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熱 烈 歡 迎 各位專家、領導！,1,巷道支護前沿技術及其 發(fā)展方向,姜 玉 松 安徽理工大學土木工程 系 巖土與地下工程教研室 2004年8月10日,2,主要內(nèi)容,1 概論 2 支護理論 3 各種錨桿 4 各種棚式支架 5 連續(xù)式支護,6 聯(lián)合支護 7 超前支護 8 底臌治理 9 三小作業(yè),,,3,1 概 論,1.1 支護技術的發(fā)展、現(xiàn)狀與水平——與時俱進 支護材料：木材、料石、金屬、砼、化工 支護工藝：砌碹、架棚、錨噴、現(xiàn)澆 機械化：人工－中檔機械化—高檔機械化 支護理念的一些特點： 被動支護——主動支護 單一作用——共同作用 后支護 ——預支護 低強度 ——高強度 盲目化——信息化 經(jīng)驗性——理論性 隨意化——規(guī)范化 手工化——設計自動化 發(fā)展國內(nèi)——吸收國外技術 ▲錨噴以及以錨噴為基礎的支護已成為目前的主 ▲支護技術已達到國際水平,4,1.2 支護技術與其它相關技術的關系 ▲開挖技術：光面爆破 普通光面爆破、預裂光面爆破 定向斷裂控制爆破：,切槽爆破,5,聚能藥包爆破、,,6,7,切縫藥包爆破,8,▲材料：鋼材、混凝土材料、各種添加劑、合成材料等 ▲機械： 錨桿機、噴射機,9,1.3 支護技術的一些思考,▲機制問題：支護材料的企業(yè)自主采購權不夠，阻礙新技術的 及時推廣應用。全公司、全礦都用固定的幾種支護形式有一定弊端 ▲質(zhì)量意識：加強質(zhì)量控制，嚴格施工管理 ▲知識更新：掌握新技術、新動態(tài)、新工藝，企業(yè)智力投資小。 ▲克服習慣勢力：只習慣于某種支護形式，換一種形式比較難 ▲他山之石：鐵路、公路隧道，地鐵隧道、水利 ▲重頂輕底和腳：對底板和兩底角重視不夠,10,1.4 計算機在支護技術方面應用 1.錨桿支護設計專家系統(tǒng) ▲煤礦頂板設計專家系統(tǒng)，美國，1987年 ▲隧道設計專家系統(tǒng)，日本，1989年 ▲頂板控制專家系統(tǒng)，山東科技大學，1990年 ▲回采巷道支護形式與參數(shù)選擇專家系統(tǒng)，1989年 ▲巷道圍巖支護設計專家系統(tǒng)，東北大學，1991年 ▲地下工程圍巖穩(wěn)定性評價及支護決策專家系統(tǒng)， 原西安礦院 ▲巖巷錨噴支護設計專家系統(tǒng)（MPES）， ▲錨噴支護設計專家系統(tǒng)，MZES，焦作工學院，1994年 ▲煤及煤－巖錨梁網(wǎng)支護專家系統(tǒng)，安徽理工大學， 1997年,11,2.支護設計計算的計算機程序 煤巷圍巖穩(wěn)定性分類程序 煤巷錨桿支護設計軟件，煤炭科學研究院開采所 3.計算機繪圖 巷道支護方式圖 4.施工技術措施的自動編制系統(tǒng),12,2 支護理論,2.1 錨噴支護作用機理 懸吊、加固拱、組合梁、封閉圍巖、改善應力狀態(tài)等 2.2 支護與圍巖共同作用理論 整體結構：如錨桿支護， 拱形可縮性支架的共同作用的體現(xiàn)問題： 用錨桿將其錨到圍巖上效果如何？ 時間協(xié)調(diào)：什么時間上支護？ 是“抗”還是‘讓”？“抗”到什么程度？ “讓” 到什么時間？