巷道支护时机与围岩级别关系的研究.PDF

文章编号 1003- 5923200304- 00011- 03 巷道支护时机与围岩级别关系的研究 荣 耀 重庆交通学院,重庆400074 摘 要巷道围岩支护时机与初始地应力、 开挖方式、 开挖进度、 围岩级别等密切相关,本文从围岩级别与 巷道围岩支护时机关系进行初步探讨,可为巷道围岩支护施工提供参考。 关键词巷道支护时机;围岩级别 中图分类号 TD353 文献标识码 A 自六十年代奥地利专家提出新奥法以来,锚喷 支护得到了广泛的应用,在巷道设计和施工过程 中,如何确定比较安全合理的支护参数从而保证围 岩的稳定,并适时的构筑支护结构是其中的关键问 题。 目前随着支护技术的发展,逐步把临时支护与 永久支护合并考虑,临时支护亦作为永久支护的一 个重要部分。 喷锚支护、 钢纤维喷混凝土支护就是 实例。 应该指出,巷道支护过程实质上就是控制巷 道岩体内的应力应变的变化过程,因此分阶段 地、 有预计地进行支护作业是很重要的,故支护时 机是很值得研究的。 1 支护时机分析 支护过晚会使围岩产生过度的位移而接近破 坏极限平衡 , 因此,支护结构应在巷道围岩达到 极限平衡之前开始发挥作用。 巷道开挖后要及时 地、 尽快地支护,其目的在于控制围岩的初始位移。 这一点在硐室埋深小、 围岩力学性能、 稳定性差的 情况下,尤其重要。 因为在这种场合,几厘米的径向 位移就会造成围岩有害的松弛。 在支护结构和围岩 共同工作与共同变形的过程中所表现出来巷帮位 移、 矿压、 支护时间、 支护结构种类之间的关系,可 通过图1表现出来。 图中压力pi表示围岩作用于支护上的压应 力,也是支护给围岩的径向约束压应力的反作用 力,讨论围岩变形稳定问题时是以讨论支护给围岩 的径向约束压力与围岩相对位移的关系为中心,而 在讨论支护结构设计时,则是以讨论作用于支护结 构上的压力为中心。 图1中的pi值既表示矿山压力 又表示径向约束压应力,即支护反力。 图中曲线1表 示巷道开挖后在不同时机进行支护或是采用不同 刚度进行支护的,在围岩变形稳定时,约束压应力 与巷道变形量的关系曲线。 图中纵坐标表示约束压 应力,亦表示围岩压力,横坐标表示巷道变形量。 曲 线1上的最低约束压应力pi,m in值表示围岩出现松 动区的最大约束压应力,支护结构提供的约束压应 力低于此值时,围岩就开始出现松动区。 假如较早 地提出大于pi,m in的径向约束压应力,围岩就不会 产生松动。 曲线1上pi,m in点的左侧部分的曲线上的 各点表示变形稳定时围岩内只有弹性区和强度下 降区,而右侧部分的曲线上的各点表示变形稳定时 围岩内除有弹性区和强度下降区外,还有松动区。 曲线2是表示巷道开挖后围岩已经产生了一定变位 后才用某一定刚度的支护结构进行支护,在支护结 构与围岩共同变形中,支护的约束力和围岩压力之 间相互作用的压力增长曲线。 曲线1和2的交点A 所对应的纵坐标表示围岩变形稳定时,支护结构作 用在围岩上的径向约束力,横坐标表示围岩位移 量。 将曲线1上的约束力用P i来表示,则当围岩条 件一定时,P i值与支护结构的刚度有关,也与支 护时机有关。 假如在同一位置、 同一时间换成刚度 更大的支护结构进行支护时,则由于支护结构的刚 度加大,使得围岩位移量减小,而支护提供的径向 约束力则增大,图中以曲线3表示,此时,它与曲线1 的交点B应在A点的左侧。 在变形稳定时B处的 约束压应力为p ˚ i,p ˚ i值大于p i值。 假如开挖巷道 后不及时进行支护,围岩变形受不到约束,在岩石 强度较低、 原始地应力较高,围岩变形就会出现有 收稿日期 2003- 02- 20 作者简介荣耀1979 , 江西萍乡人,硕士研究生,研究方向为岩土与结构物的相互作用。 11矿山压力与顶板管理 2003.№4 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 径向应力、 时间与变形图 害的松动状态。 此时欲阻止松动状态的发展,则要 求支护结构不仅要承受深部围岩压力,还要承受松 动了的围岩作用给支护的松动压力,如图中曲线4 所示。 曲线4与曲线1的交点C的坐标则表示此时 的约束力p i和围岩变形量。 此时,p i值大于 pi,m in,并位于A点的右侧,围岩处于上述状态下是 一种不稳定的平衡状态,一旦支护结构破坏,围岩 的松动区则要继续发展,直到破坏。 曲线5表示巷道开挖后,在围岩发生应力再分 配过程中进行支护作业时,围岩变形随时间变化的 关系曲线,此曲线具有四个特征的时期,这些时期 表示对应支护结构构筑的各个阶段围岩变形的变 化规律。 同样刚度的支护结构,支设的时间不同,最后 达成平衡的状态也不同。 如曲线2中较曲线3中所要 求的支护阻力小,但这不等于说,支护参与工作的 时间愈迟愈好,因为初始变形不加控制会导致围岩 的迅速松弛、 崩塌。 因此,原则上要对初始变形的增 长效应加以限制,即避免有害的松弛。 例如,当初始 位移达到u4时再支设初次支护,就为时过晚。 反过 来说,但也不是都要求愈早愈好。 例如,在埋深大的 塑性岩体中,位移即使达到20～30 cm ,岩体还是处 在应力释放过程中,此时只要求能逐步控制这个变 形的速度就可以了。 过早地控制它的发展反而有 害。 