鋼管混凝土拱架支護的發展與應用

鋼管混凝土拱架支護概述隨著能源需求的增加和采收模式的不斷增加，世界上許多類型的金屬礦和采礦業的開采深度超過1000米，包括一些金屬礦床。在我國,雖然目前經濟建設對煤炭資源的依存度有所下降,但從當前經濟發展的依賴性看,煤炭的主體能源地位無法改變。我國埋深在1000m以深的煤炭資源占總量的47.4%,隨著淺部煤炭資源的枯竭,煤炭開采進一步走向深部勢在必行針對支護難題,不斷有人在嘗試新思路、新材料和新技術,其中以鋼管混凝土支架最具突破性。尤其自2000年前后至今,鋼管混凝土拱架支護技術取得了飛快發展,在現場實踐、室內試驗、數值模擬、理論計算等方面均積累了大量成果,該技術呈現出承載力高、穩定性好、支護成本低等特點,同時也暴露出一些迫切需要解決的關鍵問題。目前雖然有部分文獻已對鋼管混凝土拱架支護技術發展及現狀做過一些介紹,但是均較為籠統或局限,對發展脈絡及趨勢的闡述也不夠準確和清晰,總體來說不夠系統和完整。對此,本文首先闡述了鋼管混凝土拱架支護的產生和發展背景,而后分別從基本原理、現場實踐、力學試驗、數值模擬、理論計算等方面對發展現狀進行了詳細分析和闡述;最后總結了鋼管混凝土拱架支護目前的發展形勢及顯著優勢、存在的理論及技術問題和下一步研究重點。1混凝土拱架支護存在問題U型鋼拱架是深部軟巖巷道支護最為常用的加強支護形式,鋼管混凝土拱架支護的提出和發展很大程度上是基于解決U型鋼拱架在現場支護中出現的問題。因此充分了解U型鋼拱架支護的發展現狀,對準確掌握鋼管混凝土拱架的產生和發展背景具有重要意義。1.1早期支護實踐U型鋼1932年由德國海茨曼公司首先研制,它具有優良的截面幾何參數,易于實現搭接縮讓,在煤礦巷道中廣泛應用,1972~1977年德國主要產煤區U型鋼拱架比重已達90%,并已系列化。1960年代,我國開灤、淮南礦務局引入U型鋼可縮性支架,70年代后期在國有統配煤礦中全面推廣U型鋼金屬支架通過提供被動的徑向支護力,直接作用于巷道圍巖表面,來平衡圍巖的變形壓力,約束圍巖變形。早期的巷道支護主要依據古典壓力理論和塌落拱理論采用棚式剛性支護;而后隨著新奧法的引進,以錨網噴支護為代表的柔性支護得到大范圍應用,成為淺部煤礦巷道支護的主要方式1.2研究工作在U型鋼支架支護理論研究方面,成果多集中在20世紀八九十年代,比較典型的有侯朝炯、陸士良、尤春安、蔣斌松等進行的研究工作。侯朝炯在U型鋼理論研究方面較為集中的成果體現是,1986年原煤炭工業部生產司發布了關于使用《巷道金屬支架系列》的決定(86煤生字第495號),對我國煤礦巷道普遍使用的9種架型、131種規格的金屬支架及相關附件進行了標準化(MT143—1986),提出了選擇支架的方法和步驟,斷面參數和極限承載力的計算過程,支架附件的選擇依據1.3試驗成果在文獻資料中的應用對于U型鋼力學性能試驗,我國在早期開展過一些工作,且出臺了煤炭行業標準《U型鋼拱形可縮性支架技術條件和試驗方法》(MT/T882—2000),但是相關試驗成果在現有文獻資料中并不多見。近年來隨著其他支護方式的興起,較少有人專門針對U型鋼拱架開展試驗,目前U型鋼拱架試驗多是作為對比分析的對象出現,近期的U型鋼拱架試驗主要見下述研究。2011年劉國磊1.4u鋼拱護岸的改善形式針對根據現有礦用U型鋼拱架在現場實踐中出現的問題(見第1.5節(1)~(3)),相關人員提出了改進方法。謝文兵1.5存在問題及地位U型鋼拱架是現階段深部高應力軟巖巷道常用的支護形式,經綜合分析認為存在以下問題。