倍以上,表明夯填的效果十分显著。在可能 十分显著的影响,它是实际工程中诱发滑坡 的条件下,填土工程均宜进行夯填处理。 的主要原因。 (3)降雨对填土边坡的破坏模式具有 新型高强锚索成套技术及应用 岳峰 (煤炭科学研究总院建井研究分院) [摘 要] 我国煤矿井下锚索规格一般采用 l5.24mm和 l7.8mm,在地质条件复杂或地压 大的条件下,锚索常出现断索现象。为保证巷道支护稳定和安全,研制出@18.9mm和 21.6mm 大直径高强锚索,使锚索最大承载力Ru分别比 15.24ram和 l7.8mm锚索提高12% ̄I 38%。 本文对高强锚索以及配套锚具和施工机具等成套设备的研制进行了表述,对煤矿井下使用情况进 行了介绍。 [关键词] 大直径锚索锚具张拉机具 锚索的作用主要是将锚杆支护形成的围 出现锚索拉断或整体滑动现象及锚索钢绞 岩承载层与深部围岩相连,调动深部围岩的 线直径、破断力、延伸率低,与钻孔匹配性 承载能力,使更大范围内的岩体共同承载。 差等问题,已影响到巷道的支护效果和安 目前我国煤矿井下采用的锚索直径为 全。 015.24mm和017.8mm,在一般条件下是可 满足支护需要的,许多煤矿已将锚索支护成 1矿用锚索现状 功用于破碎顶板、复合顶板等困难条件的回 目前我国生产的7股高强度钢绞线是按 采巷道,取得了良好支护效果,促进了高产 《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224-2003 高效的发展。但在深部开采高地压巷道和大 国家标准生产的。矿用锚索钢绞线一般使用 断面巷道,由于地压大、顶板煤层破碎和断 1860MPa强度级别,见表l。 面较大,在顶板压力和变形大的情况下,常 矿用锚索常用钢绞线规格 表1 钢绞线公称直径 抗拉强度 钢绞线参考截面积 整根钢绞线的最大力 每米钢绞线参考质量 Dn(mm) Rm(MPa)不小于 Sn(mm ) Fm(kN)不小于 (∥m) 15.24 1860 140 260.7 1101 l860 l9l 355 l500 l7.8 1720 l9l 328 l500 业《川, 矿用锚索》M们9煤 下的应用 豢耍 42—2005行业标准为 . . ” . (1) 依据的。其中,矿用锚索的设计承载力应为: 32 维普资讯 http://www.cqvip.com
式中 ———矿用锚索设计承载力(N); —式中 R——矿用锚索最大承载力(N); 77 ——锚具效率系数,取0.95; 矿用锚索张拉应力控制系数, 取0.60; 疗——组成锚索的钢绞线根数; ——疗——组成锚索的钢绞线根数; ——钢绞线参考截面面积(mm ); —钢绞线参考截面面积(mm ); ,,,——钢绞线抗拉强度(MPa)。 —钢绞线抗拉强度(MPa)。 分别将井下常用的锚索钢绞线 (I)15.24mm和(I)17.8mm技术参数代入(1)、 (2)式,结果见表2。 表2 锚索设计承载力 锚索最大承载力 矿用锚索最大力为: rL・疗・ ・ (2) 常用钢绞线技术参数 钢绞线公称直径 抗拉强度 整根钢绞线的最大力 Do(mm) 15.24 17 8 Rm(MPa) 1860 1860 Fm( ) 260 353 Ⅳf( ) 156 213 R( ) 247 337 计算结果表明,锚索的设计承载力 和最大承载力凡要比所采用的钢绞线最大 力 降低许多,这是由于实际使用中要考 虑钢绞线受锚具组件、绞线本身7根钢筋受 力不均、钻孑L轴线不垂直和动载等多因素影 响,为保证锚索支护安全,设计时取得安全 系数。随着煤矿开采能力的增大,深度的增 加,地质条件更加复杂,矿用锚索最大直径 仅为 17.8mm所达到的承载力,显然是不 据,以便日后纳入国家标准或行业标准。 GB/T5224—2003标准中规定的钢绞线规格是 以英制(in)为单位换算为公制单位(mm) 的,因此接续钢绞线的规格也先以英制为单 位,再换算为公制,在原基础上增加了0.75in 和0.85in二档,见表3。 2.2 大直径高强钢绞线的研制 制造大直径锚索钢绞线的原材料决定 了锚索的特性,为找出适合生产大直径钢绞 线的盘条,同时选择了几种不同型号的产品 进行试验,见表4。 