浅埋强风化地下洞室支护形式与参数研究.pdf

四川大学 硕士学位论文 浅埋强风化地下洞室支护形式与参数研究 姓名陈小强 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师刘长武 20060501 四川丈学硕十学位论文 浅埋强风化地下洞室支护形式与参数研究 岩土工程专业 硕士研究生陈小强指导老师刘长武教授 浅埋洞室多属于强风化带，围岩一般破碎，而且通常夹有土层，覆盖层一 般也比较薄，那么对于这种不利于土体成拱的条件下，怎样合理利用好各种施 工方法，在确保安全的前提下，降低工程投入，提高工作效率，同时加强对岩 层的破坏机理研究，支护方法和围岩之间的相互作用研究，显得尤为重要。 本文结合贵州能化公司统一领导的大型国有在建煤矿五轮山煤矿的施 工现场，对浅埋强风化地下洞室支护形式与参数进行重点研究。在本课题中， 通过力法计算、数值模拟等方面对浅埋强风化段地下洞室支护问题展开研究， 并对煤矿井巷工程中的U 型钢可缩性支架、型钢混凝土组合结构的设计计算方 法进行一定的探讨，为现场工程设计和施工提供科学依据和技术参考。 论文首先介绍了地下工程支护结构理论的发展及其研究现状；结合五轮山 煤矿施工现场，论文采用超静定结构力学计算方法、有限元的分析方法，主要 对浅埋强风化段支护结构进行了力学分析；在总结现有文献研究成果的基础上， 分析了型钢与混凝土的粘结机理，介绍了U 型钢可缩性支架缩动前后的内力计 算方法，讨论了考虑U 型钢可缩性支架稳定性的承载能力问题，阐述了U 型钢 可缩性支架参数选择的原理。论文最后针对煤矿井巷工程，提出了u 型钢与混 凝土这种特殊组合结构的承载力验算公式，简单介绍了研究钢与煤矸石组合结 构的现实意义。 关键词浅埋地层，地下洞室，支护机理，力法分析，可缩性支架 国家自然科学基金资助项目 5 0 5 7 4 0 6 45 0 0 7 4 0 2 9 四川大学顾十学位论文 S t u d y o nt h es h o r i n gf o r ma n dt h es u p p o r tp a r a m e t e r so fs h a l l o w u n d e r g r o u n dc a v i t yb e l o n g i n gt os t r o n ge f f l o r e s c eb a n d G e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g G r a d u a t eC h e nX i a o q i a n g S u p e r v b e rP r o f ．L h lC h a n g w u T h e u n d e r g r o u n d t u m a e l e n t r a n c e t oc a v e a t e r m o f s t r a t u m t h i n n c T , b e l o n g i n g t o s t r o n g e f f l o r e s c e b a n d , s u r r o u n d i n gr o c kg e n e r a l l ym o r eb r o k e n , a n du s u a l l y c l i p p i n gs o i ll a y e r ．S o ，f o rt h i sk i n do fd i s a d v a n t a g ec o n d i t i o ni ns o i la r c h , h o w r e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o ne v e r yk i n do fc o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，w h i l ei n s u r i n gt h e b r e a k a g em e c h a n i s mt h a te n h a n c et ow o r ke f f i c i e n c y , s t u d yt ot h eb r e a k a g e m e c h a n i s mt h a te n t r a n c et ot h er o c ks t r a t a a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c ho ft h e i n t e r a c t i o no f s u p p o