王忠杰，晏鄂川，张 峰，孙 浩

（1.中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

翻车机房属于能源开采行业较为常见的基础设施，一般矿山地上部分为单层，矿山井下部分为封闭结构，且埋深较大，在井下水位较高的区域，则存在地下室抗浮问题。目前，因矿山开采机械化程度提高，矿山巷道断面需求扩大，为解决底板稳定问题，抗浮锚杆在底板变形控制中的应用较多，取得了丰富的可借鉴的成果[1-3]。但由于井下抗浮理论和规范均不完善，并没有形成统一的设计标准。抗浮锚杆在矿山翻车机房中的应用较少，有待进一步研究。

本文以某矿山的开采项目为例，对比研究了采用不同规范抗浮锚杆在矿山翻车机房中的设计方法，得出合理并符合工程实际的抗浮锚杆设计方案，并通过现场抗浮锚杆的极限抗拔试验进行了可行性验证，抗浮锚杆的抗拔承载力和位移均符合相关规范要求，希望对类似的施工应用具有一定的参考价值。

1 矿山翻车机房的整体概况

1.1 所处地层的地质概况

矿山翻车机房的井下部分的平面近似为矩形，有四层结构，其中一至三层底板面积相等，埋深为井下20.0m，第四层在短边方向收缩，面积变小，埋深为井下24.5m，本工程±0.0为2587.45m。

所在场地主要地层有：人工填土（Qml）、第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）和第三系中新统（E）粉砂质泥岩。矿山翻车机房底板直接接触的地层为强风化粉砂质泥岩（4-1）层，棕红色～砖红色，泥质结构层状构造，上部泥岩结构构造大部分破坏，风化裂隙发育，矿物成分显著变化，含砂量较少，该层内赋存有裂隙水，遇水易软化，易崩解，厚度在10m左右。

井下水文情况：矿山翻车机房所处位置井下水属孔隙潜水，大气降水和地下径流是其主要的补给来源。圆砾层为主要含水层。本次勘查期间稳定水位为0m～16.00m，相当于绝对标高为2566.35m～2584.13m。井下水水位随季节的变幅约为0.50m左右。井下水整体由南向北径流，场区属径流区。另外，（4-1）层强风化粉砂质泥岩裂隙发育，贯通性好，富含基岩裂隙水。

1.2 矿山翻车机房整体抗浮稳定性验算

计算浮力首先要确定硐室底板抗浮设防水位，抗浮设防水位的合理选取是一个决定性的参数[4]，有文献提出选取常年最高水位为抗浮设防水位[5]，有文献提出选取历史最高水位为抗浮设防水位[6]，规范中没有明确的规定。本项目依据勘查报告取±0.0m为抗浮设防水位。根据计算所得，上浮力值为119760kN，矿山翻车机房底板下岩体富含基岩裂隙水，为透水层，浮力值不进行折减[7]。矿山翻车机房自重计算不考虑活荷载，仅考虑四层硐室底板的重量。计算得自重值为57330kN。浮力分项系数取1.0、自重分项系数取0.9、抗浮稳定安全系数取1.05。矿山翻车机房硐室整体抗浮验算未通过，需进行抗浮设计。

2 抗浮方案选择

根据设计方提供的资料，矿山翻车机房浮力值大于硐室底板自重值，必须进行抗浮设计。常见的抗浮措施有：压重、抗浮桩、抗浮锚杆等[2]。压重，顾名思义就是增加硐室底板的重量，使其超过浮力值，目前压重的方法主要靠增加顶板和底板厚度，该方法设计简单，方便施工，针对性强，适用于浮力比较小的情况，但成本高，且会压缩硐室的空间；抗浮桩又叫抗拔桩，主要通过桩与矿体之间的摩擦力进行抗浮，施工中一般桩基可兼做抗浮桩，由于柱网间距大，工程桩间距也大，在未设置抗浮桩的纯地下室底板处，往往承受着水浮力引起的较大的弯矩和剪力，必须通过增加底板刚度来保证底板的安全，另外，抗浮桩施工工艺较复杂和成本较高；抗浮锚杆类似于抗浮桩，也是通过周围矿层与锚固体发生相对位移所产生的摩阻力来抵抗浮力，但有着抗浮桩无法比拟的优点：首先，抗浮锚杆短小，间距小，在水浮力作用下，基础底板可承受较小的弯矩和剪力，无需增加底板厚度，可适当降低工程造价，其次，抗浮锚杆成孔直径较小，施工简单，技术成熟。针对矿山翻车机房的地质条件和工程特点，综合对比分析后，宜选择抗浮锚杆方案为矿山翻车机房硐室抗浮措施。因为硐室底板以下为岩体，为减少施工难度，不施加预应力。

