软岩硐室高预应力锚注加固模拟及应用分析

强峙有

(山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 吕梁 032300)

软岩条件下大断面硐室支护时，如果支护参数选取不合理、支护系统各构件耦合性能差、施工标准不科学，往往会出现底鼓、顶板与两帮位移量大等现象，严重时不得不重新修复。某矿九采区泵房、变电所等井巷工程布置在太原组底部的软岩地层中，受软岩流变特性及初次支护参数不合理的影响，硐室施工后不久即出现了变形量大、底鼓严重等特征，巷道表面喷层开裂严重，部分锚索破断，锚杆随巷道变形而整体内移，无法满足设备安装的基本要求，该矿曾对硐室进行了多次加固维修，仍未有效地控制硐室的基本稳定，严重影响九采区的按时投产。

1 工程概况

1.1 硐室围岩概况

九采区泵房、变电所位于-320 m水平，为九采区(开采16上、17煤层)服务。根据钻孔资料及硐室施工揭露，泵房和变电所处在太原组底部18煤层顶底板附近，硐室围岩以黏土岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，岩性松软、破碎且部分岩层遇水泥化。

泵房及变电所硐室断面形状为直墙半圆拱形，墙高2 m，净宽4 m，净高4 m，净断面14.28 m2. 初次采用锚网喷支护，锚杆采用d18 mm×2 000 mm普强螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm；锚索采用d15.24 mm×6 000 mm钢绞线锚索，“2-2”隔排布置。拱部挂双层金属网喷浆支护，喷浆厚度150 mm.

1.2 硐室围岩变形

硐室施工后不久即出现了较严重的变形显现，破坏形式归纳为以下3种：1) 锚喷层开裂程度非常严重，出现宽度大于50 mm的裂缝，而且不断向深部扩展。2) 底鼓显现严重，最高达500～700 mm，而且底板凸起张裂，两底角岩层十分破碎。3) 锚杆随巷道内敛，导致巷道整体变形大，硐室有效断面大幅缩小，不能满足泵房、变电所设备安装的基本要求。

分析可知，初次支护失效的主要原因是锚杆预应力低且保持性能差，锚杆强度低，最终导致锚杆支护系统不能有效地控制塑性圈向深部发展；当塑性圈的扩展范围超出锚杆体的支护范围后，锚杆受力急剧减小，支护失效。

软岩巷道的初次支护是解决软岩问题的重点和难点，初次支护的失效使得锚杆的主动支护性能丧失，巷道围岩塑性圈加大，导致巷道失去有效支护而被破坏。九采区变电所及泵房平面位置见图1.

图1 九采区变电所及泵房平面位置图

2 高预应力锚注支护参数设计

2.1 预选锚杆参数

设计之前，采用钻孔录像观测的硐室围岩松动圈在2.0 m左右。

锚杆长度选择应考虑巷道顶板离层情况与围岩破坏范围，同时还应保证锚杆锚固到稳定岩层中。基于九采区硐室的基本情况，通过悬吊理论计算，确定锚杆杆体长度为2.4 m.

锚杆支护强度应该在安全系数1.5的范围内承载顶板岩体的静载荷，且锚杆安装载荷不应该超过锚杆强度的50%. 预选Q500 d20 mm矿用高强螺纹钢锚杆，其屈服强度16.02 t，抗拉强度21.14 t.

2.2 注浆材料及注浆锚杆的选取

1) 注浆材料的选取。

由于普通硅酸盐水泥具有材料来源广泛、成本较低、无毒性、施工工艺简单，抗压强度高等优点[1-3]，硐室注浆加固时选用P.O42.5水泥作为注浆材料，注浆28 d后，形成浆液的抗压强度和抗折强度分别为42.5 MPa和6.5 MPa.

2) 注浆压力与扩散半径。

注浆压力的选取非常重要，如果注浆压力太小，难以保证浆液充满裂隙，加固范围内的围岩很难达到弹性体，难以形成完整的加固拱结构；注浆压力太大易使注浆裂隙尖端劈裂严重，破坏巷道围岩本身的完整性。影响注浆压力选取的主要因素有：地层深度、静水压力、围岩结构特性、结构面大小、注浆材料及其性能、注浆方法和注浆工艺等[4].

