軟巖大變形巷道剛?cè)峤Y(jié)合支護(hù)方法研究*
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作者：賈宏俊，王 輝
（山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東泰安271000）
摘要：深部軟巖地下工程圍巖穩(wěn)定性差且具有長期流變效應(yīng)，由于支護(hù)不利導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生大變形破壞問題趨于突出。針對(duì)以上問題，以某深部軟巖巷道工程建設(shè)為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，分析圍巖長期變形趨勢及破壞機(jī)理；針對(duì)圍巖破壞特征，提出“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的軟弱大變形巷道圍巖新型支護(hù)方法：考慮圍巖不同深度破壞情況不同，采用不同注漿方法分區(qū)域加固，形成“剛性”承載圈，并在巷道最外部設(shè)置緩沖層及可縮性U型鋼支架，形成柔性加固圈。利用有限元模型對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測變形數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了新型支護(hù)方案的合理性。
關(guān)鍵詞：深部軟巖；巷道；支護(hù)；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測
中圖分類號(hào)：X936；TD353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.1 1731/j. issn．1673-193x．2015. 10. 002
0 引言
隨著我國煤礦開采深度的不斷增大，巷道工程施工逐漸穿越更為深部的巖層。研究表明：巷道埋深超過800m后，在高地應(yīng)力作用下其圍巖表現(xiàn)出的力學(xué)特性、變形破壞特征與淺部相比明顯不同，圍巖支護(hù)難度增大，尤其是軟巖巷道。由于支護(hù)方法不當(dāng)導(dǎo)致的深部軟巖巷道失穩(wěn)破壞現(xiàn)象屢見不鮮，嚴(yán)重影響其正常使用，同時(shí)后期的反復(fù)維修不但影響工程施工，而且將消耗大量財(cái)力物力。
針對(duì)以上問題，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等手段，開展深部軟巖巷道圍巖力學(xué)特性、變形破壞機(jī)理及支護(hù)方式、支護(hù)強(qiáng)度和參數(shù)等方面的研究，為軟巖巷道穩(wěn)定性控制及變形破壞后的修復(fù)提供合理方法。深部巷道工程具有的典型特點(diǎn)是地質(zhì)條件差異較大且地應(yīng)力復(fù)雜多變，因此其變形破壞模式和支護(hù)方法不盡相同。目前，深部軟巖巷道工程的支護(hù)及變形破壞后的修復(fù)技術(shù)一直是采礦及巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
本文結(jié)合已有研究成果，以某礦區(qū)深部軟巖大變形巷道為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，研究圍巖變形破壞規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出一種“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的新型支護(hù)方法，為軟弱大變形巷道圍巖穩(wěn)定性控制并延長巷道安全服務(wù)期提供科學(xué)依據(jù)。
1 深部軟巖巷道圍巖變形破壞特征
某礦區(qū)軌道大巷設(shè)計(jì)長度795m，平均埋深1050m，服務(wù)年限20年，斷面形狀為半圓拱形，凈寬5m，凈高8.15m。巷道穿越巖體為褐灰色砂質(zhì)泥巖，巖性較差，且極不穩(wěn)定，在前期施工中，采用高強(qiáng)(22~ 24mm)錨桿及噴射混凝土支護(hù)，巷道使用一段時(shí)間后，由于圍巖變形量大導(dǎo)致無法正常使用，后經(jīng)多次維修圍巖變形仍無法得到有效控制。
1.1 圍巖變形破壞特點(diǎn)
根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及變形情況分析，歸納為以下幾點(diǎn)：①巷道圍巖變形破壞范圍大。通過圖l可以看出，巷道軸線方向圍巖發(fā)生了明顯的拱頂下沉、坍塌，拱腰片幫、巖體脫落等問題，整體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的斷面收斂和圍巖破壞。②變形量大。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，巷道斷面整體收縮變形量大，利用初始錨噴支護(hù)方案支護(hù)，巷道使用1個(gè)月后，拱頂平均下沉量大于120cm，有的位置高達(dá)150cm，兩幫擠入在150—200 cm之間。③圍巖變形持續(xù)時(shí)間長，且具有明顯的階段性�，F(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，圍巖變形具有明顯的流變性。巷道開挖支護(hù)后圍巖變形在10d左右達(dá)到較高水平，之后經(jīng)歷一段時(shí)間的緩慢變形后逐漸趨于穩(wěn)定�，F(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形如圖l所示。