r tm e t h o da n ds u r r o u n d i n gr o c ki sm o r ei m p o r t a n t ． T h i sl e s s o na i m s 砒t h ei t e m , t h es h o r i n gf o r ma n dt h es u p p o r tp a r a m e t e r so f s h a l l o wu n d e r g r o u n dc a v i t yb e l o n g i n gt os t r o n ge f f l o r e s c eb a n dt os t u d y , c o m b i n i n g w i t ht h ec o n s t r u c t i o ns i t eo ft h el a r g e - s c a l eg o v e r n m e n tc o l l i e r yO nt h es t o r e s ，t h e F i v e - w h e e l sM o u n t a i nC o l l i e r yC o r p o m t i o I l ，l e a d e db yG u i z h o uE n e r g ys o u r c e sa n d C h e m i c a le n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ．I nt h i sl e s s o n , t h ep r o b l e mo ft h es h o r i n gf o r m a n dt h es u p p o r tp a r a m e t e r so fs h a l l o wu n d e r g r o u n dc a v i t yb e l o n g i n gt os t r o n g e f f i o r e s c eb a n d , i ss t u d i e db yf o r c em e t h o dc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a lv a l u e a n a l y z i n g , a n dS OO I LA n dt h ed e s i g nm e t h o df o rU s t e e ly i e l d a b l es u p p o r ta n d c o m b i n e ds t r u c t u r eo fs t e e la n dc o n c r e t ei sd i s c u s s e d ．T h i sa n a l y s i sw i l lp r o v i d ea s c i e n t i f i cb a s i sa n dt e c h n i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o n ． T h ep a p e rf L t ．s to fa l li n t r o d u c e st h ep r o g r e s sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo f s h o r i n g s t r u c t u r a lt h e o r yi nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ．C o m b i n i n gw i t l lt h ec o n s m l c t i o ns i t e 四川大学硕士学位论文 ＼ o ft h eF i v e - w h e e l sM o u n t a i nC o l l i e r yC o r p o r a t i o n , X t h 、ep a p e ra d o p t sh y p e r - s t a t i c s h - u c t u r em e c h a n i c sc a l c u l a t i o nm e t h o d ，f i n i t e - e l e m e n t Ⅻl y t i c a lp r o c e d u r ei n p r o v i d i n gm e c h a n i c sa n a l y s i sf o rt h es h o r i n gs t r u c t u r es h a l l o wi nu n d e r g r o u n d c a v i t yb e l o n g i n gt os t r o n ge f f l o r e s c eb a n d ．