劉鋒珍，王明遠(yuǎn)，喬衛(wèi)國，2

(1.山東科技大學(xué)，山東青島266590;2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266590)

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

基于巷道圍巖變形監(jiān)測的預(yù)案支護(hù)技術(shù)

劉鋒珍1，王明遠(yuǎn)1，喬衛(wèi)國1，2

(1.山東科技大學(xué)，山東青島266590;2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266590)

Plan Supporting Technology of Roadway Based on Deformation Monitoring of Surrounding Rock

針對(duì)目前一些新建礦井，由于前期設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)巷道支護(hù)缺乏專門研究，致使部分巷道在施工后，巷道變形嚴(yán)重，影響其正常使用，造成工期延長，建設(shè)成本增加的現(xiàn)狀，在對(duì)巷道圍巖地質(zhì)資料分析、圍巖物相及物理力學(xué)性質(zhì)測試，變形數(shù)值模擬及施工巷道變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的支護(hù)預(yù)案，并以圍巖變形量與變形速度作為圍巖穩(wěn)定性判別指標(biāo)，當(dāng)圍巖監(jiān)測指標(biāo)超過設(shè)定臨界值時(shí)實(shí)施預(yù)案，以控制圍巖變形失穩(wěn)。

圍巖變形;預(yù)案;臨界值;失穩(wěn)判據(jù)

近年來隨著我國礦井開發(fā)力度的進(jìn)一步加大，特別是新建礦井機(jī)械化程度相對(duì)較高，對(duì)井筒、井下巷道及主要硐室斷面要求增大，給巷道的施工及維護(hù)帶來了困難，而傳統(tǒng)的建井施工法是施工單位按設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，由于多種原因造成巷道變形或破壞，然后再進(jìn)行修復(fù)。這種方法不僅大幅度增加投資，也大大延長建井工期，進(jìn)而嚴(yán)重影響投資效益。如車集煤礦、祁南煤礦、柳海煤礦、唐口煤礦、濟(jì)西煤礦等等，這些礦井由于井筒局部、馬頭門、車場、硐室、大巷等的變形與破壞，為修復(fù)這些工程，增加了礦井基建投資，影響了建設(shè)工期。因此在加強(qiáng)巷道變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的支護(hù)預(yù)案，發(fā)現(xiàn)變形一旦超過預(yù)期設(shè)定界限，便實(shí)施預(yù)案，防止因采取方案不及時(shí)所造成的不必要損失。

所謂井巷工程施工預(yù)案支護(hù)技術(shù)是指在井巷工程中按原設(shè)計(jì)支護(hù)體系施工的同時(shí)，建立一套針對(duì)圍巖變形有可能造成巷道失穩(wěn)的應(yīng)急支護(hù)預(yù)案，即在井巷工程施工中，通過對(duì)前方巷道所進(jìn)行的工程地質(zhì)分析和已施工巷道變形的及時(shí)監(jiān)測，經(jīng)綜合評(píng)判后，確定是否需要改變?cè)O(shè)計(jì)支護(hù)的施工為支護(hù)預(yù)案施工，以防止或降低工程失穩(wěn)，從而保證工程順利進(jìn)行［1］。此外，預(yù)案支護(hù)技術(shù)并不是簡單的圍巖加固措施，而是為保證巷道在服務(wù)期間的安全運(yùn)營預(yù)先制定、酌情實(shí)施的一整套圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)及措施。

1 預(yù)案實(shí)施的判別

預(yù)案支護(hù)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于對(duì)圍巖穩(wěn)定性的判斷，即選擇合適的判斷指標(biāo)，對(duì)巷道圍巖變形及穩(wěn)定性進(jìn)行判別，特別是錨桿加固的巷道由于工程的隱蔽性，失穩(wěn)破壞前一般無明顯征兆，而一旦發(fā)生事故，往往具有突發(fā)性。因此對(duì)巷道的變形失穩(wěn)做出提前判斷，發(fā)現(xiàn)巷道變形指標(biāo)超過臨界值，立即采用預(yù)案支護(hù)技術(shù)。