1.2 圍巖破壞深度
巷道開挖后圍巖受到擾動(dòng)，其破碎區(qū)、塑性區(qū)大小是支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為進(jìn)一步掌握巷道圍巖破壞情況，通過鉆孔窺視技術(shù)，對(duì)破碎區(qū)、塑性區(qū)巖層的厚度進(jìn)行探測分析。
現(xiàn)場試驗(yàn)段深部巷道圍巖測試采用YS(B)型鉆孔窺視儀，鉆孔方位與巷道垂直，鉆頭直徑42mm。每個(gè)斷面布置7個(gè)探孔，分別位于拱頂、兩拱肩、兩幫和兩側(cè)拱腳，探孔設(shè)計(jì)深度為7~9m。通過鉆孔窺視，獲取不同深度圍巖變形破壞情況，圖2為部分鉆孔內(nèi)部圖像。分析圍巖破壞情況可知，隨著圍巖深度的增大，其破壞程度逐漸減��；不同位置處，圍巖的破壞情況并不一致，拱頂處破壞深度和范圍較拱腰處大。
根據(jù)不同探孔的探測結(jié)果，考慮不同深度、不同斷面位置處圍巖破壞程度，將圍巖分為破碎區(qū)、塑性區(qū)和完整區(qū)，其分布如圖3所示。通過圖3所示可以看出，破碎區(qū)深度大致分布在圍巖3m之內(nèi)，該區(qū)域圍巖松散破碎，裂隙較為發(fā)育；塑性區(qū)深度大致分布在圍巖3~7m，該區(qū)域內(nèi)巖體裂隙逐漸減少；當(dāng)深度超過7m后，開挖對(duì)圍巖影響較小，巖體完整性較好。
2深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制
在深部煤礦巷道支護(hù)工程中．支護(hù)方式的選擇及支護(hù)參數(shù)的確定往往是影響支護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)巷道長期穩(wěn)定的重要研究內(nèi)容。針對(duì)圍巖破壞情況，提出“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的大變形巷道圍巖新型支護(hù)方法，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值分析，為深部巷道的施工與設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。
2.1 支護(hù)方案
針對(duì)深部軟巖巷道破壞程度不同，將圍巖分為破碎區(qū)(0~3m)、塑性區(qū)(3~7m)和完整區(qū)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同破壞程度圍巖進(jìn)行加固并確保支護(hù)體系的完整性，同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果及巷道的長期穩(wěn)定性，根據(jù)破碎圍巖工程現(xiàn)場和室內(nèi)注漿擴(kuò)散試驗(yàn)成果，提出“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的大變形巷道圍巖新型支護(hù)方法，具體實(shí)施方案如下：
對(duì)0—3m范圍內(nèi)破壞區(qū)圍巖，注入水泥一水玻璃加固，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺部破碎圍巖封閉和加固的效果，為深部塑性區(qū)圍巖的高壓注漿提供條件；對(duì)3~7m范圍內(nèi)塑性區(qū)圍巖，由于巷道開挖影響較小，裂隙發(fā)育較弱，采用高壓注入化學(xué)漿加固；注漿結(jié)束后，設(shè)置長錨索，將注漿加固區(qū)與未受擾動(dòng)的完整區(qū)圍巖連接。以上方法實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的“剛性支護(hù)”。
考慮巷道存在的長期變形，“剛性支護(hù)”結(jié)束后，墊1~3層木板作為緩沖卸壓層，并架設(shè)可縮性U型鋼支架，實(shí)現(xiàn)抵御巷道長期變形的“柔性支護(hù)”。
針對(duì)松散破碎區(qū)和塑性區(qū)圍巖，根據(jù)其監(jiān)測深度分布采用ф22 mm x3000 mm和ф22 mm x7000mm注漿錨索，注漿結(jié)束后，設(shè)置的長錨索采用ф22mm×9000 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索；破壞區(qū)、塑性區(qū)注漿錨索和長錨索三者采用插花布置，其間排距分別為600 mm×600 mm、1200 mm x1200mm、1200 mm x1200 mm。底板采用ф22 mm×6200 mm高強(qiáng)鋼絞線錨索，其間排距為1300 mm×1300 mm，施加預(yù)緊力為150 kN。掘巷后兩個(gè)月，待硐室變形穩(wěn)定后，開始澆筑鋼筋混凝土，澆筑厚度為500 mm。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。
2.2 支護(hù)方案數(shù)值模擬