B a s e do nt h ea n a l y s i so f p r e s e n tr e s e a r c h r e s u l t s ．t h eb o n dm e c h a n i s mb e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t ei sa n a l y z e d , t h em e t h o do f i n t e r n a lf o r c ec a l c u l a t i o no fU - - s t e e ly i e l d a b l es u p p o r t si sg i v e n , t h el o a d - b e a r i n g c a p a c i t yo ft h eU - s t e e ly i e l d a b l es u p p o r ti s s t u d i e do ns t a b i l i t y , t h et h e o r yo f p r e f e r e n c e so fr e t r a c t a b l em e t a l l i cs u p p o r t 谢mU s t e e li se x p o u n d e d ．I nt h ee n d ． a i m i n g a tu n d e r g r o u n dc o n s t i t u t i o no fc o l l i e r y , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc h e c kf o r m u l a o ft h el o a d - b e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo fU s t e e la l a dc o n c r e t e ，a n d g i v e sa no u t l i n eo f o p e r a t i o ns i g n i f i c a n c e0 1 1c o m p o s i t eo f s t e e la n dg a n g u ec o n c r e t e ． K e yw o r d s s h a l l o ws u a t u m , u n d e r g r o u n dc a v i t y , s u p p o r tm e c h a n i s m , f o r c em e t h o d a n a l y s e s ，y i e l d a b l es u p p o r ￡ 。 四川I 大学顾十学位论文 1 ．绪论 在人类文明发展的过程中，地下空间最初是作为人类防御自然和外敌侵袭 的防御设施而被利用。随着科学技术的进步以及人类对自然界认识的加深，这 种利用从自然洞穴的利用向人工洞室方向发展。到现在地下空间利用的形态已 是千姿百态，远远超出了为个人生活服务的利用领域，而扩大到为了保持作为 集团的居民的生活需要空间。尤其是现代，人口向城市集中，使城市人口密集、 城市功能恶化，为了保持城市功能及交通所需的空间，也开始求助于地下空间。 预计地下空间，作为人类在地球上安全而舒适生活的辅助空间，在经济可持续 发展中，将占重要地位，其利用程度和规模，将会日益扩展。科学预测指出 2 l 世纪将是充分利用地下空间的世纠”。在我国经济发展的新时期，地下空间 的综合利用，也必将获得更大的发展。 埋入土壤中的建筑物，按照其埋置深浅划分，可以分为深埋式结构和浅埋 式结构两大类。浅埋的地下结构包括附建式的地下室结构、隧道的引道结构和 一般的浅埋结构。埋入土壤中的结构，上部均覆盖有土层。当上覆土层的厚度日 满足一定条件后，上覆土层能够形成稳定的压力拱，垂直土层压力q 保持稳定 而不再增加，这种结构称为深埋式结构。反之，当垂直土压力和水平土压力均 随着深度增加而增加时，则为浅埋式结构。 浅埋强风化地下洞室周围的岩体一般处于节理密集和非常破碎状态之中， 其力学性能与无粘结力的松散地层相似，经开挖洞室后所产生的围岩压力主要 表现为松动压力。围岩压力的松散体理论是在长期观察地下洞室开挖后的破坏 特性的基础上而建立的。浅埋的地下洞室，开挖后洞室顶部岩体会往往产生较 大的沉降，有的岩体甚至会出现塌落、冒顶等现象。