深部地下开挖岩爆控制用增强型多级吸能锚索（MSCB）

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：An enhanced multi-stage energy-absorbing cablebolt for rockburst control in deep underground excavation

　　

摘要翻译：深部地下开挖会触发反复的能量释放，这些能量释放常常导致常规岩石支护系统破裂。为解决这一问题，研究人员提出了一种增强型多级吸能锚索（multi-stage energy-absorbing cablebolt，MSCB）。该吸能系统由可扩张八边形管（expandible octagonal tube，EOT）、可收缩圆形管（contractable circular tube，CCT）和约束套管组成。能量通过八边形管的扩张与摩擦变形、圆形管的塑性收缩以及锚索的拉伸塑性变形依次吸收。通过控制这些构件的屈服阈值和变形路径，锚固力逐步增加以适应岩体变形。基于摩擦力学和塑性力学，研究人员为每个吸能阶段建立了力学模型。实验室拉拔试验和数值模拟表明，所提出的锚索峰值承载能力达320.48 kN，变形能力达693.65 mm，总能量吸收达166.37 kJ。第一阶段提供153.42 kN的锚固力，变形量为73.32 mm，能量吸收为14.02 kJ。第二阶段保持262.18 kN的稳定载荷，同时适应484.89 mm的变形并吸收140.57 kJ能量。第三阶段载荷在破坏前增至320.48 kN，变形量为43.88 mm，能量吸收为13.62 kJ。动态冲击试验表明，该锚索能够承受多次连续的40 kJ冲击，产生744.01 mm的轴向位移并吸收147.67 kJ能量。理论、数值与实验结果之间的良好一致性证实了所提出的锚索在深部地下工程反复能量释放条件下缓解岩爆灾害的有效性。

深部地下工程岩爆控制用增强型多级吸能锚索研究解读

一、研究背景与问题

深部开采作业及深埋隧道和洞室的开挖通常面临高地应力和大范围开挖扰动所构成的复杂环境。开挖引起的快速卸荷可触发开挖边界附近岩体中储存的弹性应变能的剧烈释放，从而导致岩爆的发生。结合反复的开挖扰动，岩体中应变能的反复释放可诱发多次滞后型或链式岩爆，对作业人员安全和地下工程施工构成严重威胁。在地下工程施工中，常规锚杆和吸能锚杆或动力锚杆被广泛使用。然而，常规锚杆无法提供足够的能量吸收能力，在岩体剧烈能量释放过程中容易发生瞬时断裂。相比之下，吸能锚杆结合了高锚固能力与大变形能力，能够耗散岩体释放的大量能量。根据吸能机制的不同，吸能锚杆可分为摩擦滑动型、钢材拉伸型和装置屈服型三类。其中，钢材拉伸型吸能锚杆的能量吸收率最高，其次是装置屈服型和摩擦滑动型。然而，各类锚杆均存在局限性：摩擦滑动型锚杆可适应大变形但承载能力较低；钢材拉伸型锚杆具有高承载能力但变形能力受材料延性制约；常规锚杆长度受开挖尺寸限制；锚索虽然能提供长支护长度和高承载能力，但变形能力极为有限，不适用于易发生岩爆的地层。因此，亟需开发一种兼具高锚固力、可观变形能力和分级吸能能力的长支护构件。

二、研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出了一种增强型多级吸能锚索（MSCB）。该锚索由内部吸能单元、外部约束固定组件和中心锚索芯体三部分组成。内部吸能单元包括同轴嵌套的可扩张八边形管（EOT）和可收缩圆形管（CCT），两者均采用高强度空心钢管制造。EOT的内外壁均采用八边形截面设计，可在径向扩张时与钢套管内壁形成多点接触，增强界面摩擦以耗散能量。CCT前端加工有锥形角度，同时作为锚索第一和第二阶段塑性变形的触发区。中心锚索穿过内部吸能单元的轴线，一端通过锚头固定并直接接触CCT尾端，另一端延伸至钢套管外部并锚固在稳固岩体中。外部约束固定组件包括刚性约束套管、锁紧螺母和承载板。通过钢强度梯度配置与几何形状约束原理的集成，该系统实现了分级可控的能量吸收。能量耗散过程分为三个渐进阶段：第一阶段主要通过EOT的塑性变形及其与CCT之间的摩擦滑动耗散能量；第二阶段以CCT在约束孔口限制下的塑性收缩变形为主要能量耗散模式，辅以摩擦滑动；第三阶段在系统完全锁定形成高刚度整体承载结构后，主要依靠锚索钢绞线本身的塑性拉伸变形吸收能量，直至达到塑性极限而发生断裂。

