1、专题部分浅谈软岩支护摘 要随着我国煤炭产量的逐年加大，矿山开采条件的日益复杂，当前，软岩巷道支护已成为困扰矿区生产建设的一大难题。主要对煤矿软岩巷道的支护问题进行了探讨，概述了软岩的概念及分类，并简要分析了软岩变形破坏的原因及规律，总结了锚杆支护技术、砌碹支护及喷砼技术、两帮煤体注浆加固技术等七种支护技术的作用原理及其优缺点与使用条件。关键词 软岩；变形规律；支护技术0 引言软岩巷道的围岩控制和巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目前国外急需解决的问题之一。随着矿山开采条件的复杂化，软岩支护问题所涉及到的工程领域越来越多，问题也越来越复杂。我国煤层赋存条件复杂，软岩在近半数矿井都有赋存
2、。随着采深的增加，原岩应力水平不断提高，当采深超过围岩软化临界深度后，围岩产生明显的塑性大变形、难支护现象，围岩原有的弱面进一步扩展，产生新的节理、裂隙，甚至松动、破碎，围岩进一步恶化，给巷道维护带来极大困难，这就给地下工程围岩稳定性研究提出了新的课题软岩工程问题。为解决或降低这一问题对煤矿生产和其他岩土工程所造成的不利影响，国内外与岩土工程相关的各个领域，都投入了大量的人力和物力进行软岩支护等方面的研究工作。通过大量的工程实践人们认识到改善围岩的结构性能充分发挥围岩的自承能力，是一条维护围岩稳定的有效途径，特别是对松软破碎难以支护的巷道。近30年来，随着“新奥法”隧洞施工理念、锚喷加固技术、
3、注浆加固技术等在世界范围内的广泛推广，人们对软岩及软岩巷道的围岩变形规律和压力特征的认识都上升到了一个新的阶段，与软岩特性及软岩巷道围岩变形规律和压力特征相适应的许多支护和加固措施也应运而生，尤其是基于“新奥法”的“三锚”支护（锚喷、锚索、锚注）是较为成功和典型的技术。一般我们所运用的支护工业过程是：开挖初喷锚杆锚索复喷锚注。但是这个过程是否是最佳的支护工艺过程还缺乏一定的理论依据。因此如何解决支护工艺过程、支护参数的变化对软岩巷道围岩应力场和位移场的影响，便引起了人们的极大关注。1软岩巷道支护理论的国外发展情况1.1早期理论20 世纪初发展起来的以海姆、 朗肯和金尼克理论为代表的古典压力理论
4、认为, 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处，于是，坍落拱理论(也称为松软压力理论) 应运而生，其代表有太沙基理论和普氏理论。此类理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。20 世纪50 年代以来,人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题,其中最著名的是Fenner 公式和Kastner公式。1. 2新奥法到了60 年代，奥地利工程师L. V. Rabcewicz(腊布希维茨) 在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法(New Aus
5、trian Tunneling Method ) ，简称为新奥法(NATM) ，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978 年，L. Mttl ler(米勒)教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22 条 5- 6。其中主要的是：1) 围岩是隧道的主要承载结构，初期支护和最终衬砌仅仅起封闭作用，其目的是在围岩中建立承载环或三维承载球壳。 2)如果要求用围岩来支护隧道，则必须尽可能维持围岩强度。因此，要尽可能防止围岩松动和大范围变形。松动和变形会引起围岩强度逐渐衰减，为了维持围岩强度，应根据时间和围岩应力变化，选择适当的支护手段。 3)为了选择最佳承载环结构，必