,13,2.3 新奧法理論,▲新奧法是奧地利新施工方法的簡稱： New Austrian Tunneling Method——NATM 由奧地利學者拉布希維茲于20世紀50年代提出 不是一種“方法”，是一種原則、概念、原理 ▲基本要點： 光面爆破、錨噴支護、先柔后剛 封閉圍巖、二次支護、動態(tài)量測 充分發(fā)揮圍巖的自身能力 盡可能防止圍巖松動 適時地進行支護，不能過早過晚 巷道周邊盡量園順，避免棱角 預留變形量,14,,,15,2.4 松動圈理論,▲ 概念 巷道在開挖后，由于應力的作用，在圍巖中產(chǎn)生的松弛破碎帶叫松動圈。 與冒落拱、冒落高度意義不同，松動圈內(nèi)邊界從徑向應力等于零的巷道表面算起。 力學特性：應力降低 ▲ 松動圈的形狀 與圍巖應力方向和大小有關。 各向同性巖石：垂直應力大，兩幫松動圈大 水平應力大：頂?shù)装逅蓜尤Υ?圍巖不同性：巖石強度低處，松動圈大 ▲ 松動圈的形成的時間性 圍巖松動圈的發(fā)展形成穩(wěn)定有一個時間過程： 小的3～7d，大的1～3個月。 ▲ 松動圈的大小與判斷 用聲波儀測定。根據(jù)測試，大小一般為1.5～2.0m。,16,17,2.5 軟巖支護理論,▲軟巖的定義 松散軟弱巖層——松軟巖層——軟巖 基本特征：松、散、軟、弱 破碎、軟弱、松散、膨脹、流變、風化、高應力的總稱。 ▲軟巖巷道的特征 自穩(wěn)時間短、來壓快；變形量大、速度快； 變形持續(xù)時間長；四周來壓，底臌明顯； 遇水膨脹、變形加劇；剛性支架普遍破壞 ▲軟巖的分類 五類：非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、 極不穩(wěn)定 ▲軟巖巷道支護原理 綜合治理：巷道位置與形狀、施工工藝、防治水、支護結構 聯(lián)合支護：分次支護，多種形式聯(lián)合使用。 長期監(jiān)控：長期進行現(xiàn)場變形量測,18,▲軟巖巷道的支護原則,●維護和保持圍巖的殘余強度原則 及時噴混凝土 ●提高圍巖殘余強度的原則 提高支護阻力、錨注加固 ●充分發(fā)揮圍巖的承載能力 圓形斷面、全斷面支護、可縮性支架、二次支護,19,2.6 國外的支護理論,▲最大水平應力理論： 水平應力通常大于垂直應力，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應力的影響；巷道軸向與最大水平應力方向平行的巷道受水平應力最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好，反之最大。 ▲錨桿的加固作用： 英國學者認為，在深部開采的高應力環(huán)境下，最大水平應力的作用是使頂?shù)装鍘r層出現(xiàn)錯動和松動膨脹，在頂板出現(xiàn)破壞區(qū)。錨桿的作用就是防止巖層的錯動和膨脹。,20,▲英國學者關于水平應力的觀點 水平應力與深度無關，但與巖層的堅固性有關。因此，頂板巖石堅硬的淺部巷道，水平應力是主要的；對于松軟的深部巷道，主要是垂直應力的作用，由于垂直應力的作用，在兩幫形成滑移面，使兩幫發(fā)生擠出現(xiàn)象。,21,3 各種錨桿,錨桿的類型 端頭錨固式: 金屬倒楔式 金屬楔縫式 快凝水泥式 樹脂藥包式 脹殼式、 螺釘頭式等 全長錨固式： 金屬沙漿式 水力膨脹式 吹脹式 管縫式 樹脂藥包式 螺釘式 爆炸式 內(nèi)注漿式 …….,22,管縫式錨桿,,,樹脂錨桿,23,倒楔式錨桿,,24,水力（或壓氣）膨脹式錨桿,25,可控壓式注漿錨桿,普通注漿錨桿,26,端錨內(nèi)注式錨桿,27,中空注漿錨桿,28,脹殼錨頭注漿錨桿,29,自進式中空注漿錨桿,,30,螺釘頭錨桿,31,,,32,,,33,爆炸錨桿,在鋼管中裝上炸藥，下端用炮泥堵塞，然后將裝有炸藥的鋼管打入打好的錨桿孔中引爆。