[摘要]針對(duì)軟巖層巷道支護(hù)問(wèn)題，通過(guò)分析巷道圍巖應(yīng)力和圍巖變形關(guān)系，并應(yīng)用有限元數(shù)值分析法確定支護(hù)系統(tǒng)的合理工況點(diǎn)，提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的安裝預(yù)應(yīng)力，充分發(fā)揮錨桿系統(tǒng)主動(dòng)支護(hù)作用，減小圍巖松動(dòng)圈半徑，減少拉應(yīng)力區(qū)，保證了錨桿都能均勻受力，實(shí)現(xiàn)了錨桿與錨索的變形協(xié)調(diào)，達(dá)到耦合支護(hù)的目標(biāo)，并采用注漿輔助支護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制。
前言
巷道掘進(jìn)遇到復(fù)雜地質(zhì)條件及軟巖影響時(shí)，尤其是大型硐室施工時(shí)，原支護(hù)系統(tǒng)不能對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制，造成巷道變形破壞嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致圍巖變形加劇，支護(hù)失效。為此我們對(duì)軟巖層巷道支護(hù)與治理進(jìn)行研究，總結(jié)了采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿、鳥窩錨索聯(lián)合支護(hù)和注漿輔助支護(hù)工藝在解決軟巖層巷道支護(hù)問(wèn)題中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
1軟巖巷道支護(hù)失效原因分析
1.1地質(zhì)條件的影響。復(fù)雜地質(zhì)條件及軟巖層巷道圍巖強(qiáng)度低，松散破碎，且具有高飽和吸水性、較強(qiáng)的膨脹性和流變性，不能承受較大的壓力。
1.2巷道掘進(jìn)支護(hù)工藝的影響。
?。?）鉆爆法掘進(jìn)施工產(chǎn)生的沖擊波對(duì)圍巖的破壞性大，易造成表層圍巖崩解，增大圍巖松動(dòng)圈。
?。?）一般錨噴支護(hù)系統(tǒng)的安裝應(yīng)力低，托盤和桿體強(qiáng)度小，抗干擾能力和變形協(xié)調(diào)性差，很難發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用。
（3）永久支護(hù)不及時(shí)，“三徑”（眼孔直徑、錨桿直徑、藥卷直徑）問(wèn)題，安設(shè)角度，眼孔處理，藥卷的攪拌時(shí)間，特別是錨桿安裝的預(yù)緊力不夠等，大大影響了錨桿的支護(hù)質(zhì)量。
2軟巖巷道錨桿（錨索）支護(hù)系統(tǒng)的分析與研究
軟巖巷道的破壞形式一般為高地應(yīng)力軟巖破壞顯現(xiàn)。必須對(duì)圍巖應(yīng)力-變形情況進(jìn)行研究，找出錨桿支護(hù)系統(tǒng)最佳工況點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的錨桿支護(hù)系統(tǒng)。
2.1錨桿（錨索）支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)要滿足的三點(diǎn)要求
?。?）安裝應(yīng)力。錨桿的安裝應(yīng)力是控制圍巖早期變形的重要參數(shù)，安裝應(yīng)力過(guò)小會(huì)使圍巖發(fā)生過(guò)大的早期變形，松散破碎圈增大，引起頂板破碎，錨桿受力增加。
?。?）支護(hù)強(qiáng)度。在高地應(yīng)力條件下，支護(hù)強(qiáng)度必須提高，單根錨桿的強(qiáng)度要加大，使其與高地應(yīng)力環(huán)境相適應(yīng)。
?。?）讓壓和均壓性能。錨桿必須具有控制變形讓壓和均壓性能。
2.2最佳組合梁（拱）原理
為了使組合梁（拱）達(dá)到其最佳強(qiáng)度，應(yīng)選擇合理的錨桿類型和錨桿系統(tǒng)的安裝應(yīng)力；且能夠減少或消除頂板的拉應(yīng)力區(qū)。
2.3支護(hù)系統(tǒng)合理工況點(diǎn)的確定
圍巖的變形大小和破壞程度存在著一定的關(guān)系，巷道支護(hù)的目的是為了在保證圍巖不破壞的條件下控制部分的圍巖變形而允許有一定的變形產(chǎn)生，從而經(jīng)濟(jì)有效地設(shè)計(jì)支護(hù)系統(tǒng)。
通過(guò)分析圍巖應(yīng)力和圍巖變形關(guān)系并應(yīng)用有限元數(shù)值分析法得到圍巖應(yīng)力—變形特性曲線，通過(guò)對(duì)曲線的分析找到支護(hù)系統(tǒng)的合理工況點(diǎn)，確定最小支護(hù)強(qiáng)度、巷道圍巖位移量和錨桿系統(tǒng)的允許變形量。
曲線從支護(hù)角度講分為三個(gè)區(qū)：
