軟巖工程實(shí)用加固技術(shù)研究報(bào)告可行性研究報(bào)告

1、-.z.關(guān)于軟巖工程實(shí)用加固技術(shù)研究可研報(bào)告一、項(xiàng)目背景和必要性二、項(xiàng)目實(shí)施阻礙因素三、軟巖加固在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀四、項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)極其分類一、項(xiàng)目背景和必要性由于深部巖體處于復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境，使得深部巖體表現(xiàn)出的力學(xué)特性與淺部開采時(shí)往往具有很大的差異，并且，隨著開采深度的增加，伴隨著硬巖礦井向軟巖礦井的轉(zhuǎn)型。在淺部開采基礎(chǔ)上發(fā)展起來的傳統(tǒng)加固理論、設(shè)計(jì)方法及技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)深部巷道加固的要求，尤其是深部軟巖巷道加固涉及及實(shí)際的需要。隨著開采深度不斷增加，受高應(yīng)力的影響，軟巖問題愈加嚴(yán)重，深部圍巖處于軟巖狀態(tài)，施工條件趨于復(fù)雜化，巷道及硐室加固的難度和劈壞程度不斷增加。底臌是煤礦巷道中經(jīng)常發(fā)生的

2、動(dòng)力現(xiàn)象，巷道底臌使斷面縮小，阻礙運(yùn)輸、通風(fēng)和人員性能走，因底臌而造成巷道報(bào)廢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。嚴(yán)重影響生產(chǎn)和威脅安全。軟巖巷道加固問題日益突出。研究高效而經(jīng)濟(jì)的軟巖巷道加固方法，是目前礦井生產(chǎn)急需解決的問題。軟巖是我國煤炭系統(tǒng)的習(xí)慣用語。它的概念已不是狹義的字面含義。目前人們普遍認(rèn)可的軟巖包括松散型軟巖、破碎型軟巖、流變型軟巖、膨脹型軟巖和高地應(yīng)力型（硬巖軟化型軟巖）。而軟巖多松散破碎，結(jié)構(gòu)疏松，容重低，孔隙率較高，強(qiáng)度小，穩(wěn)定性差，并且易吸水崩解，膨脹性強(qiáng)。因此，軟巖巷道自穩(wěn)性差，圍巖壓力大，來壓快，自穩(wěn)時(shí)間短，變形量大且持續(xù)時(shí)間長，速度快，范圍廣，具有很大的危害。因此，如何能夠很好的加固軟

3、巖巷道，是中國也是世界煤炭業(yè)的一個(gè)重要課題。二、項(xiàng)目實(shí)施阻礙因素目前，軟巖加固還有很大的困難，如果這些困難不能夠得到解決，就很難實(shí)施加固工程。造成軟巖巷道地壓顯現(xiàn)劇烈，加固困難的原因有很多方面，其中主要有以下幾點(diǎn)。1、巖層成巖年代晚，膠結(jié)程度差我過軟巖礦區(qū)主要分布在開采新生界第三紀(jì)褐煤和開采中生界上侏羅紀(jì)的褐煤礦區(qū)。這些礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石都非常松軟破碎，易風(fēng)化，因此怕風(fēng)，怕水，怕展。2、巖石強(qiáng)度低煤礦軟巖多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等，單向抗壓強(qiáng)度都比較低。由于巖石強(qiáng)度低，表現(xiàn)在圍巖松散、軟弱，在中等或稍高應(yīng)力水平狀態(tài)下就能產(chǎn)生較大的圍巖變形，加固困難。3、節(jié)理發(fā)育，巖體破碎有些礦區(qū)，雖然巖石