,錨孔直徑：42mm 錨桿外徑：38mm 錨桿內(nèi)徑：323mm 適用條件：中軟、軟巖。 特殊條件下 大錨固力。,34,可伸長錨桿,可拉伸讓壓的錨桿 可控式金屬伸長錨桿、管縫式可拉伸錨桿、鋸齒型脹殼讓壓錨桿、套管摩檫式伸長錨桿、孔口彈簧壓縮式伸長錨桿、蛇形伸長錨桿、桿體伸長錨桿等。,,,,,,,,,35,,,,,,,,,,,,,,,蛇形伸長錨桿,,彈簧讓壓錨桿,36,伸縮原理：在孔口設一個伸縮筒，伸縮筒有兩種： 塑料筒外包馬口鐵皮、開縫式鋼筒 伸縮量：60～130mm,37,化工材料制作的錨桿,玻璃鋼錨桿 雙抗防腐塑料錨桿 塑料脹殼式錨桿 玻璃纖維強化塑料錨桿等。,澳大利亞的一種玻璃鋼錨桿，螺帽是塑料的。,38,錨索支護,MH型預應力錨索,39,端頭錨固式單根錨索,◆結構簡單 ◆直徑?。?8～32mm ◆長度5～10m ◆用錨固劑錨固，錨固長度不小于1m ◆材料：高強預應力鋼鉸線、高強預應力鋼絲,40,錨索施工步驟,41,錨桿支護的幾個技術問題,▲蓋板問題：設置十分重要，它的作用不容忽視。省了得 不上償失。 日本對此問題做過專門研究。 形狀不同、大小不一。不可“千巷一律”。 ▲錨固力問題：確保達到設計的要求 ▲錨索的預應力問題：一定要施加到規(guī)定的預應力要求。,42,4. 各種棚式支架,U型鋼直墻半園拱形可縮性支架,43,44,4節(jié)三心拱斜腿可縮性支架,4節(jié)三心拱曲腿可縮性支架,45,方環(huán)形可縮性支架,46,加強U型鋼支架,特點： 全封閉增設了兩根加強構件，以支撐底壓和側壓。 棚腿與底梁鉸接。,47,六節(jié)馬蹄形可縮性支架,48,卡 環(huán) 式 雙 向 可 縮 性 支 架,49,,特點： ●整體剛度較大 ●與錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土構成聯(lián)合支護； ●鋼拱架的安裝架設比較方便。 ●縱向間距一般不宜大于1.2m ●兩榀鋼架之間應設置直徑20～22mm的鋼拉桿,,格 柵 鋼 架（鋼拱架）,50,格柵鋼架的形狀與斷面形式,,51,隧道格柵支架施工步驟,錨噴網(wǎng)→立鋼格柵→噴混凝土或模噴→仰拱開挖→ 仰拱回填→二襯施作。 二類圍巖（較差圍巖）的支護參數(shù)： 初期支護：厚度為20cm；鋼格柵間距為1m； 錨桿為Φ22，長3.5m，間距為100cm×80cm二次襯砌：厚度為60cm；鋼筋混凝土； 在局部地段鋼格柵拱換為工字鋼拱架。,52,鋼管混凝土支架 （安徽理工大學臧德勝教授研制）,特 點 ●鋼管直徑108~159mm， ●形狀：圓形、拱形等 ●鋼材和混凝土優(yōu)勢互補 ●每架由4~5節(jié)組成，每節(jié)端部有法蘭盤 ●背板用鋼筋網(wǎng)和灰包 ●支架具有可縮性 ●缺點是重量較大。 ●與U形鋼相比，耗鋼量降低30%，成本低20%左右,53,已 安 裝 好 的 鋼 管 混 凝 土 支 架,54,現(xiàn)澆式、砌筑式、噴射式,5 連續(xù)式支護,5.1 高強鋼筋混凝土弧板支護 高強鋼筋砼弧板——簡稱高強弧板、大弧板 強度：C100 適用：高地應力、松軟、破碎、膨脹地層巷道、圓形斷面 安裝：地面預制、工作面組裝。錯縫安裝。 由于重量大（ 10kN左右），需用機械手安裝 結構：每圈由4~5塊組成，每塊厚200~300mm，寬 300~500mm，平接頭 壁后用灰包充填密實。