在圍巖穩(wěn)定性分析中，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法可歸納為兩類，即圍巖強(qiáng)度判據(jù)和圍巖變形量或變形速率判據(jù)［2，4］。如關(guān)寶樹［2］將隧道塑性區(qū)范圍變化作為圍巖穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為塑性區(qū)達(dá)到隧道直徑的20%后急劇增大。因此，將塑性區(qū)不超過隧道直徑的20%作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)大致標(biāo)準(zhǔn)。Hoek［3］認(rèn)為，巷道支護(hù)后洞周的破壞帶應(yīng)于錨桿支護(hù)的邊界之內(nèi)，錨桿不應(yīng)受力至破壞，位移應(yīng)在合理的幅度之內(nèi)并在洞周均勻分布，即圍巖的塑性區(qū)被限制在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)，則圍巖是穩(wěn)定的。李世輝［4］提出了變形速率比值判據(jù)，以圍巖變形加速度為主，輔以變形值 (趨于常量)或變形速率 (趨于零)，與以往若干斷面的典型量測資料統(tǒng)計(jì)得出的該比值的閾值相比較，預(yù)計(jì)巷道斷面圍巖穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［5］通過建立巷道表面裂隙系數(shù)與圍巖表面移近量之間的關(guān)系，當(dāng)裂隙系數(shù)為4%～5%時(shí)，巷道輪廓合理位移量U為30～45 mm時(shí)，采用注漿錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固效果較好。

在圍巖穩(wěn)定性判別中，由于受圍巖性質(zhì)、地質(zhì)條件、巷道斷面形狀及支護(hù)形式等因素的影響，圍巖失穩(wěn)產(chǎn)生的變形也相差較大，且圍巖失穩(wěn)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，致使圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎(chǔ)理論不成熟、失穩(wěn)判據(jù)難以確定等問題，導(dǎo)致各種方法均不能真正圓滿解決工程中的實(shí)際問題。

現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)巷道的變形失穩(wěn)主要以表面變形的形式體現(xiàn)出來，巷道圍巖表面變形及相關(guān)指標(biāo)是其他內(nèi)在因素綜合作用的結(jié)果。此外，巷道圍巖表面具有現(xiàn)場便于選取、量測，結(jié)果整理簡單、直觀、便于分析的特點(diǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際需要，結(jié)合近些年的采用預(yù)案技術(shù)施工巷道的統(tǒng)計(jì)表明，圍巖變形量及變形速度的變化可以基本反映圍巖穩(wěn)定情況。通過對(duì)圍巖變形量及變形速度的監(jiān)測，與類似巷道或該巷道已施工段變形監(jiān)測結(jié)果分析及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，預(yù)測圍巖的極限量U0及變形速度V0，在實(shí)際應(yīng)用中選取圍巖關(guān)鍵點(diǎn) (頂板中部、兩幫、拱形巷道肩角)，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)變形量U和變形速度V的監(jiān)測，得出巷道圍巖變形曲線中對(duì)應(yīng)的曲線1，詳見圖1。

圖1 巷道圍巖變形曲線

當(dāng)U＞50%～70%U0(即圖1中對(duì)應(yīng)的B點(diǎn))，巷道變形量及變形速度仍有增加，此時(shí)對(duì)巷道圍巖實(shí)施預(yù)案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，實(shí)施預(yù)案后，圍巖體仍有變形，圖示曲線2，當(dāng)其變形達(dá)到最大 (C點(diǎn)位移)，接近常數(shù)時(shí)仍不超過其產(chǎn)生破壞時(shí)的極限變形，即不超過A點(diǎn)的變形量，此時(shí)如果關(guān)鍵點(diǎn)變形速度趨于零，則表明巷道圍巖實(shí)施預(yù)案后已趨于穩(wěn)定，否則需要調(diào)整預(yù)案參數(shù)。

預(yù)案實(shí)施的關(guān)鍵是圖1中A，B，C點(diǎn)變形值的確定，因?yàn)樵谑┕で捌谙锏赖闹ёo(hù)形式及參數(shù)是設(shè)計(jì)單位通過相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)，是否適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際尚無法判斷，所以在關(guān)鍵點(diǎn)確定時(shí)往往是通過對(duì)地質(zhì)資料的分析，建立相應(yīng)數(shù)值模型，并根據(jù)巷道前期已施工部分的變形監(jiān)測結(jié)果，不斷調(diào)整巖層力學(xué)參數(shù)，直到模擬結(jié)果與施工部分變形監(jiān)測結(jié)果相近，然后預(yù)測其最大變形量，以此來預(yù)測A，B，C的值。通過對(duì)施工巷道進(jìn)行變形監(jiān)測當(dāng)其變形達(dá)到B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)量值時(shí)采取預(yù)案，對(duì)其變形進(jìn)行控制，在預(yù)案實(shí)施后，繼續(xù)監(jiān)測其變形，并與模擬計(jì)算的C值對(duì)比，判斷圍巖的整體穩(wěn)定性。

