地下洞室支護理論初探

徐 升

(葛洲壩集團第二工程有限公司,四川成都 610091)

1 地下洞室支護理論

支護理論的發展大致分為三個階段,即古典壓力理論階段、散體壓力理論階段和現代支護理論階段。

(1)古典壓力理論階段。

20世紀 20年代以前主要是古典壓力理論階段。這類理論認為:作用在支護結構上的壓力是其上覆巖層的重量 γ H(γ為巖層容重,H為埋深),可以作為其代表的有海姆、朗肯和金尼克理論。其不同之處在于:他們對地層水平壓力的側壓系數有不同的理解。海姆認為:側壓系數為 1;朗肯根據松散體理論認為是尼克根據彈性理論認為是為巖體的泊松比;ψ為巖體的內摩擦角)。

多年的理論研究和實踐證明,這些理論在絕大多數情況下是不適用的,它們僅反映出巖體的初始應力狀態。

(2)散體壓力理論階段。

隨著開挖深度的不斷增加,古典壓力理論已不符合實際情況,于是又出現了散體壓力理論。這類理論認為:當地下工程埋藏深度較大時,作用在支護結構上的壓力不是上覆巖層重量,而只是圍巖坍落拱內的松動巖體重量。可以作為其代表的有太沙基理論和普氏理論,他們共同認為坍落拱的高度與地下工程跨度和圍巖性質有關;不同之處是,前者認為坍落拱為矩形,后者認為是拋物線形。普氏理論把復雜的巖體之間的聯系用一個似摩擦系數描寫,這顯然過于粗糙,但由于這個方法比較簡單,直到現在,普氏理論仍在應用。

(3)現代支護理論。

20世紀 50年代以來,巖石力學作為一門獨立的學科,圍巖彈性、彈塑性及粘彈性解答逐漸出現,如史密德和溫德耳斯按連續介質力學方法計算出圓形襯砌的彈性解;徐干成、鄭穎人等利用彈性力學獲得了在非均壓地層壓力作用下圍巖與支護共同作用的線彈性解;塔羅勃和卡斯特奈得出了圓形洞室的彈塑性解;塞拉塔、柯蒂斯和櫻井春輔采用巖土介質的各種流變模型獲得了圓形隧道的粘彈性解。同時,錨桿與噴射混凝土一類新型支護的出現和與此相應的一整套新奧地利隧道設計施工方法(新奧法)的興起,終于形成了以巖石力學原理為基礎、考慮支護與圍巖共同作用的地下工程現代支護理論。

現代支護理論的形成與發展,首先是由于錨噴支護等現代支護結構的大量使用給人們積累了豐富的經驗,新奧法就是其典型的代表。

國內地下洞室支護理論主要有以下五種。

(1)全長錨固中性點理論。

全長錨固中性點理論由北京交通大學王夢恕教授等提出。該理論認為:在靠近巖石壁面部分(錨桿尾部),錨桿阻止圍巖向壁面變形,剪力指向壁面。在圍巖深處(錨桿頭部),圍巖阻止錨桿向壁面方向移動。錨桿上的剪力指向相背的分界點(稱為中性點),該點處剪應力為零,軸向拉應力最大。由中性點向錨桿兩端剪應力逐漸增大,軸向拉應力逐漸減少。該理論近年在國內理論分析中其“中性點”觀點被普遍接受,但對其理論形式還存在一定的爭議,因為它難以解釋錨桿尾部的斷裂機理。有人認為系該理論假設未設托盤之故。

(2)松動圈理論[1]。

圍巖松動圈隧洞支護理論由中國礦業大學董方庭教授提出。該理論是在對隧洞圍巖狀態進行深入研究后提出的。研究發現:圍巖松動圈的存在是隧洞固有的特性,其范圍大小(厚度值 L)目前可用聲波儀或多點位移計等手段測定。隧洞支護的主要對象是圍巖松動圈產生、發展過程中產生的碎脹變形力。錨桿承受拉力的來源在于松動圈的發生、發展;根據圍巖松動圈厚度值的大小,將其分為小、中、大三類。松動圈的類別不同,錨桿支護機理亦不同。Ⅰ類小松動圈 L=0～400 m m,圍巖的碎脹變形量很小,此類圍巖隧洞一般無需錨桿,可以不襯砌或采用噴射混凝土單獨支護;Ⅱ、Ⅲ類圍巖的 L=400～1 500 m m,采用懸吊理論設計錨噴支護參數;Ⅳ、Ⅴ類圍巖的 L=1.5～2 m、L=2～3 m,采用組合拱理論確定錨噴支護參數;Ⅵ類圍巖的 L＞3 m。在沒有進一步的研究資料之前,采用以錨噴網為基礎的復合支護。該理論的優點是簡單直觀,對中小松動圈有很重要的價值,但對大松動圈、尤其是高應力軟巖隧洞,實踐表明:該理論具有一定的局限性。

