礦建工程中特殊硐室的軟巖支護(hù)技術(shù)

曹學(xué)林

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

在礦建工程項目施工中，大型特殊硐室處于軟巖環(huán)境下，該設(shè)施具有較為特殊的使用功能，一旦建設(shè)結(jié)束通常無法做出反復(fù)性返修。所以在設(shè)計與施工期間應(yīng)對軟巖結(jié)構(gòu)可塑性、流變性以及膨脹性等特點予以充分考慮，合理選擇支護(hù)技術(shù)方案，有效轉(zhuǎn)換高應(yīng)力軟巖地壓，確保支護(hù)效果，將軟巖結(jié)構(gòu)維持在穩(wěn)固、合理的狀態(tài)，為特殊硐室使用的可靠性以及安全性提供有效保障［1］。

1 初始設(shè)計問題

1.1 未深入分析特殊硐室軟巖性能指標(biāo)

軟巖存在多種變形力學(xué)機制，應(yīng)充分考慮到軟巖地壓大、大變形以及難支護(hù)的特點，所以應(yīng)采取綜合治理方案，單純依賴某種支護(hù)方案并不可取，也很難實現(xiàn)預(yù)期效果。以往施工支護(hù)多以錨噴支護(hù)方式為主，長度通常都低于500m且遠(yuǎn)低于桿體長度，一旦受到外部強力影響則很難抵抗。

1.2 圍巖表面缺乏足夠的約束能力

在高應(yīng)力膨脹軟巖施工環(huán)境中，硐室泵房排水系統(tǒng)巷道往往需要遵循上下交錯布置的原則，但容易受到外部爆破震動的影響，部分薄弱區(qū)域可出現(xiàn)變形，抵抗能力也隨之減弱，甚至持續(xù)出現(xiàn)松脫、蠕變，導(dǎo)致破碎區(qū)形成，進(jìn)而導(dǎo)致錨固圍巖自承圈受到嚴(yán)重破壞［2］。

1.3 未合理選擇斷面

大多數(shù)礦建工程的泵房和變電所斷面形態(tài)均采用半圓拱形斷面，因此澆筑混凝土支護(hù)底板時，混凝土體支護(hù)強度通常難以應(yīng)對膨脹軟巖應(yīng)力釋放強度，導(dǎo)致兩側(cè)圍巖結(jié)構(gòu)有很大幾率出現(xiàn)蠕動變形。與此同時，礦建工程項目硐室直墻壁段相對較高，難以有效承受或?qū)箓?cè)壓力，有較大幾率出現(xiàn)支護(hù)體脫落的現(xiàn)象，若施工方未及時處理則有可能引發(fā)失穩(wěn)破壞［2］。

2 硐室支護(hù)方法

2.1 臨時支護(hù)

特殊硐室建設(shè)過程中一般會選擇錨網(wǎng)支護(hù)方案進(jìn)行臨時支護(hù)，首先設(shè)置錨桿孔，然后在風(fēng)鉆輔助下將錨桿楔進(jìn)孔洞，錨桿布置呈矩形，并且與軟巖面之間不留縫隙，以提高支撐力。通常情況下井筒部分和管子道部分多以錨桿、不銹鋼網(wǎng)作臨時支護(hù)處理。應(yīng)注意施工過程中按照實際情況對搭接方式以及網(wǎng)格規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，確保去布置均勻，實現(xiàn)臨時支護(hù)的效果。

2.2 永久支護(hù)

在井筒部分支護(hù)方法中，混凝土支護(hù)是應(yīng)用最為頻繁的一種，該方法屬于永久性支護(hù)，因此施工人員在工程項目建設(shè)開始之初就保障工程施工質(zhì)量，合理配合混凝土材料，同時應(yīng)盡量避免外部因素影響，確保澆筑質(zhì)量，以免支護(hù)質(zhì)量難以達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)。在硐室關(guān)鍵部分施工中，巷道部分的支護(hù)方案一般以二次支護(hù)為主，應(yīng)注意合理選擇變形力學(xué)類型，將復(fù)合型軟巖有效轉(zhuǎn)化為局部結(jié)構(gòu)單一型軟巖。此外還應(yīng)注意做好底板支護(hù)工作。

2.3 二次支護(hù)

二次支護(hù)技術(shù)多用于失修巷道或者硐室關(guān)鍵部位，工作步驟為：首先，分析并確定軟巖結(jié)構(gòu)復(fù)合變形力學(xué)機制；其次采取有效措施改變復(fù)合變形機制，使之趨向于單一性；最后要合理優(yōu)化二次支護(hù)方案。

根據(jù)礦建施工現(xiàn)狀分析來看，在調(diào)整和優(yōu)化硐室軟巖支護(hù)方案時應(yīng)重視如下內(nèi)容。

1）從支護(hù)操作時機方面分析來看，施工人員應(yīng)充分認(rèn)識硐室特殊性應(yīng)確保充分釋放圍巖變形應(yīng)力，此種情況下初次支護(hù)方案的作用與價值可得到有效發(fā)揮。而軟弱巖體結(jié)構(gòu)放壓曲線和初次支護(hù)壓力釋放曲線彼此保持相交時，可視為初次支護(hù)方案主體讓壓基本已處于最理想狀態(tài)。所以施工時應(yīng)從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，合理確定二次支護(hù)的時機，即錨噴支護(hù)巷道出現(xiàn)鱗狀剝落并逐漸出現(xiàn)片狀剝落時［3］。但是應(yīng)注意如下問題：二次支護(hù)方案通常應(yīng)以強力組合支護(hù)方案為首選，這也是二次支護(hù)的基本原則，應(yīng)基于合理控制應(yīng)力釋放趨勢和軟巖持續(xù)膨脹這一前提，通過二次強力支護(hù)來強化圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)體，使之更趨于穩(wěn)定。