根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告，計(jì)算斷面選取巷道埋深為840m。數(shù)值計(jì)算選取的模型大小為150m×150m，以巷道底板中點(diǎn)作為模型中心。模型左右側(cè)邊界施加X方向水平方向約束，底部邊界施加Y方向豎直方向約束，整個(gè)模型施加巖體自重壓力。根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，在模型上方施加13. 50MPa的壓應(yīng)力，側(cè)壓力系數(shù)為0. 82。選用摩爾一庫倫屈服準(zhǔn)則來模擬圍巖的變形破壞性質(zhì)。巖層分布如圖5所示。
根據(jù)巖體力學(xué)試驗(yàn)和工程勘察資料，確定圍巖力學(xué)參數(shù)取值見表1。
為研究所提出的“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的軟弱大變形巷道新型支護(hù)方法的支護(hù)效果，應(yīng)用有限元軟件( ABAQUS)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值計(jì)算中，注漿加固圈的支護(hù)效果通過提高注漿范圍內(nèi)圍巖的力學(xué)參數(shù)來模擬。研究表明，圍巖在進(jìn)行注漿加固以后，其力學(xué)參數(shù)會(huì)有顯著提高，彈性模量一般的都能提高30%以上，粘聚力和內(nèi)摩擦角都能提高20%~30%，同時(shí)考慮現(xiàn)場支護(hù)效果，確定注漿加固區(qū)計(jì)算參數(shù)（見表2）。
支護(hù)方案數(shù)值模擬共分為三步：①模型邊界施加初始應(yīng)力進(jìn)行地應(yīng)力平衡；②巷道開挖并對(duì)圍巖注漿加固，同時(shí)安裝長錨索；③根據(jù)施工進(jìn)度，待注漿后30天，施工緩沖卸壓層和U型鋼支架。有限元計(jì)算模型如圖6所示。
圖7為新型支護(hù)方案下圍巖變形及塑性區(qū)分布模擬結(jié)果。在新型支護(hù)條件下，拱頂下沉量僅為7. 44 mm，底鼓量約為31. 52mm；圍巖塑性區(qū)主要分布于巷道兩幫和兩側(cè)底角位置，最深處約為1. 82m。與初始支護(hù)方案下圍巖變形量監(jiān)測及其變形破壞范圍探測結(jié)果對(duì)比可以看出，新型支護(hù)方案下圍巖變形以及塑性區(qū)面積及深度均有明顯減少。
數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，新型支護(hù)方案對(duì)巷道起到了良好的保護(hù)作用，對(duì)于改善圍巖受力狀態(tài)，控制巷道變形，降低松動(dòng)區(qū)范圍效果明顯。
2.3支護(hù)效果
為了監(jiān)測巷道的變形情況，在整修段巷道內(nèi)從外口向里80m布置了第一個(gè)監(jiān)測斷面，然后每隔50m布置下一個(gè)監(jiān)測斷面，共布置了5個(gè)監(jiān)測斷面。在每個(gè)監(jiān)測斷面上，巷道頂板正中位置布置紅外頂板離層儀，用以監(jiān)測整修后巷道的頂板變形情況；在巷道兩幫布置多點(diǎn)位移計(jì)，用以監(jiān)測巷道兩幫的變形情況。現(xiàn)場監(jiān)測變形隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8所
示，可以看出：經(jīng)過近5個(gè)月的監(jiān)測可知，整修段巷道每個(gè)監(jiān)測斷面頂?shù)装迨諗孔冃沃稻芸刂圃?0mm以內(nèi)，兩幫收斂量低于15mm，且巷道后期變形逐漸趨于穩(wěn)定。
圖9為巷道支護(hù)5個(gè)月后的現(xiàn)場效果圖，可以看出在新型支護(hù)方案下，圍巖變形得到了有效控制，經(jīng)過近5個(gè)月的現(xiàn)場位移監(jiān)測表明，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，工業(yè)試驗(yàn)后巷道斷面收斂率低于5%。表明新型支護(hù)方案能夠滿足深部軟巖巷道穩(wěn)定性控制的要求。
3結(jié)論
1)以某深部軟巖巷道工程建設(shè)為例，采用現(xiàn)場圍巖變形監(jiān)測、松動(dòng)區(qū)鉆孔探測等方法，分析圍巖長期變形趨勢及破壞機(jī)理。
2)針對(duì)圍巖破壞特征，提出了“剛?cè)?rdquo;結(jié)合的軟弱大變形巷道圍巖新型支護(hù)方法：根據(jù)圍巖破壞深度不同，采用不同注漿方法分區(qū)域加固，形成“剛性”承載圈，并在巷道最外部設(shè)置緩沖層及可縮性U型鋼支架，形成柔性加固圈。
3)利用有限元模型對(duì)新型支護(hù)方法的支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測變形數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證新型支護(hù)方案的合理性。在新型支護(hù)方案下，圍巖變形得到了有效控制，工業(yè)試驗(yàn)后巷道斷面收斂率低于5%。表明新型支護(hù)方案能夠滿足深部軟巖巷道穩(wěn)定性控制的要求，對(duì)類似工程的施工具有一定的指導(dǎo)意義。
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