6、须正确估计时间对围岩特性的影响(或对围岩与衬、 砌共同体特性的影响)。为此，要求进行初期实验室试验，特别是洞内位移量测试验。其中最重要的参数是岩石类别、 直立自稳时间及变形速度。 4)衬砌和永久支护必须是薄壳型，以减小衬砌受弯机会，从而减少挠曲断裂。其必要强度靠钢筋网、 钢拱架和锚杆达到,而不是加厚衬砌或支护截面。5)按静力学观点，隧道被看作是由岩石、 支护结构和(或)衬砌构成的厚壁管。作为1 根管子，只要不开槽口，它就是静定的。因此闭合非常重要,围岩特性变化主要取决放这根/管子0的闭合时间。6)隧洞的主要承载部分是围岩。围岩的强度主要取决于单个岩块之间的摩擦力，因此，必须尽一切可能防止围岩的
7、松动，保持围岩的原有抵抗力。7)支护的目的是为了更好地发挥和促进围岩的承载作用，以及在岩体中建立承载环。8)在静力学上，隧洞可被视为由岩石承载环和支护组成的厚壁圆筒结构。因为圆筒只有在它没有缝口时才能在力学上发挥作用，所以，衬砌环的闭合特别重要,而不能指望由洞底岩层本身起闭合环的作用。除了岩层特别坚固，不需要这种闭合的情况外，都应设置仰拱。9)从应力重新分布考虑，最好的开挖方式是全断面掘进。1980 年,奥地利土木工程学会地下空间分会把奥法定义为在岩体或土体中设置的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法。1. 2. 1新奥法的先进性1) 新奥法摒弃了隧道力学中旧的
8、以普氏理论和太沙基理论为代表的松动地压理论，将岩体视为承载体,这种认识上的重大转变给支护带来了一场革命,它提倡的主动支护和柔性支护方法(锚喷、 注浆等)对软岩是有效的。2) 最大限度地发挥了围岩本身原有的支撑能力。3) 施工过程中, 通过量测手段来掌握围岩稳定状态, 发现情况可以及时采取措施,因而可保证安全施工。4)与传统的钢拱架厚壁混凝土支护体系相比,新奥法支护结构是以锚杆、 喷混凝土、 可缩可塑性钢拱架等材料构成的薄壁柔性的支护结构。薄壁柔性结构在受剪状态下工作, 而旧的厚壁结构在受弯状态下工作。新奥法可以充分利用混凝土的抗剪强度, 大幅度降低材料用量。另外, 由于是薄壁衬砌,故开挖石方量
9、也大大减少。采用新奥法具有节省人力、 资源及成本低等优点。5) 传统方法构筑隧道是在凹凸不平的岩层表面构筑防水层, 难于得到可靠的防水效果。新奥法的衬砌是通过两次被覆来完成, 可以先在一次被覆后的光滑表面上构筑防水层,然后再做二次被覆, 从而大大提高防水效果。1. 2. 2新奥法的不足1) 新奥法要求一次支护后达到变形相对稳定时再进行二次支护,等稳往往是等垮。2) 新奥法的二次支护是全断面等强度支护,而围岩荷载是不均匀的,因此常常在薄弱环节失稳,进而导致巷道破坏。3) 新奥法二次支护时间的选择, 必须基于大量细致的现场应力、 位移监测,但如何利用量测结果,也缺乏明确的围岩稳定性的判据。过程比较
10、繁杂,现场工程技术人员不容易接受,可操作性差。4) 在实际设计施工中, 受工程技术人员对新奥法的理解限制, 经常出现生搬硬套,或以为喷锚支护就是新奥法等, 易出现工程事故。1994 年10 月伦敦希思罗机场快速线采用新奥法施工的隧道发生塌方,甚至引发了一场始于英国, 波及国际的围绕新奥法的激烈争论。5) 如何达到新奥法提出的既安全又经济的最佳支护状态, 如何合理地确定支护力的大小及刚度、 支护时间及围岩最大允许变形量来实现支护的最佳状态等一系列问题,还没有解决。2软岩巷道支护理论的国内发展情况我国松软岩土体巷道支护技术研究工作始于1958 年。20世纪80 年代以来,与软岩工程相关的全国性学术
11、会议召开了20 余次, 使地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。2. 1轴变论于学馥教授在20世纪50 年代提出“轴变论”理论,它是运用连续介质和静力学方法提出来的理论,其基本要点如下:1) 地应力是引起围岩变形破坏的根本作用力,所以强调把工程所处的实测地应力作为力学分析的前提条件。 2)从具体的应力和围岩应力研究围岩变形破坏规律。3)不是所有的巷道都会出现像太沙基和普罗托吉雅夫理论所说的垮落拱。调整围岩应力分布状态可以使本来会破坏的巷道不破坏。4) 巷道垮落后的稳定轴比“ 高、 宽之比”是有规律的,它决定于地层原始应力(地应力)的分布状态。5)根据地应力、围岩应力、岩体力学性质和变形
