本文以深井软岩巷道支护问题为研究背景,以钢管混凝土圆弧拱为研究对象,首先进行了普通混凝土和钢纤维混凝土的配合比实验,得到了不同强度等级和钢纤维体积掺量混凝土的配比方案,测试了混凝土立方体试块的单轴抗压强度和劈拉强度。随后,进行了钢管混凝土圆弧拱在六点均布加载条件下的力学性能实验,结合理论计算与数值模拟,较为全面地分析了矢跨比、核心混凝土强度等级和钢纤维掺量等三个因素对钢管混凝土圆弧拱力学性能的影响。最后,以清水营煤矿副立井+786m水平临时水仓大断面极软岩巷道为例,采用现场考察、室内测试、理论分析、数值模拟和现场工程试验相结合的综合研究方法,详细介绍了基于钢管混凝土支架的封闭式复合支护技术在工程现场的应用情况。论文取得了如下主要结论和创新成果:1、混凝土强度等级与钢纤维掺量配合比实验为了研究核心混凝土强度等级对钢管混凝土圆弧拱力学性能的影响,首先进行了混凝土配合比实验,依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010),初步设定了5组水灰比,确定了混凝土配制材料的用量;而后对混凝土的流动性能进行了测试,确定了满足流动性能和灌注要求的减水剂用量;最后,对混凝土立方体的抗压强度和劈拉强度进行了测试,对测试数据进行统计分析,最终确定了5组水灰比混凝土的强度等级,并择优选用4组水灰比(0.3、0.35、0.4、0.45)进行圆弧拱压弯性能实验。在4组不同强度等级的普通混凝土配合比基础上,进行了钢纤维混凝土的配制,首先对钢纤维混凝土的流动性能进行测试,研究了钢纤维掺量对混凝土流动性能的影响;随后对钢纤维混凝土试块的抗压强度和劈拉强度进行测试,研究了钢纤维体积掺量对不同强度等级混凝土力学性能的影响,对比分析了钢纤维对混凝土抗压强度和劈拉强度的影响程度,并最终确定了钢纤维的合理掺量范围1.0%-2.5%。2、六点均布加载条件下钢管混凝土圆弧拱力学性能实验进行了六点均布加载条件下钢管混凝土圆弧拱力学性能实验,研究了不同矢跨比(0.154、0.207、0.26)、不同混凝土强度等级(C50、C45、C40、C35)和不同钢纤维体积掺量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的共10根钢管混凝土圆弧拱的力学性能,取得了以下几方面的成果:(1)对圆弧拱试件的变形过程进行了监测,得到了相应的荷载-位移曲线不同矢跨比、混凝土强度等级和钢纤维掺量的圆弧拱试件的变形过程均可分为四个阶段:压实阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。在弹塑性和塑性变形阶段,圆弧拱表现出较好的延性和承载能力。(2)研制了预埋式混凝土应变监测装置,对试件跨中处钢管外壁应变和核心混凝土内部应变进行了同步监测对10根圆弧拱试件跨中处钢管外壁应变和核心混凝土内部应变进行了监测,研究得出:(1)圆弧拱跨中位置处的钢管和核心混凝土在整个加载过程中,始终处于受压状态,不存在直梁纯弯实验中的中性层偏移现象;(2)在压实变形阶段,由于混凝土内部存在孔隙、空隙,连续性较差,钢管的压缩应变整体而言要稍大于混凝土的压缩应变;(3)相同荷载下,矢跨比越小,钢管和核心混凝土的应变值越大,这也表明矢跨比越小,圆弧拱内的轴压越大,导致钢管混凝土构件沿轴线方向的压缩变形量越大;产生相同的应变时,矢跨比越大,需要施加的荷载值也越大;(4)圆弧拱在达到极限承载力时,混凝土强度等级越低,钢管和核心混凝土最终的轴向压缩变形越严重,混凝土的压应变值整体要大于钢管外壁;(5)钢纤维的掺入使混凝土的密实性受到影响,4组不同钢纤维掺量的圆弧拱试件,钢管的压缩应变值均要大于核心混凝土的压缩应变。