注浆后形成的混凝土锚固体围岩裂缝已被充填，能隔绝空气和水，防止了金属锚杆的氧化。通常情况下，注浆压力达到3 MPa时就能够将破碎围岩中的裂缝全部填充而且充填浆液具有很高的碱性，能产生大量的Ca(OH)2，其pH值一般大于12.5. 在较高的碱性环境中锚杆表面容易发生钝化，使得钢筋表面产生一层Fe2O3或者Fe3O4很难溶解的钝化膜，能够阻止外界空气和水对混凝土中金属锚杆的锈蚀，对杆体具有一定的保护作用。

根据经验，最终确定的注浆终止压力为3 MPa；最大压力控制在4 MPa以内。

由于硐室锚网索加固时，除采用高强预应力锚杆外，还采用了d17.78 mm×6 000 mm锚索作为辅助支护，故综合分析围岩裂隙发育情况及锚杆、锚索的布置特征，其扩散半径应能充满硐室的塑性区范围(3.17 m).

3) 注浆锚杆结构。

设计注浆锚杆采用壁厚3 mm无缝钢管制作，规格d22 mm×2 000 mm.

4) 底板处理。

考虑到硐室支护的整体性，底板布置3根注浆锚杆，并采用C40混凝土反底拱与设备基础一起浇筑。

2.3 支护方案

考虑到硐室的服务期和重要性，采用“预应力锚杆(索)+(初)喷浆+注浆+(复)喷浆”方案作为硐室加固维修方案，底板采用“反底拱+注浆加固”方式处理[5].

1) 剔去开裂的喷层，将硐室刷至原设计断面尺寸。

2) 采用锚网索联合支护。锚杆选用Q500 d20 mm×2 400 mm 高强锚杆，配置150 mm×150 mm×8 mm高强托盘，锚杆布置见图2. 锚索选择d17.78 mm×6 000 mm钢绞线锚索，配置300 mm×300 mm×10 mm高强托盘，锚索布置见图2. 注浆锚杆壁厚3 mm，布置方式见图3. 采用钢筋网护表。

3) 初喷混凝土70 mm(以注浆不跑浆为目的)。

4) 反底拱设计：考虑到巷道支护的整体性，底板采用注浆、浇筑设计。a) 按照断面图进行硐室起底施工反拱，半径3.05 m，采用d 10 mm的钢筋焊网铺底两层，每1.5 m横向设置一根道轨。b) 施工安装底板注浆锚杆(图3). c) 注浆完成后，采用C40混凝土全断面一次性浇筑底拱。

图2 变电所、泵房支护断面图

图3 变电所、泵房注浆锚杆布置断面图

3 数值模拟分析

3.1 数值计算模型的建立

为了分析泵房、变电所硐室的受力状态及巷道围岩变形情况，构建ABAQUS有限元分析模型，各岩层所选取的物理力学参数见表1.

表1 巷道围岩物理力学参数值表

本次数值模拟分别对无支护、锚喷支护、普通注浆支护、预应力锚注支护4种情况下的Mises应力分布、最大及最小主应力、顶底板及两帮位移的变化进行模拟。通过在不同预应力下对围岩的Mises应力区控制范围进行比较，最终确定高预应力锚杆的预应力大小。

3.2 不同支护条件下的Mises应力分析

Mises应力就是一种等效应力，它综合考虑了第一、第二、第三主应力，是对疲劳破坏的评价[6]. 对于某一材料来说，它都有一个屈服强度，这个屈服强度对应于相应的屈服点。当材料受到长时间的外力作用时，如果其内部某处应力(VMS)大于这个屈服强度，认为材料在此处有可能发生屈服。

不同支护条件下距两帮不同深度的等效应力曲线见图4.从图4中得到,无支护的条件下,最大等效应力分布在巷道表面，值为30.83 MPa，深部(8 m处)围岩的等效应力为17.60 MPa，向巷道深部逐渐降低；最大等效应力主要集中分布在巷道的两帮及底角，在巷道顶板和底板相对较小。锚喷支护的等效应力分布发生变化，在锚固端出现了“楔形”区，此处的等效应力大于附近锚杆支护范围之外的等效应力；巷道表面最大等效应力为15.76 MPa，深部(8 m处)围岩的等效应力为10.38 MPa. 普通注浆后硐室表面最大等效应力为14.64 MPa，深部等效应力为4.985 MPa.