(1)支護強度不足,性價比不高。如第1.1節所述,現在國內多個深部礦區采用的U36拱架均出現了屈服、斷裂的現象;且礦用U36鋼每米重量35.87kg,用鋼量大。(2)工作阻力低。由于U型鋼采用卡纜連接,因此U型鋼拱架的支護反力與搭接處的摩擦阻力有關,而不是U型鋼本身的抗壓強度,我國U型鋼拱架普遍存在鎖緊力不足,拱架工作阻力相對較低的現象。試驗與實測結果表明,U型鋼拱架工作阻力也只達到其極限承載能力的50%左右。(3)受力結構不合理。U型鋼拱架因為其獨特的截面形式,和圍巖一般是以點、線接觸為主,從而使支護結構承受集中載荷或大偏心載荷,使支護結構受損或支撐能力得不到充分的發揮,嚴重降低了材料利用率,支護效果得不到保障。(4)不能定量讓壓。采用卡纜作為節點連接形式,可以進行一定的縮動讓壓,但是其讓壓量及讓壓時機很難把握和控制,受施工質量及現場受力條件影響十分顯著。(5)由于現場條件的復雜性,雖然進行了改進,但改進形式仍然具有局限性,深部支護問題仍然突出。雖然存在上述不足,但由于支護難題越來突出,支護技術的創新和發展遠不能滿足現場的需要,U型鋼拱架就成為目前沒有更好選擇時的選擇。而且,與本文鋼管混凝土拱架相比,U型鋼可縮性拱架經過幾十年的積累,在技術工藝上具有如下優點:(1)生產技術成熟,材料來源廣泛;(2)不需熱彎,冷彎即可成拱,設備要求低,成本得到控制;(3)加工非常簡單,基本所有礦井均具有自主加工能力。統計顯示目前我國煤礦年均投入的U型鋼都在10萬噸以上,U型鋼拱架支護技術仍然是目前深部巷道較為常用的支護形式。通過上述正反兩方面的綜合分析,可得到的結論是,雖然目前U型鋼拱架支護存在一些問題,但是當沒有一個新的支護形式在效果、成本、工藝等綜合效益上能夠明顯超過U型鋼拱架時,U型鋼拱架支護在我國深部礦山巷道支護中的主要地位短時間內不會改變。2拱立管的理論和技術2.1鋼管混凝土構件鋼管混凝土構件是在鋼管中灌注混凝土形成的。純混凝土構件的抗壓強度較高,但其抗剪、抗拉和抗彎能力都較弱,比較容易在變形很小的情況下發生局部破壞而導致整體結構失穩;而鋼材的抗彎能力較強,但純鋼材構件在受壓時容易喪失直線平衡狀態。鋼管混凝土構件受壓時,鋼管和混凝土互相彌補了對方的缺點,發揮了雙方的優點,表現出力學性能上的“共生現象”,使材料的強度得到充分發揮。由于具有施工快速、承載力高、成本低和防火抗震等優點,得到迅速發展1879年英國塞文施工鐵路橋墩中,第一次使用了鋼管混凝土構件以防止鋼管的銹蝕并承受壓力。國外對鋼管混凝土結構的理論研究及大范圍工程應用主要是在20世紀60年代以后。國內學者對鋼管混凝上結構的相關研究起步于20世紀60年代,鐘善桐2.2關于有關激勵作用的報道雖然鋼管混凝土技術已在地面結構工程中得到廣泛的應用,但把加工成拱形支架應用于地下工程支護,有關這方面的報道還很少。1970年代初,日本青函海底隧道,采用圓形鋼管內注水泥沙漿代替了一般H型鋼,防止了塌方,克服了膨脹性土壓力,順利通過了斷層帶由于技術發展水平和隧道、地鐵現場特殊條件等原因,1980年代至今未見再有后續的推廣使用,但為礦山巷道實踐研究提供了借鑒和參考。2.3研究應用總體處于初期階段目前,鋼管混凝土結構在礦山巷道支護領域的研究應用還相對較少,總體處于初期階段。主要的工程實踐統計于表1,主要包括時間、參與人員、工程特點、主要參數及關鍵成果等。