4、強(qiáng)度很高，但由于節(jié)理比較發(fā)育，巖體破碎，加固也十分困難。所以，在巖塊強(qiáng)度高的節(jié)理化地層中，也可能表現(xiàn)出軟巖特征。4、圍巖應(yīng)力水平高巖石強(qiáng)度低是形成軟巖的重要因素，但這只是問題的一個(gè)方面。巖石強(qiáng)度的高低是一個(gè)相對(duì)的概念，它與地應(yīng)力緊密相聯(lián)。如果巖體強(qiáng)度低，但地應(yīng)力絕對(duì)值也低，就表現(xiàn)不出軟巖特征。圍巖應(yīng)力水平高，表現(xiàn)在三個(gè)方面：巷道埋深大隨著開采深度的增加，一些原本穩(wěn)定性好的圍巖也顯現(xiàn)出軟巖的特征；構(gòu)造應(yīng)力大集中應(yīng)力作用連接處巷道、受鄰近巷道掘進(jìn)影響的巷道等，其圍巖均承受一定的集中應(yīng)力，從而使圍巖由穩(wěn)定狀態(tài)過渡到軟巖狀態(tài)。5、巖石吸水膨脹遇水膨脹地層，多含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物成分，親

5、水后產(chǎn)生顯著的體積膨脹，巷道開挖在這種軟巖地層中，若治水措施不當(dāng)，極難加固。因此，若想要對(duì)軟巖能夠進(jìn)行有效的加固，就必須先對(duì)上述的問題進(jìn)行分析和解決。三、軟巖加固在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀新奧法20 世紀(jì) 60 年代，奧地利工程師在總結(jié)前任經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出一種心的隧道設(shè)計(jì)施工方法新奧法，目前已經(jīng)成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一。1978 年，米勒教授曾較為全面地論述了這種方法的基本指導(dǎo)思想和主要原則， 并且將其概括為 22 條。1980 年，奧地利土木工程學(xué)會(huì)地下空間分會(huì)把新奧法定義為： 一在巖體或土體中設(shè)置的使地下空間的周圍巖體城一個(gè)中空筒狀支撐環(huán)結(jié)構(gòu)為目的 的設(shè)計(jì)施工方法。其核心是利用圍巖的自撐作

6、用來支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)榧?固結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與構(gòu)筑的加固結(jié)構(gòu)共同形成為堅(jiān)固的支撐環(huán)。新奧法既不是單純的施工方法，也不是單純的加固方法，而是充分利用和調(diào)動(dòng)巷道圍巖強(qiáng)度與自身承載能力，按巖石力學(xué)、圍巖加工共同作用原理制定的一套地下工程涉及、施工、加固、監(jiān)測新概念。它是先用工程類比法確定第一次錨噴的參數(shù)，隨之進(jìn)行圍巖的監(jiān)控量測。經(jīng)過量測信息反饋來調(diào)整加固參數(shù)。利用現(xiàn)代巖石力學(xué)中圍巖與支架共同作用的理論，利用一次加固的變形、手鏈以至局部開裂來釋放圍巖中的部分能量，延續(xù)一段時(shí)間后，再用二次加固補(bǔ)強(qiáng)，來解決一般的軟巖加固問題。新奧法必須重視加固過程中的監(jiān)控量測，將涉及、施工、量測結(jié)合起來

7、，這是國際上新奧法的精髓。量測采用現(xiàn)代測試技術(shù)收斂計(jì)對(duì)圍巖變形和支架受力進(jìn)行量測。新奧法使用于各種地質(zhì)條件的巖層及任何形狀大小的巷道斷面。用新奧法進(jìn)行巷道掘進(jìn)，可以保證質(zhì)量，保持穩(wěn)定性，延長巷道的使用壽命，降低施工費(fèi)用，還可以減少 20%的巷道掘進(jìn)量，實(shí)屬一種良好的軟巖巷道加固方法。應(yīng)變控制理論日本山地宏和櫻井春輔提出了圍巖加固的應(yīng)變控制理論。該理論認(rèn)為隧道圍巖的應(yīng)變隨加固結(jié)構(gòu)的增加而減少，而容許應(yīng)變則隨加固結(jié)構(gòu)的增加而增大。因此， 通過增加加固結(jié)構(gòu)，能較容易地將圍巖應(yīng)變控制在容許應(yīng)變范圍內(nèi)。加固結(jié)構(gòu)的涉及則是由工程量測結(jié)構(gòu)確定了對(duì)于應(yīng)變的加固工程的感應(yīng)系數(shù)后確定的。能量支護(hù)理論薩拉蒙等人提出