生产工艺流程:盘条一表面处理拉拔一 能满足巷道支护发展需要的。 2高强锚索的开发 高强锚索是指直径大于 1 7.8mm,Fm 大于400kN的锚索。 目前矿用锚索是由整束单根钢绞线组成 的,因此,提高锚索的最大承载力,最便捷 的途径就是提高钢绞线的直径,将常采用的 1 5.24mm和 1 7.8mm钢绞线,提高到更高 级别 18.9mm和(P21.60mm。 半成品检验一捻股一稳定化处理一层缠检 验一包装一入库。生产钢绞线的原材料为索 氏体化盘条,经多次冷拉后捻制成钢绞线。 盘条拉拔过程中既要在分段拉拔时使钢丝 有较小的部分压缩率,又要保证钢丝有较高 的总压缩率,经反复试验确定了分段拉拔流 程,见表5。钢绞线的捻距控制在绞线直径 2.1 大直径锚索规格的确定 目前国标GB/T5224—2003中规定的l× 7标准型钢绞线最大公称直径仅为 1 7.8mm。在此基础上研发大直径高强钢绞 的12~16倍之间,符合国家标准。捻制和 连续稳定化处理,目的是消除绞线残余应 力,达到较低的松弛率。经原材料对比试验, 检测结果见表6。 线,其规格首先应以现有标准规定方法为依 33 维普资讯 http://www.cqvip.com
1×7结构钢绞线公称直径公、英制换算 表3 (in) (mm) 备注 已有规格 0.50 l2 70 0 60 l5.24 按1in=25 4mm 0 70 l7.80 进行换算 新确定规格 0.75 l8.90 0.85 2l 60 钢绞线原材料型号及规格 表4 原料直径(mm) 原料牌号 抗拉强度(MPa) 断面收缩率(%) l2 5 SWRH82B ll70/l2l0 34[35 l3 0 SWRH82B ll7o/l190 3 2/35 l3 0 SWRH82B一2 l27o/l3l0 3o/33 盘条分段拉拔流程 表5 钢绞线直径(mm) 分段拉拔流程(mm) l8.9 l3一l1.52一l0.25—9.17—8.23—7 42—6.71—6.27 21.6 13(12.5)-11.52一l0.25—9 17—8 23—7.30 原材料对比试验检测结果 表6 钢绞线规格(111"111) 捻距(蛐) 破断载荷(kN) 屈服载荷(1 ) 延伸率(%) 松弛率(%) l890 265 407.5 376.8 5.8 l 0l 2l 60 3l0 477.0 441.0 4 5 0.74 2l 60 3l0 483 0 444.3 4 0 0.74 21.60 3l0 495 6 455.4 4.0 0.75 注:qb21.6mm钢绞线为60%力下的松弛值。 根据试验结果最终选用82B一2型作为生 经不断改进提高和靠近相关标准,目前 产高强钢绞线的原料。为规范生产提高质 l8.9mm和 21.60mm高强钢绞线与常用 量,制定了矿用大规格预应力钢绞线企业标、 钢绞线相比已达到表7比较规范的技术指 准,对大直径高强钢绞线的尺寸、外形、质 标。大直径高强锚索与 l5.24ram和 量、技术要求、试验方法和检验规则等进行 l7.8mm锚索相比效果明显,见表8。 了规定。 钢绞线规格 表7 钢绞线公称直径 抗拉强度 钢绞线参考截面积 整根钢绞线的最大力 参考质量 Dn(n.1m) Rm(MPa) Sn(mm ) Fm(1 ) (g/m) l5.24 l860 140 260 ll0l l7 80 l860 l9l 350 l500 l890 l820 220 400 l750 l890 l720 220 380 l750 2l 60 l670 290 490 2350 34 维普资讯 http://www.cqvip.com