2.3.1實踐發展概述1995年,安徽理工大學臧德勝1997年前后,煤炭工業部立項資助《鋼管混凝土支架與鋼拱圈支架等效性的研究》項目2006年前后開始至今,中國礦業大學高延法及其團隊在進行室內試驗及理論分析的同時,陸續在錢家營礦、北皂煤礦、查干淖爾煤礦、華豐煤礦、邢東煤礦等進行了鋼管混凝土拱架的現場推廣使用2011年至今,山東大學李術才、王琦、李為騰等隨后,西安科技大學谷拴成縱觀上述現場實踐過程,以2000年為界,可以將鋼管混凝土拱架在隧巷支護工程中的實踐發展過程大致分為兩個階段:嘗試性實踐階段和研究應用階段。在第一階段,各工程案例的目的主要在于探索將鋼管混凝土結構由地上工程引入地下支護工程的可行性,論證鋼管混凝土拱架的有效性,明確對當前常用型鋼支護的等效替換性;實踐研究呈碎散狀態,實踐數量少(國內隧道1例,礦山2例)且不成系統,相應的理論、技術、工藝不成熟;由于科技發展水平和現場條件等原因,第一階段的實踐沒有持續性的推廣應用,但是為后續發展做了鋪墊。第二階段的迅速發展以2006年前后高延法團隊在錢家營煤礦進行鋼管混凝土拱架現場實踐為標志;此后現場應用案例快速增多(超過20例),圍巖控制效果得到充分體現,實踐研究的重心從可行性探索轉移到應用研究,包括計算方法、設計理論、關鍵技術和施工工藝等,應用研究的系統性和延續性增強,發展迅速且潛力巨大。第二階段相比第一階段發展如此迅速,分析認為有兩個主要原因:一是部分技術難題如彎管、灌漿、節點連接等技術問題的攻克;二是我國煤礦進入深部的大環境,自2004年至2014年,我國千米深井數量增加約50處,在更深、更軟等條件下,鋼管混凝土拱架的高強和經濟的置換性體現的更加明顯。2.3.2鋼管節點連接裝置鋼管混凝土拱架是將直的圓鋼管根據巷道支護需要,熱煨加工成需要的形狀,加工時將鋼管分為數段,各段之間設置連接裝置(一般采用套管節點連接),如圖6(a)所示,各榀拱架之間設置連桿防止側向傾倒。空鋼管拱架進行井下安裝對接,安裝完成后使用混凝土輸送泵將混凝土材料灌注到鋼管中。鋼管混凝土拱架與錨桿、錨索等共同構成完整的深部巷道支護體系,如圖6(b)所示。(1)工程施工條件目前鋼管混凝土拱架現場實踐的巷道埋深在300m~1200m之間,總體呈增大趨勢,軟巖、構造等工程條件越來越復雜。目前主要用于(極)軟巖、大埋深(1200m)、斷層破碎帶等復雜的難支護條件下,其中尤以北皂煤礦的極軟巖和華豐煤礦的大埋深最為典型。說明鋼管混凝土拱架對上述條件具有一定的適用性。(2)大斷面封閉拱架近年來一直采用較多的拱架形狀為(橢)圓形、封閉或不封閉的直腿(曲腿)半圓形;礦山巷道中拱架尺度和節數隨時間呈增大趨勢,目前尺度(寬度或高度)一般在4m~5m,節數以4節為主,部分大斷面全封閉拱架為5節;排距一般在0.5m~1m,0.6m~0.8m應用較多;灌注的核心混凝土基本為C40,也有C30和C60案例,同時也有灌注鋼纖維混凝土的案例;拱架截面形式主要為圓形,也出現了采用方形截面和D形截面的案例,如表1實踐5和實踐8,拱架截面尺寸隨時間推移整體呈增大趨勢,目前常用Φ194mm×(8~10)mm;另外需要指出的是,高延法團隊中通過試驗發現鋼管混凝土的抗彎性能需要進一步提高,基于此研發了抗彎增強型的鋼管混凝土截面形式,如圖7所示。上述參數可為鋼管混凝土拱架支護設計提供參考。(3)大滲流區的灌注方式首先是灌注工序的演化,1984年南嶺隧道進行施工時采用的是先在現場架設好拱架之后再進行混凝土灌注的工序;1995年平頂山礦務局四礦采用了在地面灌注養護之后再運輸至現場架設的工序,這種方式導致現場架設構件較重,可能是后來沒有持續推廣的原因之一;2000年之后,高延法團隊在錢家營煤礦采用了“先架后灌”的工序,避免了“先灌后架”的缺點,取得較好效果,目前普遍采用該工序。