地下工程軟巖支護施工技術分析*

汪韻雅，彭巖巖，包春燕

（紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000）

地下工程開挖后，為保證其安全可靠，一般要進行支護工作。隨著國家地下工程建設的進一步體制化，軟弱圍巖支護的相關問題引發了國內外工程師的廣泛關注。而對于軟弱圍巖的支護方法，目前國內外都還沒有形成一套完整良好的解決方案。受開挖作用的影響，地下工程圍巖會因受到擾動而失去原有的平衡狀態，在圍巖受到的重分布應力作用超過其承載能力時，圍巖會發生變形或破壞現象，此時采用軟弱圍巖支護兼顧加固技術，可較好地解決類似問題。

1 地下工程圍巖支護施工技術

國內外對軟巖工程建設大多采用地下工程開挖并支護加固后挖掘的方法，直到圍巖和支撐體一次又一次變形或者發生破壞后再進行一次或重復多次的修復，直到最終破壞不能使用。但這樣破壞和再修復的無限循環，不僅耗費人力物力，還耗費金錢，且不能保證工程的安全性[1]。根據以往資料調查和工程實例情況可以得出：在應力重分布后，軟弱圍巖的應力狀態和變形特征是復雜多樣的，這嚴重阻礙了我國地下軟弱圍巖支護工程建設的發展。為此，當地下工程開挖引起應力重分布時，應對軟巖進行支護加固。針對不同地區的軟巖產生的應力狀態不同的情況，軟弱圍巖的巷道支護應做出不同的設計考慮，以達到其經濟性與安全性并存的目的[2]。

1.1 金屬支架和砌碹支護技術

金屬支架（見圖1）是被動承受承載力的支護方法，主要作用在巷道圍巖上。金屬支架支護巷道一般采用由11號或9號工字鋼制作而成的剛性支架，結構為一兩柱。單個金屬支架的受力來源主要源于x軸方向的水平應力和y軸方向的垂直應力，且應力方向都指向巷道開挖區段。

金屬支架技術的優點在于能夠實現軟巖巷道支護平衡，提高其對軟巖的適應性和穩定性[3]。但其缺點則是對巷道圍巖變形的控制僅僅是被動抵抗，對軟巖變形或破壞的控制并不明顯。隨著開采深度逐年遞增，從而加大了支護成本，且效果甚微，因而這種基礎金屬支架無法適應更高的變形需求。而砌碹支護（見圖2）與金屬支架相比，雖然也是被動承受承載力的支護技術，但其連續性和整體性對控制地壓有優越性，同時砌碹支護防風化、堅固耐久、防火防水的性能也較金屬支架好，且其被動承載變形的性質使其承擔了較高的強度和承載力。不過砌碹支護不能立即產生支撐能力、需養護、施工速度慢、機械化差、成本高、綜合勞動率低的表現也讓它在高應力和復雜地質環境下，難以承擔巷道支護的重任[2]。

圖1 煤礦井下拆除液壓支架的掩護架制造技術

圖2 砌碹支護（單位：mm）

1.2 注漿加固技術

注漿加固技術適用于軟弱破碎巖層。注漿所選用錨桿通過無縫鋼管冷拔或者焊接兩種方式制成[4]。為此，既可以錨固，又可以作為注漿管進行注漿，膠結破碎巖塊使之成為整體，分帶支架荷載。注漿加固技術是在原有（正常或非正常）支護存在的基礎之上，通過適當松動圍巖進行注漿，提高裂隙聚集力及內摩擦角，增加巖層內部的摩擦阻力，阻止巖層間斷面的剪切作用，從而增強圍巖承載能力和保證圍巖的自身完整體系，與原有支護結構協調互補，保證了支護結構的整體穩定性[5]。

1.3 鋼筋混凝土復合支撐支架

鋼筋混凝土復合支撐支架（見圖3）適用于壓力大，不受回采影響的開拓巷道和準備巷道。“錨桿+金屬網+噴混凝土”作為其第一部分支撐構件，“鋼筋混凝土+兩個支架加固錨索+鋼纖維混凝土拱”的復合結構作為其第二部分支撐構件。滾動軸承支架模型由壓縮拱、閥體和支架合力承擔，用來加強支護結構，形成相對阻力承擔外圍巖石[6]。

