研究

馬池帥

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北 武漢 430205）

0 引言

巖爆的發生具有強突發性、強破壞性和瞬時大變形的特征［1-3］，其往往伴隨著猛烈的能量釋放和瞬時的動量傳播。控制技術要針對巖爆發生的可能性與強弱程度，來提出減小巖爆災害規模與等級的工程控制措施及相對應的支護優化方法，從而實現“弱巖爆不壞、中巖爆可修、強巖爆不垮”的目標。在現有的巖爆防護方案中，已注意到選擇吸能構件對巖爆硐室進行支護的重要性，從而引入讓壓吸能錨桿或其他防沖吸能支護構件［4-9］。但在吸能錨桿結構設計、吸能特性以及基于能量平衡理論的聯合支護設計優化等方面還要進一步研究。

本研究根據現有的巖爆破壞錨桿的典型失效破壞特征和巖爆控制原則，提出一種新型恒阻滑移內錨讓壓錨桿，并基于開挖區巖爆傾向性指標的分界線以及爆坑深度，提出錨桿長度更為合理的確定方法。從錨固系統的吸能角度出發，依據不同巖爆等級的能量釋放來優化支護參數，提出以讓壓吸能錨桿為核心的適用于不同巖爆等級的控制對策。

1 恒阻內錨吸能錨桿及其結構特征

高等級巖爆發生時會產生強大的沖擊載荷，其作用到錨固作用范圍的巖體上，會在瞬間一次性摧垮隧道。理想的錨固系統應兼具變形與讓壓的功能，兼具高承載力與大變形的功效。在總結現有研究成果的基礎上，本研究提出套管式內錨讓壓錨桿（見圖1），其通過擠壓套與桿體的徑向擠壓和滑移，拉伸錨桿桿體，從而實現恒阻讓壓。

由圖1可知，內錨讓壓錨桿由中空桿體（外表面做非粘結處理）、讓壓裝置（包括讓壓錨具、滑移桿體、套管和阻擋錐件）、托盤和緊固螺母（傳力裝置）組成。外端通過螺紋與螺母相連接，中間為光圓段，在光圓段的內端設有止退翼，在讓壓裝置末端設有阻擋件和注漿帽。當其受到圍巖荷載作用后，在軸向外載荷（拉力）的作用下，推動桿體向孔外拉伸，滑移的粗糙段桿體與讓壓錨具產生相對摩擦滑移，通過滑動摩擦力（即讓壓力）可實現彈性滑移變形彈性讓壓，并通過桿體的承載強度繼續保持錨固性能。

圖1 恒阻擠壓滑移內錨讓壓錨桿

2 恒阻內錨吸能錨桿性能試驗

2.1 試件準備

試驗共設10組試件，前兩組為傳統錨桿，后八組為讓壓吸能錨桿，分別進行靜態拉伸和動態沖擊拉伸試驗。吸能構件的內外徑分別為42 mm、50 mm，阻尼材料的厚度為5 mm，圓臺體的高度為50 mm，錨桿的基本參數詳見表1。

表1 錨桿試樣基本物理參數

2.2 動態拉伸試驗及結果分析

采用重錘試驗機進行動態試驗，用于檢驗吸能錨桿抵抗和吸收沖擊能量的性能，表2為沖擊拉伸試驗的結果。

表2 動態拉伸試驗結果匯總

讓壓吸能錨桿的最大拉伸滑移變形量為351.8～457.5 mm，小于500 mm設計值。恒阻力的平均值在136.7 kN左右；NR-32-6錨桿（夾持兩端，無錨固段）的極限力為195.1 kN，錨桿本身被拉斷，基本達到錨桿桿體材料的屈服極限，而其他錨桿受制于內錨固段的錨固性能，錨桿-砂漿界面一旦被破壞，將失去錨固基礎，極限承載力的均值為176 kN；總吸收能量的變化與極限力趨勢類似。普通錨桿的變形能力和吸能特性遠小于讓壓吸能錨桿，試驗結果充分說明讓壓吸能錨桿具有良好的吸能特性和優越的變形能力。

總體上，在沖擊拉伸的過程中，荷載-位移曲線可分為3個階段（見圖2），即初始軸力增長階段、恒阻波動階段和屈服強化階段。通過錨桿的彈性變形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服對能量進行吸收。沖擊拉伸錨桿的軸向力明顯存在上下波動的現象，可能是因為錨桿桿體與讓壓構件內表面阻尼材料間存在著粗糙度不均勻的情況，使局部動態摩擦阻力增大或縮小。恒阻滑移讓壓后軸向力躍至接近最大錨固力（≤極限破斷載荷，取決于內錨固段的錨固性能）。