研究人员基于摩擦力学和塑性力学建立了各吸能阶段的力学模型。通过EOT与CCT之间的挤压力学分析、CCT的塑性缩径分析以及锚索整体受力分析，分别建立了扩张-摩擦模型、塑性颈缩模型和锚索伸长模型。理论计算得到第一、二、三阶段的峰值载荷分别为148.24 kN、256.37 kN和320.00 kN。为验证理论模型，研究人员采用ABAQUS软件进行了数值模拟，模拟中钢套管和EOT采用#45钢，CCT采用#20钢，钢绞线采用17.80 mm钢绞线，摩擦系数设定为0.18。数值模拟揭示了准静态拉伸载荷下锚索的阶段性力学响应和能量耗散机制，模拟得到的载荷-位移曲线与理论曲线具有良好的一致性。

实验室静态拉拔试验和动态冲击试验在东北大学深部金属矿智能开采与装备全国重点实验室开发的试验系统上完成。试验系统静载模块提供高达1000 kN的拉伸和剪切能力，拉拔和剪切位移能力分别为800 mm和250 mm；动态模块提供高达100 kJ的冲击能量，冲击速度可在0-9 m/s范围内调节。静态拉拔试验采用位移控制模式，加载速率设定为0.15 mm/s。试验结果显示五个明显变形阶段：弹性变形阶段（位移小于32.63 mm）、第一阶段吸能（32.63 mm至105.95 mm，峰值载荷153.42 kN）、阻力增强阶段（105.95 mm至165.88 mm，最大载荷262.18 kN）、第二阶段吸能（165.88 mm至649.77 mm，载荷约255 kN）和第三阶段吸能（649.77 mm至692.66 mm，极限拉伸载荷320.48 kN）。锚索总变形为693.65 mm，总能量吸收为166.37 kJ，其中第一阶段提供73.32 mm变形和14.02 kJ能量吸收，第二阶段适应484.89 mm变形并吸收140.57 kJ能量，第三阶段贡献43.88 mm变形和13.62 kJ能量吸收。理论分析、数值模拟和试验结果之间吻合良好，各阶段阻力误差小于3.95%，验证了分析模型和数值模拟的正确性。

动态冲击试验采用了多次冲击方法，使用3.5吨落锤从1167 mm高度释放，每次冲击输入能量为40 kJ。试验结果表明，锚索在反复高能冲击下表现出稳定且渐进的变形过程。在连续五次冲击中，平均冲击载荷维持在约230-335 kN的较窄范围内，表明锚索内部耗能构件被逐步且可控地激活。第一次冲击产生的轴向变形最大，达213.63 mm；第二次和第三次冲击产生的变形分别为197.05 mm和195.44 mm，波动小于2 mm，表明第二阶段吸能过程中变形模式的高度一致性；第四次和第五次冲击产生的轴向变形分别急剧下降至101.54 mm和36.34 mm，表明冲击过程中发生了两次明显的阻力增强事件。累计吸能量随轴向位移持续增加，在总位移744.01 mm时达到147.67 kJ。累计能量吸收与位移之间呈近线性关系（R2=0.9925），表明在反复冲击下单位变形的能量耗散行为具有一致性。该锚索每100 mm变形可吸收19.8 kJ能量，远高于依赖摩擦（5-9 kJ/100 mm）和装置屈服（10-13 kJ/100 mm）吸能的锚杆，与依赖钢材拉伸吸能的锚杆相当。

三、关键技术方法

本研究采用了三种主要技术方法：一是理论力学建模方法，基于摩擦力学和塑性力学分别建立了EOT扩张-摩擦模型、CCT塑性颈缩模型和锚索伸长模型，推导出各吸能阶段的承载力和变形关系；二是数值模拟方法，利用ABAQUS软件建立锚索三维实体模型，采用准静态分析方法模拟拉拔过程，揭示各构件的应力应变分布和载荷-位移特征；三是实验室试验方法，在东北大学研制的多模式锚杆锚索力学试验系统上开展了静态拉拔试验和多次动态冲击试验，静载试验采用0.15 mm/s的位移控制加载速率，动态冲击试验采用3.5吨落锤从1167 mm高度释放产生40 kJ冲击能量。样本所用材料为#20钢（CCT）、#45钢（EOT和钢套管）和17.80 mm钢绞线。