8、了能量支護(hù)理論，認(rèn)為加固結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形， 在變形過程中，圍巖釋放一部分能量，加固結(jié)構(gòu)吸收一部分能量，但總的能量沒有變化。一二年，主張利用加固結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使支架自動(dòng)調(diào)整圍巖釋放的能量和加固體吸收的能量， 加固結(jié)構(gòu)具有自動(dòng)釋放多余能量的功能。軸變論和開挖系統(tǒng)控制論于學(xué)馥等人于 1981 年提出軸變論，認(rèn)為巷道塌落可以自行穩(wěn)定可以用彈性理論進(jìn)行分析圍巖破壞是由于應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度極限引起的塌落是改變巷道軸比，導(dǎo)致應(yīng)力重分布。應(yīng)力重分布的特點(diǎn)是高盈利下降、低應(yīng)力上升，并向無拉力和均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定而停止應(yīng)力均勻分布的軸比是巷道最穩(wěn)定的軸比，其形狀為橢圓形。近年來，于學(xué)馥等人運(yùn)用系統(tǒng)論、

9、熱力學(xué)等理論提出-開挖系統(tǒng)控制理論，開挖干擾了巖體的平衡，這個(gè)不平衡系統(tǒng)具有自組織功能。聯(lián)合支護(hù)技術(shù)該技術(shù)是在新奧法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以馮豫、陸家梁、鄭雨天、朱效嘉為代表。重要觀點(diǎn)為對(duì)于巷道加固，一味強(qiáng)調(diào)加固剛度是不行的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定加固。錨噴-弧板支護(hù)理論該理論是對(duì)聯(lián)合支護(hù)理論的發(fā)展，其要點(diǎn)為對(duì)軟巖總是強(qiáng)調(diào)放壓是不行的，讓壓后要堅(jiān)決頂住，即強(qiáng)調(diào)聯(lián)合支護(hù)理論的先柔后剛的剛性支護(hù)行事，堅(jiān)決限制圍巖向中空位移。松動(dòng)圈理論該理論是董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容凡是裸體巷道，其圍巖松動(dòng)圈都接近于零。此時(shí)巷道圍巖的彈塑性雖然存在，但并不需要加固。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，加固厚度就

10、越大。因此，加固的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過程中的有害變形。關(guān)鍵部位藕合組合支護(hù)理論該理論是中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)何滿朝教授提出的，認(rèn)為地下工程的破壞是由 于加固體與圍巖在強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)上存在不藕合造成的，巷道的加固應(yīng)該從其變 形力學(xué)機(jī)制入手，對(duì)癥下藥。復(fù)雜巷道加固應(yīng)分為兩次加固，一次加固為柔性加固， 二次加固為關(guān)鍵部位的藕合加固。圍巖動(dòng)態(tài)工程分類理論該理論從基于診斷具體巷道圍巖的結(jié)構(gòu)組合及應(yīng)力環(huán)境下巷道的破壞形式和特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)巷道圍巖破壞演化規(guī)律進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)面向巷道圍巖不同部位有針對(duì)性的定量控制。此外，還有高強(qiáng)度弧板支護(hù)理論、位移反分析理論、軟巖工程地質(zhì)力學(xué)理論、極限跨度及平衡理論、

11、灰色系統(tǒng)決策理論、優(yōu)化理論等。由上述分析可以看出，影響較大、自成體系的主要是新奧法，即新奧地利隧道施工法。20 世紀(jì) 60 年代中期誕生以來，新奧法在很多國家得以成功應(yīng)用。20 世紀(jì)70 年代被介紹中國后，按該原理要求組織的許多工程取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。目前，國內(nèi)外讓un 眼先到加固普遍是遵循新奧法的基本原理和方法。事實(shí)上，新奧法已經(jīng)成為具有世界聲譽(yù)的隧道加固技術(shù)。我國軟巖巷道加固技術(shù)的研究大體上是遵循新奧法的基本原理展開的。但是近年來，隨著我國煤礦采深不斷加大，運(yùn)用新奧法進(jìn)行軟巖巷道加固出現(xiàn) 了一些問題，主要有新奧法要求一次加固后達(dá)到變形相對(duì)穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行二次加固， 等穩(wěn)往往是等夸新奧法的