从巷道的弹塑性分析可看出[2],支护时间的选 择对其稳定有很大的影响,在确定巷道的支护时间 时,宜在围岩即将发生塑性变形时进行。 而选择适 宜的支护时间将使支护所承受的应变能既不能很 大但也不能最小,围岩的应变能则保持相对稳定, 达到了保证支护稳定,降低工程造价的效果。 2 围岩分级 根据 建筑地基基础设计规范 岩石的坚硬程 度按表1分为坚硬岩、 较硬岩、 较软岩、 软岩和极软 岩 岩体的完整程度按表2划分为完整、 较完整、 较 破碎、 破碎和极破碎 公路隧道设计规范 的隧道围岩分类见表3。 表1 岩石的坚硬程度分类 类 别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 饱和单轴 抗压强度 标准值 ftkM Pa ftk 6060≥ftk 30 30≥ftk 15 15≥ftk 5ftk≤5 表2 岩体的完整程度分级 完整程度 等 级 完整较完整较破碎破碎极破碎 完整性 指数 0. 75 0. 75～0. 55 0. 55～0. 35 0. 35～0. 15 60M Pa , 受地质构造影响轻 微,节理不发育,无软弱面或夹层 , 层状岩层为厚层,层间结 合良好 呈巨块状整体结构 围岩稳定、 无坍塌,可能 产生岩爆 ˝ 硬质岩石Rb 30M Pa , 受地质构造影响较重,节理较发育,有 少量软弱面,但其产状及组合关系不致产生滑动;层状岩层为 中层或厚层,层间结合一般,很少有分离现象,或为硬质岩石偶 夹软质岩石 呈大块状砌体结构 软质岩石Rb≈30M Pa , 受地质构造影响轻微,节理不发育;层 状岩层为厚层,层间结合良好 呈巨块状整体结构 暴露时间长,可能会出现 局部小坍塌;侧壁稳定; 层间结合差的平缓岩层, 顶板易塌落 硬质岩石Rb 30M Pa , 受地质构造影响严重,节理发育,有层 状软弱面或夹层 , 但其产状及组合关系尚不致产生滑动;层 状岩层为中层或薄层,层间结合差,多有分离现象,或为硬、 软 质岩石互层 呈块石碎石状镶嵌 结构 软质岩石Rb 5～30M Pa , 受地质构造影响严重,节理较发 育;层状岩层为薄层、 中层或厚层,层间结合一般 呈大块状砌体结构 拱部无支护时可产生小 坍塌,侧壁基本稳定,爆 破震动过大易塌 硬质岩石Rb 30M Pa , 受地质构造影响很严重,节理很发育, 层状软弱面或夹层已基本被破坏 呈碎石压碎结构 软质岩石Rb 5～30M Pa , 受地质构造影响严重,节理发育 呈块石碎石状镶嵌 结构 1.略具压密或成岩作用的粘性土 2.一般钙质、 铁质胶结的碎、 卵石土、 大块石土 3.黄土Q1、Q2 1.呈大块状压密结构 2.呈巨块状整体结构 3.呈巨块状整体结构 拱部无支护时,可产生较 大的坍塌,侧壁有时失去 稳定 ˚ 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内,裂隙杂乱,呈石夹土或土 夹石状 呈角砾碎石状松散 结构 一般第四系的半干硬 ～ 硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、 卵石土,圆砾、 角砾土及黄土Q3、Q4 非粘性土呈松散结构,粘 性土及黄土呈松软结构 围岩易坍塌,处理不当会 出现大坍塌,侧壁经常小 坍塌,浅埋时易出现地表 下沉陷或坍到地表 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内,呈角砾、 砂、 泥松软体呈松软结构 软塑状粘土及潮湿的粉细砂等 粘性土呈蠕动的松软件 包结构,砂性土呈潮湿松 散结构 围岩极易坍塌变形,有水 时土砂常与水一齐涌出, 浅埋时易坍至地表 4 结论 1巷道围岩支护时机对于整个工程有很重 要的作用,不同时间的支护,产生的支护效果有很 大的差别,且所需要的支护结构也是不同的。 2根据隧道围岩级别确定大致的支护时机, 好的围岩拱顶一般为3d,侧墙可以超过3d,对于非 常好的,可不做一次衬砌;较好的围岩拱顶约为 12h,侧墙可稍长一些,一般的围岩,拱顶为2～3h, 然后做侧墙的支护,差的围岩一般为1～2h,极差 的围岩应做超前支护,以确保围岩开挖后稳定性。 参考文献 [ 1] 铁道部人事司.隧道与地下工程[M ].成都西南交通出版 社, 2000. [2] 林勇.隧道支护与围岩自承问题的讨论[J ].公路隧道, 2000, 3 7- 12. [3] 中国国家标准.建筑地基基础设计规范GB 50007- 2002 [S].北京中国建筑工业出版社, 2002. [ 4] 中国行业标准.公路隧道设计规范JTJ 026- 90 [S].北京 人民交通出版社, 1990. 上接第10页 5 结语 张双楼煤矿- 500水平东二大巷采用拱形可缩 性金属支架支护后,经过一年多的观察,支架控制 了围岩的变形,达到了设计要求,满足了矿井正常 生产运输和通风的要求。 在巷道支护方式的选取上,要仔细分析地质特 征,准确观测岩性的变化,以及时确定合适有效的 支护方式。 参考文献 [1] 侯朝炯.巷道金属支架[M ].北京煤炭工业出版社, 1989. [ 2] 袁和生.煤矿巷道锚杆支护技术[M ].北京煤炭工业出版 社, 1997. 4546. 31矿山压力与顶板管理 2003.№4 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.