礦建工程中特殊硐室的軟巖支護技術

曹學林

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

在礦建工程項目施工中，大型特殊硐室處于軟巖環境下，該設施具有較為特殊的使用功能，一旦建設結束通常無法做出反復性返修。所以在設計與施工期間應對軟巖結構可塑性、流變性以及膨脹性等特點予以充分考慮，合理選擇支護技術方案，有效轉換高應力軟巖地壓，確保支護效果，將軟巖結構維持在穩固、合理的狀態，為特殊硐室使用的可靠性以及安全性提供有效保障［1］。

1 初始設計問題

1.1 未深入分析特殊硐室軟巖性能指標

軟巖存在多種變形力學機制，應充分考慮到軟巖地壓大、大變形以及難支護的特點，所以應采取綜合治理方案，單純依賴某種支護方案并不可取，也很難實現預期效果。以往施工支護多以錨噴支護方式為主，長度通常都低于500m且遠低于桿體長度，一旦受到外部強力影響則很難抵抗。

1.2 圍巖表面缺乏足夠的約束能力

在高應力膨脹軟巖施工環境中，硐室泵房排水系統巷道往往需要遵循上下交錯布置的原則，但容易受到外部爆破震動的影響，部分薄弱區域可出現變形，抵抗能力也隨之減弱，甚至持續出現松脫、蠕變，導致破碎區形成，進而導致錨固圍巖自承圈受到嚴重破壞［2］。

1.3 未合理選擇斷面

大多數礦建工程的泵房和變電所斷面形態均采用半圓拱形斷面，因此澆筑混凝土支護底板時，混凝土體支護強度通常難以應對膨脹軟巖應力釋放強度，導致兩側圍巖結構有很大幾率出現蠕動變形。與此同時，礦建工程項目硐室直墻壁段相對較高，難以有效承受或對抗側壓力，有較大幾率出現支護體脫落的現象，若施工方未及時處理則有可能引發失穩破壞［2］。

2 硐室支護方法

2.1 臨時支護

特殊硐室建設過程中一般會選擇錨網支護方案進行臨時支護，首先設置錨桿孔，然后在風鉆輔助下將錨桿楔進孔洞，錨桿布置呈矩形，并且與軟巖面之間不留縫隙，以提高支撐力。通常情況下井筒部分和管子道部分多以錨桿、不銹鋼網作臨時支護處理。應注意施工過程中按照實際情況對搭接方式以及網格規格進行調整，確保去布置均勻，實現臨時支護的效果。

2.2 永久支護

在井筒部分支護方法中，混凝土支護是應用最為頻繁的一種，該方法屬于永久性支護，因此施工人員在工程項目建設開始之初就保障工程施工質量，合理配合混凝土材料，同時應盡量避免外部因素影響，確保澆筑質量，以免支護質量難以達到既定標準。在硐室關鍵部分施工中，巷道部分的支護方案一般以二次支護為主，應注意合理選擇變形力學類型，將復合型軟巖有效轉化為局部結構單一型軟巖。此外還應注意做好底板支護工作。

2.3 二次支護

二次支護技術多用于失修巷道或者硐室關鍵部位，工作步驟為：首先，分析并確定軟巖結構復合變形力學機制；其次采取有效措施改變復合變形機制，使之趨向于單一性；最后要合理優化二次支護方案。

根據礦建施工現狀分析來看，在調整和優化硐室軟巖支護方案時應重視如下內容。

1）從支護操作時機方面分析來看，施工人員應充分認識硐室特殊性應確保充分釋放圍巖變形應力，此種情況下初次支護方案的作用與價值可得到有效發揮。而軟弱巖體結構放壓曲線和初次支護壓力釋放曲線彼此保持相交時，可視為初次支護方案主體讓壓基本已處于最理想狀態。所以施工時應從現場實際情況出發，合理確定二次支護的時機，即錨噴支護巷道出現鱗狀剝落并逐漸出現片狀剝落時［3］。但是應注意如下問題：二次支護方案通常應以強力組合支護方案為首選，這也是二次支護的基本原則，應基于合理控制應力釋放趨勢和軟巖持續膨脹這一前提，通過二次強力支護來強化圍巖結構與支護體，使之更趨于穩定。