12、二次加固是全斷面等強(qiáng)加固，而圍巖荷載是不均勻分布 的，因此常常在薄弱緩解失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致巷道破壞新奧法二次加固時(shí)間的選擇， 必須基于大量細(xì)致的現(xiàn)場應(yīng)力、位移監(jiān)測，但對(duì)如何利用量測結(jié)果，也缺乏明確的 圍巖穩(wěn)定性的判據(jù)。過程比較繁雜，現(xiàn)場工程技術(shù)人員不容易接受，可操作性差。雖然如此，但新奧法以其發(fā)揮圍巖的自撐作用、動(dòng)態(tài)性、針對(duì)性，作為一種指導(dǎo)思想和控制設(shè)計(jì)原則，仍具有不可替代的重要意義。四、項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)極其分類1 普通加固普通加固就是支架脫離了巖體之外，消極被動(dòng)地承受巖體變形、破碎施加的能量，以支架自身的強(qiáng)度支撐圍巖，在圍巖發(fā)生變形時(shí)，加固有一定的可縮量。錨桿的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)為了進(jìn)一步提高軟巖巷道穩(wěn)定

13、性，錨桿被廣泛一用于錨網(wǎng)噴技術(shù)及錨注技術(shù)等。錨網(wǎng)噴技術(shù)中，錨桿錨固在未破壞的掩體上，阻止圍巖松動(dòng)變形和破壞，噴射混凝 土噴層封閉圍巖表面，支護(hù)錨桿間圍巖，防止表面巖層冒落，噴層中鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)， 可增加噴層的強(qiáng)度和柔性，提高加固的整體性。錨桿、混挺土噴層和鋼筋網(wǎng)三者組 成的加固體與圍巖緊密結(jié)合，共同承載，既充分利用和發(fā)揮了圍巖的自承能力，又 在與圍巖共同變形過程中及時(shí)提供支護(hù)抗力，限制圍巖產(chǎn)生有害變形，從而保持巷 道穩(wěn)定。錨注加固是兼有錨桿加固與注漿加固共同優(yōu)點(diǎn)的一種加固方式。在巷道開挖以后，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行噴漿封閉，防止外延進(jìn)一步風(fēng)化，然后在圍巖中打入注漿錨桿進(jìn)行注漿加固。注漿錨桿既有錨桿加固的特

14、點(diǎn)，又能通過此錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行注漿。通過注漿、漿液充填、壓密裂隙空間，使圍巖由注漿前的無約束松散狀態(tài)變?yōu)橛慑^桿、漿體和圍巖共同作用的具有承受抗壓、抗剪切、抗拉等適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的加固體。錨、網(wǎng)、噴支護(hù)錨網(wǎng)噴支護(hù)具有及時(shí)性、密貼性、柔性作用，具有技術(shù)先進(jìn)、工藝簡單、操作簡便、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著高強(qiáng)錨桿的開發(fā)和應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)揮錨網(wǎng)噴加固的效果，擴(kuò)大了錨網(wǎng)噴加固技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。錨網(wǎng)噴加固技術(shù)主要由噴層、錨桿、鋼筋網(wǎng)三部分組成。其作用機(jī)理如下： 1）由于噴層的施作幾十且能與圍巖密貼，所以，它具有能幾十封閉圍巖防止圍巖風(fēng)化與潮解、支撐和填平補(bǔ)強(qiáng)圍巖、分配外力等作用。同時(shí)

15、由于噴層中鋼筋網(wǎng)的存在增強(qiáng)了噴層的柔韌性，提高了噴層的抗彎與抗變形能力，能減少裂縫的寬度和數(shù)目，使噴層應(yīng)力分配均勻，整體性能得到改善。2）錨桿是錨網(wǎng)噴加固的核心部分，其通過與噴層的連接把阻止圍巖破壞的力傳遞到穩(wěn)定的巖層中，有效地控制塑性區(qū)、破碎區(qū)的反戰(zhàn)和圍巖的變形，同時(shí)，由于錨桿的擂入提高了圍巖的強(qiáng)度和整體性，大大增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性，錨桿預(yù)應(yīng)力的存在使圍巖在未發(fā)生大變形的情況下就收到外力的支護(hù)，有利于保持圍巖固有的力學(xué)特性，并控制大變形的發(fā)生。針對(duì)不同的圍巖，可采用不同的錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工工藝。巖性較好時(shí)可采用分次完成加固的施工工藝，巖性較差時(shí)可采用一次完成就愛股的施工工藝。錨、網(wǎng)、噴與

