深部軟巖開挖變形及支護(hù)效果研究

趙 平 韓治勇

（1.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2．皖西學(xué)院，安徽 六安 237012）

礦山建設(shè)的主要難題之一是在深部軟巖地層中開挖巷道。對地下深部軟巖進(jìn)行巷道開挖時，導(dǎo)致初始應(yīng)力重分布，圍巖的應(yīng)力釋放使巷道受到水平側(cè)壓、偏壓及頂壓等作用，致使巷道產(chǎn)生底部隆起、頂部沉降等變形，甚至破壞。

針對深部軟巖開挖問題，國內(nèi)外部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。[1]針對高地應(yīng)力軟巖隧道在施工過程中產(chǎn)生大變形的問題，采取包含傳統(tǒng)噴錨支護(hù)在內(nèi)的三種支護(hù)方式現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)研究；[2]采用隧道三維應(yīng)力場試驗(yàn)對巷道圍巖變形情況進(jìn)行研究，結(jié)果認(rèn)為當(dāng)巷道最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行時，拱頂位移為221mm，拱腳位移為454mm；[3]分析了隧道大變形的破壞形式和產(chǎn)生的原因，并提出針對性改進(jìn)支護(hù)措施；[4]研究了隧道暗挖沉降的規(guī)律，并利用回歸分析的方法，構(gòu)建了軟巖隧道沉降對數(shù)預(yù)測模型；[5]利用數(shù)值模擬研究淺埋大跨度隧道在軟弱圍巖中的施工方法，研究表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于三臺階七步法和CRD法；[6]在圍巖中布設(shè)錨桿，假設(shè)圍巖為彈塑性，并根據(jù)相關(guān)條件建立模型，分析了錨桿相關(guān)的力的分布情況；[7]通過在茂縣隧道現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測和理論分析，得出該隧道屬于高應(yīng)力軟巖，隧道在施工時巷道周圍巖體位移大的結(jié)論；[8]研究了深部巖體相關(guān)問題，認(rèn)為巷道埋深對巖體裂紋總數(shù)有較大影響；[9]研究了不同加固手段下軟巖隧道加固情況，認(rèn)為雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效提高軟巖隧道抵抗變形破壞的能力；[10-15]研究不同地層結(jié)構(gòu)下的巷道開挖并進(jìn)行相應(yīng)加固，并分析了各自加固效果及影響因素。

本文以馬坑Ⅲ礦區(qū)深部軟巖某巷道開挖工程為例，結(jié)合地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和巷道在開挖過程中的實(shí)際變形情況，運(yùn)用Midas軟件建立三維立體模型，模擬巷道開挖過程中圍巖位移情況，并提出兩種加固方案，馬坑Ⅲ礦區(qū)深部軟巖某巷道開挖工程圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究，用以指導(dǎo)該礦區(qū)安全生產(chǎn)，并為類似工程提供參考。

一、開挖過程模擬

（一）工程背景

馬坑Ⅲ礦區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，巖體穩(wěn)定性較差，巷道開挖難度大。馬坑礦床可從東向西依次分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ4個礦區(qū)。根據(jù)馬坑礦床地質(zhì)構(gòu)造及680m水平分段巖體質(zhì)量分區(qū)，選取Ⅲ礦區(qū)地面標(biāo)高為-352m某段開挖巷道作為研究背景。該區(qū)域巖性多變，穩(wěn)定性差，開挖巷道實(shí)際尺寸為5.20m×1.90m×2.50m。利用Midas建立三維有限元模型，共125829個單元，圖1為三維數(shù)值計(jì)算模型。模型上表面為自由邊界，下表面施加豎向約束，四周分別施加法向約束。作用在上表面的圍巖原始應(yīng)力場應(yīng)力為27.3MPa，四周水平向應(yīng)力沿模型四周從上往下遞增分布，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為45.5MPa、22.1MPa。計(jì)算時假設(shè)巖體是各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，均采用摩爾——庫倫屈服準(zhǔn)則。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)