基于这样一种破坏形式， 建立了岩柱法[ 2 1 、太沙基 T e r z a g h i 应力传递法[ 3 1 等岩石力学计算方法。对于 深埋的地下洞室，开挖后往往仅发生洞室部分岩体的塌落，在这一塌落过程中， 上部岩体进行了应力重新分布而形成了自然平衡拱，而作用在支护上的荷载即 为平衡拱内的岩体自重，该理论即为俄国学者普罗托奇雅阔诺夫 M ．M ．J l P O T O , I x B 只K O H B 于1 9 0 7 年提出的普氏理论I ”，也称作为自然平衡拱理论。 四川大学硕士学位论文 1 ．1 地下工程支护结构理论的发展现状【5 】 地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩石力学的发 展有着密切关系。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展； 而岩石力学的发展促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步飞跃。随着 新型支护结构的出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发 展，地下工程支护结构理论正在逐渐形成一门完善的学科。 地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构上的荷 载。因此，支护结构理论的发展离不开围岩压力理论的发展，从这方面，支护 结构理论的发展大概可分为三个阶段。 2 0 世纪2 0 年代以前，主要是古典的压力理论阶段。这类理论认为，作用 在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量y H ，，是岩石容重；H 是埋深 。可 以作为代表的有海姆、朗肯和金尼克理论。其不同之处在于，他们对地层水平 压力的侧压系数有不同的理解。海姆认为侧压系数为1 ，朗肯根据松散体理论 认为是t 9 2 4 5 0 q , ／2 ，而金尼克根据弹性理论认为是／．t ／0 一∥ ∥为岩体的泊 松比；d p 为岩体的内摩擦角 。由于当时地下工程埋藏深度不大，因而曾一度认 为这些理论是正确的。 ．、 随着开挖深度的增加，人们越来越多地发现，古典理论不符合实际情况， 于是又出现了散体压力理论。这类理论认为，当地下工程埋藏深度较大时，作 用在支护结构上的压力，不是上覆岩层重量，而只是围岩坍落拱内的松动岩体 重量。可以作为代表的有太沙基理论和普氏压力拱理论。他们的共同观点认为 坍落拱高度与地下工程跨度和围岩性质有关。不同之处是，前者认为坍落拱为 矩形，后者认为坍落拱为抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个 似摩擦系数表示，显然过于粗糙，在工程实践中也常常出现失败的情况，但由 于这个方法比较简单，直到现在普氏理论仍在应用。 散体压力理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的，由于当时 掘进和支护所需的时间较长，支护与围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往 往有一部分破坏、坍落。但是当时没有认识到围岩的坍落并不是形成围岩压力 的唯一来源，亦即不是所有的地下空间都存在坍落拱，更没有认识到通过稳定 围岩，以充分发挥围岩的自承作用问题。此外，这类理论也没有能科学地确定 2 明川人学顾十学位论文 坍落拱的高度及其形成过程。 5 0 年代以来，岩石力学开始成为- i , - j 独立的学科，围岩弹性、弹塑性及粘 弹性解答逐渐出现。如史密德和温德尔斯按连续介质力学方法计算圆形衬砌的 弹性解徐干成、郑颖人等利用弹性力学获得了在非均质地层压力作用下围岩 与支护共同作用的线弹性解；塔罗勃和卡斯特奈得出了圆形洞室的弹塑性解； 塞拉塔、科蒂斯和樱并春辅采用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘 弹性解。同时，锚杆和喷射混凝土这一类新型支护的出现和与此相应的一整套 新奥地利隧道设计旄工方法的兴起，终于形成了以岩石力学原理为基础、考虑 支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。 现代支护理论与传统支护理论之间，的主要区别表现在以下几个方面 1 对围岩和围岩压力的认识方面传统支护理论认为围岩压力主要由洞 室塌落围岩的“松动压力”造成，而现代支护理论则认为围岩具有自承能力， 围岩作用于支护上的压力不是松动压力，而是阻止围岩变形的形变压力。 