深部隧洞支护技术探讨

2022-03-06 08:14:05 | 浏览次数：

摘要：本文探討了深部岩体存在“三高一扰动”的特点，开挖过程中易出现一系列的灾害事故。研究了深部岩巷围岩三种支护机理：卸压减跨原理、等协调支护理论、让压支护原理。针对深部高应力作用下的完整围岩、较完整围岩、破碎围岩、软弱围岩分别提出了相应的支护手段，保证隧道安全。特别是软弱围岩，提出“高强、完整、让压”的支护方案。

关键词：深部支护原理支护措施

一、引言

随着人们生活质量的提高，对交通运输的舒适提出了更高的要求，隧洞的开挖逐渐进入深部；随着对能源需求量的不断增加，开挖也逐渐进入深部。深部岩层处于“三高一扰动”的特殊地质环境，在深部开挖隧道，施工作业环境恶劣，支护困难，维修困难，安全和质量难以保证，从而导致大面积塌方冒顶、瓦斯爆炸、拱顶下沉、底板突水等一系列灾害事故，造成重大经济损失和人员伤亡。使用传统的适用于浅层围岩的支护技术已经很难控制这些问题的发生，因此，有必要对深部隧洞的支护措施进行研究。早在20世纪70年代初，俄罗斯和南非的学者对深部矿井进行现场观测和室内模拟，研究适用于深部岩体大变形特征的施工方法。近10年，国内学者也开始关注深部岩体，钱七虎院士在淮南煤矿和锦屏水电站二级辅助巷道现场进行实测，研究深部岩体分区破裂化现象，进一步找到合理的支护方案。刘泉生等针对对深部隧道进行研究发现：深部岩体破碎且表现出强烈非线性力学现象的特点，采用软件分析其变变形机制，提出分步联合支护。李树清等对比浅部围岩破裂带，发现深部隧洞存在分区破裂化现象，保证深部隧洞围岩稳定，关键是控制支护强度，只有采用支护强度大于0.3 MPa时，才能很好的控制隧道的大变形。

二、支护原理

1.卸压减跨原理。深部岩体与浅部岩体一个最大的区别在于深部岩体存在高地应力，开挖过程当中伴随岩爆现象，使得施工困难，存在较大的安全隐患。所谓的卸压减跨即在隧洞的开挖过程中，先开挖较小断面的隧洞或采用分部开挖的方法，释放一部分储存在岩体的形变能，减轻支护难度，然后逐步扩大断面至设计断面大小。及时采用锚杆（索）支护，锚杆（索）将破碎岩体连成一个整体，变成梁-拱结构，减少隧洞跨度。

2.等强协调支护理论，深部隧洞围岩的变形较大，变形持续时间长，而岩体属于脆性材料，抗拉强度非常低，抗压强度很高。所谓等强协调支护理论即根据经验选择高强度预应力锚杆（索）组合支护，通过高强度预应力锚杆与深部围岩的粘结摩擦作用，使扰动岩体与原岩形成一个整体，减少围岩中的拉应力，使围岩由二向受压状态转变为三向受压状态，充分发挥围岩受力性能，提高围岩的整体性。

3.让压支护原理。高应力作用下的软岩隧洞，对初期支护的破坏是一定会发生的，必须借助喷锚支护系统的柔性让压才能充分发挥围岩的自承能力。二次支护设置的钢拱架设置让压装置，可防止围岩变形过大导致钢材屈服破坏。

三、支护措施

隧洞的开挖破坏了本来处于平衡的围岩状态，岩体有一定的自稳能力，通过应力重分布，进而达到一个新的平衡。深部岩体中蕴含了大量的弹性变形能、构造错动能和剪胀扩容能，开挖过程中，这些能量的释放是通过围岩变形来实现的。要维护围岩稳定，必须采用相应的支护参数来控制。不同的地质环境所用的支护方法和支护参数是不一样的。

1.对高应力作用下完整围岩，这种围岩节理虽说不发育但在开挖过程中通常伴随着岩爆现象，变形较大，为改善围岩应力状态，应从支护设备和支护材料着手，采用主动支护，且一次支护到位。通常采用高延伸率高强度预应力锚杆支护即可控制围岩稳定。

2.对于高应力作用下较完整层状围岩，存在块状或层状结构，必须从严格控制变形出发，避免顶板岩层个分层相对错动分离，产生离层现象。离层现象会导致拱顶围岩下沉，稳定性减低。对这种围岩，除采用高延伸率高强度预应力锚杆支护与高强度锚索联合支护以外，还需采用壁后回填方式修复已破碎的围岩，减少围岩变形。

3.对高应力作用下破碎围岩，节理发育，围岩自稳能力较差。高应力会使围岩离层，必须及早封闭围岩，防止围岩离层导致的大变形失控。开挖前对开挖面前方围岩进行预支护或与加固；开挖过程中，采用施工临时支护措施；开挖后立即实施高刚度被动棚式支护+喷锚联合支护，高强度预应力锚杆（索）要打入原岩未扰动区。此外，壁后应回填，减少应力集中。

4.对高应力作用下软弱围岩，围岩表现出流变的性质，开挖后围岩变形非常大，单纯的靠喷射混凝土+高强度锚杆（索）已经很难维护围岩的稳定，支护应充分考虑地应力大小、围岩强度等级等因素设置。目前我国用于深部的支护形式是U型钢联合支护，这种支护本身存在如下缺陷：用钢量大，性价比较低，支护强度低，存在紧锁力不足且不能定量让压，不能很好的满足复杂地质条件下软弱围岩的支护要求。为合理控制深部软岩隧洞大变形，笔者推荐采用高强UCC型让压拱架、SQCC定量让压拱架及其他截面形式的高强拱架，壁后应回填。

四、结语

1.深部岩体与浅部岩体有着本质的区别，简述了深部岩体的特点。

2.研究了深部岩巷围岩三种支护机理：卸压减跨原理、等协调支护理论、让压支护原理。

3.针对深部高应力作用下的完整围岩、较完整围岩、破碎围岩、软弱围岩分别提出了相应的支护手段，保证隧道安全。特别是软弱围岩，提出“高强、完整、让压”的支护方案。

参考文献：

[1] 李术才，王汉鹏，钱七虎，李树忱，范庆忠，袁亮，薛俊华，张庆松.深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究[J].岩石力学与工程学报，2008，08：1545-1553.

[2] 刘泉声，卢兴利. 煤矿深部巷道破裂围岩非线性大变形及支护对策研究[J]. 岩土力学， 2010， 31（10）： 3273-3279.

[3] 李树清，王卫军，潘长良. 深部巷道围岩承载结构的数值分析[J]. 岩土工程学报， 2006， 28（3）： 377-381.

[4]万世文.深部大跨度巷道失稳机理与围岩控制技术研究[D].中国矿业大学，2011.

[5]孟德军，杨庄.矿软岩巷道钢管混凝土支架支护理论与技术研宄[J].中国矿业大学（北京），2013.

[6]王琦，李术才，王汉鹏，等.可缩式钢管混凝土支架力学性能及经济效益[J].山东大学学报：工学版，2011，41（5）：103-113.

[7]李智.深部巷道型约束混凝土拱架力学性能研究及应用[D].山东大学，2013.