(3)得到了圆弧拱试件的屈服荷载和极限承载力得到了圆弧拱试件的屈服荷载和极限承载力及其对应的跨中位移量,实验成果如下表:相对于0.154矢跨比试件,0.207和0.26矢跨比试件的屈曲荷载分别提高了50.8%和61.5%,极限承载力分别提高了42.7%和68.3%。由此得出,矢跨比越大,试件的屈曲荷载和极限承载力越大,圆弧拱抵御变形的能力越强,圆弧拱在平面内的承载力受矢跨比影响显著。相对于C35圆弧拱试件,C40、C45和C50试件的屈曲荷载分别提高了2.08%、7.29%、10.42%,极限承载力分别提高了2.97%、4.7%、6.76%。由此得出,混凝土强度等级越高,圆弧拱试件的屈曲荷载和极限承载力越大。在核心混凝土中掺入钢纤维后,圆弧拱的屈服荷载和极限承载力均有不同程度的降低,尤其是当钢纤维体积掺量达到2.0%以上时,圆弧拱屈服荷载和极限承载力有较为明显的下降,钢纤维的掺入不利于钢管混凝土圆弧拱承载性能的提升。综上所述,最终得出三个因素对钢管混凝土圆弧拱承载性能的影响程度为:矢跨比﹥混凝土强度等级﹥钢纤维。(4)分析了钢管混凝土圆弧拱的变形破坏形态在六点均布加载条件下,10根圆弧拱试件均是在拱脚内侧位置处最先发生屈曲,达到极限承载力时,两端拱脚处的钢管均能看出明显臌胀变粗,试件不同位置的曲率不再一致。(5)得出了均匀受压钢管混凝土圆弧拱屈曲荷载的表达式基于线弹性屈曲理论,得出了均匀受压钢管混凝土圆弧拱屈曲荷载的表达式,可用于0.26矢跨比深拱圆弧拱屈曲荷载的近似求解,而对于矢跨比0.154和0.207的浅拱试件,其屈曲前的轴向压缩变形显著,不适合使用该式进行求解。(6)利用有限元模拟着重分析了矢跨比、混凝土强度等级对圆弧拱内轴力和弯矩的影响(1)同一荷载水平下,矢跨比越小,圆弧拱内轴力越大;在达到各自极限承载力后,圆弧拱内轴压无明显差别;混凝土强度等级越高,圆弧拱在达到极限承载力时,其内部轴压越大。(2)在弹性变形阶段,矢跨比越小,圆弧拱内弯矩越大,抗弯性越差;改变混凝土强度等级对弯矩影响不明显;不同矢跨比、混凝土强度等级圆弧拱内的最大弯矩值均出现在拱脚位置,拱脚处的弯矩和轴力最大,圆弧拱最先在拱脚位置处屈曲。(3)当圆弧拱达到极限承载力时,不同矢跨比、混凝土强度等级的圆弧拱,其拱脚处的弯矩均有所减小,最大弯矩值出现在跨中或1/4跨附近。3、大断面极软岩巷道钢管混凝土支架支护应用研究清水营煤矿+786m临时水仓巷道钢管混凝土支架支护段,原有支护采用“锚网喷+混凝土碹体+U36型钢支架”的联合支护形式,在该支护形式下,巷道变形严重不能稳定。为解决巷道变形严重难以控制的支护难题,首先现场考察了巷道的变形破坏情况,取样测试了巷道围岩物理力学参数,测试表明:临时水仓巷道膨胀性和吸水软化性显著,属于典型的强膨胀型极软弱岩层。结合巷道地质概况与围岩物理力学参数测试结果,分析了巷道变形破坏的原因,分析认为:围岩物理力学性质、水理作用和支护方式是引起临时水仓巷道变性破坏的主要原因。据此针对性地提出了“锚网喷+立椭圆形钢管混凝土支架+钢纤维混凝土碹体+加固锚索”的封闭式复合支护方案。建立了考虑二次支护阻力、锚杆支护参数(强度、长度、直径、预紧力、间排距)和围岩力学性质等因素的极软岩巷道承压环强化支护力学模型,阐述了承压环的结构组成,确定了承压环的几何厚度,给出了承压环的力学边界条件,推导得出了承压环极限承载力的表达式,由此计算得出复合支护结构的最大支护阻力可达1.99MPa,满足巷道支护要求。随后,分析了二次支护阻力、锚固体内聚力和内摩擦角等三个关键因素对承压环极限承载力的影响。研究表明:对于黏土矿物含量高、膨胀性和软化性显著的极软弱围岩,提高二次支护阻力对增强承压环承载能力起着决定性作用。最后,通过FLAC3D对复合支护方案的支护效果进行模拟分析,进一步证明了复合支护方案的可行性,并将基于钢管混凝土支架的复合支护技术成功应用于工程现场,并实施了围岩变形监测。结果表明,巷道收敛变形得到有效控制,并且支护体力学性能良好,满足巷道支护要求。