四、研究结果分述

（一）EOT扩张摩擦机制

通过将八边形管单侧简化为刚塑性悬臂梁，考虑塑性铰耗能和轴向压缩，基于虚功率原理推导出单侧径向压力PF的表达式，进而得到总摩擦阻力。几何分析确定了临界壁厚DC的取值条件：当D = DC时，八边形管变形后恰好填满钢套管与圆形管之间的环形间隙，既保证有效接触又不产生过大的径向应力，是材料利用率最高的设计值。

（二）CCT塑性缩径机制

将CCT视为不可压缩线性硬化刚塑性材料，基于力平衡方程、von Mises屈服准则和体积不变条件，推导出缩径段轴向应力分布方程。引入形状因子修正应力状态后，得到塑性变形力Fp和接触面上的摩擦力Ff的计算公式。该模型能够预测第二阶段恒定阻力平台的载荷水平。

（三）多级吸能锚索整体受力特征

锚索三个阶段的阻力分别由EOT径向扩张力、CCT塑性缩径力与摩擦阻力之和、以及钢绞线应变硬化后的拉伸强度决定。代入结构参数计算所得三个阶段的峰值载荷与数值模拟和试验结果具有良好一致性。

（四）数值模拟验证

数值模拟结果清晰揭示了锚索的阶段性力学响应：初始弹性阶段载荷线性增加至154.31 kN；EOT中点首先屈服形成塑性铰，进入第一阶段吸能，载荷稳定在约152 kN；随后进入阻力增强阶段，载荷增至250 kN；第二阶段吸能期间载荷维持在约250 kN；最终超过650.75 mm位移后进入第三阶段，钢绞线通过塑性拉伸吸能直至载荷达到340.20 kN时锚固破坏。

（五）动态冲击性能

多次40 kJ冲击试验表明，锚索可承受连续五次冲击而保持结构完整性，平均冲击载荷在230-335 kN范围内呈渐进式增加。前三次冲击的平均载荷水平相近（235.63 kN、239.08 kN、232.37 kN），对应能量吸收分别为34.72 kJ、37.56 kJ和38.51 kJ；第四次和第五次冲击的平均载荷增至281.81 kN和335.71 kN，能量吸收降至24.98 kJ和11.89 kJ。这一转变表明能量耗散机制从装置变形控制型过渡到钢材拉伸控制型。

五、讨论与结论

讨论部分指出，所提出的吸能锚索在载荷、变形和能量耗散能力方面具有显著力学优势。在静载和动载条件下，锚索保持约320 kN的相对稳定承载响应，同时通过分级吸能过程适应大变形。与常规单级吸能锚杆相比，分级响应有助于减少过早破坏，提高支护系统对不同变形需求的适应性。锚索的结构构型允许通过几何设计参数调控其力学响应，为不同工程应用场景提供了灵活性。初步成本分析显示，对于6 m长钢绞线的应用，总成本为23.54美元，考虑到增强的抗冲击性能和分级能量耗散性能，该设计在深部地下应用中具有良好成本效益。研究结论如下：MSCB基于径向和轴向协调的金属塑性变形而开发，通过集成钢强度梯度配置与几何形状约束原理，实现了分级可控的能量吸收。静态拉拔试验证实了载荷能力与变形能力之间的优异兼容性，最大载荷320 kN、总变形692 mm、总能量吸收166 kJ。动态冲击试验进一步验证了锚索在反复冲击下稳定的力学响应和有效的能量耗散能力。分析模型、数值模拟和试验结果之间高度一致，差异在10%以内，验证了EOT摩擦耗能模型和CCT塑性颈缩模型的正确性。然而，研究存在一些局限性：数值模拟中假定套管与锥形套之间的摩擦系数为常数，实际中可能因表面条件而变化；锥形套的几何参数仅在有限范围内进行了研究；试验结果是在受控实验室条件下获得的，复杂现场条件下的性能有待验证；动态试验在固定冲击能量（40 kJ）下进行，变能量水平下的响应尚未研究。