直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

高延法，王 军，黄万朋，陈冰慧，王 亮，王 超

(1.中国矿业大学，北京 100083；2.山东科技大学，山东 青岛 266510；3.中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，北京 100120；4.大地工程开发(集团)有限公司，北京 100102)

直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

高延法1，王 军1，黄万朋2，陈冰慧1，王 亮3，王 超4

(1.中国矿业大学，北京 100083；2.山东科技大学，山东 青岛 266510；3.中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，北京 100120；4.大地工程开发(集团)有限公司，北京 100102)

为研究直墙半圆拱形断面巷道面临的支护难题，设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U型钢支架力学性能对比实验；实验全面测试并分析了钢管混凝土支架的承载力、位移与应变，同时分析了热煨弯曲对钢管原材料抗拉性能的影响及C60混凝土配合比合理性；实验证明钢管混凝土支架具有突出的承载优势。在实验指导下，对华丰矿-1100水平大巷动压巷道和大淑村矿-450水平新东翼皮带巷高应力集中巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并应用，实践证明钢管混凝土支架支护效果明显，优于同断面U型钢支架，同时也发现直墙半圆拱形封闭支架的底角为薄弱点，并进行了改进与结构强化。

钢管混凝土支架；直墙半圆拱断面；力学性能实验；巷道支护

0 引言

随着采深的增加和开采条件的日益复杂，锚杆锚索已难以解决深井软岩巷道支护，U型钢等可缩性支架在支护实践中也经常出现支护不稳定等问题，主要原因是地压增大导致围岩自承载力下降，锚杆锚索主动支护力不足，U型钢支架支护反力有限，难以抵抗围岩压力[1-3]。钢管混凝土支架作为一种新的支护架型，是将空钢管热煨成巷道断面形状，焊接各种附属件，在井下安装并灌注混凝土而成，具有支护能力强且施工安装简单等优点，目前被越来越多地应用于深井软岩巷道中，已解决了全国20多个煤矿支护难题[4-8]。

许多学者对于钢管混凝土支架的承载力计算、力学性能实验、结构设计与现场应用等问题做了较为深入的研究[9-11]，并得到了一些重要成果。直墙半圆拱形断面具有诸多优点，是巷道支护中最常用的断面形状，但钢管混凝土支架目前的实验研究多集中于圆形断面[12-13]，而对于常用的直墙半圆拱形支架结构缺乏实验研究；对于直墙半圆拱形钢管混凝土支架与同断面U型钢支架承载力差别无实验数据，同时对于无缝钢管热煨后的材料力学性能变化实验研究较少。

本文设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U29型钢支架力学性能对比实验。对钢管混凝土支架做了承载力分析、位移分析与应变分析，对U29型钢支架做了承载力分析。同时对热煨后的钢管原材料做了抗拉实验分析，对钢管核心混凝土做了抗压强度实验分析。

在实验结果指导下对华丰矿-1100水平大巷动压巷道和大淑村矿-450水平新东翼皮带巷高应力巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并进行应用，实践表明钢管混凝土支架适合动压或高应力集中巷道支护，支护效果明显优于U型钢支架支护。

1 钢管混凝土支架力学实验

1.1 支架结构

使用中频热煨弯管机将无缝钢管弯制成设计断面形状，分4段组装。中频热煨弯管采用中频电感应加热钢管，使钢管温度升高到塑性状态。900～940 ℃时，将工件在局部加热的条件下进行弯曲。