其次是“先架后灌”中灌注方向的演化,在表1所列錢家營煤礦和北皂礦現場灌注中,采用的灌注方向為由上至下的方式,這種方式容易導致鋼管中氣體不易排出,混凝土不密實;所以在此之后的現場實踐中,灌注方向演化為由下至上的“頂升灌注”,灌注孔位置如圖6(a)所示,能夠有效排出氣體增加密實度。(4)套管連接方式在2000年之前的實踐中,各節之間采用的連接形式為法蘭連接,圖4(a)所示;而在此后的案例中基本上全部采用套管連接的方式,圖6(a)所示。兩者各有優劣,法蘭連接節省材料,但強度較弱;套管連接相對成本要高,但強度也較高,套管長度一般為400mm~900mm,套管壁厚8mm~12mm不等,套管總間隙5mm~10mm不等。另外一種節點是可縮性節點,見下文(6)。(5)圍巖墊層結構由于現場巖土體開挖表面不平整導致拱架和圍巖之間形成點接觸或偏壓,對拱形拱架承載十分不利。因此,在拱架和圍巖之間一般需設置墊層。從發展歷程來看,案例中的拱架圍巖拱架基本上均設置了墊層,但墊層的材料種類繁多,包括木墊塊、木背板、混凝土背板、灰包、袋裝矸石、灌注或噴射混凝土等,同時還有泡沫板+混凝土的墊層形式。上述墊層均取得了一定效果,但是并沒有對效果進行對比評價,因此目前對墊層形式及參數尚未有較為統一的意見。(6)鋼管混凝土拱架鋼管混凝土拱架是一種高強支護形式,現有的研究已經表明深部、軟巖巷道變形具有顯著的流變特性綜上所述,鋼管混凝土拱架已經在深部軟巖巷道支護方面取得部分現場實踐,取得較好的效果且發展迅速。但目前規范的施工技術及工藝體系尚未形成,亟需形成或制定用于指導設計及施工的規程、標準或規范。2.4室內試驗與研究2.4.1試驗結果及分析關于鋼管混凝土整架試驗的統計見表2。2001年,臧德勝上述試驗研究過程中共進行了20架試驗,其中2架為模型試驗,5架為U型鋼拱架試驗,3架為方鋼約束混凝土拱架,其余為圓截面鋼管混凝土拱架。試驗拱架主要為(橢)圓形和直腿半圓形,這兩種拱架在現場較為常用。試驗拱架參數多變,拱架截面以Φ194mm×8mm最多,混凝土等級以C40為主。通過對比表2所述試驗參數及結果,可以得到如下主要結論。(1)鋼管混凝土拱架具有更高的承載力,是相同用鋼量條件下U型鋼拱架的2倍左右。試驗5中,鋼管混凝土拱架是U型鋼拱架的2.65倍;試驗6中,試驗條件差別較大,該值為5倍左右;試驗7中兩者試驗條件一致,該值為1.9倍;試驗8中方鋼約束混凝土拱架試驗結果與試驗6中U型鋼試件用鋼量和試驗條件接近,該值為1.8倍左右。(2)主要采用了兩種不同的加載方式。第一種加載方式為頂部加載、其他位置多點約束,見試驗3~試驗6;其余試驗采用了第二種加載方式即均布油缸多點加載。第二種加載方式與《U型鋼拱形可縮性支架技術條件和試驗方法》(MTT882—2000)規定的加載方式一致。兩種加載方式存在較大不同:采用第一種加載方式的試驗拱架極限承載力一般認為是頂部油缸出力的最大值;而對于第二種加載方式,拱架的承載力被認為是所有油缸出力總和的最大值,其依據為上述《試驗方法》中3.6條對“工作阻力”的定義:“U型鋼支架在某一工作狀態時,所承受的巷道圍巖壓力總和。在實驗室試驗時,用各加載點上的加載油缸荷載的代數和表示。”