2）當后壁式和圓筒式支護方案確立后，應根據硐室特殊要求來分析并深入了解如下幾點工作內容：第一，以強度較高的半程錨固錨桿以及全程錨固錨桿作為首選錨固方案，以增加自承圈厚度。第二，硐室錨索加固處理時應適當延長錨固長度，一般深入穩定巖層內部即可。錨索錨固方案能夠充分發揮預應力，從而顯著提升自承圈厚度，以改善圍巖結構力學狀態，進而滿足后壁支護可靠性要求。第三，澆筑鋼筋混凝土加固結構時尤其應做好兩側墻面收幫控制處理，防止圍巖結構發生內部形變的問題，以強化圓筒式支護方案的支護效果。第四，通過加設錨索的方式處理硐室工作面底板，形成框架橋式結構，以有效解決工作面底部薄弱問題，并滿足強支護方案的各項具體要求。

3 工程實例分析

某礦建工程二水平泵房中一共安裝3型水泵裝置9臺，建成投入運行3年后需要重新翻修以作加固處理。其中變電所硐室長、寬、高各項基本尺寸分別為3 500mm、6 000mm、3 900mm；泵房硐室長、寬、高各項基本尺寸分別41 000mm、7 000mm、5 500mm。初期硐室采用錨桿、錨網以及錨噴聯合支護方案，采用C20強度等級的噴射混凝土［4］。硐室底鼓問題較為嚴重，且伴有高應力膨脹軟巖底板來壓，其中變電所與泵房二者硐室斷面選擇分別為馬蹄形斷面以及半圓拱直墻地板橋式框架斷面。

考慮到初期工程支護方案的確立，加固處理要求在選擇二次支護方案時應遵循軟巖支護基本理論，采取強力組合方案對硐室薄弱區域作支護處理，全斷面均楔入高強度加長錨索錨桿（底板除外），并將雙層鋼筋敷設在硐室輪廓幫部位，以強化支護圍巖體系的軟弱部分，應注意二次支護施工過程中混凝土澆筑標準厚度應保持在500mm。與此同時，通過橋式框架鋼筋混凝土梁對工作面底板實施綜合支護作業。以泵房硐室支護方案為例，采用橋式框架關鍵區域強化組合支護方案見下圖1。

圖1 橋式框架關鍵區域強化組合支護方案示意（mm）

經過二次支護處理后，該礦建工程應用至今已有4年，在采取針對性軟巖支護技術方案處理后，硐室支護體系中薄弱環節得到很好的彌補和強化，整體支護效果較為滿意。通過現場勘查數據可知，硐室圍巖變形速率在初期支護后保持在1.8～6.5mm／d，而硐室底板變形速率最大值則高達21.5mm／d；二次強化支護處理后硐室底板變形速率最大值和圍巖變形速率基本保持為0，這充分說明了二次支護方案得到了滿意效果，可靠性較高。

4 結語

在高應力軟巖環境下礦建工程硐室各部分中，底板是最為薄弱的一個環節，特別是特殊機電硐室，應對高應力膨脹軟巖的性質、力學數據等相關知識有熟練掌握，在初次支護基礎上做好二次強化組合支護，既要重視自支能力基本喪失的松散掩體，同時又要兼顧底板橋式框架支護方案，提高支護強度，以確保施工過程中各項操作能夠順利進行［5］。

［1］種波凱，張新建，宋成義，等.陳四樓礦深井軟巖巷道復合支護技術［J］.中州煤炭，2015，（5）：65－67.

［2］郭志飚，李乾，王炯，等.深部軟巖巷道錨網索－桁架耦合支護技術及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（z2）：3 914－3 919.

［3］姜耀東，王宏偉，趙毅鑫，等.極軟巖回采巷道互補控制支護技術研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2 383－2 390.

［4］李學彬，楊仁樹，高延法，等.大斷面軟巖斜井高強度鋼管混凝土支架支護技術［J］.煤炭學報，2013，38（10）：1 742－1 748.

［5］潘貴豪，明世祥，劉新強，等.高應力軟巖巷道支護新理論及應用研究［J］.湖南科技大學學報（自然科學版），2009，24（3）：11－15.