支架分4段：顶弧段1个、侧帮段2个和反底拱1个。其中顶弧段与侧帮段之间采用接头套管连接，侧帮段与反底拱之间采用法兰盘连接，如图1所示。

支架型号为φ194×8，即钢管直径为194 mm，壁厚为8 mm，材料单位质量36.7 kg/m，等同于U36型钢单位质量；接头套管采用φ219×8钢管。

1.2 核心混凝土配比

钢管内核心混凝土强度等级为C60，水泥为快硬硫铝酸盐水泥，核心混凝土配比及用量见表1。

1.3 实验中的支架约束与加载方式设计

支架从顶部加压，为模拟支架在实际巷道中的受力，在支架上下设2块弧形承压板，在钢管混凝土支架侧帮段设4对水平拉杆，如图2所示。承压板选用大型槽钢热煨弯曲成弧形，拉杆选用8根φ58 mm的Q235圆钢；同时，为防止支架在加压过程中可能向两侧倾斜，在实验台两侧加上2根槽钢进行加固。

在支架顶部集中加载，加载力作用于顶部承压板，以期钢管混凝土支架通过承压板均匀受力。

图1 钢管混凝土支架结构尺寸图(单位：mm)

表1 核心混凝土配比与用量Table 1 Mixing ratio and consumption of core concrete

图2 支架加载与约束图

1.4 实验测试内容与测试方法

主要测试内容为支架承载力、支架水平与竖向位移和支架关键部位的荷载-应变关系。

通过液压加载记录找出支架极限承载力，通过位移计监测水平与竖向位移，通过应变片监测关键部位荷载-应变关系。位移计及应变片布置如图3所示。

图3 位移计及应变片布置图

1.5 U29型钢支架实验

设计一组直墙半圆拱形U29型钢支架实验，U29型钢支架采用与钢管混凝土支架相同的约束与加载方式，测试其承载能力与位移。U29型钢支架无反底拱，支架宽度大于钢管混凝土支架，如图4所示。

图4 U型钢支架实验设计图

1.6 钢管材料与混凝土强度实验

为分析钢管混凝土支架中钢管和混凝土材料的力学特性，分别设计了钢管材料实验与混凝土强度实验。加工支架过程中从热煨弯曲余料中截取3块钢管材料进行材料抗拉实验。在支架灌注过程中制作3组9块混凝土试件进行混凝土强度实验。

2 钢管混凝土支架实验成果分析

2.1 钢管混凝土支架承载力分析

支架加载过程如图5所示，当荷载超过2 000 kN时，钢管混凝土支架顶部开始下沉；荷载到达 2 107 kN时，支架接头套管屈服变形，承载力短暂波动后开始下降。因此,钢管混凝土支架的最大承载力为2 107 kN。

2.2 钢管混凝土支架水平与竖向位移变化分析

水平位移随荷载的变化在加载初期基本成线性变化，支架整体处于弹性阶段；当荷载接近极限荷载时,水平位移急剧增大，支架整体处于塑性阶段，最大水平位移为86.07 mm，如图6所示。

竖直位移随荷载变化曲线形态与水平位移随荷载的变化曲线形态基本一致，竖直位移为距离缩减，水平位移为距离增加,最大竖向位移为40.60 mm,如图7所示。图中黑点实线为加载过程，虚线为卸载过程，下列各图同样，不再说明。

图5 钢管混凝土支架加载过程曲线

图6 水平位移荷载曲线

图7 竖直位移荷载曲线

2.3 钢管混凝土支架应变分析

从顶弧段、侧帮段和反底拱的应变片测点数据曲线中分别取关键曲线，分析荷载-应变关系。

2.3.1 顶弧段荷载-应变关系

顶弧段应变检测位置如图8所示，顶弧段拱顶内侧应变随荷载的变化曲线如图9和图10所示，顶弧段右侧应变随荷载的变化曲线如图11和图12所示。

在荷载作用下，支架拱顶内侧钢管长轴方向受拉，在加载初始阶段应变随荷载成线性变化，钢管壁弹性拉伸。当荷载接近极限荷载时拱顶内侧钢管屈服，发生塑性变形。其他各点总体上沿轴线方向内侧受拉，垂直于轴线方向受拉。

图8 顶拱应变片位置

图9 拱顶内侧钢管轴向应变-载荷曲线(A0)Fig.9 Curve of axial strain of steel tube on inner side of crown Vs load (A0)