12、特征,对地压进行分类是分析围岩变形破坏、地压活动规律和选择巷道维护方法的基础。 轴变论是分析围岩破坏规律的理论, 重点强调了轴比的重要性,并没有谈如何支护。2. 2联合支护理论冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的, 其观点可以概括为:对于巷道支护,一味强调支护刚度是不行的,特别是对于松软岩土围岩要先柔后刚, 先抗后让, 柔让适度,稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。2. 3锚喷-弧板支护理论 孙钧、郑雨天和朱效嘉等提出的锚喷-弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是:对软岩总是强
13、调放压是不行的,放压到一定程度后,要坚决顶住, 即采用高标号、 高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式,坚决限制和顶住围岩向中空位移。2. 4松动圈理论松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的,其主要内容是: 凡是坚硬围岩的裸露巷道, 其围岩松动圈都接近于零, 此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在,但并不需要支护。松动圈越大,收敛变形越大,支护难度就越大。因此,支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。锚喷支护机理: 根据围岩松动圈支护理论,锚喷支护的机理和支护参数应以松动圈的大小来确定。由于围岩松动圈产生过程中的碎胀力是支护的对象,因而可按分类表将其合并为3 种情况
14、, 以理论方法确定锚喷支护的参数。1)小松动圈支护机理。当 L = 0 40 cm 时, 称为小松动圈。当 L = 0 时,意味着开巷后围岩只有弹塑性变形,其变形量小,变形时间短, 因此不存在支护问题。对于整体性好、 耐风化的围岩可不支护，因此，锚、喷都无必要。通过工业试验, 单独使用喷混凝土支护的条件为L = 0 40 cm。2)中松动圈支护机理。当 L = 40 150 cm 时,称为中松动圈。围岩的碎胀力比较明显, 围岩的收敛变形将使喷层产生裂缝或破坏,因此, 必须用锚杆控制其变形。由于 L 值一般小于常用锚杆长度,因此可以用悬吊理论。但锚杆的悬吊对象是围岩松动圈在形成过程中的碎胀力,
15、其悬吊点为松动圈以外的岩体。锚固力大于4 kN 可满足支护要求。应当强调的是锚杆作为主体支护, 喷层将只作为锚杆间围岩的支护和防止围岩风化, 因此喷层厚度一般在50 100 mm。3) 大松动圈支护机理。当 L 150 cm 时, 称为大松动圈, 属软岩。L = 150 cm 是围岩松动圈支护理论划分为软岩的界线。该类岩石地压显现特征为压力大, 2 3 层料石碹常被压坏, 围岩变形量大,变形时间长,支护不成功时底鼓严重。对于这类围岩,必须选用较强的支护才能防止底鼓。合理的支护还应有一定的可缩性。在大松动圈围岩中施工的巷道,采用组合拱理论可以有效地进行支护。3软岩的概念软岩一般指巷道和隧道施工中
16、常遇到的各种含粘土的岩石，如泥岩或粘土岩、粘土页岩、泥质板岩及煤层底板的粘土层等，其中泥岩为最典型的软岩。泥岩中含有大量(50%70%以上)颗粒小于 0.005mm 的粘土。粘土的矿物成分有高岭土、伊利石或水云母和蒙脱石等。泥岩易于风干，置于水中几小时至几天崩解, 风干后再吸水则有或多或少膨胀性; 高岭土和伊利石膨胀性微弱。泥岩的膨胀性主要来自蒙脱石, 蒙脱石含量越高, 膨胀性越强烈。泥岩容重较轻、孔隙率大、含水量较高、单轴抗压强度较低、弹模低、泊松比高, 而且蠕变性强, 在低应力水平就发展到不稳定蠕变, 随着含水量的改变, 泥岩的一些物理性质随着改变。泥岩的强度低、塑性变形大、蠕变性强, 而且有的泥岩风干后再遇水有膨胀性。所以如果巷道底板赋存泥岩, 将表现为强烈的底鼓现象, 若巷道四周都是泥岩, 则各方
