钢管混凝土拱架支护的发展与应用

钢管混凝土拱架支护的发展与应用

钢管混凝土拱架支护概述随着能源需求的增加和采收模式的不断增加，世界上许多类型的金属矿和采矿业的开采深度超过1000米，包括一些金属矿床。在我国,虽然目前经济建设对煤炭资源的依存度有所下降,但从当前经济发展的依赖性看,煤炭的主体能源地位无法改变。我国埋深在1000m以深的煤炭资源占总量的47.4%,随着浅部煤炭资源的枯竭,煤炭开采进一步走向深部势在必行针对支护难题,不断有人在尝试新思路、新材料和新技术,其中以钢管混凝土支架最具突破性。尤其自2000年前后至今,钢管混凝土拱架支护技术取得了飞快发展,在现场实践、室内试验、数值模拟、理论计算等方面均积累了大量成果,该技术呈现出承载力高、稳定性好、支护成本低等特点,同时也暴露出一些迫切需要解决的关键问题。目前虽然有部分文献已对钢管混凝土拱架支护技术发展及现状做过一些介绍,但是均较为笼统或局限,对发展脉络及趋势的阐述也不够准确和清晰,总体来说不够系统和完整。对此,本文首先阐述了钢管混凝土拱架支护的产生和发展背景,而后分别从基本原理、现场实践、力学试验、数值模拟、理论计算等方面对发展现状进行了详细分析和阐述;最后总结了钢管混凝土拱架支护目前的发展形势及显著优势、存在的理论及技术问题和下一步研究重点。1混凝土拱架支护存在问题U型钢拱架是深部软岩巷道支护最为常用的加强支护形式,钢管混凝土拱架支护的提出和发展很大程度上是基于解决U型钢拱架在现场支护中出现的问题。因此充分了解U型钢拱架支护的发展现状,对准确掌握钢管混凝土拱架的产生和发展背景具有重要意义。1.1早期支护实践U型钢1932年由德国海茨曼公司首先研制,它具有优良的截面几何参数,易于实现搭接缩让,在煤矿巷道中广泛应用,1972~1977年德国主要产煤区U型钢拱架比重已达90%,并已系列化。1960年代,我国开滦、淮南矿务局引入U型钢可缩性支架,70年代后期在国有统配煤矿中全面推广U型钢金属支架通过提供被动的径向支护力,直接作用于巷道围岩表面,来平衡围岩的变形压力,约束围岩变形。早期的巷道支护主要依据古典压力理论和塌落拱理论采用棚式刚性支护;而后随着新奥法的引进,以锚网喷支护为代表的柔性支护得到大范围应用,成为浅部煤矿巷道支护的主要方式1.2研究工作在U型钢支架支护理论研究方面,成果多集中在20世纪八九十年代,比较典型的有侯朝炯、陆士良、尤春安、蒋斌松等进行的研究工作。侯朝炯在U型钢理论研究方面较为集中的成果体现是,1986年原煤炭工业部生产司发布了关于使用《巷道金属支架系列》的决定(86煤生字第495号),对我国煤矿巷道普遍使用的9种架型、131种规格的金属支架及相关附件进行了标准化(MT143—1986),提出了选择支架的方法和步骤,断面参数和极限承载力的计算过程,支架附件的选择依据1.3试验成果在文献资料中的应用对于U型钢力学性能试验,我国在早期开展过一些工作,且出台了煤炭行业标准《U型钢拱形可缩性支架技术条件和试验方法》(MT/T882—2000),但是相关试验成果在现有文献资料中并不多见。近年来随着其他支护方式的兴起,较少有人专门针对U型钢拱架开展试验,目前U型钢拱架试验多是作为对比分析的对象出现,近期的U型钢拱架试验主要见下述研究。2011年刘国磊1.4u钢拱护岸的改善形式针对根据现有矿用U型钢拱架在现场实践中出现的问题(见第1.5节(1)~(3)),相关人员提出了改进方法。谢文兵1.5存在问题及地位U型钢拱架是现阶段深部高应力软岩巷道常用的支护形式,经综合分析认为存在以下问题。