軟弱圍巖井下巷道預留變形量的探討

童志鵬

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

新奧法原理是為了充分發揮圍巖自身的承載能力，允許并控制圍巖的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環；另一方面又必須限制它，使圍巖不致過度松弛而喪失或大大降低其承載能力。

在運用新奧法設計施工時，為充分發揮圍巖自承作用，容許初期支護和圍巖有一定的變形，而將設計開挖線作適當擴大的預留量稱為預留變形量。

新奧法是礦山開采中運用較為普遍的設計施工技術，而預留變形量則是新奧法中一個重要的理念。目前在礦山行業還沒有專門規范對巷道預留變形量進行說明，根據《公路隧道設計規范》(JTG D70/2—2014)中規定：“在確定開挖斷面時，除應滿足隧道凈空和結構尺寸外，還應考慮初期支護并預留適當的變形量。預留變形量的大小可根據圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護情況等，采用工程類比法預測。當無預測值時，在軟弱圍巖，預留變形量參考值范圍50～250 mm，并根據現場監控量測結果調整”。

一般來說巷道預留變形量根據工程經驗進行確定，預留變形量設置過小，圍巖的變形大，造成后期二襯施工易產生侵限情況；設置過大，容易造成巷道超挖、出渣量增加，二襯厚度加大等從而耽誤工期、增加成本。該文以某斜井工程為研究對象，分析了軟弱Ⅴ圍巖級別條件下斜井斷面預留變形量控制值。以后設計施工時，在遇到類似工程條件，希望可以起到一定的幫助和參考作用。

1 工程概況

某礦主斜井全程1 500 m左右，斷面形式為半圓形拱，凈斷面長×寬=5.2 m×4 m，根據通過的圍巖等級，主要劃分為明槽段、泥巖段、石鹽巖段，其中泥巖段包括泥巖段及過水泥巖段。各段圍巖等級分別為：明槽段為Ⅴ級、泥巖段為Ⅴ級、石鹽巖段為Ⅲ級，該文主要分析斜井通過泥巖段Ⅴ級圍巖時，斷面預留變形量的取值控制范圍，并給出該工程的預留變形量建議值。由于斜井巷道圍巖軟弱、深埋，在設計階段需考慮預留變形量的問題，斜井采用超前管棚+錨網噴+預留變形量+鋼支架+鋼筋混凝土支護。泥巖段支護設計參數見表1。

表1 泥巖段支護設計參數表

2 預留變形量的確定

該次斜井工程支護采用錨網噴支護與U型鋼支架聯合支護方式。在實際施工中，錨網噴支護與U型鋼支架往往同時施工，沒有考慮兩種支護之間合理間隔時間，使得U型鋼支架沒能避開初期圍巖的劇烈變形。在錨噴網支護未有效發揮作用之前，U型鋼支架已經產生了嚴重變形或破壞，影響了鋼支架的承載能力和可縮性能。為此根據新奧法的原理，在圍巖有一定的承載能力情況下，錨網噴支護與U型鋼支架安裝設置一定合理間隔時間是必要的。

該次工程采用試驗監測和工程類比法設置預留變形量。首先根據工程類比法確定預留變形量1個標準值，在類似Ⅴ級圍巖，斷面寬度5～7 m情況下，預留變形量暫按150 mm考慮。斜井斷面設置了2個監測點，分別命為CD1及CD2，監測點位置見圖1。

圖1 監測點位置圖

在開挖完成后，立即進行噴錨網支護，根據對斷面實時觀察及變形監測，發現在噴錨網支護5天內圍巖整體性及穩定性較好，未發現任何混凝土開裂情況；而在噴錨網支護后第7天時，圍巖穩定性較好，但發現有混凝土開裂的征兆，現場立即安裝鋼拱架，防止圍巖繼續變形。現場在第25天施工二襯，即400 mm厚鋼筋混凝土。

根據對2個現場監測點變形量數據統計，繪出拱頂及幫部變形量時間曲線圖，見圖2。

圖2 拱頂與幫部變形量與時間曲線圖

拱頂與幫部變形量與時間曲線圖表明：

(1)圍巖變形量在開挖初期變形較大，并拱頂變形從始至終大于幫部。

(2)鋼拱架安裝在第7天，安裝完成后，斷面圍巖變形基本趨于穩定。

(3)二襯施工在第25天，二襯施工完成后，斷面圍巖變形基本不再增加。

(4)根據監測數據表明，拱頂最大變形量為105 mm，幫部最大變形量88 mm。

根據項目試驗監測結果及現場觀察得出結論：錨噴支護完成后前5天圍巖會出現較大變形，且圍巖穩定性良好，圍巖釋放大量能量，從而可以減少圍巖對后期支護結構的變形壓力；在錨噴支護完成后第7天圍巖變形持續增加，會產生因圍巖變形持續增大，從而使得圍巖失去承載能力，可能出現巷道冒頂、坍塌等現象，威脅現場施工人員安全。故在類似圍巖情況下，鋼拱架安裝在錨噴網支護后第5天至第7天為宜。當掌子面出現了含水層及破碎層時，錨網噴支護與U型鋼支架間隔時間應適當減少，具體間隔時間應由工程試驗確定。鋼支架安裝完成以后，一般來說應在30天之內施工二襯。鋼支架安裝完后至二襯施工之間的間隔時間圍巖變形相對較小，可利用U型鋼支架自身可縮性來滿足變形要求。為此，在圍巖有一定的承載能力情況下，錨網噴支護與U型鋼支架合理施工間隔時間是控制預留變形量的關鍵。

在該次工程中錨網噴支護與U型鋼支架施工間隔時間為7天，根據監測數據拱頂在第7天沉降量為92 mm，幫部沉降量為74 mm。為此對于預留變形量150 mm進行修正，提出預留變形量建議值為100 mm。

設計考慮控制凈斷面方式及二襯結構、鋼拱架安裝、預留變形量來確定開挖斷面。該次工程斷面凈寬為5.2 m，凈高為4 m，二襯支護厚度400 mm，并設仰拱，二襯外寬為6 m，外高4.8 m，故初期支護完成后，凈斷面長×寬=6 m×4.8 m。預留變形量為100 mm，錨噴網支護厚度100 m，鋼拱架安裝厚度150 mm，故開挖斷面為長×寬=6.7 m×5.55 m。詳見斜井巷道斷面圖，見圖3。

圖3 斜井巷道斷面圖

3 結 語

該文主要針對于斜井巷道在軟弱圍巖運用新奧法設計施工時，通過工程類比和試驗監測數據分析可得出以下結論：

(1)在采用錨噴網+鋼支架聯合支護情況下，錨噴網與鋼支架設置合理施工間隔時間是控制預留變形量的關鍵因素。

(2)在類似該工程條件下，錨噴網與鋼支架施工間隔時間設置5～7天為宜。但掌子面遇含水層及破碎段時，間隔時間應適當減少，具體時間由試驗確定。

(3)鋼支架安裝后，斜井巷道周邊圍巖變形基本趨于穩定，因此控制鋼支架安裝時間尤為重要。

(4)一般來說巷道拱頂下沉量大于幫部水平收斂量，因此控制預留變形量主要取決于巷道拱頂下沉量大小。

(5)預留變形量的確定可先通過工程類比法確定一個標準值，后采用試驗監測數據來對標準值進行修正。