地下工程軟巖支護(hù)施工技術(shù)分析*

汪韻雅，彭巖巖，包春燕

（紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

地下工程開挖后，為保證其安全可靠，一般要進(jìn)行支護(hù)工作。隨著國(guó)家地下工程建設(shè)的進(jìn)一步體制化，軟弱圍巖支護(hù)的相關(guān)問題引發(fā)了國(guó)內(nèi)外工程師的廣泛關(guān)注。而對(duì)于軟弱圍巖的支護(hù)方法，目前國(guó)內(nèi)外都還沒有形成一套完整良好的解決方案。受開挖作用的影響，地下工程圍巖會(huì)因受到擾動(dòng)而失去原有的平衡狀態(tài)，在圍巖受到的重分布應(yīng)力作用超過其承載能力時(shí)，圍巖會(huì)發(fā)生變形或破壞現(xiàn)象，此時(shí)采用軟弱圍巖支護(hù)兼顧加固技術(shù)，可較好地解決類似問題。

1 地下工程圍巖支護(hù)施工技術(shù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)軟巖工程建設(shè)大多采用地下工程開挖并支護(hù)加固后挖掘的方法，直到圍巖和支撐體一次又一次變形或者發(fā)生破壞后再進(jìn)行一次或重復(fù)多次的修復(fù)，直到最終破壞不能使用。但這樣破壞和再修復(fù)的無限循環(huán)，不僅耗費(fèi)人力物力，還耗費(fèi)金錢，且不能保證工程的安全性[1]。根據(jù)以往資料調(diào)查和工程實(shí)例情況可以得出：在應(yīng)力重分布后，軟弱圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和變形特征是復(fù)雜多樣的，這嚴(yán)重阻礙了我國(guó)地下軟弱圍巖支護(hù)工程建設(shè)的發(fā)展。為此，當(dāng)?shù)叵鹿こ涕_挖引起應(yīng)力重分布時(shí)，應(yīng)對(duì)軟巖進(jìn)行支護(hù)加固。針對(duì)不同地區(qū)的軟巖產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不同的情況，軟弱圍巖的巷道支護(hù)應(yīng)做出不同的設(shè)計(jì)考慮，以達(dá)到其經(jīng)濟(jì)性與安全性并存的目的[2]。

1.1 金屬支架和砌碹支護(hù)技術(shù)

金屬支架（見圖1）是被動(dòng)承受承載力的支護(hù)方法，主要作用在巷道圍巖上。金屬支架支護(hù)巷道一般采用由11號(hào)或9號(hào)工字鋼制作而成的剛性支架，結(jié)構(gòu)為一兩柱。單個(gè)金屬支架的受力來源主要源于x軸方向的水平應(yīng)力和y軸方向的垂直應(yīng)力，且應(yīng)力方向都指向巷道開挖區(qū)段。

金屬支架技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)軟巖巷道支護(hù)平衡，提高其對(duì)軟巖的適應(yīng)性和穩(wěn)定性[3]。但其缺點(diǎn)則是對(duì)巷道圍巖變形的控制僅僅是被動(dòng)抵抗，對(duì)軟巖變形或破壞的控制并不明顯。隨著開采深度逐年遞增，從而加大了支護(hù)成本，且效果甚微，因而這種基礎(chǔ)金屬支架無法適應(yīng)更高的變形需求。而砌碹支護(hù)（見圖2）與金屬支架相比，雖然也是被動(dòng)承受承載力的支護(hù)技術(shù)，但其連續(xù)性和整體性對(duì)控制地壓有優(yōu)越性，同時(shí)砌碹支護(hù)防風(fēng)化、堅(jiān)固耐久、防火防水的性能也較金屬支架好，且其被動(dòng)承載變形的性質(zhì)使其承擔(dān)了較高的強(qiáng)度和承載力。不過砌碹支護(hù)不能立即產(chǎn)生支撐能力、需養(yǎng)護(hù)、施工速度慢、機(jī)械化差、成本高、綜合勞動(dòng)率低的表現(xiàn)也讓它在高應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，難以承擔(dān)巷道支護(hù)的重任[2]。

圖1 煤礦井下拆除液壓支架的掩護(hù)架制造技術(shù)

圖2 砌碹支護(hù)（單位：mm）

1.2 注漿加固技術(shù)

注漿加固技術(shù)適用于軟弱破碎巖層。注漿所選用錨桿通過無縫鋼管冷拔或者焊接兩種方式制成[4]。為此，既可以錨固，又可以作為注漿管進(jìn)行注漿，膠結(jié)破碎巖塊使之成為整體，分帶支架荷載。注漿加固技術(shù)是在原有（正?；蚍钦＃┲ёo(hù)存在的基礎(chǔ)之上，通過適當(dāng)松動(dòng)圍巖進(jìn)行注漿，提高裂隙聚集力及內(nèi)摩擦角，增加巖層內(nèi)部的摩擦阻力，阻止巖層間斷面的剪切作用，從而增強(qiáng)圍巖承載能力和保證圍巖的自身完整體系，與原有支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)互補(bǔ)，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[5]。

1.3 鋼筋混凝土復(fù)合支撐支架

鋼筋混凝土復(fù)合支撐支架（見圖3）適用于壓力大，不受回采影響的開拓巷道和準(zhǔn)備巷道?！板^桿+金屬網(wǎng)+噴混凝土”作為其第一部分支撐構(gòu)件，“鋼筋混凝土+兩個(gè)支架加固錨索+鋼纖維混凝土拱”的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為其第二部分支撐構(gòu)件。滾動(dòng)軸承支架模型由壓縮拱、閥體和支架合力承擔(dān)，用來加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，形成相對(duì)阻力承擔(dān)外圍巖石[6]。