(1)支护强度不足,性价比不高。如第1.1节所述,现在国内多个深部矿区采用的U36拱架均出现了屈服、断裂的现象;且矿用U36钢每米重量35.87kg,用钢量大。(2)工作阻力低。由于U型钢采用卡缆连接,因此U型钢拱架的支护反力与搭接处的摩擦阻力有关,而不是U型钢本身的抗压强度,我国U型钢拱架普遍存在锁紧力不足,拱架工作阻力相对较低的现象。试验与实测结果表明,U型钢拱架工作阻力也只达到其极限承载能力的50%左右。(3)受力结构不合理。U型钢拱架因为其独特的截面形式,和围岩一般是以点、线接触为主,从而使支护结构承受集中载荷或大偏心载荷,使支护结构受损或支撑能力得不到充分的发挥,严重降低了材料利用率,支护效果得不到保障。(4)不能定量让压。采用卡缆作为节点连接形式,可以进行一定的缩动让压,但是其让压量及让压时机很难把握和控制,受施工质量及现场受力条件影响十分显著。(5)由于现场条件的复杂性,虽然进行了改进,但改进形式仍然具有局限性,深部支护问题仍然突出。虽然存在上述不足,但由于支护难题越来突出,支护技术的创新和发展远不能满足现场的需要,U型钢拱架就成为目前没有更好选择时的选择。而且,与本文钢管混凝土拱架相比,U型钢可缩性拱架经过几十年的积累,在技术工艺上具有如下优点:(1)生产技术成熟,材料来源广泛;(2)不需热弯,冷弯即可成拱,设备要求低,成本得到控制;(3)加工非常简单,基本所有矿井均具有自主加工能力。统计显示目前我国煤矿年均投入的U型钢都在10万吨以上,U型钢拱架支护技术仍然是目前深部巷道较为常用的支护形式。通过上述正反两方面的综合分析,可得到的结论是,虽然目前U型钢拱架支护存在一些问题,但是当没有一个新的支护形式在效果、成本、工艺等综合效益上能够明显超过U型钢拱架时,U型钢拱架支护在我国深部矿山巷道支护中的主要地位短时间内不会改变。2拱立管的理论和技术2.1钢管混凝土构件钢管混凝土构件是在钢管中灌注混凝土形成的。纯混凝土构件的抗压强度较高,但其抗剪、抗拉和抗弯能力都较弱,比较容易在变形很小的情况下发生局部破坏而导致整体结构失稳;而钢材的抗弯能力较强,但纯钢材构件在受压时容易丧失直线平衡状态。钢管混凝土构件受压时,钢管和混凝土互相弥补了对方的缺点,发挥了双方的优点,表现出力学性能上的“共生现象”,使材料的强度得到充分发挥。由于具有施工快速、承载力高、成本低和防火抗震等优点,得到迅速发展1879年英国塞文施工铁路桥墩中,第一次使用了钢管混凝土构件以防止钢管的锈蚀并承受压力。国外对钢管混凝土结构的理论研究及大范围工程应用主要是在20世纪60年代以后。国内学者对钢管混凝上结构的相关研究起步于20世纪60年代,钟善桐2.2关于有关激励作用的报道虽然钢管混凝土技术已在地面结构工程中得到广泛的应用,但把加工成拱形支架应用于地下工程支护,有关这方面的报道还很少。1970年代初,日本青函海底隧道,采用圆形钢管内注水泥沙浆代替了一般H型钢,防止了塌方,克服了膨胀性土压力,顺利通过了断层带由于技术发展水平和隧道、地铁现场特殊条件等原因,1980年代至今未见再有后续的推广使用,但为矿山巷道实践研究提供了借鉴和参考。2.3研究应用总体处于初期阶段目前,钢管混凝土结构在矿山巷道支护领域的研究应用还相对较少,总体处于初期阶段。主要的工程实践统计于表1,主要包括时间、参与人员、工程特点、主要参数及关键成果等。