不同规格锚索参数对比结果 表8 钢绞线公称直径Dn(mm) 抗拉强度Rm(MPa) 锚索设计承载力Nt(kN) 锚索最大承载力Ru(kN) 15 24 1860 156 247 17 8O 1860 213 337 - 18 9O 1820 240 380 18 90 1720 228 361 21 6O 1670 294 465 3配套锚具的研制 纲绞线,不发生断丝滑丝现象,因此锚具设 锚索锚具是为了保持钢绞线预紧力并 计参数要比常规锚具提高许多。 将其传递到岩体中的锁紧装置。研制大直径 (1)对夹片齿形角和齿高、齿距进行 高强矿用锚索锚具首先应满足《预应力筋用 了优化设计,保证夹片对钢绞线有足够的咬 锚具、夹具和连接器》国家标准 合力,又不过分损伤钢绞线。 (GB/T14370—2000)和《矿用锚索》 (2)利用有限元分析软件ANSYS对锚 MT/T942—2005行业标准的技术要求。 具外壳强度进行计算,合理选择外壳尺寸。 预应力筋一锚具组装件静载试验性能要 软件计算边界条件中,一 1 8.9mm锚具外壳按 同时满足:锚具效率系数rL≥0.95,受力 施加400kN压力考虑,O21.6mm锚具外壳 长度总应变 … 2.0%。要通过200万次循 按施加500kN压力分别计算,其中qb21.6mm 环荷载试验,锚具零件不应出现疲劳破坏, 外壳受力结果见图l、图2。 夹片不得碎裂。 (3)锚具夹片材质选用低碳合金钢, 锚具设计:锚具外壳和夹片要可靠地承 经碳氮共渗热处理工艺调质,使夹片的强度 受钢绞线抗拉强度极限的荷载,同时要夹紧 和表面硬度达到设计要求。 图1 21 6mm锚具外壳与夹片接触面应力云图 35 维普资讯 http://www.cqvip.com //,0t"AL 0I :^ STEI i Tl托一l /£ }A , try," ^ D ,0l0£一0q gI 一l:i£一0 Sf£' . 08£0{ 图2 21.6ram锚具外壳径向变形图 依据GB/T14370-2000国家标准和 4.1张拉机具结构形式 MT/T942—2005行业标准规定,采用 新型张拉机具油缸采用双缸结构,与一 qbl8,9ram和qb21,60mm钢绞线,对新设计的 KM19和KM22型矿用锚具进行了一系列试 般单缸型比较结构新颖,见图3。双缸型结 验。首先对锚具进行了大量静载试验,均按 构主要优点: 1720级加载,试验结果比较理想,均能达到 (1)与通常单缸相比,双缸型2支油 标准中要求的锚具效率系数77 0,95和极 缸规格相同,加工和维护方便。单缸型为中 限总应变占… 2,O%的指标。在国家质检部 空结构加工复杂。 门对样品进行的静载试验中,锚具效率系数 (2)单缸型钢绞线要经油缸中心孔中 达到77 0.99,极限荷载下总应变 穿过,钢绞线上带的灰尘极易进入缸体中, 对液压油缸的可靠工作是非常不利的,而双 占…, 3.5%,通过了200万次锚具疲劳性能 缸型不存在以上问题。 试验和5O次低周的反复荷载等5项试验, (3)双缸工具锚夹片小头直接露在外 试验结果全部合格。 面,可直接观察到工具锚夹片损坏情况及时 4配套张拉机具 更换,同时也可直接观察到锚索张拉后的退 锚全过程,给实际操作带来方便。而单缸结 根据qbl8.9ram和qb21.60ram矿用锚索 施工需要,结合煤矿井下对张拉机具的实际 构所有零件均封闭在缸筒中,是观察不到 的,需要拆开检查。 使用要求,先后开发了3种类型的新型张拉 机具:MS19(22)-200/55型矿用手动锚索 (4)双缸型更换工具锚夹片极为方便, 张拉机具、MQ19(22)一200/55型矿用气动 可在井下及时处理自行解决,而单缸型要拿 到地面请专人修理。 锚索张拉机具及MD19(22)一200/55型矿用 电动锚索张拉机具,形成了配套完整的施工 4.2张拉机具主要技术参数 张拉机具主要技术参数见表9。 装备。 36 维普资讯 http://www.cqvip.com
双缸 单缸 图3双缸与单缸结构比较 1—钢绞线:2一油缸:3一弹簧套简:4一机体:5--31具锚夹片:6一前撑:7—锚具;8一垫板 张拉机具主要技术参数 表9 MQ19(22)一200/55型 MS19(22)-200/55型 MD19(22)一200/55型 油缸张拉力 ≥2OOkN ≥2OOkN ≥2ookN 额定压力 ≤55kN ≤55l(N ≤55kN 张拉行程 ≤150mm ≤150mm ≤150mm 千斤顶重量 16 5kg 16 5kg 16.5kg 耗气量或电机功率 ≤515Umin(0 5MPa) O 75kW 流量 />0 75L/min(0.5MPa) ≥19.7ml/per ≥0.75L/min 重量 30kg 12kg 40kg 由于钢绞线的规格比较多,为使施工单 55MPa时,动刀头可产生400kN推力,最大 位在使用中能减少设备种类,新设计的张拉 可剪断oo22mm钢绞线。 