2 預(yù)案技術(shù)實(shí)施流程

預(yù)案技術(shù)實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 預(yù)案技術(shù)實(shí)施流程

2.1 巷道圍巖地質(zhì)資料分析

(1)地質(zhì)資料分析 對(duì)巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，圍巖中結(jié)構(gòu)面的分布狀況、力學(xué)特性、節(jié)理裂隙、間距大小等進(jìn)行研究。

(2)圍巖測試 主要對(duì)巷道圍巖進(jìn)行巖層物相分析及圍巖力學(xué)性質(zhì)測試，了解圍巖變形機(jī)制。

(3)圍巖賦存環(huán)境分析 主要對(duì)巷道所處位置的地應(yīng)力 (包括垂直主應(yīng)力和兩個(gè)水平主應(yīng)力)進(jìn)行測試，對(duì)巷道周圍的水文地質(zhì)條件、瓦斯、地溫等賦存環(huán)境進(jìn)行測試分析。

(4)圍巖松動(dòng)范圍測試 對(duì)已掘部分巷道圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)行測試，對(duì)巷道圍巖變形程度及范圍進(jìn)行分析。

綜合上述分析，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，提出巷道圍巖支護(hù)方案。

2.2 方案實(shí)施

對(duì)設(shè)計(jì)方案現(xiàn)場組織實(shí)施，并對(duì)現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，決定預(yù)案支護(hù)技術(shù)是否實(shí)施及實(shí)施時(shí)機(jī)。

2.3 圍巖極限變形量預(yù)測

通過對(duì)類似巷道或已掘進(jìn)部分巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究巷道圍巖變形趨勢(shì)以及采用數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)現(xiàn)有支護(hù)形式及參數(shù)控制圍巖變形效果進(jìn)行模擬，預(yù)測巷道圍巖極限變形量及變形速度，結(jié)合相似巷道或巷道已施工部分圍巖變形監(jiān)測結(jié)果，確定巷道穩(wěn)定性判別臨界值，并對(duì)巷道穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。

2.4 預(yù)案支護(hù)技術(shù)實(shí)施與信息反饋

對(duì)已實(shí)施預(yù)案支護(hù)技術(shù)的巷道繼續(xù)進(jìn)行變形監(jiān)測，根據(jù)井下監(jiān)測信息確定是否需要修改預(yù)案。

3 工程實(shí)例

3.1 巷道圍巖地質(zhì)及工程概況

3.1.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)鉆孔揭露地層自下而上有三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、第四系，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，鉆孔揭露厚度245.01～304.86m，平均276.50m，巖性由灰、灰白色長石石英砂巖、深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖、煤和少量含鋁質(zhì)泥巖組成。主要可采煤層頂板均為易冒落、不穩(wěn)定－中等冒落、中等穩(wěn)定巖層，底板為不穩(wěn)定巖層。

主斜井、副斜井由六煤－五煤露頭對(duì)應(yīng)地面位置開口，由四上－三煤間進(jìn)入煤系地層，穿過三煤后進(jìn)入二煤底板。主斜井坡度為22°～24°～25°，副斜井坡度為22～25°，所處層位為四上－二煤之間的砂巖層。該層位由灰、灰白、深灰色不同粒級(jí)的砂巖組成，屬二煤－八煤間砂巖含水層 (Ⅳ)，厚度為2.63～214.6m，平均厚63.66m。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，三煤頂板巖石雖孔隙率不大，但吸水率較高，軟化系數(shù)低，巖石強(qiáng)度低，不堅(jiān)固，為易冒落的一類無周期來壓頂板。三煤底板粉砂巖極易風(fēng)化、軟化，單向抗壓強(qiáng)度2.72MPa，屬軟弱類底板。巖層綜合柱狀見圖3。

3.1.2 工程概況

巷道斷面為直墻半圓拱形，其中墻高1550mm，拱高2750mm，巷道跨度5500mm，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)形式，選用20mm×2500mm左旋無縱筋螺紋樹脂錨桿，間排距800mm×800mm，錨固端長度≥1m，錨桿的預(yù)緊力為50kN;錨索采用17.8mm×7000mm鋼絞線制作，間距1800mm，排距2400mm，錨索托梁采用14號(hào)槽鋼制作，長度400mm，菱形布置，每根錨索填充3節(jié)MSK23/70型樹脂藥卷，錨索抗拔力不小于300kN，預(yù)緊拉力為100kN，初噴厚度50mm的C20混凝土。