2.3.1实践发展概述1995年,安徽理工大学臧德胜1997年前后,煤炭工业部立项资助《钢管混凝土支架与钢拱圈支架等效性的研究》项目2006年前后开始至今,中国矿业大学高延法及其团队在进行室内试验及理论分析的同时,陆续在钱家营矿、北皂煤矿、查干淖尔煤矿、华丰煤矿、邢东煤矿等进行了钢管混凝土拱架的现场推广使用2011年至今,山东大学李术才、王琦、李为腾等随后,西安科技大学谷拴成纵观上述现场实践过程,以2000年为界,可以将钢管混凝土拱架在隧巷支护工程中的实践发展过程大致分为两个阶段:尝试性实践阶段和研究应用阶段。在第一阶段,各工程案例的目的主要在于探索将钢管混凝土结构由地上工程引入地下支护工程的可行性,论证钢管混凝土拱架的有效性,明确对当前常用型钢支护的等效替换性;实践研究呈碎散状态,实践数量少(国内隧道1例,矿山2例)且不成系统,相应的理论、技术、工艺不成熟;由于科技发展水平和现场条件等原因,第一阶段的实践没有持续性的推广应用,但是为后续发展做了铺垫。第二阶段的迅速发展以2006年前后高延法团队在钱家营煤矿进行钢管混凝土拱架现场实践为标志;此后现场应用案例快速增多(超过20例),围岩控制效果得到充分体现,实践研究的重心从可行性探索转移到应用研究,包括计算方法、设计理论、关键技术和施工工艺等,应用研究的系统性和延续性增强,发展迅速且潜力巨大。第二阶段相比第一阶段发展如此迅速,分析认为有两个主要原因:一是部分技术难题如弯管、灌浆、节点连接等技术问题的攻克;二是我国煤矿进入深部的大环境,自2004年至2014年,我国千米深井数量增加约50处,在更深、更软等条件下,钢管混凝土拱架的高强和经济的置换性体现的更加明显。2.3.2钢管节点连接装置钢管混凝土拱架是将直的圆钢管根据巷道支护需要,热煨加工成需要的形状,加工时将钢管分为数段,各段之间设置连接装置(一般采用套管节点连接),如图6(a)所示,各榀拱架之间设置连杆防止侧向倾倒。空钢管拱架进行井下安装对接,安装完成后使用混凝土输送泵将混凝土材料灌注到钢管中。钢管混凝土拱架与锚杆、锚索等共同构成完整的深部巷道支护体系,如图6(b)所示。(1)工程施工条件目前钢管混凝土拱架现场实践的巷道埋深在300m~1200m之间,总体呈增大趋势,软岩、构造等工程条件越来越复杂。目前主要用于(极)软岩、大埋深(1200m)、断层破碎带等复杂的难支护条件下,其中尤以北皂煤矿的极软岩和华丰煤矿的大埋深最为典型。说明钢管混凝土拱架对上述条件具有一定的适用性。(2)大断面封闭拱架近年来一直采用较多的拱架形状为(椭)圆形、封闭或不封闭的直腿(曲腿)半圆形;矿山巷道中拱架尺度和节数随时间呈增大趋势,目前尺度(宽度或高度)一般在4m~5m,节数以4节为主,部分大断面全封闭拱架为5节;排距一般在0.5m~1m,0.6m~0.8m应用较多;灌注的核心混凝土基本为C40,也有C30和C60案例,同时也有灌注钢纤维混凝土的案例;拱架截面形式主要为圆形,也出现了采用方形截面和D形截面的案例,如表1实践5和实践8,拱架截面尺寸随时间推移整体呈增大趋势,目前常用Φ194mm×(8~10)mm;另外需要指出的是,高延法团队中通过试验发现钢管混凝土的抗弯性能需要进一步提高,基于此研发了抗弯增强型的钢管混凝土截面形式,如图7所示。上述参数可为钢管混凝土拱架支护设计提供参考。(3)大渗流区的灌注方式首先是灌注工序的演化,1984年南岭隧道进行施工时采用的是先在现场架设好拱架之后再进行混凝土灌注的工序;1995年平顶山矿务局四矿采用了在地面灌注养护之后再运输至现场架设的工序,这种方式导致现场架设构件较重,可能是后来没有持续推广的原因之一;2000年之后,高延法团队在钱家营煤矿采用了“先架后灌”的工序,避免了“先灌后架”的缺点,取得较好效果,目前普遍采用该工序。