2）當(dāng)后壁式和圓筒式支護(hù)方案確立后，應(yīng)根據(jù)硐室特殊要求來分析并深入了解如下幾點工作內(nèi)容：第一，以強度較高的半程錨固錨桿以及全程錨固錨桿作為首選錨固方案，以增加自承圈厚度。第二，硐室錨索加固處理時應(yīng)適當(dāng)延長錨固長度，一般深入穩(wěn)定巖層內(nèi)部即可。錨索錨固方案能夠充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力，從而顯著提升自承圈厚度，以改善圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而滿足后壁支護(hù)可靠性要求。第三，澆筑鋼筋混凝土加固結(jié)構(gòu)時尤其應(yīng)做好兩側(cè)墻面收幫控制處理，防止圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)部形變的問題，以強化圓筒式支護(hù)方案的支護(hù)效果。第四，通過加設(shè)錨索的方式處理硐室工作面底板，形成框架橋式結(jié)構(gòu)，以有效解決工作面底部薄弱問題，并滿足強支護(hù)方案的各項具體要求。

3 工程實例分析

某礦建工程二水平泵房中一共安裝3型水泵裝置9臺，建成投入運行3年后需要重新翻修以作加固處理。其中變電所硐室長、寬、高各項基本尺寸分別為3 500mm、6 000mm、3 900mm；泵房硐室長、寬、高各項基本尺寸分別41 000mm、7 000mm、5 500mm。初期硐室采用錨桿、錨網(wǎng)以及錨噴聯(lián)合支護(hù)方案，采用C20強度等級的噴射混凝土［4］。硐室底鼓問題較為嚴(yán)重，且伴有高應(yīng)力膨脹軟巖底板來壓，其中變電所與泵房二者硐室斷面選擇分別為馬蹄形斷面以及半圓拱直墻地板橋式框架斷面。

考慮到初期工程支護(hù)方案的確立，加固處理要求在選擇二次支護(hù)方案時應(yīng)遵循軟巖支護(hù)基本理論，采取強力組合方案對硐室薄弱區(qū)域作支護(hù)處理，全斷面均楔入高強度加長錨索錨桿（底板除外），并將雙層鋼筋敷設(shè)在硐室輪廓幫部位，以強化支護(hù)圍巖體系的軟弱部分，應(yīng)注意二次支護(hù)施工過程中混凝土澆筑標(biāo)準(zhǔn)厚度應(yīng)保持在500mm。與此同時，通過橋式框架鋼筋混凝土梁對工作面底板實施綜合支護(hù)作業(yè)。以泵房硐室支護(hù)方案為例，采用橋式框架關(guān)鍵區(qū)域強化組合支護(hù)方案見下圖1。

圖1 橋式框架關(guān)鍵區(qū)域強化組合支護(hù)方案示意（mm）

經(jīng)過二次支護(hù)處理后，該礦建工程應(yīng)用至今已有4年，在采取針對性軟巖支護(hù)技術(shù)方案處理后，硐室支護(hù)體系中薄弱環(huán)節(jié)得到很好的彌補和強化，整體支護(hù)效果較為滿意。通過現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)可知，硐室圍巖變形速率在初期支護(hù)后保持在1.8～6.5mm／d，而硐室底板變形速率最大值則高達(dá)21.5mm／d；二次強化支護(hù)處理后硐室底板變形速率最大值和圍巖變形速率基本保持為0，這充分說明了二次支護(hù)方案得到了滿意效果，可靠性較高。

4 結(jié)語

在高應(yīng)力軟巖環(huán)境下礦建工程硐室各部分中，底板是最為薄弱的一個環(huán)節(jié)，特別是特殊機電硐室，應(yīng)對高應(yīng)力膨脹軟巖的性質(zhì)、力學(xué)數(shù)據(jù)等相關(guān)知識有熟練掌握，在初次支護(hù)基礎(chǔ)上做好二次強化組合支護(hù)，既要重視自支能力基本喪失的松散掩體，同時又要兼顧底板橋式框架支護(hù)方案，提高支護(hù)強度，以確保施工過程中各項操作能夠順利進(jìn)行［5］。

［1］種波凱，張新建，宋成義，等.陳四樓礦深井軟巖巷道復(fù)合支護(hù)技術(shù)［J］.中州煤炭，2015，（5）：65－67.

［2］郭志飚，李乾，王炯，等.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索－桁架耦合支護(hù)技術(shù)及其工程應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（z2）：3 914－3 919.

［3］姜耀東，王宏偉，趙毅鑫，等.極軟巖回采巷道互補控制支護(hù)技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（12）：2 383－2 390.

［4］李學(xué)彬，楊仁樹，高延法，等.大斷面軟巖斜井高強度鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2013，38（10）：1 742－1 748.

［5］潘貴豪，明世祥，劉新強，等.高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)新理論及應(yīng)用研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，24（3）：11－15.