圖3 大體積混凝土鋼筋支架示意圖

1.4 錨桿及組合錨桿支護

錨桿及組合錨桿支護（見圖4）適用于同其他支護形式相結合的各種隧道支護以及受開采影響的巷道支護，主要是由組合錨桿支護進行承擔[7]。該支護方式能夠使錨索一端深入底部巖層，另一端則進行預加載步驟，通過“錨索+金屬網+噴射混凝土”組合支護支撐構件幫助加強其支護效果。當出現巷道大斷面的情況時，由于地應力往往過大，普通的單一錨桿支桿件系工作得到的效果不佳，依舊會導致拱部受損嚴重，因此在地壓過大的深度控制軟巖地下工程施工中，應使用高強度支護措施控制深度地應力[8]。

圖4 錨桿支護組成示意圖

1.5 聯合支護

（1）錨桿+噴射混凝土。錨桿和噴射混凝土支護與軟弱圍巖形成整體結構，采用錨噴組合支護設計方式，能夠有效控制軟巖變形和破壞，及時準確地調整軟弱圍巖的應力分布，與周圍巖體建立互動關系。這項技術合理且滿足低成本和及時性，但由于其適用范圍只限于特定范圍內的巖體，因此該項技術缺乏實用性和可靠性，且存在突變的安全問題，即缺乏安全性[9]。

（2）錨網噴+錨索支護。采用錨網噴組合支護，首先，對錨桿進行錨固，確保拉拔力大于某一特定設置值或計算值；其次，進行錨索補強支護措施；最后，在比較容易發生軟弱圍巖冒落（或爆破風險）的區域設置超前錨桿打入巖層內用來控制頂板。此法具有較高的支護效果，且所需費用較低，可靠安全，無需耗費過多人力物力，巷道后期的維護也十分方便，機巷支護斷面見圖5[10]。

圖5 機巷支護斷面圖（單位：mm）

2 圍巖支護施工技術比較

從以上方案及建議可以看出金屬支架和砌碹支護技術雖然能提高對軟巖的適應性、穩定性以及承載能力，但成本高且綜合勞動率低，不適宜長期承擔支護重任。注漿加固技術是通過鉆孔將裂隙由上到下以堵封滲透的方式加固薄弱帶，以此提高巖體整體抗壓能力和圍巖強度的一種方案，也是目前地下工程軟巖支護加固方面較為常見的一種技術。對于組合支護技術的適用范圍，常以巷道埋深情況和變形破壞程度決定：①巷道埋深小于400m，位移量不大于20mm時，除個別破碎層（或帶）以外，圍巖一般不需要進行修復或加固；②埋深在400～600m，位移量在30～50mm，巷道出現少量底鼓，圍巖成片狀或條帶狀剝落，局部區域漏出原巖時，需先清除破壞部分，采用補打錨桿+掛網噴漿，同時對圍巖壓力大的區域疊加注漿加固；③巷道埋深在600～800m，底鼓、底腳內移、水溝擠裂，巷道兩肩開裂甚至冒落，破壞程度至半時，需疊加錨索或配合注漿加固；④對深埋巷道類型（埋深＞800m），在上述支護技術難以發揮作用時，應調整支護參數，進行專項研究，預防在前，修補調整在后[11]。

3 結論

我國軟弱圍巖分布廣泛，表現形式多種多樣，圍巖巖性相差范圍較大。這種圍巖結構穩定性差、承載能力弱，若不采取強力有效的支護施工技術，可能會在施工過程中出現圍巖變形甚至引發坍塌，不僅影響正常施工，還會造成嚴重的安全事故。為此文章介紹了五種不同地下工程軟巖施工支護技術的原理和方法，結合實際分析了各施工技術在各方面的優勢和弱勢。只有針對各支護技術的優劣選擇更加合理有效的方法，才能更安全及高質量地完成地下作業。