2 在围岩和支护间的相互关系上传统支护理论把围岩和支护分开考虑， 围岩当作荷载，支护作为承载结构，属于“荷载一结构”体系，现代支护理论 则将围岩和支护作为一个统一体，二者组成“围岩一支护”体系共同参与工作。 3 在支护功能和作用原理上传统支护只是为了承受荷载，现代支护则 是为了及时稳定和加固围岩。 4 在设计计算方法上传统支护主要是确定作用在支护上的荷载，现代 支护设计的作用荷载是岩体地应力，围岩和支护共同承载。 5 在支护形式和工艺上锚喷支护的施工方式简单，不需模板，无需回 填，在围岩松动之前能及时加固围岩。 现代支护理论的形成与发展，首先是由于锚喷支护等现代支护结构的大量 使用，给人们积累了丰富的经验，新奥法是典型的代表。尤其是现场监控量测 的应用，至2 0 世纪8 0 年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为 一种适应地下工程特点的和当前技术水平的新的设计方法一现场监控设计方 法 也称信息化设计方法 。其次是由于岩石力学理论的发展，6 0 年代中期到 7 0 年代末，以有限元法和边界元法为基础的数值解法开始运用到地下工程中 来。7 0 年代后期，在解析方面，国内外学者对轴对称问题获得了比较完善的解 3 硼川丈学硕士学位论文 答，提出了喷锚支护的一些计算与设计方法，在国外则称为收敛约束法， 或特征曲线法。有限元法、边界元法及离散元法等数值解法迅速发展，模拟围 岩弹塑性，粘弹塑性及岩体节理面等大型程序已经很多，这些理论都是以支护 与围岩共同作用和需得知地应力及施工条件为前提的，比较能符合地下工程的 力学原理。然而，这些计算参数还难以准确获得，如原岩应力、岩体力学参数 及施工因素等。另外，对岩土材料的本构模型与围岩的破坏失稳准则人们还认 识不足。因此，目前根据共同作用所得的计算结果，一般也只作为设计参考依 据。此外，工程中主要使用的是工程类比法，也正向着定量化、精确化和科学 化的方向发展。 地下工程支护结构理论的另一内容，是岩体中由于节理裂隙切割而形成的 不稳定块体失稳，一般应用工程地质和力学计算相结合的分析方法，即岩石块 体极限平衡分析方法。这种方法主要是在工程地质的基础上，根据极限平衡理 论，研究岩块的形状和大小及其塌落条件，以确定支护的参数。与此同时，在 地下工程支护结构设计中应用可靠性理论，推行概率极限状态设计研究方面也 取得了重要进展。采用动态可靠度分析方法，即利用现场监测信息，从而得到 的反馈信息的数据推测地下工程稳定可靠度，从而对支护结构进行优化设计， 是改善地下工程支护结构设计的合理途径。考虑各主要影响因素及准则本身的 随机性，可将判别方法引入可靠度范畴。在计算分析方法研究方面，随机有限 元 包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等 、M o n t e - C a r l o 模拟、随机 块体理论和随机边界元法等一系列新的地下工程支护结构理论分析方法近年来 都有了较大的发展。 地下工程支护结构理论正在不断发展，各种设计方法都需要不断提高和完 善，尤其是能较好地反映地下工程特点的现场监控设计方法，更迫切需要在近 期内形成比较完善的量测体系与计算体系。从发展趋势看，新奥法开创的理论 一经验一量测三者相结合的“信息化设计”体现了地下工程支护结构设计理论 的发展方向。 所谓隧道施工控制，就是按照新奥法构筑隧道的基本原理，在隧道的建设 中，设计、施工必须紧密配合、共同研究，并通过多种量测手段，对开挖后隧 道围岩进行动态监测，综合分析各项施工信息、监控量测数据，及时反馈，从 4 四川大学预十学位论文 而以此指导隧道支护结构的设计与施工。 由于地下工程支护系统工作环境的不同和围岩状况的复杂多变以及理论上 的不完善，目前还找不到一种计算模型能全面、准确的表达各种情况下围岩状 况及其与支护系统的相互关系和支护系统的工作条件，通过力学计算也是困难 的。因而现今的施工前预设计主要是依靠某些勘探资料及工程类比法进行的， 在实际施工中会发现由于工程地质、水文地质、施工方式、支护特性等的出入 与变化，常常使原设计不尽合理。锚喷支护的采用和新奥法的实施，使得有必 要在隧道开挖过程中即使对围岩变形进行监测，通过这种监测对围岩稳定性作 出判断，并且使客观的评价支护与围岩的状态和合理的设计成为可能，从而使 围岩受力状态达到平衡与稳定。 ， 7 对于现场监测，目前多从隧道开挖时围岩内控变位量测入手，结合现场工 程地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等方面的考察来研究隧道围岩 的变形规律及其与隧道施工、支护类型的关系，找出围岩变形速率与稳定性的 关系、变形速率与开挖面距离的关系、开挖时间与稳定时间的关系，并预测围 岩最终稳定时间以及最终变位量的判断准则等。 ． 1 ．2 新奥法的实质及其对巷道维护的影响 ，． 新奥法 N A T M 是新奥地利隧道施工方法 N e w A u s t r i a n T u n n e l i n g M e t h o d 的简称。1 9 8 0 年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体 或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个空筒状支承环结构为目的的设 计施工方法”。这个定义扼要地揭示了新奥法最核心的问题调动围岩的承载 能力，交围岩本身为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同 成为坚固的支承环1 6 】。 t 新奥法是以拉布希维兹 L ．V ．R a b c e w i c z ，利奥波德 F ．P a c h e r 、米勒 L ．M o l l e r 等人为代表的奥地利学者在总结前人经验的基础上，结合自己在隧 道施工中的多年经验，于1 9 6 2 年在萨尔茨堡第十二届地质力学讨论会上提出， 并于1 9 6 4 年水力发电杂志上公开发表的一套隧道施工步骤或理念。米勒教 授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想，总结了2 2 条新奥法的主要原则。 并在1 9 7 8 年的隧道与隧道工程杂志上发表的论文中，列举出了其中5 个最 5 四川大学硕1 学位论文 重要的原则。这些原则可以概括为保持和调动岩土体的自身强度，使隧道周 围形成一个能自承的土壤或岩石环利用仪器监测孔洞的变形和支护或加强构 件上荷载的增长情况；业主、承包商、设计工程师和监理工程师都能深入理解 和承认这个观点，而且在做出决定和解决矛盾中能保持合作的态度；以及新奥 法所具有的多面性和灵活性等特点【7 1 [ g l [ 9 1 。 新奥法的价值不仅仅在于它改变了支架只能被动受载 围岩是施加荷载的 主体 的观点，而且还在于它提倡用一种考虑周密的步骤来处理隧道施工中的 问题，和强调力学原理与深入了解地层的工程动态。许多包含在新奥法内的特 征其实在新奥法系统地表述以前人们就已有所认识，但必须承认是新奥法的创 始者和推广者把所有这些特征融为乙体，对隧道施工的科学技术和工艺做出了 突出的贡献。 新奥法自奥地利起源之后，先是在欧洲诸国，特别是在意大利、挪威、瑞 典、德国、法国、英国、芬兰等大量开掘山地与城市隧道的国家得以应用与发 展。然后世界各国，特别是亚洲的日本、中国、印度；北美的美国、加拿大； 南美的巴西、智利；非洲的南非、莱索托以及澳洲的澳大利亚、新西兰等国家 都成功地把它应用于一些不同地质情况下的隧道施工之中。并且从最初的隧道 施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其它岩土工程领域。 一 ’ 虽然新奥法的应用已如此广泛，但不同的应用者对它的理解还存在着许多 矛盾与不同。一些新奥法的支持者错误地把它当作是一切隧道和巷道施工智慧 的源泉，盲目地把新奥法应用于各种适宜和不适宜的地质条件下，以至造成许 多按着新奥法施工出来的巷道 隧道 常常出现这样或那样的问题。这种情况 在我国也同样存在，尤其是在煤矿，由于人们对新奥法所阐述的“软岩”等概 念同煤矿实际所遇到的软岩之间还存有一定差异的理解不够、对利用仪器进行 巷道变形及荷载量测的重要性认识不够等等，不仅时常出现错误地套用新奥法 原理来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机理，而且也 出现过因应用新奥法不当，而造成锚喷或锚喷网加固的巷道大面积垮落、坍塌 等事故，造成人力、物力的巨大浪费与损失【1 0 l 。 ， 6 四川大学硕士学位论文 1 ．3 问题的提出 ’一 井巷施工最基本的过程，就是把岩石从岩体上破碎下来，形成设计所要求 的井筒、巷道及硐室等空间，接着对这些地下空间进行必要的维护，防止围岩 继续破碎或垮落。因此，破岩与井巷维护就成为井巷工程的主要问题【I I 】。破岩 即洞室开挖的过程，人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形 和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。