其次是“先架后灌”中灌注方向的演化,在表1所列钱家营煤矿和北皂矿现场灌注中,采用的灌注方向为由上至下的方式,这种方式容易导致钢管中气体不易排出,混凝土不密实;所以在此之后的现场实践中,灌注方向演化为由下至上的“顶升灌注”,灌注孔位置如图6(a)所示,能够有效排出气体增加密实度。(4)套管连接方式在2000年之前的实践中,各节之间采用的连接形式为法兰连接,图4(a)所示;而在此后的案例中基本上全部采用套管连接的方式,图6(a)所示。两者各有优劣,法兰连接节省材料,但强度较弱;套管连接相对成本要高,但强度也较高,套管长度一般为400mm~900mm,套管壁厚8mm~12mm不等,套管总间隙5mm~10mm不等。另外一种节点是可缩性节点,见下文(6)。(5)围岩垫层结构由于现场岩土体开挖表面不平整导致拱架和围岩之间形成点接触或偏压,对拱形拱架承载十分不利。因此,在拱架和围岩之间一般需设置垫层。从发展历程来看,案例中的拱架围岩拱架基本上均设置了垫层,但垫层的材料种类繁多,包括木垫块、木背板、混凝土背板、灰包、袋装矸石、灌注或喷射混凝土等,同时还有泡沫板+混凝土的垫层形式。上述垫层均取得了一定效果,但是并没有对效果进行对比评价,因此目前对垫层形式及参数尚未有较为统一的意见。(6)钢管混凝土拱架钢管混凝土拱架是一种高强支护形式,现有的研究已经表明深部、软岩巷道变形具有显著的流变特性综上所述,钢管混凝土拱架已经在深部软岩巷道支护方面取得部分现场实践,取得较好的效果且发展迅速。但目前规范的施工技术及工艺体系尚未形成,亟需形成或制定用于指导设计及施工的规程、标准或规范。2.4室内试验与研究2.4.1试验结果及分析关于钢管混凝土整架试验的统计见表2。2001年,臧德胜上述试验研究过程中共进行了20架试验,其中2架为模型试验,5架为U型钢拱架试验,3架为方钢约束混凝土拱架,其余为圆截面钢管混凝土拱架。试验拱架主要为(椭)圆形和直腿半圆形,这两种拱架在现场较为常用。试验拱架参数多变,拱架截面以Φ194mm×8mm最多,混凝土等级以C40为主。通过对比表2所述试验参数及结果,可以得到如下主要结论。(1)钢管混凝土拱架具有更高的承载力,是相同用钢量条件下U型钢拱架的2倍左右。试验5中,钢管混凝土拱架是U型钢拱架的2.65倍;试验6中,试验条件差别较大,该值为5倍左右;试验7中两者试验条件一致,该值为1.9倍;试验8中方钢约束混凝土拱架试验结果与试验6中U型钢试件用钢量和试验条件接近,该值为1.8倍左右。(2)主要采用了两种不同的加载方式。第一种加载方式为顶部加载、其他位置多点约束,见试验3~试验6;其余试验采用了第二种加载方式即均布油缸多点加载。第二种加载方式与《U型钢拱形可缩性支架技术条件和试验方法》(MTT882—2000)规定的加载方式一致。两种加载方式存在较大不同:采用第一种加载方式的试验拱架极限承载力一般认为是顶部油缸出力的最大值;而对于第二种加载方式,拱架的承载力被认为是所有油缸出力总和的最大值,其依据为上述《试验方法》中3.6条对“工作阻力”的定义:“U型钢支架在某一工作状态时,所承受的巷道围岩压力总和。在实验室试验时,用各加载点上的加载油缸荷载的代数和表示。”