軟巖巷道位移的收斂測試

張 彬,劉 波,柳東委

(遼寧工程技術大學,遼寧阜新 123000)

新奧法構筑的基本思想就是運用各種手段(如地質勘察、支護類型、隧道的開挖方法以及監控量測、地層的預處理等等)來控制圍巖的變化,最大限度的來利用圍巖自身的承載能力,使施工更安全、更經濟。監控量測是新奧法施工的核心,而巷道位移的監控量測又是巷道監測中判斷圍巖穩定性的重要依據,是監視圍巖是否安全穩定的重要手段。鑒于地層的復雜性,所以在巷道施工中,為了避免事故的出現,施工人員都會在巷道開挖過程對圍巖進行位移的監測,采集和分析處理監測數據,觀察圍巖的變形規律和變形趨勢以及圍巖的松動范圍,對于圍巖的危險地段及時的進行支護和加固,確保施工的安全。近年來有關巷道圍巖變形量測的論文比較多,通常是利用圍巖周邊變形和拱頂下沉觀測值對施工進行安全監測。本文以七臺河礦務局鐵東煤礦的某軟巖巷道為例,主要介紹了巷道圍巖表面和巷道深部位移監測,并對監測數據進行處理,研究圍巖的收斂穩定性,合理指導巷道施工,保證安全。

1 圍巖表面位移監測

該軟巖巷道工程段共設五類監測試驗類型,包括圍巖表面位移監測,深部位移監測,錨桿工作阻力監測試驗,錨桿拉撥試驗和鋼架變形監測。本文側重介紹圍巖表面位移監測和深部位移監測兩種測試。

1.1 監測斷面的巖性分布和位移監測點的布置

對于表面位移監測來說,重點分析兩個監測斷面,第一監測斷面主要的巖性包括:灰黑色的泥巖,灰白色的砂礫巖和煤,從掌子面分析,以灰黑色泥巖為主,頂板為薄層煤,僅僅在右幫下部出現灰白色的砂礫巖;第二監測斷面的主要巖性包括:灰黑色泥巖、厚層灰白色砂礫巖,局部砂巖呈透鏡體產生,巖層產狀近于水平。

軟巖斷面位移監測以激光點為測量基準點,選取每個斷面上的典型部位作為測量標點,每日測量標點到基準點的距離,直至標點變形穩定。每日測量得到的距離與設點第一天的初始距離之差即為該標點的絕對位移值。

第一監測斷面位于 40 m處,共設 9個標點,選擇 O點為1、2、3、4、5、6、7的基準點,距激光點 950mm。選擇 O1點為8、9標點的基準點,距激光點 1 950mm。

第二監測斷面位于 80 m處,共設 9個標點,同樣選擇 O點為 l、2、3、4、5、6、7標點為基準點,距激光點 1 000mm。選擇 O1點為 8、9標點基準點,距激光點 1 700mm。如圖 1所示:

圖1 圍巖表面位移監測斷面的測點布置

1.2 圍巖表面位移監測成果分析

圍巖表面位移的第一個監測斷面從開挖后的第一天開始監測,隨著巷道的不斷掘進,圍巖表面的位移發生有規律的變化,各個測點的位移—時間曲線(圖 2)。從圖中可知,圍巖的頂板位移較大,主要集中在 3、4、5測點,其中 4點最大穩定位移量為 138mm,3和 5點的穩定位移量為 121mm和102mm。巷道兩幫的位移量較小,一般不超過80m m。造成頂板位移偏大的主要原因除了巷道開挖產生應力重新分布和自重應力作用以外,另外還是由于此處拉底炸碎了頂板的煤層,致使煤層和巖體松動,增大了位移量。但是從整體上來看巷道的最初設計預留變形值 150mm是非常合理的。

圍巖表面的第二個監測斷面是在巷道開挖一段時間后設置成功,各個測試點的位移—時間曲線(圖 3)。從圖中可知,巷道前 10天的變形量較大,20天后變形趨于穩定,30天后變形基本穩定,由測試的結果可以看出,位移的最大部位在 1、2、3、4點,其中頂板中央 4號測試點變形量最大,總的位移量為 140mm。測試點 6、7點的位移量較小,均不超過80mm。因此,第二斷面的各個測試點的位移量均小于巷道最初設計預留變形量 150mm,再一次證明了七臺河軟巖巷道最初設計預留變形量 150mm這一設計值的準確合理性。

綜合分析兩個監測斷面的位移規律不難發現,巷道圍巖的頂板位移量較大,兩幫的位移量較小,巷道的右幫的位移量普遍大于左幫的位移量。產生這樣的原因主要是由于頂板受到開挖以后應力重新分布和自重應力作用控制,而右幫位移大于左幫位移則是受到巖體的結構和地層的產狀的影響。因為在本工程地段,優勢結構面為地層層面,右幫的層面走向斜交巷道的軸向,并且傾向于幫外,而左幫巖層層面走向斜交巷道軸向,并且是傾向于幫內的,顯而易見,右幫會比左幫更易于滑動位移。