兩種加載方式各有利弊,第一種加載方式獲取的關鍵數據為頂部加載油缸的荷載-位移曲線,可以由此劃分并確定拱架的彈性極限承載力和極限承載力,試驗數據清晰明確,但拱架受力情況與現場差異較大;第二種加載方式能夠更真實模擬拱架在現場的實際受力狀況,可以實現不同側壓力系數的荷載施加,但拱架的受力狀態不再能簡單的由某一點的荷載位移曲線呈現,其承載狀態的描述需要綜合所有加載點信息進行確定。(3)拱架截面內力主要處于壓彎狀態,拱架的極限承載力由截面壓彎承載力決定(變形形態和屈服失穩機理),李為騰(4)對于第二種加載方式而言,不同的側壓系數,承載力不同,如試驗7結果所示,結合其他文獻試驗結果(5)核心混凝土強度越高,拱架承載力越高,該結論較為顯而易見,但混凝土強度越高成本也越高且施工控制操作更為嚴格。應根據成本及現場施工條件選擇合適的混凝土等級。(6)試驗監測內容主要包括徑向荷載、徑向位移、鋼材應變三項,在李為騰(7)經統計分析可知,目前拱架整架試驗方法不統一,不利于試驗數據的積累和橫向比較,需要制定相關規范,為此給出部分建議:(1)從結構的受力分析方面認為,第一種加載方式更適合于圓形、橢圓形或近似圓形的全封閉拱架,第二種加載方式更適合于直腿半圓形等非封閉式拱架;總體上認為,第二種加載方式(均布油缸多點加載)開展拱架力學試驗更加科學合理;(2)為促進后續試驗成果的有效積累及橫向對比分析的準確,在采用第二種加載方式進行拱架試驗時,作者建議統一拱架極限承載力Q2.4.2試驗結果及分析鋼管混凝土圓弧拱試驗統計于表3。2001年臧德勝(1)由試驗4對比可知,鋼管混凝土圓弧拱承載力是相同截面用鋼量的U型鋼的2.4倍,是22b工字鋼的7.6倍。(2)構件在均布荷載作用下比集中荷載承載力高,由試驗6可知,當采用均布加載時構件無法壓壞。(3)對比試驗4~6可知約束方式對構件承載特性影響顯著,接頭形狀、滑移情況均對承載力具有明顯影響,完全約束條件下承載力最高,可滑移量越大承載力越低。(4)對比試驗5中不同齡期及強度試件可知,混凝土齡期及強度對承載力影響顯著。(5)通過圓鋼加強后承載力提升顯著,在外側焊接圓鋼比在內側焊接圓鋼提升顯著。2.4.3直徑與抗彎承載力間的相關性曲廣龍(1)采用加強方式效果對比,加強圓鋼直徑與抗彎承載力呈現出近似線性正相關的關系,圖11所示。(2)通過數值試驗掌握了套管節點的基本力學特性,但相關結論需要進一步室內試驗驗證。2.4.4試驗研究現狀表5所示為旨在研究鋼管混凝土拱架的短柱軸壓試驗統計表。由于在地上鋼管混凝土結構中,對短柱軸壓試驗及力學性能的試驗研究較為充分,因此在鋼管混凝土拱架相關研究中一般多將短柱試驗作為下一步試驗的鋪墊或支撐,如試驗5進行目的在于進行拱架數值計算參數的反演。2.4.5試驗研究中的問題(1)開展了一定數量的拱架整架試驗,初步掌握了拱架的宏觀承載特性,但對拱架承載失效機理的分析不夠深入,套管節點對拱架承載特性的研究尚不充足。(2)拱架的讓壓是必要的,但是目前僅進行了1架定量讓壓節點力學試驗研究,對讓壓拱架的系統試驗尚未開展,對讓壓拱架力學特性的掌握顯然也是不充分的。(3)套管節點力學特性復雜,且對拱架承載特性影響顯著,目前僅通過數值試驗的方法進行了套管節點純彎曲試驗研究,對套管節點在壓彎作用下的力學性能的試驗研究非常缺乏。(4)由于沒有統一的試驗方法和操作規范,導致目前試驗數據的積累和橫向比對分析面臨很大阻力。2.5數值計算方法的選擇鋼管混凝土結構的數值計算分析在地上結構領域應用較廣,也較為成熟,如鋼管混凝土的拱橋、地鐵立柱、各種復雜節點等。但鋼管混凝土拱架作為一種支護結構的數值計算研究還較少。