机具具有一机多用的特点,只要在同台设备 上更换不同规格的工具锚夹片,就可以满足 5使用效果 张拉 l5.24mm ̄21.6mm锚索的需要。 Ool8.9mm和0o21.60mm锚索、锚具及施 4.3大直径锚索液压剪 工机具成套设备试制成功后,先后在徐州、 锚索液压剪切器是锚索施工过程中的 兖州、铁法、峰峰和潞安等矿业集团使用, 重要设备,其目的是切除露在孔口外边多余 取得显著效果。 的纲绞线。为配合大直径高强锚索技术的推 (1)国内首次在煤矿井下使用 广,研制了新型的YJ一400/55/25型锚索液压 Ool8.9mm锚索的单位是徐州矿业集团夹河 剪,可与以上任一种油泵配套使用。为施工 矿。自2005年7月开始至同年8月底结束, 方便,液压剪在设计中尽量使其小型轻便, 试验地点选择在该矿一800水平西一采区 剪切力大,刀头使用寿命长。 2442中间材料道,共使用gO18.9mm锚索145 YJ~400型液压剪在最大工作油压 根,合计长度1058.5m。2442中间材料巷断 37 维普资讯 http://www.cqvip.com 面近似矩形,掘进宽度4.1m,高2.55m,巷 (4)铁煤集团。2006年初在大兴矿也进 行了oo22mm锚索的试 ,地点选择在N,701 道净宽4.0m,高度2.5m。采用锚、网、梁、 和索联合支护,顶扳铺设金属菱形网,两帮 铺设高强塑料护帮网。支护使J{j OO22mm, 运输顺槽,总长l790m。该巷道周边距煤层 较近并受采动影响,变得破碎不完整,掘进 时难以成形,片帮严重。巷道断面为三心拱 长2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆,配 套使用l20mm×l20mm×l0mm托盘,使j{j 树脂药卷锚同。锚杆问排距为700mm 形,掘进宽度5.5m,高3.6m。顶锚杆采刚 oo22mm×2200mm等强螺纹钢锚杆,间排距 为650mm×800mm。帮锚杆采用相同规格, ×700mm。使用锚索全长7300mm,采用“五 花”型布置,每2.1m二根,2.1mm一根, 以巷道中心线相距O.6m对称布置。施工中 张拉机具使用M0l9-200/55气动型。 现场观察至今,所有dO1 8.9mm锚索没 有发现钢绞线拉断现象,锚具未出现滑动、 脱落现象,锚索托盘没有发生变形。通过矿 压观测和与dO1 5.24mm锚索支护巷道对比表 明,dO18.9mm锚索比dO15.24mm锚索支护区 段的顶板下沉量有所减缓。在同采区其它 [ 作面使用dO15.24mm锚索的平均破断率约为 0.3%,而使,L}j dO1 8.9mm锚索后再没有发现 断索现象,使巷道维护工作量有所减少,试 验区内杜绝了顶板事故。 (2)dO18.9mm锚索在峰峰矿业集团九 龙矿使,L}j表明,与通常井下直径OO27mm的 锚索安装钻孔配合使用匹配性好,更加科 学、合理,提高了抗拔力,具有更好的锚同 性能。在高地压巷道中,能起到更好的支护 作用,提高支护强度,改善支护效果,降低 锚索拉断可能性。高强度锚索具有延伸性好 的特性,在现有延伸率3%的基础上,提高 到6%,较直径dO1 5.24mm的锚索能更好适 应围岩变形需要,减少了围岩离层,效果良 好,准备在全公司推广应朋。 (3)兖矿集团自2006年初在东滩矿 l303轨顺巷道试 了OO21.6mm锚索。l303 轨顺沿3煤底板掘进,煤层总厚8.Om~8.5m, 煤层结构复杂,3煤底板之上3,】m~3,5m含 层夹矸,为灰色粉砂岩,厚l1.5m ̄23.9m, 坚埂,f=6~7。设计锚索长度8.5m,共使 刚了l 800根。张拉机具使用MQ22—200/55 风动泵6套,取得较好效果。 问排距调整为650、650、700、700mm ×800mm。锚索原设计规格为 l7.8mm ×6300mm,囚压力大、顶板破碎,锚索加 密,但仍有锚索被拉断的现象。