（二）巷道開挖過程

研究巷道開挖過程，先對模型中巖體施加重力荷載和原巖初始應(yīng)力的邊界荷載，并清除初始應(yīng)力作用下巖體的位移。計(jì)算模型巷道總長16.0m，開挖過程從y=0m開挖到y(tǒng)=16m，整個開挖過程共分為16個開挖時步,每米為1個開挖時步。設(shè)置4個位移監(jiān)測點(diǎn)，分別在頂板、底板、左側(cè)幫、右側(cè)幫。

（三）開挖變形結(jié)果

巷道開挖后不同監(jiān)測點(diǎn)處位移情況對比如圖2所示。圖2為開挖后不同監(jiān)測點(diǎn)位移，從圖2可知：巷道開挖過程中四周巖體的位移隨著開挖時步的增加而逐步增大，頂板、底板豎向位移曲線圖呈對稱分布，最大位移非常接近，開挖卸荷后，巖石應(yīng)力重分布，底部出現(xiàn)隆起。左側(cè)幫與右側(cè)幫水平位移也大致呈對稱分布，但最大值不一致，當(dāng)開挖至第十六步時，右側(cè)幫最大值為117mm。頂板、底板處監(jiān)測點(diǎn)豎向位移在開挖1～11時步內(nèi)變化較大，在11～16時步過程中變化不明顯，趨于穩(wěn)定；巷道兩幫處監(jiān)測點(diǎn)位移在1～12開挖時步內(nèi)變化較大，12時步以后開挖過程中位移變化不顯著，說明巷道開挖過程中頂、底板處位移影響范圍比兩幫處小，且圍巖應(yīng)力釋放速度不一致。頂板、底板最大豎向位移分別為78mm、82mm；左側(cè)幫與右側(cè)幫最大水平位移為98mm、117mm。說明無支護(hù)條件下對該區(qū)深部軟巖進(jìn)行開挖，危險(xiǎn)性極大，非常有必要在開挖過程中進(jìn)行加固。

圖2 開挖后不同監(jiān)測點(diǎn)位移

二、加固方案

針對上述無支護(hù)條件下對該區(qū)深部軟巖進(jìn)行開挖，危險(xiǎn)性極大，本文提出兩種加固方案：

（1）采用U型鋼支護(hù)方案。U型鋼截面面積為3542mm2，間距2m，沿巷道掘進(jìn)方向架設(shè)，U型鋼與巷道之間的空隙通過向巷道內(nèi)壁噴射厚度為0.16m的混凝土以及向底部噴射厚度為0.4m的混凝土來充填。

（2）采用全斷面噴錨支護(hù)方案。每個斷面寬度為1個開挖步寬，共布置6根錨桿，均在斷面正中間，同一斷面的錨桿間距弧長為1.5m，不同斷面間錨桿間距為1.0m。錨桿直徑為20mm，長度為5.5m，表2為支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)表。根據(jù)兩種不同的加固方案，分別建立Midas三維立體模型研究巷道在加固條件下開挖過程，在每步開挖結(jié)束后及時加上相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后繼續(xù)開挖下一步，再加上相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，直到整個巷道開挖完成。其中混凝土材料采用實(shí)體單元、U型鋼、錨桿采用梁單元。