圖2 動態拉伸錨桿軸力-位移曲線

3 基于恒阻內錨吸能錨桿的巖爆控制對策

3.1 錨桿長度估算

本研究基于開挖區的巖爆傾向性指標分界線以及爆坑深度，提出工程施工中錨桿長度更為合理的確定方法。基于開挖區數值模擬來確定不同等級巖爆對應的分界線、爆坑深度以及塑性區邊界輪廓線，從而確定相對準確的錨桿長度。錨桿長度的估算公式見式（1）。

式中：LB為巖爆支護吸能錨桿的設計長度；L弱為弱巖爆邊界線距洞壁的深度；L有效為剩余有效錨固長度，其要超過L弱，一般取值為50 cm；LC為爆坑深度；LP為塑性區邊界距洞壁深度。

如圖3所示，以極強巖爆為例，巖爆指標集中區域為拱頂的10點鐘方向到13點鐘方向和爆坑中心距洞壁3～4 m處。以中等巖爆等值線為邊界來劃分范圍，最大深度與跨度分別為8.5 m、15.5 m；塑性區跨度約為10.8 m，深度為2.86 m。分析確定錨桿的長度要大于4.5 m，并依據巖爆等值線范圍來確定合理的錨桿數目及間排距，從而優化錨桿的支護密度。

圖3 基于修正能量指標和塑性區的錨桿長度確定方法

3.2 錨桿布設數目及間排距計算

基于錨噴支護系統的吸能設計要求見式（2）、式（3）。

式中：E支為支護系統單位面積內極限吸能；E巖爆為巖爆發生時單位面積內釋放能量；E錨桿為單位面積錨桿所吸收能量；E混為噴射混凝土的吸收能量；b、l分別為錨桿的環向布設寬度和排距；n為錨桿數目；ER為單根錨桿所吸收的能量。聯立式（2）、式（3），可得式（4）。

以巴基斯坦N-J水電項目為例，極強巖爆的能量釋放為100 kJ/m2，混凝土噴層厚度為25 cm，估算吸能為27.4 kJ/m2，讓壓吸能選取NR-32，可吸收能量約為70 kJ，隧道直徑為8.53 m，支護示意圖見圖4。將參數帶入式（4）中，得到錨桿數目n與排距l的關系，結合巖爆能量、勢指標分布范圍來確定合理的支護參數（見表3）。

圖4 基于能量的支護示意圖

表3 巖爆支護設計

在對錨桿吸能特性進行研究時，普通32 mm脹殼式錨桿在位移極限為30～50 mm時，吸收能量為7 kJ/根；NR-32的內錨讓壓錨桿由于與恒阻吸能構件配套，可吸收能量約為47.9～59 kJ/根。為了便于計算，統一取50 kJ/根。不同厚度的纖維噴射混凝土搭配菱形金屬網聯合支護吸收能量進行大致估算：工程普遍采用厚度分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm的纖維噴射混凝土，對應的吸收能量分別為7.86 kJ/m2、14.36 kJ/m2、20.86 kJ/m2、27.36 kJ/m2。對不同的巖爆等級，現場鋼拱架搭配格柵組成的“鐵篦子”方案［17］按弱、中等、強巖爆來進行區分，建議鋼拱架間距取2.0 m、1.7 m、1.5 m，“鐵篦子”每延米分別為直徑φ=20 mm、20根，φ=22 mm、20根，φ=20 mm、30根。

綜上所述，基于錨網噴聯合支護技術參數優化，提出預防不同等級巖爆的支護體系（見表4）。

表4 不同等級巖爆支護體系

4 結語

針對沖擊危險隧道的錨桿支護結構的破壞特征及沖擊載荷對錨桿-圍巖支護系統的特殊要求，提出一種新型恒阻滑移內錨讓壓支護技術。對其進行室內試驗，試驗結果表明，在沖擊拉伸中內錨讓壓錨桿表現出良好的自我保護與沖擊適應性，讓壓吸能特性良好。從能量角度來看，依據不同巖爆等級的能量釋放優化支護參數，提出不同的支護對策，建立基于能量原理，以讓壓吸能錨桿為核心的、適用于不同巖爆等級的控制體系。