充填前要浸水，以便充填后固化,55,研制：安徽理工大學朱效嘉教授,1—吊裝孔 2—灰包 3—弧板 4—可縮夾層 20~30mm的木墊板,56,5.2 鋼筋網(wǎng)殼錨噴支護,——安徽理工大學郭蘭波教授研制—— ▲結構 用鋼筋在地面焊接成板殼結構，內(nèi)部是立體縱橫交叉的 鋼筋網(wǎng)架支撐著外層鋼筋網(wǎng)。 每架支架由數(shù)塊構件對頭拼裝，用螺栓連接。 一架緊接一架安裝，架間不留間隔，每棚支架4~6片。 每片寬0.8~1.0m，厚度100~150mm。 ▲施工程序 先進行錨桿支護 然后架設網(wǎng)殼板塊 最后噴射混 凝土 ▲適用：高地應力軟弱、膨脹、破碎巖體的一項新型支護技術。,57,5.3 鋼纖維噴射混凝土 是一種復合材料，是在普通的噴射混凝土中摻入鋼纖維。 規(guī)格：鋼纖維長20～40mm，厚0.5mm。 摻量：體積比。濕噴：0.5～1％， 干噴：1～1.5％， 80～100kg/m3混凝土。 作用：改善噴射砼力學性能，如抗拉、抗彎、抗沖擊強度 提高抗裂性和韌性。 優(yōu)點：強度高，抗拉可提高50～80％。韌性可提高10倍以上。 回彈率低，5～10％。粉塵少。 可以省去金屬網(wǎng) 適用：破碎帶、膨脹性圍巖、復雜應力地段。 要求：對噴射機具有一定要求，防止成團和堵管。,58,5.4 高強度噴射混凝土,高粘性、高強度混凝土： 在噴射混凝土中添加各種結合材料、混合劑、石灰石微粉末等而形成的混凝土。 如添加硅粉盒石灰石微粉末，回彈率和粉塵量都可降低20～30％。 初期強度大，質(zhì)量穩(wěn)定。 摻量：速凝劑4～7％（砼混合料的總和）， 硅粉5％ （砼混合料的總和） ， 減水劑適量。,59,6 聯(lián)合支護,■噴錨支護： 噴射混凝土＋錨桿 ■噴錨注支護： 噴射混凝土＋錨桿＋注漿 ■噴錨網(wǎng)支護： 噴射混凝土＋錨桿＋金屬網(wǎng) ■噴錨架支護： 噴射混凝土＋錨桿＋金屬骨架 ■噴錨網(wǎng)架支護: 噴射混凝土＋錨桿＋金屬網(wǎng)＋金屬骨架 ■噴錨網(wǎng)索支護: 噴射混凝土＋錨桿＋金屬網(wǎng)＋錨索 ■錨梁網(wǎng)支護: 金屬網(wǎng)＋鋼帶＋錨桿 ■錨梁網(wǎng)索支護：金屬網(wǎng)＋鋼帶＋錨桿＋錨索,60,61,7.1 超前管棚工法 ●超前管棚法適用于圍巖非常松軟、破碎、鑿孔后極易坍孔的地層。 ●該法是掘進前在工作面先架好鋼支撐（0.75～1.0m/架），然后在隧道拱頂部以一定仰角向工作面前方打入若干根均布的縱向鋼管，形成管棚，在管棚的保護下進行隧道的開挖。 （1）小管棚法 該法是在工作面頂板打入φ25～50mm、長3～7m的鋼管。鋼管間距0.3～0.5m，傾角10～18°，每隔1～2m打一排管棚。 頂板條件許可時可每隔一排支撐作一次管棚。,7 超前支護,62,（2）大管棚法 鋼管直徑一般為76～127mm 管棚長度為10～３0m（以15～20m為多） 加固段較長時，可設多道管棚，各道的搭接長度一般不少于3m。 例一：大瑤山隧道，鋼管直徑80mm、長10m，用H175型鋼支撐，支撐間距0.75m，每隔一架支撐打一道管棚，鋼管仰角10～16°，用臺車的沖擊力將其打入，鋼管間距為0.3m。 例二：南京地鐵，Ⅰ類圍巖，管長40m，管徑108mm，搭接長度3.5m，拱部120°范圍布置，環(huán)向間距0.5m，外插角3°。用金星—900型鉆機打孔。,63,（3）大小管棚配合法 在大管棚鋼管較長、角度較大時，隨著工作面的推進，管棚距拱頂?shù)木嚯x會越來越大，對頂板穩(wěn)定不利，此時可在大管棚內(nèi)側再配合使用小管棚。 （4）注漿管棚法 在管棚法的鋼管上（在前端約2/3長度內(nèi)）鉆φ6mm左右的小孔，在頂入后利用該棚管注漿加固地層。注漿壓力0.5～2MPa。,64,,65,先將掌子面封閉，然后采用大管棚注漿，固結坍體，結合超前小管棚支護，短臺階開挖、強支護、緊襯砌方案進行處理,小導管超前注漿,66,8.1 底臌的巷道 ▲ 軟弱巖層、破碎帶、風化帶中的巷道 ▲受采動影響的巷道 ▲ 有水的巷道 8.2 底臌的類型 ▲擠壓流動性底臌 直接底板為軟弱巖石，兩幫和頂板的強度大大高于底板。 整個巷道都位于松散破碎巖體中，周邊松動圈大。 ▲撓曲褶皺性底臌 底板為層狀巖體，在平行于層理方向的壓力作用下產(chǎn)生。 ▲遇水膨脹性底臌 粘土巖，其中蒙脫石含量高。 ▲剪切錯動性底臌 底板完整且厚度較大，但地層應力也大，底板剪斷受擠壓而上鼓。,8 底 臌,67,8.3 影響底臌的因素,▲圍巖性態(tài)： 底板結構狀態(tài)、 底板巖石的軟弱程度及厚度 ▲巖層應力 ▲ 水理作用 ▲支護方式與強度 ▲斷面形狀 8.4 底臌巷道的分類 ▲輕微底臌 底臌量100～200mm ▲明顯底臌 底臌量200～300mm ▲嚴重底臌 底臌量300～500mm ▲破壞性底臌 底臌量500～800mm 8.5 底臌的治理 ▲支護結構：封閉底拱、錨、注、聯(lián)合支護——提高底板強度 ▲防治水 ▲加固巷道幫和底角控制,68,全封閉復合結構,69,噴錨網(wǎng)架聯(lián)合支護,70,錨噴網(wǎng)砌聯(lián)合支護,,71,9 “三小”作業(yè),▲三小含義： 小鉆頭，柱齒型，直徑28、30、32mm，炮孔、錨孔同徑 小錨桿，樹脂藥卷直徑27、28mm； 管縫錨桿直徑31、 33mm 小藥卷，直徑25、27mm，煤礦RMⅡ型乳化炸藥 ▲適用條件：Ⅲ類圍巖，f4～8，巖巷，斷面8～12m2， 直墻半圓拱。淺孔（1800mm以內(nèi)）爆破。 ▲打眼設備：ZY24M型雙級氣腿鑿巖機 ▲實施效果：錨固材料節(jié)約30～40%， 錨桿支護成本降低10～15％ 鉆進速度提高30％以上 巷道掘進速度提高10～20％ 巷道掘進成本降低10～20％,72,三小施工實例,73,,,74,謝 謝 ！,75,目前我國隧道的設計和施工存在一些問題，往往因為施工進度或管理落后等原因，仰拱在上部襯砌施作完成并穩(wěn)定后修筑，時機過遲，特別是在施工期間，起不到應有的作用。 3.4.2 施工監(jiān)測 在施工過程中，對仰拱開挖造成的圍巖和二襯收斂變形進行監(jiān)測。 二襯施作前開挖仰拱造成圍巖收斂變形與時間的關系如圖1（斷面位置在FK85+350）。 二襯施做后開挖仰拱造成圍巖收斂變形與時間的關系如圖4（斷面位置在K85+952 ）。,76,3.4.5 結論 在相同的圍巖地質(zhì)條件下，初期支護完成后開挖仰拱(第1種開挖方式)造成圍巖的收斂變形較二襯施作完成后再開挖仰拱(第2種開挖方式) 的收斂變形為大； 初期支護完成后開挖仰拱比在二襯施作完成后開挖仰拱，初期支護內(nèi)力增加，但對二襯的影響較小，且圍巖壓力基本相同； 初期支護完成后立即施作仰拱，形成合理的結構體系，減少了對二襯的影響，從而增加了二襯的安全儲備，延長了使用壽命。,77,8 結論與建議,現(xiàn)場監(jiān)控與動態(tài)設計 圍巖分類與圍巖動態(tài)分類 隧道超前預報與可視化 實現(xiàn)動態(tài)設計的管理系統(tǒng)與措施,78,