图10 拱顶内侧钢管环向应变-载荷曲线(A1)Fig.10 Curve of circumferential strain of steel tube on inner side of crown Vs load (A1)

图11 顶弧右侧钢管环向应变-荷载曲线(C0 )Fig.11 Curve of circumferential strain of steel tube on the right side of the crown arc Vs load(C0)

图12 顶弧右侧钢管轴向荷载-应变曲线(C1)Fig.12 Curve of axial strain of steel tube on the right side of the crown arc Vs load(C1)

从以上曲线可以看出，在极限荷载作用下顶拱各处都进入了塑性阶段，并且塑性变形较大，尤其A0处在卸载后变形无法恢复。实验后通过对支架的观察，发现该处出现了细微的裂缝，是由于卸载后变形无法恢复的原因。

2.3.2 侧帮段荷载-应变关系

侧帮段应变检测位置如图13所示，侧帮段内侧应变随荷载的变化曲线如图14和图15所示，侧帮段侧面应变随荷载的变化曲线如图16和图17所示。

图13 侧帮段应变片位置图

图14 侧帮段内侧竖向荷载-应变曲线图(G0)Fig.14 Curve of strain on inner side of side wall Vs vertical load (G0)

图15 侧帮段内侧水平方向荷载-应变曲线(G1)Fig.15 Curve of strain on inner side of side wall Vs horizontal load(G1)

图16 侧帮段侧面竖向荷载-应变曲线图(F0)Fig.16 Curve of strain of side face of the side wall Vs vertical load (F0)

图17 侧帮段侧面水平方向荷载-应变曲线(F1)Fig.17 Curve of strain of side face of the side wall Vs horizontal load (F1)

从图14—16可以看出，压应变的峰值点并不是在最大荷载处，而是出现在1 500 kN附近，峰值点过后压应变开始减小，同时侧帮段内侧后期出现较大拉应变，这说明在加载过程中因拉杆承受较大水平荷载使侧帮段钢管受弯矩作用发生弯曲，因而内侧出现受拉变形。

侧帮段的荷载-应变曲线较为复杂，内侧应变较大，并产生了很大的塑性变形；侧向的应变方向基本不变，且在极限荷载下仍处于弹性阶段，没有产生塑性变形。从图14和图15中还可以看出内侧的应变方向发生了改变，产生这种变化的原因是侧帮段钢管发生了弯曲。实验无法模拟实际煤矿中巷道两帮对于支架的均匀约束，虽然采用了多对拉杆进行约束，但仍然是一种集中约束，在大荷载作用下必然会导致钢管以拉杆和钢管接触处为支点发生弯曲，并且这种弯曲会加剧顶弧段的塑性破坏，使得实验测得的极限荷载偏低。可以推测，如果侧帮段不发生发生弯曲，可以承载来自顶拱的压力。

2.3.3 反底拱荷载-应变关系

反底拱应变检测位置如图18所示，反底拱内侧应变随荷载的变化曲线如图19和图20所示。

图18 反底拱应变片位置

图19 反底拱内侧钢管轴向应变-荷载曲线(J0)Fig.19 Curve of axial strain of steel tube on inner side of invert Vs load (J0)

图20 反底拱内侧钢管环向应变-荷载曲线(J1)Fig.20 Curve of circumferential strain of steel tube on inner side of invert Vs load (J1)

从图18和图19可以看出，反底拱钢管在环向和垂向都发生了很大的塑性变形。

2.4 U29型钢支架实验结果

U29型钢支架实验中，液压千斤顶逐级加载，支架出现了3次卡缆滑动，即可缩性支架在承载力达到极限后，为了避免支架破坏，进行了3次卸载。当荷载达到396 kN时顶部下沉速度明显增加，支架承载能力下降，因此U29型钢支架的极限承载力为396 kN。实验中U29型钢支架顶部下沉较多，超过300 mm，水平方向位移不明显。