两种加载方式各有利弊,第一种加载方式获取的关键数据为顶部加载油缸的荷载-位移曲线,可以由此划分并确定拱架的弹性极限承载力和极限承载力,试验数据清晰明确,但拱架受力情况与现场差异较大;第二种加载方式能够更真实模拟拱架在现场的实际受力状况,可以实现不同侧压力系数的荷载施加,但拱架的受力状态不再能简单的由某一点的荷载位移曲线呈现,其承载状态的描述需要综合所有加载点信息进行确定。(3)拱架截面内力主要处于压弯状态,拱架的极限承载力由截面压弯承载力决定(变形形态和屈服失稳机理),李为腾(4)对于第二种加载方式而言,不同的侧压系数,承载力不同,如试验7结果所示,结合其他文献试验结果(5)核心混凝土强度越高,拱架承载力越高,该结论较为显而易见,但混凝土强度越高成本也越高且施工控制操作更为严格。应根据成本及现场施工条件选择合适的混凝土等级。(6)试验监测内容主要包括径向荷载、径向位移、钢材应变三项,在李为腾(7)经统计分析可知,目前拱架整架试验方法不统一,不利于试验数据的积累和横向比较,需要制定相关规范,为此给出部分建议:(1)从结构的受力分析方面认为,第一种加载方式更适合于圆形、椭圆形或近似圆形的全封闭拱架,第二种加载方式更适合于直腿半圆形等非封闭式拱架;总体上认为,第二种加载方式(均布油缸多点加载)开展拱架力学试验更加科学合理;(2)为促进后续试验成果的有效积累及横向对比分析的准确,在采用第二种加载方式进行拱架试验时,作者建议统一拱架极限承载力Q2.4.2试验结果及分析钢管混凝土圆弧拱试验统计于表3。2001年臧德胜(1)由试验4对比可知,钢管混凝土圆弧拱承载力是相同截面用钢量的U型钢的2.4倍,是22b工字钢的7.6倍。(2)构件在均布荷载作用下比集中荷载承载力高,由试验6可知,当采用均布加载时构件无法压坏。(3)对比试验4~6可知约束方式对构件承载特性影响显著,接头形状、滑移情况均对承载力具有明显影响,完全约束条件下承载力最高,可滑移量越大承载力越低。(4)对比试验5中不同龄期及强度试件可知,混凝土龄期及强度对承载力影响显著。(5)通过圆钢加强后承载力提升显著,在外侧焊接圆钢比在内侧焊接圆钢提升显著。2.4.3直径与抗弯承载力间的相关性曲广龙(1)采用加强方式效果对比,加强圆钢直径与抗弯承载力呈现出近似线性正相关的关系,图11所示。(2)通过数值试验掌握了套管节点的基本力学特性,但相关结论需要进一步室内试验验证。2.4.4试验研究现状表5所示为旨在研究钢管混凝土拱架的短柱轴压试验统计表。由于在地上钢管混凝土结构中,对短柱轴压试验及力学性能的试验研究较为充分,因此在钢管混凝土拱架相关研究中一般多将短柱试验作为下一步试验的铺垫或支撑,如试验5进行目的在于进行拱架数值计算参数的反演。2.4.5试验研究中的问题(1)开展了一定数量的拱架整架试验,初步掌握了拱架的宏观承载特性,但对拱架承载失效机理的分析不够深入,套管节点对拱架承载特性的研究尚不充足。(2)拱架的让压是必要的,但是目前仅进行了1架定量让压节点力学试验研究,对让压拱架的系统试验尚未开展,对让压拱架力学特性的掌握显然也是不充分的。(3)套管节点力学特性复杂,且对拱架承载特性影响显著,目前仅通过数值试验的方法进行了套管节点纯弯曲试验研究,对套管节点在压弯作用下的力学性能的试验研究非常缺乏。(4)由于没有统一的试验方法和操作规范,导致目前试验数据的积累和横向比对分析面临很大阻力。2.5数值计算方法的选择钢管混凝土结构的数值计算分析在地上结构领域应用较广,也较为成熟,如钢管混凝土的拱桥、地铁立柱、各种复杂节点等。但钢管混凝土拱架作为一种支护结构的数值计算研究还较少。