A區(qū)（圍巖彈性變形區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖基本處于彈性變形階段，圍巖保持完好，變形小。增加支護(hù)強(qiáng)度不能明顯改善圍巖變形。為了經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行巷道支護(hù)，支護(hù)體的工況點(diǎn)應(yīng)設(shè)在低位（90t/m），相應(yīng)的錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具有最小讓壓距離40mm。
B區(qū)（圍巖彈塑性區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖基本處于彈塑性變形階段，圍巖基本保持穩(wěn)定，沒(méi)有超過(guò)錨桿的支護(hù)范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護(hù)作用。在此區(qū)域內(nèi)，支護(hù)強(qiáng)度的微變將引起變形的劇烈增加。
C區(qū)（圍巖破壞區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖破壞，支護(hù)系統(tǒng)承受破碎巖石的靜載荷。隨著破壞區(qū)域的增加，載荷增加。對(duì)錨桿支護(hù)，如果錨桿系統(tǒng)的支護(hù)范圍小于破壞范圍，則錨桿系統(tǒng)受力將變?yōu)?，徹底失去其支護(hù)作用，錨桿支護(hù)系統(tǒng)和圍巖一起移動(dòng)。
根據(jù)圍巖應(yīng)力和變形特性曲線支護(hù)系統(tǒng)的工況點(diǎn)可以確定如下：
?。?）最小支護(hù)強(qiáng)度：90t/m，
（2）巷道圍巖位移：40mm，
（3）錨桿系統(tǒng)的允許變形：40mm。
一般錨桿支護(hù)系統(tǒng)的表現(xiàn)是錨桿不破斷但圍巖位移大，普強(qiáng)全螺紋鋼錨桿的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度過(guò)低，安裝應(yīng)力太小，在應(yīng)力較大的條件下根本達(dá)不到工況點(diǎn)的要求，導(dǎo)致松散破碎區(qū)變大，最終超過(guò)錨固區(qū)，導(dǎo)致錨桿系統(tǒng)失效和圍巖一起移動(dòng)。
2.4錨桿支護(hù)系統(tǒng)幾何參數(shù)初步分析
根據(jù)圍巖變形的三個(gè)階段，初步分析圍巖應(yīng)力和變形。
2.4.1初始階段
初始階段即巷道開挖后和支護(hù)前這一階段，在巷道圍巖中形成一個(gè)環(huán)狀的高應(yīng)力圈。根據(jù)應(yīng)力分布計(jì)算出的圍巖安全系數(shù)。在合理支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)下，圍巖應(yīng)該在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。如果沒(méi)有支護(hù)或支護(hù)不合理，圍巖變形將進(jìn)入第二階段—松散流動(dòng)圈向內(nèi)部擴(kuò)展。
2.4.2松散破碎圈擴(kuò)展
巷道開挖后，圍巖內(nèi)部形成一個(gè)松散流動(dòng)圈。隨著時(shí)間的增加，在無(wú)支護(hù)或支護(hù)不合理的條件下，松散流動(dòng)圈將向深部擴(kuò)展直到應(yīng)力達(dá)到新的平衡。一旦松散區(qū)擴(kuò)散，很難維修。
2.4.3流變階段
由于軟巖中的高泥質(zhì)含量（含有膨脹性礦物成分），特別是在含水或空氣濕度影響條件下巷道將發(fā)生明顯的流變現(xiàn)象，從而進(jìn)一步擴(kuò)大松動(dòng)圈半徑，增加圍巖的變形量。如果支護(hù)不合理，等到松散流動(dòng)圈形成并發(fā)生擴(kuò)展和流變擴(kuò)展后，再進(jìn)行維修是相當(dāng)困難的。正確的支護(hù)方式應(yīng)該是初期選用合理的支護(hù)系統(tǒng)，把松散流動(dòng)圈控制在最小的范圍內(nèi)。
3注漿支護(hù)機(jī)理分析
巷道最佳支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算、分析，設(shè)計(jì)出合理的支護(hù)系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)和修正，在實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)使用注漿支護(hù)工藝對(duì)巷道支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行輔助支護(hù)，且效果明顯。（1）通過(guò)注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖裂隙、隔絕空氣，防止圍巖因吸水（潮氣）而降低圍巖本身的強(qiáng)度。
?。?）注漿后將松軟的巖石膠結(jié)成整體，從而可以提高巖體的強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)利用巖體本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。
