錨桿支護(hù)理論
1907年俄國學(xué)者普羅托吉雅可諾夫提出普氏冒落拱理論[1-2],該理論認(rèn)為:巷道開掘后,已采空間上部巖層將逐步垮落,其上方會(huì)形成一個(gè)拋物線形的自然平衡拱,下方冒落拱的高度與巖層強(qiáng)度和巷道寬度有關(guān)。該理論適用于確定巷道圍巖強(qiáng)度不高、開采深度不是很大的巷道支護(hù)反力。20世紀(jì)50年代以來,人們開始用彈塑性力學(xué)解決巷道支護(hù)問題,其中最著名的是Fenner[3]公式和Kastner公式[4]。
Fenner公式為:
?r?Pi??Ccot????0?1?sin???Ccot?????R?N??1(1)
式中,Pi—支護(hù)反力;C—圍巖內(nèi)聚力;?—內(nèi)摩擦角;?0—原巖應(yīng)力;r—巷道半徑;R—塑性圈半徑;N?—塑性系數(shù),N??
Kastner公式為:
?r?Pi??Ccot???P0?Ccot????1?sin?????R?2sin?1?sin?1?sin?。 1?sin?(2)
式中,Pi—支護(hù)反力;C—圍巖內(nèi)聚力;?—內(nèi)摩擦角;P0—初始應(yīng)力;r—巷道半徑;R—塑性圈半徑。
國內(nèi)外巷道頂板控制理論發(fā)展很快[3-4],我國在1956年開始使用錨桿支護(hù),迄今為止,已有50多年的歷史。錨桿支護(hù)機(jī)理研究隨著錨桿支護(hù)實(shí)踐的不斷發(fā)展,國內(nèi)外已經(jīng)取得大量研究成果[5-10]。
(1)懸吊理論
1952年路易斯阿帕內(nèi)科L(ouis.Apnake)等提出了懸吊理論,懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上,在預(yù)加張緊力的作用下,每根錨桿承擔(dān)其周圍一定范圍內(nèi)巖體的重量,錨桿的錨固力應(yīng)大于其所懸吊的巖體的重力。
(2)組合梁理論
組合梁理論認(rèn)為,端部錨固錨桿提供的軸向力將對(duì)巖層離層產(chǎn)生約束,并且
增大了各巖層間摩擦力,與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。
(3)減跨理論
在懸吊作用理論及組合梁作用理論的基礎(chǔ)上,提出了減跨理論,該理論認(rèn)為:錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi),穿過薄層狀頂板,每根錨桿相當(dāng)于一個(gè)鉸支點(diǎn),將巷道頂板劃分成小跨,從而使頂板撓度降低。
(4)組合拱理論
組合拱理論認(rèn)為:在沿拱形巷道周邊布置錨桿后,在預(yù)緊錨固力的作用下,每根錨桿都有一定的應(yīng)力作用范圍,只要取合理的錨桿間距,其應(yīng)力作用范圍會(huì)相互重迭,從而形成一連續(xù)的擠壓加固帶—即厚度較大的組合拱,該加固帶的厚度是普通砌暄支護(hù)厚度的數(shù)倍。故能更為有效地抵抗圍巖應(yīng)力,減少圍巖變形。
20世紀(jì)60年代,奧地利工程師繆勒等在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法,稱為新奧法(NATM)[11]。它的核心思想是調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力,促使圍巖本身成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,摒棄了過去將巖體作為對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的荷載和采用后襯砌的傳統(tǒng)做法。