不同支护条件下的Mises应力分布比较如下：

1) 锚喷支护。采用锚网索支护后，巷道表面的Mises应力由30.83 MPa降低到了15.76 MPa，说明在预应力锚杆作用下，围岩加固效果明显。但如果锚杆安装应力低或巷道表面围岩的强度低，预应力损失严重，很难将巷道表面的Mises应力控制在可控范围内，巷道仍发生破坏。

2) 普通注浆支护。采用普通注浆支护后混凝土体内部的Mises应力降到14.64 MPa，深部(8 m)围岩的Mises 应力在无支护下由17.60 MPa下降到4.985 MPa，这说明注浆后不但提高了加固范围内的岩体强度，而且深部围岩的应力分布发生了变化，减小了对深部围岩的破坏。但注浆后受拉应力的影响，混凝土体表面仍存在较大的Mises应力。

图4 不同支护条件下距两帮不同深度的应力曲线图

3) 高预应力锚杆注浆支护。采用高预应力锚注支护后，混凝土体内部及围岩深部(8 m)的围岩Mises应力都处于2 MPa左右，锚杆锚固端的最大值为6.543 MPa. 混凝土体表面的Mises应力与锚网索、普通注浆支护相比分别减少了87.3%和86.34%，围岩深部(8 m)Mises应力分别减少了80.7%和40.1%.

综上所述，高预应力锚注支护不仅使围岩深部Mises应力大幅度降低，且使混凝土体内部的Mises应力大幅度减小。Mises应力是塑性破坏的指标，同时也是疲劳破坏的重要参考值。Mises应力的减小，表明围岩抵抗疲劳破坏的能力加大。疲劳破坏有明显的时间效应，通过采用高预应力锚注支护，巷道的混凝土加固圈能长时保持巷道稳定。

3.3 不同支护条件下的最大及最小主应力分析

随着支护方式的变化，巷道围岩所受到的最大主应力有较小幅度的减小，最小主应力有大幅度增加；最大主应力与最小主应力之差逐渐减小。从第一强度理论(最大拉应力理论)分析，对于混凝土、钢材等脆性材料,最大主应力达到某一极限值时材料发生断裂。数值模拟结果为：从无支护、锚网索支护、普通注浆支护到高预应力锚注支护的最大主应力逐渐减小，高预应力锚注支护的最大主应力较锚网索减小了40.16%，较普通注浆支护减小了30.60%. 主应力的减小表明混凝土体所受的拉应力减小，硐室将更加稳定。不同支护条件下的最大、最小主应力值见表2.

表2 不同支护条件下的最大、最小主应力值表

4 硐室加固效果

硐室高预应力锚注支护施工后进行了巷道顶底板、两帮移近量观测，其观测结果见图5. 在施工硐室修复1个月后巷道移近量趋于稳定，顶底板最大移近量为12 mm，两帮的最大移近量为4 mm.

图5 顶底板移近量曲线图

观测表明，巷道整体变形量很小，未出现喷层开裂现象，无底鼓。硐室运行环境良好，未出现淋水现象。加固效果表明，在预应力锚注加固条件下，保证了硐室自身的稳定，有效地控制了混凝土体不发生破坏，成功修复了硐室。

5 结 论

1) 九采区泵房、变电所硐室修复采用“高预应力锚注加固”方案。支护采用Q500 d20 mm×2 400 mm高强高预应力锚杆，预应力4 t，辅助支护采用d17.78 mm×6 000 mm的钢绞线锚索；注浆锚杆规格d22 mm×2 000 mm，选用P.O42.5水泥作为注浆材料，注浆终压3 MPa；硐室底板采用“反底拱+注浆+浇筑混凝土”加强支护方式。

2) 采用ABAQUS有限元数值模拟得到，高预应力锚注支护适宜的锚杆预应力为4 t.在高预应力锚注联合支护条件下，围岩的表面和深部(8 m)Mises应力、最大主应力、最大与最小主应力之差、巷道顶底板、两帮移近量由普通注浆加固方案的14.64 MPa、4.985 MPa、1.108 MPa、16.708 MPa、113 mm、39 mm降低至2.0 MPa、2.0 MPa、0.769 MPa、1.44 MPa、71 mm、5 mm. 高预应力锚注支护方案能减小外载荷对混凝土体的塑性破坏，提高了抗剪切和抗拉能力，改善了围岩深部的应力分布状态，易于保持巷道的长期稳定。

3) 现九采区泵房、变电所已投入使用20个月，观测结果显示，硐室稳定性好，无底鼓，巷道收敛变形小，表面喷层未出现开裂现象，“高预应力锚注加固”巷道修复技术得到了成功应用。