苏林王由上述分析可知,早期钢管混凝土拱架基本构件数值计算采用ANSYS较多,目前以ABAQUS软件为主,且模拟方法和参数相对成熟。数值计算对象与现场实践和室内试验构件常用型号及参数基本一致。2.6圆形拱架的定位2010年高延法当N式中:N上述计算均针对受均布径向荷载的圆形拱架或非圆形拱架的圆弧形部分。其理论模型是拱架内力中仅有轴力,将压弯的效应用偏心系数的形式反映出来。孟德军2.7灌注口加固方案设计由于钢管混凝土拱架需要现场灌注,因此必然需要在拱架上预留灌注口,灌注口的存在会造成拱架应力集中,导致拱架整体承载能力的下降,因此有必要对灌注口进行相关研究并设计优化补强方案。高延法3优势、问题和下一步研究3.1在国内外应用情况图13为2000年以来相关论文发表数量随时间变化柱状图(检索时间:2015年12月23日;检索库:中国学术文献网络出版总库;检索策略为主题词检索:钢管混凝土(约束混凝土)+支架(拱架))。在2009年之前相关论文发表数量几乎为零,此后论文数量呈现出近似指数型增长的趋势,截止检索日,2015年当年相关论文数量已达到28篇。在国外方面,目前尚未见应用及研究报道,国内钢管混凝土拱架支护技术发展超前。从现场应用情况看,目前该技术已经成功应用于巨野、龙口、新汶、内蒙等矿区20余坐矿井,巷道条件涵盖深井、软岩等复杂条件,总体来说取得了较好的围岩控制效果并创造了显著的经济效益。从近年来现场应用反馈及相关研究结论可见钢管混凝土拱架支护技术具有如下主要优势:(1)支护强度高,性价比高。目前常用型号的钢管混凝土拱架支护强度是相同用钢量U型钢或工字钢的2倍左右,提供相同的支护反力,所需用钢量及支护成本显著降低。(2)可选支护参数多。钢管混凝土拱架具有圆形、方形、矩形等多种截面形式供选择,同时每种形式的尺寸、壁厚、混凝土标号等都可根据需要进行调整组合,对现场多变的复杂条件具有更好的适应性。(3)套管连接简便可靠。U型钢拱架的卡缆连接节点工作阻力等力学行为受影响因素较多,很难掌控,易出现应力集中而导致屈曲、弯折或节点自锁,对安装质量要求较高;钢管混凝土拱架各节之间的套管连接传力行为更为明确,稳定性更高,且安装简便。3.2钢管混凝土拱架主要支护特性(1)深部高应力条件下让压拱架-围岩相互作用机理不清楚。围岩-支护相互作用机制研究多将重心放在围岩特征曲线的描述方面,对于支护特征曲线的考虑相对单一和简化,普遍将喷射混凝土、锚杆支护作用等效为斜直线,将可缩式拱架的支护作用等效为两阶段折线在众多巷道、隧道支护理论中,很多都包含“让压”支护的思想,如新奥法理论、应变控制理论和能量支护理论等,说明人们在对支护结构让压必要性的认识上已形成较为统一的意见。随着巷道埋深的增加,现场条件更加复杂,在“先柔后刚”之后又出现了“高阻-让压”、“恒阻让压”、“先控后让再抗”等让压支护理念基于上述让压支护理念,人们进行了大量实践,提出了很多具有让压功能的支护结构,较为典型的有可缩式U型钢拱架支护和让压锚杆支护。可缩式U型钢拱架通过卡缆节点相对滑动来实现收缩变形,虽然经过了数十年的发展,目前可缩式U型钢拱架及其让压参数的设计和施工,仍然以《巷道金属支架系列》或以往工程经验为主要参照依据,在理论支撑方面未取得明显进展。