圖3 大體積混凝土鋼筋支架示意圖

1.4 錨桿及組合錨桿支護(hù)

錨桿及組合錨桿支護(hù)（見圖4）適用于同其他支護(hù)形式相結(jié)合的各種隧道支護(hù)以及受開采影響的巷道支護(hù)，主要是由組合錨桿支護(hù)進(jìn)行承擔(dān)[7]。該支護(hù)方式能夠使錨索一端深入底部巖層，另一端則進(jìn)行預(yù)加載步驟，通過“錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”組合支護(hù)支撐構(gòu)件幫助加強(qiáng)其支護(hù)效果。當(dāng)出現(xiàn)巷道大斷面的情況時(shí)，由于地應(yīng)力往往過大，普通的單一錨桿支桿件系工作得到的效果不佳，依舊會(huì)導(dǎo)致拱部受損嚴(yán)重，因此在地壓過大的深度控制軟巖地下工程施工中，應(yīng)使用高強(qiáng)度支護(hù)措施控制深度地應(yīng)力[8]。

圖4 錨桿支護(hù)組成示意圖

1.5 聯(lián)合支護(hù)

（1）錨桿+噴射混凝土。錨桿和噴射混凝土支護(hù)與軟弱圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，采用錨噴組合支護(hù)設(shè)計(jì)方式，能夠有效控制軟巖變形和破壞，及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整軟弱圍巖的應(yīng)力分布，與周圍巖體建立互動(dòng)關(guān)系。這項(xiàng)技術(shù)合理且滿足低成本和及時(shí)性，但由于其適用范圍只限于特定范圍內(nèi)的巖體，因此該項(xiàng)技術(shù)缺乏實(shí)用性和可靠性，且存在突變的安全問題，即缺乏安全性[9]。

（2）錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)。采用錨網(wǎng)噴組合支護(hù)，首先，對(duì)錨桿進(jìn)行錨固，確保拉拔力大于某一特定設(shè)置值或計(jì)算值；其次，進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施；最后，在比較容易發(fā)生軟弱圍巖冒落（或爆破風(fēng)險(xiǎn)）的區(qū)域設(shè)置超前錨桿打入巖層內(nèi)用來控制頂板。此法具有較高的支護(hù)效果，且所需費(fèi)用較低，可靠安全，無需耗費(fèi)過多人力物力，巷道后期的維護(hù)也十分方便，機(jī)巷支護(hù)斷面見圖5[10]。

圖5 機(jī)巷支護(hù)斷面圖（單位：mm）

2 圍巖支護(hù)施工技術(shù)比較

從以上方案及建議可以看出金屬支架和砌碹支護(hù)技術(shù)雖然能提高對(duì)軟巖的適應(yīng)性、穩(wěn)定性以及承載能力，但成本高且綜合勞動(dòng)率低，不適宜長(zhǎng)期承擔(dān)支護(hù)重任。注漿加固技術(shù)是通過鉆孔將裂隙由上到下以堵封滲透的方式加固薄弱帶，以此提高巖體整體抗壓能力和圍巖強(qiáng)度的一種方案，也是目前地下工程軟巖支護(hù)加固方面較為常見的一種技術(shù)。對(duì)于組合支護(hù)技術(shù)的適用范圍，常以巷道埋深情況和變形破壞程度決定：①巷道埋深小于400m，位移量不大于20mm時(shí)，除個(gè)別破碎層（或帶）以外，圍巖一般不需要進(jìn)行修復(fù)或加固；②埋深在400～600m，位移量在30～50mm，巷道出現(xiàn)少量底鼓，圍巖成片狀或條帶狀剝落，局部區(qū)域漏出原巖時(shí)，需先清除破壞部分，采用補(bǔ)打錨桿+掛網(wǎng)噴漿，同時(shí)對(duì)圍巖壓力大的區(qū)域疊加注漿加固；③巷道埋深在600～800m，底鼓、底腳內(nèi)移、水溝擠裂，巷道兩肩開裂甚至冒落，破壞程度至半時(shí)，需疊加錨索或配合注漿加固；④對(duì)深埋巷道類型（埋深＞800m），在上述支護(hù)技術(shù)難以發(fā)揮作用時(shí)，應(yīng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行專項(xiàng)研究，預(yù)防在前，修補(bǔ)調(diào)整在后[11]。

3 結(jié)論

我國(guó)軟弱圍巖分布廣泛，表現(xiàn)形式多種多樣，圍巖巖性相差范圍較大。這種圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、承載能力弱，若不采取強(qiáng)力有效的支護(hù)施工技術(shù)，可能會(huì)在施工過程中出現(xiàn)圍巖變形甚至引發(fā)坍塌，不僅影響正常施工，還會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。為此文章介紹了五種不同地下工程軟巖施工支護(hù)技術(shù)的原理和方法，結(jié)合實(shí)際分析了各施工技術(shù)在各方面的優(yōu)勢(shì)和弱勢(shì)。只有針對(duì)各支護(hù)技術(shù)的優(yōu)劣選擇更加合理有效的方法，才能更安全及高質(zhì)量地完成地下作業(yè)。