圖3 巖層綜合柱狀

3.2 預(yù)案及實(shí)施判據(jù)

預(yù)案采用注漿錨桿和高強(qiáng)錨桿配合使用，注漿錨桿和高強(qiáng)錨桿間排距為1.6m，菱形布置，采用22mm×2400mm的KMG500螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，該錨桿屈服強(qiáng)度大于 500MPa，抗拉強(qiáng)度大于660MPa，間排距1600mm，穿插在其他錨桿之間;注漿錨桿均采用ML50×27mm螺旋式專用注漿錨桿。

通過對(duì)前期已掘部分巷道變形監(jiān)測資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在該類巖層中掘進(jìn)的巷道當(dāng)頂板下沉量在200～400mm左右，兩幫收斂變形位移量多在200～300mm左右，局部噴層開裂，后期需要進(jìn)行修復(fù)。因此，確定巷道掘進(jìn)并完成支護(hù)后，對(duì)巷道關(guān)鍵點(diǎn)變形量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)巷道移近量達(dá)到80～150mm(具體取值視巷道混凝土噴層破壞情況確定)時(shí)，需要采用預(yù)案加固。

3.3 預(yù)案實(shí)施效果

巷道實(shí)施預(yù)案后，圍巖變形量較小，巷道變形得到整體控制，圖4是第1，2觀測斷面頂板和兩幫巷道表面變形隨觀測時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，實(shí)施預(yù)案之后巷道頂板下沉量仍有增加，但頂板下沉量及下沉速度最終穩(wěn)定，說明采用預(yù)案技術(shù)后，巷道關(guān)鍵點(diǎn)變形雖然呈增長趨勢(shì)，但總的變形量不大，巷道累計(jì)變形量仍未超過其破壞極限值，巷道變形得到控制，能保證巷道的正常安全使用。預(yù)案支護(hù)技術(shù)實(shí)施前后巷道圍巖情況見圖5。

圖4 實(shí)施預(yù)案巷道頂板及兩幫變形曲線

圖5 實(shí)施預(yù)案巷道圍巖控制效果對(duì)比

4 結(jié)論

在分析巷道圍巖變形的基礎(chǔ)上提出的預(yù)案支護(hù)技術(shù)作為一種預(yù)防措施，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有一定的意義，特別是對(duì)一些缺乏借鑒資料的新掘巷道。實(shí)踐表明，預(yù)案支護(hù)是一種簡單易行的技術(shù)手段，且具有明顯的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益。

巷道圍巖變形量及變形速度可作為反映巷道圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測與反饋信息指標(biāo)。具有現(xiàn)場便于選取、量測，結(jié)果整理簡單、直觀、便于分析的特點(diǎn)。

不同的圍巖條件，巷道圍巖變形臨界值不同，所以該值的選取需根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)、施工工藝、相似巷道或巷道已掘部分變形情況，并參考巷道變形速度進(jìn)行確定。

預(yù)案支護(hù)技術(shù)主要是由于工程未施工時(shí)提出，這時(shí)對(duì)巷道變形機(jī)理不可能把握十分準(zhǔn)確，其預(yù)案也可能出現(xiàn)一些問題。施工后巖層被揭露，預(yù)案設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況調(diào)整或優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)案。

［1］王明遠(yuǎn)，吳新華，林登閣.預(yù)案技術(shù)在深井高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用［A］.礦山建設(shè)工程技術(shù)新進(jìn)展—2009全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議文集 (上冊(cè))［C］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］Hoek E.實(shí)用巖石工程技術(shù)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2002.

［4］李世輝，宋 軍.變形速率比值判據(jù)與貓山隧道工程驗(yàn)證［J］.中國工程科學(xué)，2002(6):85－91.

［5］喬衛(wèi)國，烏格梁尼采AB，彼爾紳BB.巷道注漿加固合理滯后時(shí)間的確定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(7):2409－2411.

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

TD353

B

1006-6225(2012)04-0050-04

2012－03－23

劉鋒珍 (1976－)男，山西嵐縣人，碩士，講師，主要從事采礦及巷道支護(hù)教學(xué)及研究方面的工作。