張 彬,劉 波,柳東委

(遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧阜新 123000)

新奧法構(gòu)筑的基本思想就是運(yùn)用各種手段(如地質(zhì)勘察、支護(hù)類型、隧道的開挖方法以及監(jiān)控量測、地層的預(yù)處理等等)來控制圍巖的變化,最大限度的來利用圍巖自身的承載能力,使施工更安全、更經(jīng)濟(jì)。監(jiān)控量測是新奧法施工的核心,而巷道位移的監(jiān)控量測又是巷道監(jiān)測中判斷圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù),是監(jiān)視圍巖是否安全穩(wěn)定的重要手段。鑒于地層的復(fù)雜性,所以在巷道施工中,為了避免事故的出現(xiàn),施工人員都會(huì)在巷道開挖過程對圍巖進(jìn)行位移的監(jiān)測,采集和分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù),觀察圍巖的變形規(guī)律和變形趨勢以及圍巖的松動(dòng)范圍,對于圍巖的危險(xiǎn)地段及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)和加固,確保施工的安全。近年來有關(guān)巷道圍巖變形量測的論文比較多,通常是利用圍巖周邊變形和拱頂下沉觀測值對施工進(jìn)行安全監(jiān)測。本文以七臺(tái)河礦務(wù)局鐵東煤礦的某軟巖巷道為例,主要介紹了巷道圍巖表面和巷道深部位移監(jiān)測,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,研究圍巖的收斂穩(wěn)定性,合理指導(dǎo)巷道施工,保證安全。

1 圍巖表面位移監(jiān)測

該軟巖巷道工程段共設(shè)五類監(jiān)測試驗(yàn)類型,包括圍巖表面位移監(jiān)測,深部位移監(jiān)測,錨桿工作阻力監(jiān)測試驗(yàn),錨桿拉撥試驗(yàn)和鋼架變形監(jiān)測。本文側(cè)重介紹圍巖表面位移監(jiān)測和深部位移監(jiān)測兩種測試。

1.1 監(jiān)測斷面的巖性分布和位移監(jiān)測點(diǎn)的布置

對于表面位移監(jiān)測來說,重點(diǎn)分析兩個(gè)監(jiān)測斷面,第一監(jiān)測斷面主要的巖性包括:灰黑色的泥巖,灰白色的砂礫巖和煤,從掌子面分析,以灰黑色泥巖為主,頂板為薄層煤,僅僅在右?guī)拖虏砍霈F(xiàn)灰白色的砂礫巖;第二監(jiān)測斷面的主要巖性包括:灰黑色泥巖、厚層灰白色砂礫巖,局部砂巖呈透鏡體產(chǎn)生,巖層產(chǎn)狀近于水平。

軟巖斷面位移監(jiān)測以激光點(diǎn)為測量基準(zhǔn)點(diǎn),選取每個(gè)斷面上的典型部位作為測量標(biāo)點(diǎn),每日測量標(biāo)點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離,直至標(biāo)點(diǎn)變形穩(wěn)定。每日測量得到的距離與設(shè)點(diǎn)第一天的初始距離之差即為該標(biāo)點(diǎn)的絕對位移值。

第一監(jiān)測斷面位于 40 m處,共設(shè) 9個(gè)標(biāo)點(diǎn),選擇 O點(diǎn)為1、2、3、4、5、6、7的基準(zhǔn)點(diǎn),距激光點(diǎn) 950mm。選擇 O1點(diǎn)為8、9標(biāo)點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn),距激光點(diǎn) 1 950mm。

第二監(jiān)測斷面位于 80 m處,共設(shè) 9個(gè)標(biāo)點(diǎn),同樣選擇 O點(diǎn)為 l、2、3、4、5、6、7標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),距激光點(diǎn) 1 000mm。選擇 O1點(diǎn)為 8、9標(biāo)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn),距激光點(diǎn) 1 700mm。如圖 1所示:

圖1 圍巖表面位移監(jiān)測斷面的測點(diǎn)布置

1.2 圍巖表面位移監(jiān)測成果分析

圍巖表面位移的第一個(gè)監(jiān)測斷面從開挖后的第一天開始監(jiān)測,隨著巷道的不斷掘進(jìn),圍巖表面的位移發(fā)生有規(guī)律的變化,各個(gè)測點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線(圖 2)。從圖中可知,圍巖的頂板位移較大,主要集中在 3、4、5測點(diǎn),其中 4點(diǎn)最大穩(wěn)定位移量為 138mm,3和 5點(diǎn)的穩(wěn)定位移量為 121mm和102mm。巷道兩幫的位移量較小,一般不超過80m m。造成頂板位移偏大的主要原因除了巷道開挖產(chǎn)生應(yīng)力重新分布和自重應(yīng)力作用以外,另外還是由于此處拉底炸碎了頂板的煤層,致使煤層和巖體松動(dòng),增大了位移量。但是從整體上來看巷道的最初設(shè)計(jì)預(yù)留變形值 150mm是非常合理的。