圖2 第一監測斷面圍巖表面位移-時間曲線

圖3 第二監測斷面圍巖表面位移-時間曲線

2 圍巖深部的位移監測

巷道開挖以后,圍巖應力發生應力的重新分布,原巖應力狀態遭到破壞,其影響半徑為巷道半徑的 3～5倍。因此,巷道的變形范圍將在應力影響圈內,為了確定圍巖的變形范圍以及變形規律,使用多點位移計進行圍巖深部位移的測試是非常重要的,必不可少的一個步驟。

2.1 監測斷面巖性分布位移監測點的布置

巷道圍巖深部位移臨測斷面設于小斷面 60 m處。揭露的主要巖性包括:灰黑色泥巖、灰黑色含礫砂巖、灰白色粗砂巖。其中,灰黑色泥巖比較破碎、呈現薄層狀結構,與灰黑色含礫砂巖互層;灰黑色含礫砂巖含有較大礦物顆粒和巖石碎屑,一般為 1～3mm、最大可達 23mm,膠結緊密,層狀結構;灰白色粗砂巖,膠結松散、遇水迅速軟化,手抓可碎,主要分布于兩幫局部地帶。右幫多點位移計安裝部位為孔口位于灰黑色泥巖中,下部為含礫砂巖,可見白色石英砂巖礫石或圓礫,最大可達 150mm。

巷道深部位移測量使用 D W-8型多點位移計,安裝多點位移計的鉆孔設計深度為 6 m,孔徑為 80mm。D W-8型多點位移計為機械式的整體結構,錨頭為壓縮木可以自膨脹。其主要技術指標如表1所示。

多點位移計的測試原理是將位移計組裝成一桿式的整體結構,并送入鉆孔內,每一個錨固件作為一個測點,將圍巖位移通過測桿傳至孔口,以壁面埋頭表面為測量基準面,每天測得圍巖內部各測桿外端到表面的距離由此可算得圍巖內部各測點的第一天絕對位移值,即每天的各測點的絕對位移值可依此類推。

圍巖深部位移測量斷面共 3個測量部位,分別位于頂板中央和頂拱兩肩靠近直墻部位,如圖 4所示。其中 1、3號測位距離底板 1 700mm,向巖壁內呈 10°～15°仰角,2號測位則垂直于頂板。

圖4 圍巖深部位移測量斷面設計

2.2 圍巖深部測試位移成果分析

D W-8型多點位移計安裝完畢以后,經過 10天的測試,1號和 3號位置的測試數據較好,2號測試位置在頂板,其測試數據偏小,這與安裝質量有關。其中左幫 1號測試位置圍巖表面位移最大值為 9.22 mm,圍巖內部 1 m處測點絕對位移量為 9.76mm,其它各個測點絕對位移量依次減小;右幫 3號位置圍巖表面位移最大值為 22.36mm,圍巖內部 1 m處測點絕對位移值為 9.4mm,其它各點依次減小;頂板 2號位置圍巖表面位移最大值為 8.70mm,圍巖內部 1 m處測點的絕對位移值為 5.67mm,其它各個測點依次減小,見表2所示。

測量斷面一共有 3個測位,分別位于頂拱兩肩靠近直墻部位和頂板,由于圍巖應力作用和巖體結構效應,各個測點的位移情況各有差異。從測點的位移統計表中可以看出,巷道右幫的圍巖表面位移大于左幫,這是由于巖體結構效應和爆破松動所致,由于右幫巖層傾向于幫外,而左幫傾向幫內,又由于強大的爆破力作用使巖體松動破碎,右幫巖體層沿著層面向幫外滑移變形。而巷道頂板的位移是最小的,巷道頂板表面位移最小其中主要是因為注水不足,壓縮木膨脹不充分,在爆破力作用下發生滑動,從而形成誤差,是由于多點位移計安裝質量差導致的誤差。

圖5 測點的位移空間曲線圖

圍巖從表面到深部,其絕對位移值逐步減小,直到為零,在他們的位移-空間曲線上均存在一個折點大約位于埋深1.5～2.0 m處,小于此埋深的位移較大,而大于此埋深的位移明顯減小,特別是大于 6 m以上埋深,其圍巖絕對位移值近乎于零,如圖 5所示,所以我們可以根據測試數據得出圍巖松動的范圍大約是 1.5～2.0m。所以在最初始巷道預設計的支護錨桿長度為 2.0m是完全合理的。

總而言之,施工時可以通過對巷道圍巖位移的監測來掌握圍巖的變形趨勢和變化規律,及時發現不穩定的圍巖地帶,及時進行支護和加固。還可以通過對監測數據分析處理,修改支護參數和設計方案,以指導后續施工更好地進行,從而達到巷道施工更經濟、更安全的效益。

3 結 論

(1)通過對巷道圍巖表面的測試得到測試的數據,對數據進行處理,繪制位移-時間曲線圖,觀察各個測點的位移值,最終通過分析處理數據得出巷道最初始設計的圍巖變形預留值 150mm是正確合理的。

(2)用D W-8型多點位移計對巷道圍巖深部進行位移監測,得到監測數據,通過分析處理再一次證明圍巖預留變形值的合理性。并且可以根據測試數據得出圍巖的塑性圈厚度為 1.5～2.0 m的范圍內,所以巷道最初設計的錨桿長度 2.0 m是完全合理的。

(3)通過對巷道的位移收斂測試,可以及時發現不穩定的圍巖地帶,保證施工過程的安全。

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