让压锚杆通过杆体伸长来实现让压,虽然让压锚杆形式及现场实践较多,但是目前对于围岩-让压锚杆相互作用机制的研究仍然停留在定性阐述方面,被广泛认可的让压参数确定方法尚未出现如前文所述,目前在钢管混凝土拱架支护工程中可见多种让压方式,虽取得一定效果,但让压点和让压量不够明确;对此本文作者研发了一种新型的定量让压节点综上所述,目前“高阻”和“让压”相结合的支护理念已经普遍被接受,但是落实到具体的钢管混凝土拱架让压支护实践时,让压到底对围岩稳定如何产生作用,产生多大的作用,支护结构的让压参数又该如何设计,这些高强拱架支护核心问题没有得到明确的解答,围岩-让压支护相互作用机制研究亟需加强。(2)拱架支护特性是进行支护-围岩相互作用机理研究的基础,而钢管混凝土拱架各节之间主要采用套管连接,由于套管节点参数包括间隙、壁厚、长度等,使得套管节点具有复杂的行为模式,当考虑到节点让压时更是如此,上述情况使钢管混凝土拱架的整体承载特性也变得更为复杂,使拱架支护特征曲线的形态、走向变得更加不明朗,目前尚未有研究对此进行探讨,因此考虑让压节点的钢管混凝土拱架全过程支护特征曲线尚未明确。(3)在钢管混凝土拱架承载力计算理论方面,目前仍然以采用短柱轴压极限承载力反推拱架的径向支护承载力的方法为主,而拱架内力实际上处于显著的压弯组合作用下,应当充分考虑轴力和弯矩的共同作用,目前钢管混凝土拱架极限承载力的计算方法尚不成熟。(4)钢管混凝土拱架是一种高刚度、高强度的支护形式,与锚杆、锚索和喷层等其他支护构件具有明显不同的支护特性,作为支护体系的重要组成部分,各支护构件之间应当特性匹配、协同工作,以达到共同承载的目的,目前尚未见对支护构件耦合承载机理及实现技术的系统研究,现场实践中以经验依据为主。另外,当拱架中设置让压装置后,让压拱架与支护体系的耦合机理更加复杂,亟需深入揭示。3.3核心混凝土灌注虚实度(1)让压功能的实现。常规的钢管混凝土拱架不具有让压功能,不符合让压支护的先进理念;目前的定量让压拱架通过在套管节点中设置定量让压装置实现拱架的定量让压,一方面该技术处于初期试验阶段,技术仍然不够成熟,且同时带来了节点位置浆液流通阻断的问题。(2)核心混凝土灌注密实度。由于截面较小且无法有效振捣,因此核心混凝土灌注密实度得不到有效保障,目前采用顶升灌注法结合自密实混凝土能一定程度上缓解问题,但是由于现场施工条件的复杂,核心混凝土灌注密实度问题仍然存在。(3)拱架拆解。由于灌注混凝土后的钢管混凝土拱架重量较大,且套管连接拆解困难,因此拱架的回收使用或失效后的拆解复修较为困难。(4)钢管锈蚀。拱架承载后表面防锈漆极易脱落,钢管在井下潮湿环境中锈蚀速度快,将会对拱架的耐久性造成显著影响。(5)其他。热煨弯管加工使得拱架单次支护成本偏高;灌浆口、排气孔的合理位置、形式及补强方式有待进一步优化。由于上述问题的存在,钢管混凝土拱架仍然不断有破断失效的案例出现,图14所示为钢管混凝土拱架在巷道支护现场出现的严重弯折破断和屈曲失效。综上所述,钢管混凝土拱架支护体系设计理论尚不完善,设计施工仍以经验为主,关键技术亟待提升。3.4钢管混凝土工程承载力(1)套管节点或让压节点对钢管混凝土拱架力学特性的影响规律。设置套管(让压)节点后的拱架承载特性受到显著影响,变得更加复杂,需要开展研究明确巷道荷载对混凝土拱架承载能力的影响,掌握定量让压拱架支护特征曲线,为围岩控制机理研究提供重要支撑。(2)考虑套管节点或让压节点的钢管混凝土拱架承载力计算方法。从套管节点压弯力学特性研究入手,建立以构件压弯极限承载力为判据的拱架承载力计算方法。(3)深部软岩巷道高强让压拱架围岩控制机理。深部巷道围岩具有显著的流变特性,钢管混凝土拱架的让压具有必要性,将围岩流变及拱架让压两方面相结合,深入揭示深部条件下流变围岩-让压拱