后采用 0021.6mm锚索代替原锚索,仍采用每排3 根的布置方式,未发生锚索被拉断等不良现 绿,顶板得到有效控制,通过每25m设置的 矿压站观察,顶板下沉曲线没有异常变化, 效果良好。 6结论 l×7结构 l8.9mm和oo21.6mm大直径 钢绞线,使锚索的最大承载力Ru分别提高 l2%和38%。通过工业性试验表明,在地质 条件不良,地压大和一般Ool 5.24mm、 Ool 7.8mm锚索支护参数不够时,选用大直径 锚索支护,可明显提高支护效果,经济效益 显著。在山西潞安矿业集团的常村煤矿综放 工作面胶带巷,使用Ool8.9mm锚索、锚杆 及w钢带联合支护后,配合锚索和锚杆施加 高预紧力施工技术,增人锚杆问排距,减少 锚索、锚杆数量和长度,使巷道单进由原来 的300m/月提高到450m/月,每米巷道可节 省材料费381.O8元,另加巷道维护、超前加 固等综合费用,共计支护成本可节省834.38 元/m。在徐州矿务集团旗山煤矿-850m水平 主采区向一l000m水平延伸的轨道联络大巷 施工中,原没计采用锚喷网索+U29型可缩 性支架,锚索直径为dO15.24mm,长7.3m。 由于开采深度增加,围岩变形大、高地压, 施工中难以支护,顶板移近量达1.2m,两帮 变形量达O.4m,多处出现喷层剥落、掉块_币I I维普资讯 http://www.cqvip.com U29型钢弯曲现象。后改用 18.9mm高强 锚索,加 ̄20mm树脂锚杆及点焊网片等支 护新材料新工艺,巷道变形明显减少,6O~ 鼓最大值为157mm,两帮移近量最人值为 235mm。变形量在设计要求范围内。二种支 护方案相对比,新支护方案每米巷道比原方 62d后趋于稳定,顶板最大下沉21lmm,底 案可节省1382.56元,节约成本约46.4%。 复杂工程环境条件下超深基坑支护设计 易建伟 (北京市市政工程设计研究总院) [摘 要] 北京市轨道交通机场线东直门站28.5m深基坑,工程环境复杂,环境保护要求高。 受场地条件限制,基坑无放坡或分级开挖条件,必须直壁开挖。工程具有相当的难度和风险。 作者在该基坑支护设计中,恰当的处理了基坑的非对称性问题。同时提出对采用柔性支护体系 的深基坑,在复杂的工程环境条件下,基坑变形控制可能成为控制基坑支护结构设计的主要因 素。 [关键词] 深基坑工程复杂工程环境t ̄x,l称基坑环境保护 1 引言 支护结构和基坑周边环境的安全。 随着城市化进程的快速发展,城市有限 的地上空间越来越不能满足城市发展的需 2工程概况 要,开发城市地下空问成为解决这一矛盾的 2.1车站结构概况及周边环境 重要途径。另一方面,随着建筑高度的不断 北京市轨道交通机场线东直门站位于 增加,建筑基础的埋置深度也在不断的增 东二环路东侧,东西走向。车站南侧紧邻东 加。基坑工程出现两个明显的趋势:基坑深 直门外大街,西侧有东直门立交北桥和地铁 度越来越大,工程环境越来越复杂。基坑环 2号线东直门站。北侧紧邻东直门交通枢纽 境保护的要求在不断的提高,同时基坑失效 的地下工程(现为地铁l3号线东直门站)。 事故所带来的危害也越来越严重。如何确保 车站东北侧为交通枢纽及东华广场的在建 在城市密集的建成区的深基坑工程施工安 基坑。车站主体结构由4段独立结构组成, 全和环境安全成为工程技术人员必须面对 其中B区(地下四层双跨单柱的箱形结构, 的课题。 长56.70m,宽22.24m,深28.5m)、D区(地 本文介绍了机场线东直门站深基坑的 下五层三跨双柱的箱形结构,长32.75m,宽 设计方案。在方案拟定过程中,认真研究基 22.44m,深27.5m)为明挖法施工,其中B 坑的工程环境,使基坑支护结构与周边环境 区基坑周边环境尤为复杂,基坑支护设计施 条件相结合。同时,在方案拟定阶段强调基 工难度也最大。 坑变形控制的重要性,通过调整支护参数, 2.2 B区基坑工程环境条件、工程地质及水 降低基坑变形对周边环境的影响。 文地质条件 目前,该工程主体结构已竣工。在整个 B区明挖结构深基坑东西长56.95m,南 深基坑开挖和结构回筑过程中,保证了基坑 北宽22.44m,深28.5m。由于站址周边环境 39
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