圍巖表面的第二個(gè)監(jiān)測斷面是在巷道開挖一段時(shí)間后設(shè)置成功,各個(gè)測試點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線(圖 3)。從圖中可知,巷道前 10天的變形量較大,20天后變形趨于穩(wěn)定,30天后變形基本穩(wěn)定,由測試的結(jié)果可以看出,位移的最大部位在 1、2、3、4點(diǎn),其中頂板中央 4號(hào)測試點(diǎn)變形量最大,總的位移量為 140mm。測試點(diǎn) 6、7點(diǎn)的位移量較小,均不超過80mm。因此,第二斷面的各個(gè)測試點(diǎn)的位移量均小于巷道最初設(shè)計(jì)預(yù)留變形量 150mm,再一次證明了七臺(tái)河軟巖巷道最初設(shè)計(jì)預(yù)留變形量 150mm這一設(shè)計(jì)值的準(zhǔn)確合理性。

綜合分析兩個(gè)監(jiān)測斷面的位移規(guī)律不難發(fā)現(xiàn),巷道圍巖的頂板位移量較大,兩幫的位移量較小,巷道的右?guī)偷奈灰屏科毡榇笥谧髱偷奈灰屏?。產(chǎn)生這樣的原因主要是由于頂板受到開挖以后應(yīng)力重新分布和自重應(yīng)力作用控制,而右?guī)臀灰拼笥谧髱臀灰苿t是受到巖體的結(jié)構(gòu)和地層的產(chǎn)狀的影響。因?yàn)樵诒竟こ痰囟?優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為地層層面,右?guī)偷膶用孀呦蛐苯幌锏赖妮S向,并且傾向于幫外,而左幫巖層層面走向斜交巷道軸向,并且是傾向于幫內(nèi)的,顯而易見,右?guī)蜁?huì)比左幫更易于滑動(dòng)位移。

圖2 第一監(jiān)測斷面圍巖表面位移-時(shí)間曲線

圖3 第二監(jiān)測斷面圍巖表面位移-時(shí)間曲線

2 圍巖深部的位移監(jiān)測

巷道開挖以后,圍巖應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力的重新分布,原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞,其影響半徑為巷道半徑的 3～5倍。因此,巷道的變形范圍將在應(yīng)力影響圈內(nèi),為了確定圍巖的變形范圍以及變形規(guī)律,使用多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行圍巖深部位移的測試是非常重要的,必不可少的一個(gè)步驟。

2.1 監(jiān)測斷面巖性分布位移監(jiān)測點(diǎn)的布置

巷道圍巖深部位移臨測斷面設(shè)于小斷面 60 m處。揭露的主要巖性包括:灰黑色泥巖、灰黑色含礫砂巖、灰白色粗砂巖。其中,灰黑色泥巖比較破碎、呈現(xiàn)薄層狀結(jié)構(gòu),與灰黑色含礫砂巖互層;灰黑色含礫砂巖含有較大礦物顆粒和巖石碎屑,一般為 1～3mm、最大可達(dá) 23mm,膠結(jié)緊密,層狀結(jié)構(gòu);灰白色粗砂巖,膠結(jié)松散、遇水迅速軟化,手抓可碎,主要分布于兩幫局部地帶。右?guī)投帱c(diǎn)位移計(jì)安裝部位為孔口位于灰黑色泥巖中,下部為含礫砂巖,可見白色石英砂巖礫石或圓礫,最大可達(dá) 150mm。

巷道深部位移測量使用 D W-8型多點(diǎn)位移計(jì),安裝多點(diǎn)位移計(jì)的鉆孔設(shè)計(jì)深度為 6 m,孔徑為 80mm。D W-8型多點(diǎn)位移計(jì)為機(jī)械式的整體結(jié)構(gòu),錨頭為壓縮木可以自膨脹。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

多點(diǎn)位移計(jì)的測試原理是將位移計(jì)組裝成一桿式的整體結(jié)構(gòu),并送入鉆孔內(nèi),每一個(gè)錨固件作為一個(gè)測點(diǎn),將圍巖位移通過測桿傳至孔口,以壁面埋頭表面為測量基準(zhǔn)面,每天測得圍巖內(nèi)部各測桿外端到表面的距離由此可算得圍巖內(nèi)部各測點(diǎn)的第一天絕對位移值,即每天的各測點(diǎn)的絕對位移值可依此類推。