16、U 鋼金屬支架聯(lián)合加固對(duì)特別松軟、破碎巖層，采用錨、網(wǎng)、噴加固作用不明顯時(shí)根據(jù)圍巖變形的特 點(diǎn)，采取錨、網(wǎng)、噴、作為一次加固，可使噴層及時(shí)封閉圍巖，容易做到及時(shí)加固， 提供一定的初錨力和較大的錨固力，能較好地滿足特別松軟、破碎圍巖巷道第一階 段圍巖變形的要求。當(dāng)巷道圍巖變形基本穩(wěn)定后，使用 U 型鋼可縮性金屬進(jìn)行二次加固，以適應(yīng)第二階段圍巖變形的要求。實(shí)現(xiàn)深部高應(yīng)力軟巖巷道厚壁加固。一是采用全場錨固全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，增加圍巖自承圈厚度，實(shí)現(xiàn)厚壁加固：二是進(jìn)行錨索加固。由于錨索長度較長，能夠深入到深部較穩(wěn)定的巖層中，錨索對(duì)被加固巖體施加的預(yù)緊力高達(dá) 200KN，限制圍巖有害變形的發(fā)展，改善了圍巖

17、的受力狀態(tài)，增加唉圍巖自承圈厚度，實(shí)現(xiàn)厚壁加固：三是改變加固結(jié)構(gòu)。在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖城反底拱形并錨噴（梁）加固，從而形成完整的、封閉的加固整體。高強(qiáng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索加固由于軟巖巷道圍巖開掘后圍巖來壓快、變形大，普通錨桿錨固力低且無法提供較大的初撐力阻止圍巖變形，采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿可以很好地解決這個(gè)問題。在錨桿安裝時(shí)施加一定的預(yù)應(yīng)力，這樣就可以提供較大的初撐力，及較小巷道圍巖的變形速度，同時(shí)高強(qiáng)錨桿又可以提供較大的錨固力，提高錨固體的自承能力。對(duì)于極軟巖巷道，在驚醒錨網(wǎng)噴加固后雖然對(duì)巷道頂板起到了加固作用、改善 并保持了頂板的整體性，但是當(dāng)圍巖松動(dòng)圈的范圍大雨錨固體的厚度時(shí)

18、，錨固體將 失去著力點(diǎn)，此時(shí)極易發(fā)生錨固體以上離層及出現(xiàn)巷道頂板整體下沉或垮落的現(xiàn)象。在這宗情況下，只需較小密度的預(yù)應(yīng)力錨索，就可以將錨固體懸吊于穩(wěn)定堅(jiān)硬的上 部巖體上，避免巷道垮落。巷道圍巖破壞是一個(gè)漸近的、從局部到整體的破壞過程，并且總是從圍巖或支護(hù)系統(tǒng)的*一個(gè)或幾個(gè)位置首先變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn)和破壞，首先發(fā)生不連續(xù)變形或破壞的區(qū)域就是錨索加固的最佳位置。砌碹加固及噴砼技術(shù)砌碹支護(hù)屬剛性支護(hù),由于巷道本身成形不規(guī)則，當(dāng)應(yīng)力重新分布時(shí)，支護(hù)體是砌碹支護(hù)是軟巖加固的傳統(tǒng)方法，利用加固體自身的加固強(qiáng)度來支撐來自圍巖的初期礦井壓力，待平衡后，加固體和圍巖一起抵抗來自圍巖層的壓力。這種加固方法使用于巷道圍巖經(jīng)常破碎，礦壓較大，采用錨固力加固優(yōu)越性不顯著，巷道圍巖很不穩(wěn)定，頂幫巖石極易塌落，砼噴不上、粘不牢，錨桿的錨固力明顯下降的含油泥巖、粘土巖及斷層破碎帶。局部而不是全部接觸巖層。先接觸巖層的支護(hù)體必將先產(chǎn)生形變，在地壓過大時(shí)從*一支護(hù)薄弱點(diǎn)開始遭受損壞，碹體很容易被壓碎，崩落。參考文獻(xiàn)1 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究J