3 抗浮锚杆的设计与研究

3.1 抗浮锚杆的平面布置

抗浮锚杆由两部分组成，分别是锚固体和传力钢筋杆件，抗拔力表现为锚固体与周围岩土层的摩擦力。具体作用机制如下：当井下水对矿山翻车机房结构产生的浮力大于硐室结构重力时，上浮拉力对杆件产生作用力，杆件和注浆锚固体握裹状态，进而将拉力传递锚固体，锚固体和矿体相互接触，受拉力作用产生摩擦力，摩擦力抵消了拉力作用，也就是将拉力扩散到周围地层中[8]。抗浮锚杆的平面布置形式采用网格型，在柱下基础和纯底板处均布置抗浮锚杆，这样布置既能充分利用墙柱的自重，又能平衡纯硐室底板的弯矩和剪力。在井下-20m硐室底板两侧共布置112根，在井下-24.5m处硐室底板共布置126根。抗浮锚杆平面布置如下图所示。

图1 矿山翻车机房抗浮锚杆平面布置图

3.2 抗浮锚杆设计研究

现阶段，对抗浮锚杆的设计并没有明文的规定，主要参考《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）和《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），其计算结果只能用来估算，通过现场的抗拔试验来确定锚杆的抗拔承载力特征值最为可靠。

以《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》为例。

单根抗浮锚杆拉力标准值可按下式计算：

TK——单根抗浮锚杆的受拉承载力标准值(N)；

Ff——矿井水浮力标准值(N)；

G——结构自重及其他永久荷载标准值之和(N)；

n——抗浮锚杆总数；

计算得到，单根锚杆拉力标准值为287.5kN。

锚杆的截面面积按下式确定：

上面式中：Nd——锚杆的轴向拉力设计值(N)；

fy——锚杆抗拉强度设计值，抗拉强度设计值为360N/mm2。

根据计算得：锚杆锚固面积为As=1185.82mm2。

锚杆锚固段长度由下两式中较大值确定[9]：

上面式中：La——锚杆锚固段的长度（m）；

K——锚杆锚固体的抗拔安全系数；

Nt——锚杆的轴向拉力设计值(kN)；

D——锚固体的钻孔直径；

d——锚杆的直径（m）；

fmg——锚固体与地层间的极限粘结强度标准值；

fms——粘结强度标准值；

ξ——界面粘结强度降低系数，取0.75；

ψ——锚固长度对粘结强度的影响系数；

n——锚杆数量

抗浮锚杆作为矿山翻车机房的永久性结构，锚杆锚固体的抗拔安全系数取2，锚固体的钻孔直径取0.2m，锚杆直径取28mm，根据勘查报告结合规范，将fmg的取值设定为0.24MPa，将fms的取值设定为0.9MPa，ξ的取值设定为0.75，ψ的取值设定为0.9，根据以上取值进行最终计算。

由计算公式算得：La＞6.3m。

《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）对锚杆的规定主要是针对边坡施工的，也可以进行抗浮锚杆的设计参考。现将利用两种规范进行抗浮锚杆计算的结果对比如下：

表1 采用不同规范的抗浮锚杆设计结果比较表

从表中可以看出，在计算截面面积时，采用边坡规范计算的结果大；在计算锚固体锚固长度时，采用锚杆规范的计算结果大，实际设计时应综合考虑，可保证矿山翻车机房的安全。考虑地层情况和实际施工能力，将锚杆自由段设置为0.2m。

4 锚杆极限抗拔试验

根据规范要求，选取三根抗浮锚杆进行极限抗拔试验，根据现场试验记录的数据绘制Q-S曲线如图2：

图2 抗浮锚杆抗拔试验Q-S曲线

根据曲线可知：抗浮锚杆的极限抗拔力超过了设计所需的极限抗拔力，且锚杆位移值很小，在规定的允许范围值内。

5 结语

本文研究矿山翻车机房抗浮锚杆的设计原理，并用现场施工和极限抗拔试验验证设计的可行性。主要研究的结论如下：

（1）矿山翻车机房硐室抗浮措施采用抗浮锚杆是适用的。

（2）在计算加筋截面面积时，采用《建筑边坡工程技术规范》计算的结果大；在计算锚固体锚固长度时，采用《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的计算结果大。抗浮锚杆设计时应综合考虑。

（3）在抗浮锚杆设计理论和依据不完善的情况下，设计人员设计的抗浮锚杆施工完毕后应进行抗拔试验的验证，如验证不满足规范要求，应采用动态设计法进行设计调整。