(3)圍巖強度強化理論。

該理論的要點:①巖體經錨桿錨固后,其峰值強度和殘余強度均得到提高。隨著錨桿布置密度的增加,強度強化系數逐漸增大;錨桿布置密度一定時,錨桿對巖體殘余強度的強化程度大于對巖體峰值強度的強化程度。②錨桿可有效改善原巖體的力學參數,隨著錨桿布置密度的增加,錨固體峰值前的 E、C,與峰值后的 E、C、φ均有不同程度的提高。③利用錨桿支護,可以提高錨固區域巖體的強度,可以有效的減小隧洞圍巖塑性區、破碎區半徑及隧洞表面位移,從而保持隧洞圍巖的穩定。該理論分析方法是將錨桿的作用簡化為對錨固圍巖從錨桿的兩端施加徑向約束力,由在實驗室內進行的錨固塊體試驗確定圍巖塑性應變軟化本構關系,再利用彈塑性理論定量分析錨桿的支護效果。

(4)錨固力與圍巖變形量關系理論[2]。

該理論對錨桿錨固力的內涵及作用進行了深入研究,認為錨桿對圍巖的錨固作用是通過錨固力實現的,而錨固力則是依賴圍巖變形而產生和發展的。錨桿支護一般在隧洞開挖完成后實施,此時圍巖的彈塑性變形已經完成,使錨桿產生錨固力的是圍巖峰值后的剪脹變形。隨著剪脹變形的漸進發展,錨桿從徑向和切向兩個方向上產生限制剪脹變形的力 σbr、σbθ。剪脹變形越大,錨桿的徑向和切向錨固力越高。錨桿的錨固作用使得圍巖在較高的應力狀態(能量狀態)下獲得穩定平衡。

(5)錨固平衡拱理論。

該理論認為,錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果,但在圍巖產生塑性破壞后,對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著作用。在隧洞周圍,錨桿與其錨固范圍內的巖石構成一種錨固支護體,當這個錨固體中的巖石在圍巖集中應力作用下發生破壞時,其承載能力降低并產生變形,同時,圍巖的集中應力向深部轉移,使錨固體卸載。在此過程中,錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用,使塑性破壞后易于松動的巖石構成了具有一定承載能力和適應自身變形卸載的錨固平衡拱。

2 錨桿支護理論

目前,國外對錨桿支護的機理研究較多,可歸納為以下幾種。

(1)懸吊理論。

1952年,路易斯阿?帕內科等發表了懸吊理論,懸吊理論認為:錨桿支護的作用就是將隧洞頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩固的巖層上。

懸吊理論只適用于頂板,而不適用于側墻和底板。如果頂板中沒有堅硬穩定的巖層或頂板軟弱巖層較厚,圍巖破碎區范圍較大,無法將錨桿錨固到上面堅硬巖層或未松動巖層中,懸吊理論則不適用。

(2)組合梁理論。

組合梁理論認為隧洞頂板中存在著若干分層的層狀頂板,可以將其看作是由隧洞兩側作為支點的一種梁,這種巖梁支承其上部的巖層載荷。

組合梁理論是對錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中,將錨桿作用與圍巖的自穩作用分開,這與實際情況有一定差距,并且隨著圍巖條件的變化,在頂板較破碎、連續性受到破壞時,組合梁也就不存在了。

組合梁只適用于層狀頂板錨桿支護的設計,對于隧洞的側墻和底板不適用。

(3)組合拱理論。

組合拱理論是由蘭氏和彭德通過光彈試驗提出來的。

組合拱原理認為:在拱形隧洞圍巖的破裂區中安裝預應力錨桿時,在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力。如果沿隧洞周邊布置的錨桿間距足夠小,各個錨桿的壓應力維體相互交錯,這樣就使隧洞周圍的巖層形成一種連續的組合帶(拱)。

組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護的作用機理,但在分析過程中沒有深入考慮圍巖-支護的相互作用,只是將各支護結構的最大支護力簡單相加,從而得到復合支護結構總的最大支護力,但其缺乏對被加固巖體本身力學行為的進一步分析探討,計算也與實際情況存在一定差距,一般不能作為準確的定量設計,但可作為錨桿加固設計和施工的重要參考。

(4)最大水平應力理論[3]。

澳大利亞學者蓋爾在 20世紀 90年代初提出了最大水平應力理論。

該理論認為:礦井巖層的水平應力一般是垂直應力的 1.3～2倍。而且水平應力具有方向性,最大水平應力一般為最小水平應力的 1.5～2.5倍。隧洞頂底板的穩定性主要受水平應力影響,且有三個特點:①與最大水平應力平行的隧洞受水平應力影響最小,頂底板穩定性最好;②與最大水平應力呈銳角相交的隧洞,其頂板變形破壞偏向隧洞某一側;③與最大水平應力垂直的隧洞,頂底板穩定性最差。