蘇林王由上述分析可知,早期鋼管混凝土拱架基本構件數值計算采用ANSYS較多,目前以ABAQUS軟件為主,且模擬方法和參數相對成熟。數值計算對象與現場實踐和室內試驗構件常用型號及參數基本一致。2.6圓形拱架的定位2010年高延法當N式中:N上述計算均針對受均布徑向荷載的圓形拱架或非圓形拱架的圓弧形部分。其理論模型是拱架內力中僅有軸力,將壓彎的效應用偏心系數的形式反映出來。孟德軍2.7灌注口加固方案設計由于鋼管混凝土拱架需要現場灌注,因此必然需要在拱架上預留灌注口,灌注口的存在會造成拱架應力集中,導致拱架整體承載能力的下降,因此有必要對灌注口進行相關研究并設計優化補強方案。高延法3優勢、問題和下一步研究3.1在國內外應用情況圖13為2000年以來相關論文發表數量隨時間變化柱狀圖(檢索時間:2015年12月23日;檢索庫:中國學術文獻網絡出版總庫;檢索策略為主題詞檢索:鋼管混凝土(約束混凝土)+支架(拱架))。在2009年之前相關論文發表數量幾乎為零,此后論文數量呈現出近似指數型增長的趨勢,截止檢索日,2015年當年相關論文數量已達到28篇。在國外方面,目前尚未見應用及研究報道,國內鋼管混凝土拱架支護技術發展超前。從現場應用情況看,目前該技術已經成功應用于巨野、龍口、新汶、內蒙等礦區20余坐礦井,巷道條件涵蓋深井、軟巖等復雜條件,總體來說取得了較好的圍巖控制效果并創造了顯著的經濟效益。從近年來現場應用反饋及相關研究結論可見鋼管混凝土拱架支護技術具有如下主要優勢:(1)支護強度高,性價比高。目前常用型號的鋼管混凝土拱架支護強度是相同用鋼量U型鋼或工字鋼的2倍左右,提供相同的支護反力,所需用鋼量及支護成本顯著降低。(2)可選支護參數多。鋼管混凝土拱架具有圓形、方形、矩形等多種截面形式供選擇,同時每種形式的尺寸、壁厚、混凝土標號等都可根據需要進行調整組合,對現場多變的復雜條件具有更好的適應性。(3)套管連接簡便可靠。U型鋼拱架的卡纜連接節點工作阻力等力學行為受影響因素較多,很難掌控,易出現應力集中而導致屈曲、彎折或節點自鎖,對安裝質量要求較高;鋼管混凝土拱架各節之間的套管連接傳力行為更為明確,穩定性更高,且安裝簡便。3.2鋼管混凝土拱架主要支護特性(1)深部高應力條件下讓壓拱架-圍巖相互作用機理不清楚。圍巖-支護相互作用機制研究多將重心放在圍巖特征曲線的描述方面,對于支護特征曲線的考慮相對單一和簡化,普遍將噴射混凝土、錨桿支護作用等效為斜直線,將可縮式拱架的支護作用等效為兩階段折線在眾多巷道、隧道支護理論中,很多都包含“讓壓”支護的思想,如新奧法理論、應變控制理論和能量支護理論等,說明人們在對支護結構讓壓必要性的認識上已形成較為統一的意見。隨著巷道埋深的增加,現場條件更加復雜,在“先柔后剛”之后又出現了“高阻-讓壓”、“恒阻讓壓”、“先控后讓再抗”等讓壓支護理念基于上述讓壓支護理念,人們進行了大量實踐,提出了很多具有讓壓功能的支護結構,較為典型的有可縮式U型鋼拱架支護和讓壓錨桿支護。可縮式U型鋼拱架通過卡纜節點相對滑動來實現收縮變形,雖然經過了數十年的發展,目前可縮式U型鋼拱架及其讓壓參數的設計和施工,仍然以《巷道金屬支架系列》或以往工程經驗為主要參照依據,在理論支撐方面未取得明顯進展。