軟弱巖層地段井巷工程施工的探討

李洪林

摘要：軟弱巖層的自然特性及組成的主要成分是導(dǎo)致軟巖井巷工程破壞的主要原因。給出了設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和支護(hù)的原則，并指出的關(guān)鍵是防水和及時(shí)控制圍巖的變形量。新奧法的指導(dǎo)思想應(yīng)成為井巷工程在軟弱巖層地段施工的精髓。

關(guān)鍵詞：軟弱巖層井巷工程；破壞；支護(hù)；變形；新奧法

翠宏山礦業(yè)有限公司是西林鋼鐵集團(tuán)控股的大型才選聯(lián)合企業(yè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模年采選原礦200萬噸，采用主副井加輔助斜坡道聯(lián)合開拓，中央對(duì)角式通風(fēng)方式。礦區(qū)上有庫爾濱河流過，該礦區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)都屬于復(fù)雜型，翠宏山鐵多金屬礦在井巷掘砌施工過程中，經(jīng)常遇到片幫、冒頂、涌水現(xiàn)象，曾一度影響了工期的順利進(jìn)行，其中北風(fēng)井和入風(fēng)井因井底涌泥和涌水量過大而被迫停工。目前，國內(nèi)的采礦業(yè)形勢(shì)很好，但壓力也很大；一是技術(shù)人員奇缺，二是采礦施工難度空前加大。中煤集團(tuán)、溫建集團(tuán)（基建井巷工程承包單位）雖然都擁有一流的礦山建設(shè)技術(shù)人員和能吃苦敢打硬仗的施工隊(duì)伍，但下屬項(xiàng)目部在施工過程中還是遇到這樣或那樣的困難，尤其是在軟弱巖層中的井巷工程施工。本文是筆者在軟弱巖層地段井巷工程的掘進(jìn)與支護(hù)中總結(jié)的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1軟弱巖層的自然特性

軟弱巖層的自然特性基本上可歸納為軟弱、松散、膨脹、風(fēng)化和高地應(yīng)力等。影響其硬度的主要物質(zhì)有：松軟的砂質(zhì)土壤、高嶺土層；全部風(fēng)化的頁巖、褐煤、松軟的錳礦、貝殼石灰?guī)r、滑石片巖、火山凝灰?guī)r，還有風(fēng)化劇烈的橄欖巖、蛇紋巖、鋁礬土、菱鎂礦等。軟弱巖層在工程施工過程表現(xiàn)的主要屬性是：隨著井巷工程的開挖，圍巖應(yīng)力開始發(fā)生變化，產(chǎn)生顯著的塑性變形，由于其本身膠結(jié)程度較差，結(jié)構(gòu)松散，組分又多含黏土質(zhì)礦物，親水性強(qiáng)，遇水泥化潮解，很容易產(chǎn)生體積膨脹，致使強(qiáng)度降低，具有較大的可塑性。軟弱巖層的受力變形速率隨應(yīng)力增長(zhǎng)的現(xiàn)象表現(xiàn)出明顯的流變性；有的軟弱巖層在物理、化學(xué)、工程力的作用下產(chǎn)生鱗片狀崩解（類似巖爆現(xiàn)象），因此對(duì)外界環(huán)境影響較敏感，抗擾動(dòng)能力極差。

2軟弱巖層井巷工程破壞的主要原因分析

為了解決軟弱巖層中的井巷工程施工難題，首先需要熟悉軟弱巖層井巷工程破壞的主要原因，筆者認(rèn)為原因有以下幾個(gè)方面：

蠕變變形。軟弱巖層開挖具有明顯的蠕變變形，而且時(shí)間效應(yīng)極為明顯突出。開挖初期表現(xiàn)為來壓快，變形大。如果不及時(shí)加以控制，將會(huì)導(dǎo)致圍巖松馳、裂縫，繼而巖面出現(xiàn)片幫破壞，甚至出現(xiàn)整個(gè)巷道斷面的破壞報(bào)廢。即使此時(shí)及時(shí)采取了支護(hù)措施，但是支護(hù)方式不妥當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果。其支護(hù)方式必須適應(yīng)其蠕變的特點(diǎn)，避免剛性支護(hù)，而盡量采用既有一定強(qiáng)度又允許在一定范圍變形的柔性支護(hù)才是正確處理的方法，這樣方可保證井巷工程在使用期的安全與穩(wěn)定。

井巷斷面形狀不合理。在井巷設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮其工程地質(zhì)資料，特別是大斷面巷道如隧道施工。適用于軟巖巷道的斷面形狀主要為拱形、半圓形、馬蹄形、橢圓形。綜觀這些形狀，其共同特點(diǎn)就在盡量要求巷道的斷面輪廓線圓滑平整，在施工過程盡量避免有折線鈍角出現(xiàn)，以免不能形成較好的封閉承載拱或承載弧，使局部產(chǎn)生應(yīng)力集中、彎矩，在拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)。

非對(duì)稱性高應(yīng)力。在軟弱巖層中拙進(jìn)巷道，巷道的頂板和兩幫將承受應(yīng)力重新分布時(shí)產(chǎn)生的巨大頂壓和側(cè)壓，致使拱墻冒落與片幫或者產(chǎn)生底臌。由于巷道的受力方向不均勻，具有明顯的方向性，所以在具體施工過程中，這些因素往往成為導(dǎo)致局部破壞，甚至大面積冒落的主要原因。