围岩压力的性质、大小和分布规 律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。洞室歼 挖前，岩体处于相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压， 称为初始应力状态．它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流 动等因素所决定的。洞室开挖以后j 解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡 和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，进入二次应力状态。围岩向 洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。为了保持巷道 洞室 的稳定性， 防止围岩垮落或变形过大，巷道掘进后一般都要进行支护。井筒是矿井通达地 面的主要进出口，是矿井生产期间提升运输煤炭 或煤矸石 、运送人员、材料 和设备、以及通风和排水的咽喉工程。其设计和施工质量的优劣，直接关系到 矿井建设的成败。因此，井筒设计必须合理，对井筒施工质量必须予以足够的 重视。 根据五轮山矿井初步可行性研究报告说明书，设计采用斜井开拓方式进 行布局，布置主、付斜井各一个、以及一个前期通风斜井 后期再设置相应的 通风风井 。在说明书中，设计的井简支护形式为锚喷支护，但是并没有给 出具体的支护形式图及详细的支护设计参数。同时如果整个井筒全部采用锚喷 支护，那么在近地表强风化带岩体内的锚喷支护所存在问题及处理措施也未提 及。这些必然为现场施工与生产管理单位的具体实施带来一系列的问题。最主 要的一点在于没有充分考虑锚喷支护的具体适用条件，所以有必要针对井筒的 支护形式问题进行全面研究。 由于浅埋洞室多属于强风化带，围岩一般破碎，而且通常夹有土层，覆盖 层一般也比较薄，那么对于这种不利于土体成拱的条件下，怎样合理利用好各 种施工方法，在确保安全的前提下，降低工程投入，提高工作效率，同时加强 对岩层的破坏机理研究，各种支护方法和围岩之间的相互作用研究，显得尤为 7 四川丈学碗七学位论文 重要。对浅埋强风化地下洞室支护形式与参数进行研究，目前已有的洞库设计 理论和工程实践经验在很大程度上是适用的。本课题结合贵州能化公司统一领 导的大型国有在建煤矿五轮山煤矿的施工现场，针对浅埋强风化地下洞室 支护的具体特点，在已有洞库设计理论和工程实践经验基础上展开研究。 1 ．4 主要支护方法机理 1 ．4 ．1 浅埋的破坏机理 ’洞室开挖前岩体处于自然应力平衡状态，随着洞室的开挖，岩体受到干扰， 平衡状态遭到扰动破坏，在浅埋地段扰动范围会延伸到地面，并会在洞室顶部 产生一个较大的破坏区，导致岩体的成拱能力降低，岩体容易发生坍塌，浅埋 地层会发生整体滑动和坍塌现象。如图1 ．1 所示，由于地层的成拱作用不能象 深埋洞室一样充分利用，因此在支护上围岩压力较大。 采用喷锚支护加固上覆岩层，以防止发生滑移坍塌及地表下沉，是一种行 之有效的方法，超前锚固和喷射混凝土支护是岩体未达到塑性破坏前进行施工， 围岩和支护的计算可以按共同作用原理进行。 。， ‘ ． ＼、 f 图卜1 浅埋地层岩体整体滑塌示意图 1 ．4 ．2 浅埋强风化地下洞室地表沉降特征 对于浅埋洞室而言，洞室开挖后应力的扰动范围延伸至地表，引起地表沉 降。量测数据显示，变形可分为3 个阶段【1 2 】①急剧变形阶段。主要发生在掌 8 网川大学顾卜学位论文 子面开挖后1 0 d 左右，距开挖面1 ．1 ．5 D D 为洞径 时，由于围岩的流变性质， 以及空间效应的影响，围岩发生急剧变形，其变形量占总变形量的5 0 ％ 含开 挖时掌子面已产生的位移 以上；②缓慢增长阶段。随着喷射混凝士的硬化和 其它支护系统发生作用，初期支护限制了洞室围岩的收敛变形，收敛变形逐渐 减小；③基本稳定阶段。这时开挖面与观测断面的距离一般已超过2 D ，空间效 应的影响基本消除，收敛变形速度缓慢，可认为基本稳定阶段 图1 ．2 。 1 ．4 ．3 锚杆的支护机理 在岩土体中打入锚杆，能约束岩土体的变形，并通过向围岩施加压力，使 原来处于二轴应力状态的洞室内表面的围岩保持三轴应力状态 图1 ．3 ，从而 阻止了围岩体刚度的恶化，尤其是松动区内围岩的刚度，即围岩的力学性能指 标c 、矿值【1 3 】。 ， 毪定岩土体 ＼ ，不尊定岩士体 ’ 、 图1 - 2 强风化段地表沉降时态曲线圈1 - 3 锚杆支护示意图 通过在岩土体中系统锚杆的作用，在岩土体中形成了被约束变形的岩土体 加固圈，形成了能够承受外部荷载的岩土体承载拱，与岩土体共同承受外部荷 载，增强了岩土体的稳定性。 