2.5 钢管材料力学性能实验与混凝土强度实验结果

根据文献[14]，壁厚小于16 mm的20#无缝钢管的屈服强度为245 MPa，抗拉强度≥410 MPa。

为研究热煨弯曲对20#无缝钢管材料性能产生的变化，从支架中截取3块钢管材料进行材料性能实验，实验结果如表2所示。实验表明，钢管热煨后材料屈服强度和抗拉强度均有所增加。

表2钢管材料力学性能实验结果
Table 2 Results of experiment on material mechanical property of steel tube

试样号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%E/GPa135958319．8165236957724．0185336359023．1180

在钢管混凝土支架灌注过程中制作9块100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试件，分为3组，分别养护1，3，28 d后进行混凝土强度实验。混凝土1 d即有强度明显增长，28 d强度测试平均值为63.6 MPa，符合C60强度要求。

2.6 钢管混凝土支架实验结果应用价值

直墙半圆拱形断面是巷道常用断面，具有空间利用率高、顶部稳定等优点。直墙半圆拱形钢管混凝土支架和U29型钢支架实验测试成果，对巷道支护具有重要的应用价值。

实验中，直墙半圆拱加反底拱形钢管混凝土支架的极限承载力为2 107 kN，直墙半圆拱形U29型钢支架的承载力为396 kN，前者承载力是后者的5倍以上，充分证明钢管混凝土支架承载力的优越性，应用钢管混凝土支架进行巷道支护设计将大大提高支护稳定性。支护中采用U型钢支架等常规支护不能保证巷道稳定的地段，可以尝试采用钢管混凝土支架支护设计。

3 钢管混凝土支架在巷道支护中的应用

3.1 华丰煤矿-1100水平大巷钢管混凝土支架支护

华丰煤矿-1100水平大巷埋深1 230～1 250 m，巷道穿层掘进，受深井地压和2次采煤工作面采动压力的影响，巷道使用U36型钢支架多次支护返修均不能稳定。2011年初采用直墙半圆拱加反底拱形钢管混凝土支架返修，支架选用φ194×8无缝钢管，材料单位质量36.7 kg/m，支架分4段，接头套管连接。

巷道支护后至稳定，经现场观测，支架累计变形小于80 mm，钢管混凝土支架支护巷道现状如图21所示。

图21华丰煤矿钢管混凝土支架支护巷道
Fig.21 Roadway supported by concrete-filled steel tube supports in Huafeng coal mine

3.2 大淑村煤矿高地压巷道钢管混凝土支架支护

大淑村煤矿一采区-450水平东翼皮带巷新掘巷道埋深约500 m，巷道布置于孤岛煤柱下，属高应力集中巷道。采用钢管混凝土支架支护设计，支架型号φ194×8，分4段，支护情况如图22所示。

图22大淑村煤矿钢管混凝土支架支护巷道
Fig.22 Roadway supported by concrete-filled steel tube supports in Dashucun coal mine

选择8架钢管混凝土支架做监测，从2011年4月10日开始，对巷道顶底板和两帮进行了150 d的变形监测。监测到第2个月末时发现支架开始变形，支架顶底板移近量约3 mm/d，两帮移近量约4 mm/d，且支架底角焊口出现开裂现象，主要原因是底角容易产生应力集中。随后及时采取措施，对底角进行了强化，到第4个月时支架变形趋于稳定，底角未出现再次开裂，如图23所示。

巷道变形监测结束后，支架顶底板移近和两帮移近总量约100 mm，巷道至今稳定。

图23 支架底角加固前后对比图Fig.23 Foot corner of steel tube support before consolidation Vs that after consolidation