最大水平應力理論論述了隧洞圍巖水平應力對隧洞穩定性的影響以及錨桿支護所起的作用。在最大水平應力作用下,隧洞頂底板巖層發生剪切破壞,因而會出現錯動與松動并引起層間膨脹,造成圍巖變形。錨桿所起的作用是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動,因此要求其具備有強度大、剛度大、抗剪阻力大的高強錨桿支護系統。在設計方法上,借助于計算機數值模擬不同支護情況下錨桿對圍巖的控制效果進行優化設計,在使用中強調監測的重要性,并根據監測結果修改完善初始設計。

中國的許多專家、學者、工程技術人員在錨桿支護研究、設計與施工中也做了大量工作,積累了豐富的經驗,提出了極限平衡區錨桿支護設計方法、預應力錨桿(索)支護設計方法、圍巖松動圈設計方法、軟巖隧洞非線性力學設計方法等,并在工程現場進行了成功應用,極大地推動了中國錨桿支護技術的發展[4]。

(1)常規錨桿支護設計方法。

目前,我國地下工程錨桿支護設計方法主要是工程類比法和經驗公式計算法。在設計時,使用工程類比法和經驗公式計算法設計簡單、推廣容易、實用性強、效果較好。

①工程類比法。

工程類比法分直接類比法和間接類比法兩種。直接類比法一般是將已開掘隧洞(采用錨桿支護并取得成功)的地質開采條件與待開掘隧洞進行比較,在條件基本相同的情況下,可以參照已開掘隧洞,憑借工程師的經驗和對工程的分析判斷能力選定待開掘隧洞工程的錨桿支護類型和參數;間接類比法一般是根據現行錨噴支護技術規范,按照圍巖分類和錨噴支護設計參數表確定待開掘工程的錨噴支護類型和參數。

②經驗公式計算法。

根據多個工程錨噴支護實際施工參數,參考同類型工程的支護參數確定出錨噴支護設計的經驗計算公式。經驗公式計算法用于錨桿支護設計,計算得到的僅為錨桿支護的主要參數,是錨桿支護設計的一部分,但不是全部,還需對其他參數和材料做出選擇,這些參數、結構形式及材料選擇亦很重要,是完成整個錨桿支護設計不可缺少的內容。

(2)極限平衡區錨桿支護設計方法。

極限平衡區錨桿支護設計方法有兩個:一是彈塑性理論,二是懸吊理論。彈塑性理論有其局限性,它是建立在均質彈塑性體、圓形隧洞基礎上的力學模型,為此,引入了巖體物理力學參數修正系數和采動影響系數加以修正,以克服其局限性。

處于彈性狀態的隧洞圍巖,由于其自身處于彈性狀態,具有承載能力,因此,不需要對其進行人為加固。隧洞支護或加固所考慮的僅僅是隧洞周圍已處于極限平衡狀態下的巖體(如果考慮巖體的塑性強度和殘余強度,這部分圍巖其實也有一定的承載能力,但為安全起見,設計時,以這部分圍巖全部需要加固或支護來考慮)。因此,在劃分圍巖類別時,以極限平衡區深入隧洞圍巖的深度為主要指標,從而把隧洞的圍巖類別與支護設計必然地聯系在一起。

(3)預應力錨桿(索)支護設計方法。

在近 10年的錨桿開發研究和應用中,國內專家對大量隧洞冒頂事故及頂板嚴重離層變形的現象進行了分析,發現導致冒頂的原因不僅僅是由于錨桿強度不夠造成的,亦不能通過增加錨桿密度來解決,因此,錨桿的預拉力(初錨力)起到了更為關鍵的作用。

1993年,中國學者朱浮聲、1995年,中國學者鄭雨天的研究表明:當錨桿預應力達到 60～70 k N時,就可以有效控制隧洞頂板的下沉量,并通過加大錨桿的間排距來減少錨桿用量。

(4)圍巖松動圈錨噴支護設計方法。

用圍巖松動圈理論進行錨噴支護設計(即松動圈支護技術),是圍巖松動圈支護理論的重要組成部分。目前,使用松動圈支護技術進行錨噴支護的設計還處于理論加經驗的階段,但是,在實際應用中已相當完善,設計的錨噴支護參數安全可靠,經濟效益好。