1 ．4 ．4 喷射混凝土的作用机理 向洞室内表面围岩喷射混凝土，能使被裂隙分割的岩块体粘结起来，保持 岩块体的咬合和镶嵌作用，通过提高岩块体的粘结力和摩擦力来有效的防止围 岩松动，并避免或缓和了应力集中现象的发生，而且给围岩表面以抗力和剪力， 9 四川大学硕士学位论文 使围岩处于有利于稳定的三轴应力状态，并通过喷混凝土层自身的结构刚度， 来阻止不稳定体的坍塌。 喷混凝土自身有一定的刚度，能够抵抗岩土体的坍塌，并且往往和其它支 护方法共同作用，承受支护结构的受压变形，因此喷射混凝土支护方法是现代 地下工程施工最常用的方法之一，特别在煤矿系统井巷工程施工中是一种常用 的方法。 1 ．4 ．5 钢支撑的机理 钢支撑是利用支撑结构自身的刚度来稳定岩土体，控制岩土体的变形，一 般在工作面开挖完成后，按设计间距立刻安装，这样能够充分发挥钢支撑的作7 用，稳定岩土体。 。 钢支撑主要用于自身稳定性极差的地层，通常有两种形式，一种是用钢筋 制作的格栅钢架结构，另一种是用型钢制作的工字钢 或特殊钢 支撑。并且 钢支撑经常与喷射混凝土、锚杆、钢筋网同时使用，以确保岩土体稳定。 图1 - 4 某围岩衬砌断面 1 0 四川大学硕} 学位论文 以上三种方法是煤矿系统井巷工程施工中最常用的方法，随着“新奥法施 工技术”的逐渐广为应用，常用的施工方法还有喷锚支护、网喷支护、超前 注浆导管，管棚施工和地表加固等施工方法，由于不同的方法运用环境不同， 通常是多种方法相互组合使用 图l - 4 ，这样对解决浅埋强风化地下洞室的施 工将更为有效。 ’ 1 ．5 研究内容与方法 1 ．5 ．1 研究内容 结合五轮山煤矿施工现场，本文将对以下内容展开研究 7 1 对主井筒浅埋强风化段衬砌进行理论分析 荷载结构模型计算方法 ； 2 利用A N S Y S 分析软件进行二维有限元模拟计算； 3 U 型钢可缩性支架在地下 井巷 工程中的应用原理与力学分析 “ 型钢混凝土组合结构在地下洞室设计中的应用及其机理探讨。 I ．5 ．2 研究方法 本课题研究主要采用理论分析，计算分析和现场实测相结合的方法进行。 I ．5 ．2 ．1 理论分析与计算， t 衬砌内力分析基本上沿着两个方向进行一个是将围岩与衬砌分开考虑， 作用在衬砌上的围岩压力，由现场实测结果确定，衬砌即可用一般结构力学方 法求解。另一方向则是将围岩与衬砌作为一个整体来考虑，用有限单元法1 1 4 】求 解。由于地质条件复杂，有时又不可能对每一井筒进行详细的地质勘探和量测， 而这两种方法计算的可靠性往往取决于原始资料的可靠程度，在应用上受到一 定限制。但决大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，主要是有限单 元法。有限单元法是把物体或结构整体所具有的域v 划分为有限多个被称为单 元的子域V n ，以求得近似解的一种数值计算方法。划分整体的离散化思想。 早在2 0 世纪4 0 年代就已经有人提出。5 0 年代M ．J ．特纳等人首先提出对连续体 进行离散化的分析法。近年来，在计算机的配合下，它已不同程度地推广应用 到许多工程技术领域，成为处理工程计算问题的有效方法之一。本文拟通过浅 埋强风化地下洞室围岩的荷载结构模型计算结果和有限元模拟计算结果相比 四川I 大学硕b 学位论文 较，及时向贵州能化公司提供分析资料，直接服务于五轮山煤矿施工现场，具 有重要的实际意义。 1 ．5 ．2 ．2 现场实测 现场实测前期工作主要指通过钻探，测井，小煤矿、老窑调查等勘探方法 了解场地工程地质情况；通过对各种样品的分析、化验、鉴定、测试工作，了 解煤层、水质特征及瓦斯成分和含量，了解岩石物理力学性质。工程开工后主 要监控量测的内容包括地质及支护状况观测、周边位移、拱顶下沉、地表沉 降量测以及围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、初期支护及二次衬砌混凝土应 力量测、围岩压力及层间支护压力量测等。通过现场测试和理论分析，修正补 充理论分析中采用的计算模型和计算方法，为设计规范的计算方法提供依据。 量测数据结果及其分析结果可立即与事先预设计支护参数相比较，并对设计做 出正确的评价。如量测结果与预设计有较大出入，有必要对支护做加强或减弱 的修正。在井简施工过程中，适时的现场实测一直处于一个十分重要的位置， 它将井筒的设计和施工纳入动态的科学管理中，使地下工程始终处于合理的稳 定状态，具有安全、合理和经济性。量测数据作为围岩和支护结构内部实际的 应力变形变化情况的真实反映，利用量测数据对围岩和支护结构进行变形、应 力分析，是能够正确判断井筒稳定性和安全性的