不重視水的處理。在井巷工程掘進(jìn)過程中，不但有鉆機(jī)穿孔的冷卻用水，有時(shí)還難免有大量的裂隙水或地下水。前面筆者已經(jīng)指出了軟弱巖層的主要物質(zhì)。不難看出軟弱巖層一般親水性都較強(qiáng)，遇水泥化、膨脹或崩解是很正常的，這樣就會(huì)導(dǎo)致較為強(qiáng)烈的變形，特別是巷道底部受各種沒有及時(shí)排出的積壓水浸泡，往往會(huì)產(chǎn)生更大的底臌，導(dǎo)致大面積的井巷工程失穩(wěn)破壞。

3軟弱巖層井巷工程掘進(jìn)需要注意的幾個(gè)問題

根據(jù)軟弱巖層井巷工程破壞的原因，正確的進(jìn)行掘進(jìn)需要注意以下一些問題。

采取多打眼少裝藥，最好采用光面爆破，減少開挖時(shí)對(duì)圍巖的擾動(dòng)和過大方量的欠挖、超挖，使井巷輪廓盡可能的圓滑平整，對(duì)于大斷面的井巷工程施工盡量采用一次性開挖的方法；

要確保巷道地板的坡度，一般控制在3％－5％左右的坡度，盡量不使巷道地板積水，減少水對(duì)地板的浸泡；

對(duì)于地下水較為豐富的地段，要采用長(zhǎng)釬桿超前穿孔疏水，盡量保持掘進(jìn)過程掌子面的干燥。

軟弱巖層井巷工程的支護(hù)在軟弱巖層地段的施工中同樣重要，從根本上解決了軟弱巖層地段的掘進(jìn)問題后，如何保證井巷工程的安全使用理所當(dāng)然的就成了另一重要環(huán)節(jié)。軟弱巖層支護(hù)的關(guān)鍵在于防水和控制圍巖的變形。由于軟弱巖層多由于粘土質(zhì)組成，親水性很強(qiáng)，遇水軟化。當(dāng)水進(jìn)入軟巖的孔、裂縫中，水與軟巖大面積接觸，水分子與這些親水物質(zhì)形成水合物，使其分子間的間隙增大，從而引起軟弱巖層體積的膨脹而崩解，特別是軟弱巖層內(nèi)含較多的蒙脫石、伊利石等組分時(shí)，軟弱巖層崩解速度加快，有時(shí)還會(huì)引起底臌，此時(shí)支護(hù)就顯得尤為重要。

支護(hù)按使用時(shí)間分為臨時(shí)性支護(hù)和永久性支護(hù)，按力學(xué)性質(zhì)分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)。一般臨時(shí)性支護(hù)為柔性支護(hù)，對(duì)于軟巖地段的支護(hù)施工，原則上要采取先柔后剛，柔剛結(jié)合；先臨時(shí)后永久。臨時(shí)支護(hù)一般是在井巷工程掘挖結(jié)束后進(jìn)行的臨時(shí)性保護(hù)措施，分木支護(hù)和噴砼支護(hù)兩種，其目的是為了防止應(yīng)力變化導(dǎo)致的變形無限制的擴(kuò)大，是允許支護(hù)結(jié)束后有一定變形而支護(hù)物不受破壞的支護(hù)方法。永久性支護(hù)則是圍巖變形相對(duì)穩(wěn)定后進(jìn)行的，有混凝土支護(hù)、噴砼支護(hù)、錨噴支護(hù)等。主要是要具有足夠的強(qiáng)度來維持巷道的長(zhǎng)時(shí)間使用。永久性支護(hù)（對(duì)于臨時(shí)支護(hù)而言就是二次支護(hù)）與臨時(shí)性支護(hù)之間的過渡時(shí)間的把握很重要，要根據(jù)實(shí)際情況和施工組織者的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)把握。無論采取何種支護(hù)方法，但必須把握的支護(hù)的原則應(yīng)該是：

要適應(yīng)軟巖變形量大的特點(diǎn)，要先柔后剛，剛?cè)峤Y(jié)合。隨著掘進(jìn)面及時(shí)進(jìn)行，根據(jù)圍巖的軟硬程度靈活掌握木支護(hù)、噴錨或噴錨網(wǎng)支護(hù)，要竭力避免支護(hù)結(jié)構(gòu)上或者工藝上的薄弱環(huán)節(jié)，以免為成為隱患的突破口；

采用圍巖加固的辦法，即根據(jù)圍巖本身具有一定強(qiáng)度的特點(diǎn)，利用錨桿支護(hù)或者錨桿掛網(wǎng)噴砼支護(hù)等方法，對(duì)于這種方法應(yīng)注意的是錨桿楔入的方向、錨桿的長(zhǎng)度等；

根據(jù)圍巖變形量、壓力、地質(zhì)構(gòu)造及擾動(dòng)范圍等情況，采取加固與支護(hù)并舉的聯(lián)合支護(hù)方式。

4結(jié)語

井巷工程在軟巖地段的施工還存在一定的技術(shù)困難，僅靠一些先進(jìn)的理論和機(jī)械是不能完全解決問題的，更需要我們將理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來。在此，特別需要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)軟巖地段井巷工程的規(guī)格設(shè)計(jì)，必須留有150－250mm的預(yù)留變形量，從而保證支護(hù)完成后巷道實(shí)際可利用的凈面積。新奧法指的是在軟弱巖層中修建隧道時(shí)，開挖后立即噴射水泥混凝土作為臨時(shí)支撐(必要時(shí)加錨桿)以穩(wěn)定圍巖，然后再進(jìn)行襯砌的施工方法。縱觀軟巖地段井巷工程施工的工藝發(fā)展過程，新奧法作為新的指導(dǎo)思想已經(jīng)被越來越多的人接受，如何運(yùn)用和發(fā)展新奧法也必將成為擺在技術(shù)人員面前的新課題。

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