讓壓錨桿通過桿體伸長來實現讓壓,雖然讓壓錨桿形式及現場實踐較多,但是目前對于圍巖-讓壓錨桿相互作用機制的研究仍然停留在定性闡述方面,被廣泛認可的讓壓參數確定方法尚未出現如前文所述,目前在鋼管混凝土拱架支護工程中可見多種讓壓方式,雖取得一定效果,但讓壓點和讓壓量不夠明確;對此本文作者研發了一種新型的定量讓壓節點綜上所述,目前“高阻”和“讓壓”相結合的支護理念已經普遍被接受,但是落實到具體的鋼管混凝土拱架讓壓支護實踐時,讓壓到底對圍巖穩定如何產生作用,產生多大的作用,支護結構的讓壓參數又該如何設計,這些高強拱架支護核心問題沒有得到明確的解答,圍巖-讓壓支護相互作用機制研究亟需加強。(2)拱架支護特性是進行支護-圍巖相互作用機理研究的基礎,而鋼管混凝土拱架各節之間主要采用套管連接,由于套管節點參數包括間隙、壁厚、長度等,使得套管節點具有復雜的行為模式,當考慮到節點讓壓時更是如此,上述情況使鋼管混凝土拱架的整體承載特性也變得更為復雜,使拱架支護特征曲線的形態、走向變得更加不明朗,目前尚未有研究對此進行探討,因此考慮讓壓節點的鋼管混凝土拱架全過程支護特征曲線尚未明確。(3)在鋼管混凝土拱架承載力計算理論方面,目前仍然以采用短柱軸壓極限承載力反推拱架的徑向支護承載力的方法為主,而拱架內力實際上處于顯著的壓彎組合作用下,應當充分考慮軸力和彎矩的共同作用,目前鋼管混凝土拱架極限承載力的計算方法尚不成熟。(4)鋼管混凝土拱架是一種高剛度、高強度的支護形式,與錨桿、錨索和噴層等其他支護構件具有明顯不同的支護特性,作為支護體系的重要組成部分,各支護構件之間應當特性匹配、協同工作,以達到共同承載的目的,目前尚未見對支護構件耦合承載機理及實現技術的系統研究,現場實踐中以經驗依據為主。另外,當拱架中設置讓壓裝置后,讓壓拱架與支護體系的耦合機理更加復雜,亟需深入揭示。3.3核心混凝土灌注虛實度(1)讓壓功能的實現。常規的鋼管混凝土拱架不具有讓壓功能,不符合讓壓支護的先進理念;目前的定量讓壓拱架通過在套管節點中設置定量讓壓裝置實現拱架的定量讓壓,一方面該技術處于初期試驗階段,技術仍然不夠成熟,且同時帶來了節點位置漿液流通阻斷的問題。(2)核心混凝土灌注密實度。由于截面較小且無法有效振搗,因此核心混凝土灌注密實度得不到有效保障,目前采用頂升灌注法結合自密實混凝土能一定程度上緩解問題,但是由于現場施工條件的復雜,核心混凝土灌注密實度問題仍然存在。(3)拱架拆解。由于灌注混凝土后的鋼管混凝土拱架重量較大,且套管連接拆解困難,因此拱架的回收使用或失效后的拆解復修較為困難。(4)鋼管銹蝕。拱架承載后表面防銹漆極易脫落,鋼管在井下潮濕環境中銹蝕速度快,將會對拱架的耐久性造成顯著影響。(5)其他。熱煨彎管加工使得拱架單次支護成本偏高;灌漿口、排氣孔的合理位置、形式及補強方式有待進一步優化。由于上述問題的存在,鋼管混凝土拱架仍然不斷有破斷失效的案例出現,圖14所示為鋼管混凝土拱架在巷道支護現場出現的嚴重彎折破斷和屈曲失效。綜上所述,鋼管混凝土拱架支護體系設計理論尚不完善,設計施工仍以經驗為主,關鍵技術亟待提升。3.4鋼管混凝土工程承載力(1)套管節點或讓壓節點對鋼管混凝土拱架力學特性的影響規律。設置套管(讓壓)節點后的拱架承載特性受到顯著影響,變得更加復雜,需要開展研究明確巷道荷載對混凝土拱架承載能力的影響,掌握定量讓壓拱架支護特征曲線,為圍巖控制機理研究提供重要支撐。(2)考慮套管節點或讓壓節點的鋼管混凝土拱架承載力計算方法。從套管節點壓彎力學特性研究入手,建立以構件壓彎極限承載力為判據的拱架承載力計算方法。(3)深部軟巖巷道高強讓壓拱架圍巖控制機理。深部巷道圍巖具有顯著的流變特性,鋼管混凝土拱架的讓壓具有必要性,將圍巖流變及拱架讓壓兩方面相結合,深入揭示深部條件下流變圍巖-讓壓拱