表2 支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

三、支護(hù)效果對比

（一）U型鋼支護(hù)后圍巖變形

圖3為U型鋼支護(hù)后不同監(jiān)測點(diǎn)位移變化對比圖。從圖3可知，巷道在開挖過程中，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，巷道頂板、底板及兩幫的位移增長速度均比無支護(hù)條件下有所減小。巷道左、右兩幫變形近似于對稱分布，巷道頂、底板變形近似于對稱分布。當(dāng)開挖至第十六步時，四個監(jiān)測點(diǎn)的位移均達(dá)到最大值。底板處最大，最大值為98mm，頂板處最小，最小值48mm為。其中頂、底板處圍巖的位移在開挖1～10時步內(nèi)曲線的斜率增大較快，10～16時步內(nèi)曲線的斜率逐步減小，趨于穩(wěn)定；兩幫處監(jiān)測點(diǎn)位移在開挖1～8時步內(nèi)斜率增加較快，8～16時步內(nèi)變化不顯著。上述分析說明采用U型鋼對巷道開挖進(jìn)行加固后對巷道頂板，左側(cè)幫以及右側(cè)幫的位移起到很好的約束作用，位移較無支護(hù)條件下有所減小，而對底板的豎向位移約束作用不明顯，底板的豎向隆起值增大。

圖3 U型鋼支護(hù)后不同監(jiān)測點(diǎn)位移

（二）全斷面噴錨支護(hù)后圍巖變形

圖4 為全斷面噴錨支護(hù)后不同監(jiān)測點(diǎn)位移圖，從圖4可知：采用全斷面噴錨支護(hù)后的巷道左、右兩幫以及頂、底板變形均近似于對稱分布，曲線的變化率均大大減緩，說明全斷面噴錨支護(hù)能有效改善巷道四周巖體應(yīng)力分布情況。隨著開挖時步的增加，四個監(jiān)測點(diǎn)的位移均有所增加，但增速緩慢。當(dāng)開挖至第十六步時，頂、底板處位移分別為31mm、29mm；左側(cè)幫、右側(cè)幫的位移分別為52mm、56mm。上述分析說明采用全斷面噴錨進(jìn)行加固后對巷道頂板、底板、左側(cè)幫以及右側(cè)幫的位移起到很好的約束作用，位移較無支護(hù)條件下有所減小，且對底板的豎向位移約束作用明顯，底板的豎向隆起值大大減小。

圖4 全斷面噴錨支護(hù)后不同監(jiān)測點(diǎn)位移

（三）支護(hù)對比分析

圖2 、圖3及圖4反映了深部軟巖巷道在未支護(hù)、U型鋼支護(hù)和全斷面噴錨支護(hù)三種情形下的圍巖變形情況。綜合分析對比可知，不支護(hù)時巷道開挖時圍巖的位移均較大，開挖過程中，風(fēng)險(xiǎn)較大。與無支護(hù)條件時相比，采用U型鋼支護(hù)能有效地降低巷道左、右兩幫圍巖的水平位移，右側(cè)幫圍巖位移減少58mm，左側(cè)幫圍巖減少36mm；拱頂處圍巖沉減少20mm，且拱頂沉降范圍大大減小，但拱底隆起值增大。采用全斷面噴錨支護(hù)能有效地降低拱頂與拱底處圍巖的豎向位移，與不支護(hù)情形相比，拱頂圍巖沉降減小40mm，拱底圍巖隆起值減小45mm，巷道兩幫處圍巖水平位移也減小。

四、結(jié)論

針對軟巖巷道開挖時產(chǎn)生的大變形，運(yùn)用有限元軟件對開挖過程進(jìn)行研究，并對不同支護(hù)方式下圍巖變形進(jìn)行對比，表明：

（1）軟巖巷道在開挖時圍巖會產(chǎn)生較大位移，位移最大值為117mm，影響巷道安全。

（2）采用U型鋼支護(hù)能有效降低巷道左、右兩幫圍巖的水平位移，右側(cè)幫圍巖位移減少58mm，左側(cè)幫圍巖減少36mm；拱頂處圍巖沉減少20mm，且拱頂沉降范圍減小。

（3）采用全斷面噴錨支護(hù)能有效地降低拱頂與拱底處圍巖的豎向位移，與不支護(hù)情形相比，拱頂圍巖沉降減小了40mm，拱底圍巖隆起值減小了45mm，加固效果顯著。