4 结论与建议

4.1 结论

通过直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及工程应用，得出以下主要结论。

1)实验证明钢管混凝土支架具有较高承载力，φ194×8支架承载力达2 107 kN，U29型钢支架承载力为396 kN，前者承载力是后者的5倍以上。

2)钢管原材料经热煨弯曲加工后，屈服强度和抗拉强度均得到提高。

3)直墙半圆拱形钢管支架应用于高应力巷道支护，支护效果良好，能解决U型钢支架不能解决的巷道稳定问题。

4.2 存在问题与建议

1)因实验受准备条件限制，钢管混凝土支架与U型钢支架的实验对比未能建立在完全相同断面与结构基础上。为保证实验的严谨性，必须对后续支架对比实验进行改进。

2)实验中未进行钢管原材料热煨前力学性能测试，而是直接参考国家标准，不够严谨，后续实验需进行改进。

3)直墙半圆拱形封闭支架的底角连接不宜采用折线形拐角，容易出现应力集中而导致连接处开裂，应采用弧形过渡形，有利于压力传递，同时可避免应力集中。

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[14]GB/T 8162—2008 结构用无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，2008.

国内最大矩形盾构进场组装

2014年元旦刚过，中铁隧道集团股份有限公司郑州市下穿中州大道隧道工程1标施工现场便迎来了又一个施工高潮，项目部经过前期的精心组织和合理策划，加班加点地完成了盾构始发井主体结构施工。

2014年1月8日，国内断面最大矩形盾构顶管机陆续开始运进盾构始发井，目前矩形盾构部分组件正在紧张有序地组装施工，计划于2014年春节前将断面长为10.12 m，高7.27 m，质量为400多t的机动车道矩形盾构顶管机和断面长为7.52 m，高5.42 m的非机动车道矩形盾构顶管机全部组装调试完毕。

(摘自 中华铁道网 http://www.chnrailway.com/html/20140113/337858.shtml 2014-01-13)

ExperimentonMechanicalPropertyofStraight-wallSemicircle-archConcrete-filledSteelTubeSupportanditsApplication

GAO Yanfa1,WANG Jun1,HUANG Wanpeng2,CHEN Binghui1,WANG Liang3,WANG Chao4

(1.ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China;2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266510,Shandong,China; 3.BeijingHuayuEngineeringCo.,Ltd.,Sino-CoalInternationalEngineeringGroup,Beijing100120,China;4.GeotechnicalEngineeringDevelopment(Group)Co.,Ltd.,Beijing100102,China)

Mechanical property experiment is designed to compare the performance of straight-wall semicircle-arch concrete-filled steel tube support and that of U-shaped steel support,so as to solve the instability problem of the support for roadways with conventional straight-wall semicircle-arch cross-section.In the experiment,the load bearing capacity,displacement and strain of the concrete-filled steel tube support are measured and analyzed,and the influence of the roasted bend on the anti-tensioning property of the raw material of the steel tubes,as well as the rationality of the mixing ratio of the C60 concrete,are analyzed.The experiment shows that the concrete-filled steel tube support has outstanding load-bearing advantages.Guided by the experiment results,straight-wall semicircle-arch concrete-filled steel tube support is designed and applied for the 1100 horizontal dynamic pressure roadway of Huafeng coal mine and the 450-level new east wing high stress roadway of Dashucun coal mine.The practice shows that the concrete-filled steel tube support has good supporting effect and is superior to the U-shaped steel support with the same profile.It is also found that the foot corners of the closed straight-wall semicircle-arch support are weak points and need to be improved and strengthened.

concrete-filled steel tube support; straight-wall semicircle-arch cross-section; mechanical property experiment; roadway support

2013-09-12;

2013-11-19

国家自然科学基金重点项目(51134025)；高等学校博士学科点专项科研基金(20100023110009)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2010YL03)；中国矿业大学(北京)博士研究生拔尖创新人才培育基金资助(00800015z643)

高延法(1962—)，男，山东泰安人，1991年毕业于武汉水利水电学院岩土工程专业，教授，博士生导师，主要从事岩石力学和巷道支护研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.002

U 45

A

1672-741X(2014)01-0006-07