[01293817]复杂条件下约束混凝土支护理论与关键技术及工程应用

本项目属于矿山岩体力学与岩层控制领域。

随着我国经济高速发展，地下工程建设数量逐年增多。

在深部煤矿、交通隧道等地下工程建设中，围岩赋存环境愈加复杂，软弱围岩、高地应力、动压及大面积淋水等复杂条件影响下，围岩大变形、拱顶冒落、支护构件破坏等现象频发，严重制约了地下工程建设安全。

在地上工程结构中，约束混凝土因其良好的力学性能和经济性被广泛应用，钢管和核心混凝土产生“力的共生”作用，表现出承载力高、塑性好等优点。

为解决以上围岩控制及施工难题，本项目将自主研发的约束混凝土支护技术引入到地下工程支护领域。

项目深入分析了高应力复杂条件地下工程围岩承载结构失效机制;基于“高强、完整、让压”支护理念，建立了约束混凝土支护体系，研发了方钢约束混凝土（SQCC）、圆钢约束混凝土（CCC）与U型约束混凝土（UCC）拱架及定量让压节点等配套构件;通过理论分析、数值计算与室内试验等研究手段，形成了不同类型约束混凝土拱架的成套分析设计方法;通过支护体系在典型复杂条件矿山、隧道工程的成功应用，最终形成了约束混凝土支护体系成套施工工法，解决了复杂条件地下工程围岩控制难题。

主要创新成果如下：

创新点一：明确了复杂条件地下工程围岩承载结构失效机理;基于“高强、完整、让压”支护理念，建立了约束混凝土支护体系;研发了锚杆定量张拉机具、约束混凝土高强拱架以及柔性壁后充填材料。

创新点二：明确了约束混凝土构件的力学性能;提出了约束混凝土拱架节点设计及选型方法;得到了约束混凝土构件压弯强度破坏力学判别准则，建立了约束混凝土拱架内力分析和承载能力计算方法。

创新点三：首创了约束混凝土拱架设计方法;研发了约束混凝土拱架全比尺大型力学试验系统;明确了不同断面形状、不同截面形式、不同荷载模式拱架的变形破坏机制与承载特性，验证和完善了约束混凝土拱架的设计方法。

创新点四：创立了可自动退锚的全螺纹锚杆预紧力施加、拱架拼装、柔性壁后充填等约束混凝土支护体系成套施工技术，形成了约束混凝土支护体系施工工法，攻克了高应力复杂条件地下工程现场围岩控制难题。

研究成果在兖矿集团有限公司赵楼煤矿、鲍店煤矿、东滩煤矿，山东能源龙矿集团梁家煤矿以及中建山东京沪高速济南连接线龙鼎隧道、港沟隧道等复杂条件地下工程中成功应用，解决了围岩大变形、支护构件破坏等控制难题，具有显著的经济和社会效益。

本项目建立了复杂条件地下工程约束混凝土支护理论及关键技术，获得国家发明专利16项，部级工法2项，发表文章42篇，其中SCI收录7篇，EI收录35篇。

项目方案通过了由王梦恕院士、杨秀敏院士、任辉启院士为主任的专家组论证，论证结论为：该体系能够更好的控制围岩变形，是安全、高效、经济的初期支护体系。

项目成果通过了由中国煤炭工业协会组织，蔡美峰院士作为鉴定委员会主任的科技成果鉴定，鉴定结论为：总体技术达到国际领先水平。

该项目为解决复杂条件地下工程的围岩控制难题提供了有力的理论和技术支撑，促进了该类地下工程支护技术的革新。

随着地下工程建设面临的条件愈加复杂，项目具有广阔的推广应用前景。