（3）注漿后使注漿錨桿及其它支護(hù)錨桿成為全長(zhǎng)錨固，使其錨桿與圍巖形成一個(gè)整體，充分發(fā)揮錨桿的作用（尤其高預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖形成預(yù)應(yīng)力組合拱），形成可靠有效的組合拱。
?。?）利用漿液充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)可以形成一個(gè)多層有效的組合拱支護(hù)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性、承載能力和穩(wěn)定性。
?。?）注漿后使其作用在拱頂上壓力能有效地傳遞到兩墻，通過(guò)對(duì)兩墻的加固，又能把荷載傳遞到底板。由于組合拱厚度加大，又能減小作用在底板上的荷載集中度，減少底板巖石中的應(yīng)力，減弱底板的塑性變形，減輕底鼓，有助于底板和兩墻的穩(wěn)定，進(jìn)而又能保持拱頂?shù)姆€(wěn)定，從而保證了整個(gè)支護(hù)的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
?。?）注漿錨桿本身為全長(zhǎng)錨固錨桿，可將多層組合拱連成一個(gè)整體，共同承載，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。注漿使其支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸加大，圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的載荷所產(chǎn)生的彎矩變小，從而降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因而能承受更大的荷載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)與承載能力，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，能均勻承受較高的動(dòng)壓作用。
?。?）通過(guò)底角錨桿將一部分墻角荷載傳遞到比較穩(wěn)定的底板深部，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍，且能限制巷道底角的變形，可將支護(hù)結(jié)構(gòu)有固定鉸支座演化為固定支座，改變了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能。
4施工注意事項(xiàng)
（1）爆破時(shí)應(yīng)注意炮眼布置和裝藥量，嚴(yán)格控制巷道成形，臨時(shí)支護(hù)要及時(shí)，并嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺。
?。?）要注意合理的“三徑”匹配問(wèn)題，合理的“三徑”匹配是：錨桿孔的直徑比錨桿直徑大4～10mm，藥卷直徑介于兩者之間，施工時(shí)建議堅(jiān)持“三小”原則，即小鉆頭、小鉆桿、小藥卷。
?。?）安裝錨桿、錨索時(shí)要注意打設(shè)的角度，托盤要緊貼巖面，特別是錨桿、錨索的安裝預(yù)應(yīng)力要達(dá)到要求。
?。?）為保證注漿效果，注漿施工時(shí)應(yīng)做到以下要求：
①應(yīng)保證混凝土或噴層表面堵塞質(zhì)量，對(duì)已出現(xiàn)的混凝土開裂或噴層裂隙應(yīng)預(yù)先噴漿或用快硬水泥藥卷堵塞，以免出現(xiàn)漏漿跑漿現(xiàn)象。
?、谧{錨桿必須按規(guī)定的角度和間排距施工，靠近底板方向的底角錨桿應(yīng)下扎30°～45°。
?、圩{液配制應(yīng)按規(guī)定的水灰比進(jìn)行，并安排專人負(fù)責(zé)連續(xù)攪拌桶內(nèi)漿液，水泥入桶前要過(guò)篩，結(jié)塊嚴(yán)重的水泥不得使用。
④水泥漿液配制好后，在注漿前再加入適量減水劑，拌和均勻后即可注漿。
5結(jié)論
（1）軟巖層巷道支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力施加時(shí)間及圍巖結(jié)構(gòu)要匹配合理，才能夠控制巷道圍巖的早期變形，充分發(fā)揮錨桿、錨索及時(shí)、主動(dòng)支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
?。?）實(shí)踐中通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形、頂板離層和錨桿受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、分析，巷道圍巖變形得到有效控制，支護(hù)體系穩(wěn)定。
（3）成巷后可減小巷道返修率。
（4）實(shí)現(xiàn)了巷道安全、經(jīng)濟(jì)、快速掘進(jìn)的目標(biāo)。
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