圍巖深部位移測量斷面共 3個(gè)測量部位,分別位于頂板中央和頂拱兩肩靠近直墻部位,如圖 4所示。其中 1、3號(hào)測位距離底板 1 700mm,向巖壁內(nèi)呈 10°～15°仰角,2號(hào)測位則垂直于頂板。

圖4 圍巖深部位移測量斷面設(shè)計(jì)

2.2 圍巖深部測試位移成果分析

D W-8型多點(diǎn)位移計(jì)安裝完畢以后,經(jīng)過 10天的測試,1號(hào)和 3號(hào)位置的測試數(shù)據(jù)較好,2號(hào)測試位置在頂板,其測試數(shù)據(jù)偏小,這與安裝質(zhì)量有關(guān)。其中左幫 1號(hào)測試位置圍巖表面位移最大值為 9.22 mm,圍巖內(nèi)部 1 m處測點(diǎn)絕對位移量為 9.76mm,其它各個(gè)測點(diǎn)絕對位移量依次減小;右?guī)?3號(hào)位置圍巖表面位移最大值為 22.36mm,圍巖內(nèi)部 1 m處測點(diǎn)絕對位移值為 9.4mm,其它各點(diǎn)依次減小;頂板 2號(hào)位置圍巖表面位移最大值為 8.70mm,圍巖內(nèi)部 1 m處測點(diǎn)的絕對位移值為 5.67mm,其它各個(gè)測點(diǎn)依次減小,見表2所示。

測量斷面一共有 3個(gè)測位,分別位于頂拱兩肩靠近直墻部位和頂板,由于圍巖應(yīng)力作用和巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng),各個(gè)測點(diǎn)的位移情況各有差異。從測點(diǎn)的位移統(tǒng)計(jì)表中可以看出,巷道右?guī)偷膰鷰r表面位移大于左幫,這是由于巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)和爆破松動(dòng)所致,由于右?guī)蛶r層傾向于幫外,而左幫傾向幫內(nèi),又由于強(qiáng)大的爆破力作用使巖體松動(dòng)破碎,右?guī)蛶r體層沿著層面向幫外滑移變形。而巷道頂板的位移是最小的,巷道頂板表面位移最小其中主要是因?yàn)樽⑺蛔?壓縮木膨脹不充分,在爆破力作用下發(fā)生滑動(dòng),從而形成誤差,是由于多點(diǎn)位移計(jì)安裝質(zhì)量差導(dǎo)致的誤差。

圖5 測點(diǎn)的位移空間曲線圖

圍巖從表面到深部,其絕對位移值逐步減小,直到為零,在他們的位移-空間曲線上均存在一個(gè)折點(diǎn)大約位于埋深1.5～2.0 m處,小于此埋深的位移較大,而大于此埋深的位移明顯減小,特別是大于 6 m以上埋深,其圍巖絕對位移值近乎于零,如圖 5所示,所以我們可以根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出圍巖松動(dòng)的范圍大約是 1.5～2.0m。所以在最初始巷道預(yù)設(shè)計(jì)的支護(hù)錨桿長度為 2.0m是完全合理的。

總而言之,施工時(shí)可以通過對巷道圍巖位移的監(jiān)測來掌握圍巖的變形趨勢和變化規(guī)律,及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的圍巖地帶,及時(shí)進(jìn)行支護(hù)和加固。還可以通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理,修改支護(hù)參數(shù)和設(shè)計(jì)方案,以指導(dǎo)后續(xù)施工更好地進(jìn)行,從而達(dá)到巷道施工更經(jīng)濟(jì)、更安全的效益。

3 結(jié) 論

(1)通過對巷道圍巖表面的測試得到測試的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制位移-時(shí)間曲線圖,觀察各個(gè)測點(diǎn)的位移值,最終通過分析處理數(shù)據(jù)得出巷道最初始設(shè)計(jì)的圍巖變形預(yù)留值 150mm是正確合理的。

(2)用D W-8型多點(diǎn)位移計(jì)對巷道圍巖深部進(jìn)行位移監(jiān)測,得到監(jiān)測數(shù)據(jù),通過分析處理再一次證明圍巖預(yù)留變形值的合理性。并且可以根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出圍巖的塑性圈厚度為 1.5～2.0 m的范圍內(nèi),所以巷道最初設(shè)計(jì)的錨桿長度 2.0 m是完全合理的。

(3)通過對巷道的位移收斂測試,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的圍巖地帶,保證施工過程的安全。

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