松動圈通常用聲波法進行測定,測試時,在開挖后的洞室頂部及側墻等部位選定測試斷面,布置一系列相應平行的成對鉆孔,孔深大于預計可能出現的松動圈厚度,然后用聲波換能器測定在不同深度上兩個鉆孔之間巖體的聲波傳播速度(或單孔中沿孔深的波速),作出波速隨深度變化的曲線。

松動圈錨噴支護技術的使用,使得煤礦等地下工程的支護設計在計算設計上有據可依、科學安全可靠,開始擺脫傳統的工程類比設計上的千篇一律、針對性差的不足。

3 圍巖支護方法的發展

自 1872年英國北威爾士露天頁巖礦首次應用錨桿加固邊坡、1912年德國謝列茲礦最先采用錨桿支護井下隧洞以來,錨桿支護技術至今已有100多年的歷史。但錨桿支護的廣泛應用則僅在近 40、50年。

在隧洞施工中,適時支護既可以通過支護給圍巖提供支護力,又可以通過圍巖與支護的共同作用控制圍巖變形,調整和改善圍巖的應力狀態,發揮圍巖的自承能力,達到洞室穩定的目的。

隨著錨噴支護技術的廣泛應用,各種關于錨噴支護技術學術活動的深入開展,錨噴支護技術法規和標準化也受到了各國的高度重視。1960年,美國成立了噴射混凝土專業委員會,并于1966年首先制定了《噴射混凝土施工規范》A C 1506-66,1977年又制定了《噴射混凝土材料、配比與施工規定》A C 1506-77。奧地利于 1990年制定了《噴射混凝土指南》,德國在 1974年制定了《噴射混凝土施工規范》D I N 18551,并于 1983年頒布了《噴射混凝土維修建筑結構規程》,芬蘭、日本也相應頒布了有關的規范和工法。

我國的錨桿支護研究是從 1956年開始的,1963年試制成噴射混凝土,隧洞支護開始采用錨噴支護。但由于技術條件等原因,錨桿支護的發展一直比較緩慢,直到 20世紀 90年代,我國的錨桿支護才開始得到迅速發展。

我國亦十分重視噴射混凝土的標準化工作,煤炭、冶金、鐵道、軍工等部門均相繼制定了有關噴射混凝土錨桿支護的技術標準。1985年,原國家計委頒布了《錨桿噴射混凝土技術規范》G B J 86-85,目前國家建設部正組織有關部門對該規范進行重新修訂,水工隧洞亦被列入該規范之中。在水利電力部門 1984年組織修編水工隧洞設計規范時即將錨噴支護列入該規范。與此同時,當時的水電建設總局組織完成了《水利水電工程錨噴支護施工規范》S D J S 7-85的編制工作。各國關于錨噴支護技術標準的問世和標準化的發展也極大地推動和規范了錨噴支護的發展。

20世紀 60年代新奧法被介紹到我國,70年代末、80年代初得到迅速發展。至今,可以說在所有重點、難點的地下工程中都離不開新奧法。新奧法被廣泛應用于各種地下工程的施工領域,如引水隧洞、地鐵、公路隧道等,新奧法施工在我國推廣以來,經過幾十年的發展,應用新奧法及其相應的技術取得了較大的成就。

4 新奧法

奧地利在隧洞工程設計中,采用“經驗尺寸”設計法,即襯砌與支護的設計均建立在經驗基礎上,他們非常重視隧洞工程中實際存在的巖石力學問題,并通過實踐建立了一套獨自的設計方法,即“新奧法”。

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱,原文是 N e wA u s t r i a nT u n n e l i n g M e t h o d,簡稱 N A T M。新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲(L.V.R A B C E WI C Z)教授于 20世紀 50年代提出的,它是以隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎,將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的一種施工方法,經過一些國家的許多實踐和理論研究,于 20世紀 60年代取得專利權并正式命名。之后,該方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發展,已成為現代隧道工程新技術標志之一。新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。

“新奧法”的實質是:在地下工程的設計和施工中,以最小的代價,通過正確的設計和施工,把圍巖的承載能力充分發揮出來而達到圍巖穩定,從而保證工程的安全運行,它是把設計、施工、監測、信息反饋有機結合的、正確的地下工程的設計和施工方法。

5 結 語

筆者通過對地下洞室支護理論的發展及噴錨支護的工作原理進行總結和闡述,以期能根據工程的實際地質情況,更好地運用這些支護理論和工作原理來保證地下工程施工的順利進行。

[1] 董方庭,等.巷道圍巖松動圈支護理論[J].煤炭學報,1994,19(1):21-31.

[2] 陸士良,等.錨桿錨固力與錨固技術[M].北京:煤炭工業出版社,1998.

[3] A?л?希羅科夫,等.錨桿支護手冊[M].北京:煤炭工業出版社,1992.

[4] 何滿潮,等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004.