巷道支护前沿技术及其发展方向.ppt

1,巷道支护前沿技术及其发展方向,姜 玉 松安徽理工大学土木工程 系 岩土与地下工程教研室2004年8月10日,2,主要内容,1 概论 2 支护理论 3 各种锚杆 4 各种棚式支架 5 连续式支护,6 联合支护7 超前支护8 底臌治理9 三小作业,3,1 概 论,1.1 支护技术的发展、现状与水平与时俱进 支护材料：木材、料石、金属、砼、化工 支护工艺：砌碹、架棚、锚喷、现浇 机械化：人工中档机械化高档机械化 支护理念的一些特点：被动支护主动支护 单一作用共同作用 后支护 预支护 低强度 高强度 盲目化信息化 经验性理论性 随意化规范化 手工化设计自动化 发展国内吸收国外技术 锚喷以及以锚喷为基础的支护已成为目前的主 支护技术已达到国际水平,4,1.2 支护技术与其它相关技术的关系 开挖技术：光面爆破 普通光面爆破、预裂光面爆破 定向断裂控制爆破：,切槽爆破,5,聚能药包爆破、,6,7,切缝药包爆破,8,材料：钢材、混凝土材料、各种添加剂、合成材料等机械：锚杆机、喷射机,9,1.3 支护技术的一些思考,机制问题：支护材料的企业自主采购权不够，阻碍新技术的 及时推广应用。全公司、全矿都用固定的几种支护形式有一定弊端质量意识：加强质量控制，严格施工管理知识更新：掌握新技术、新动态、新工艺，企业智力投资小。克服习惯势力：只习惯于某种支护形式，换一种形式比较难他山之石：铁路、公路隧道，地铁隧道、水利重顶轻底和脚：对底板和两底角重视不够,10,1.4 计算机在支护技术方面应用 1.锚杆支护设计专家系统 煤矿顶板设计专家系统，美国，1987年 隧道设计专家系统，日本，1989年 顶板控制专家系统，山东科技大学，1990年 回采巷道支护形式与参数选择专家系统，1989年 巷道围岩支护设计专家系统，东北大学，1991年 地下工程围岩稳定性评价及支护决策专家系统，原西安矿院 岩巷锚喷支护设计专家系统（MPES），锚喷支护设计专家系统，MZES，焦作工学院，1994年 煤及煤岩锚梁网支护专家系统，安徽理工大学，1997年,11,2.支护设计计算的计算机程序 煤巷围岩稳定性分类程序 煤巷锚杆支护设计软件，煤炭科学研究院开采所 3.计算机绘图 巷道支护方式图 4.施工技术措施的自动编制系统,12,2 支护理论,2.1 锚喷支护作用机理 悬吊、加固拱、组合梁、封闭围岩、改善应力状态等2.2 支护与围岩共同作用理论 整体结构：如锚杆支护，拱形可缩性支架的共同作用的体现问题：用锚杆将其锚到围岩上效果如何？时间协调：什么时间上支护？是“抗”还是让”？“抗”到什么程度？“让”到什么时间？,13,2.3 新奥法理论,新奥法是奥地利新施工方法的简称：New Austrian Tunneling MethodNATM 由奥地利学者拉布希维兹于20世纪50年代提出 不是一种“方法”，是一种原则、概念、原理基本要点：光面爆破、锚喷支护、先柔后刚 封闭围岩、二次支护、动态量测 充分发挥围岩的自身能力 尽可能防止围岩松动 适时地进行支护，不能过早过晚 巷道周边尽量园顺，避免棱角 预留变形量,14,15,2.4 松动圈理论,概念 巷道在开挖后，由于应力的作用，在围岩中产生的松弛破碎带叫松动圈。与冒落拱、冒落高度意义不同，松动圈内边界从径向应力等于零的巷道表面算起。力学特性：应力降低 松动圈的形状 与围岩应力方向和大小有关。各向同性岩石：垂直应力大，两帮松动圈大 水平应力大：顶底板松动圈大 围岩不同性：岩石强度低处，松动圈大 松动圈的形成的时间性 围岩松动圈的发展形成稳定有一个时间过程：小的37d，大的13个月。松动圈的大小与判断 用声波仪测定。根据测试，大小一般为1.52.0m。,16,17,2.5 软岩支护理论,软岩的定义 松散软弱岩层松软岩层软岩 基本特征：松、散、软、弱 破碎、软弱、松散、膨胀、流变、风化、高应力的总称。软岩巷道的特征 自稳时间短、来压快；变形量大、速度快；变形持续时间长；四周来压，底臌明显；遇水膨胀、变形加剧；刚性支架普遍破坏软岩的分类 五类：非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定软岩巷道支护原理 综合治理：巷道位置与形状、施工工艺、防治水、支护结构 联合支护：分次支护，多种形式联合使用。长期监控：长期进行现场变形量测,18,软岩巷道的支护原则,维护和保持围岩的残余强度原则 及时喷混凝土 提高围岩残余强度的原则 提高支护阻力、锚注加固 充分发挥围岩的承载能力 圆形断面、全断面支护、可缩性支架、二次支护,19,2.6 国外的支护理论,最大水平应力理论：水平应力通常大于垂直应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响；巷道轴向与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力最小，顶底板稳定性最好，反之最大。锚杆的加固作用：英国学者认为，在深部开采的高应力环境下，最大水平应力的作用是使顶底板岩层出现错动和松动膨胀，在顶板出现破坏区。锚杆的作用就是防止岩层的错动和膨胀。,20,英国学者关于水平应力的观点 水平应力与深度无关，但与岩层的坚固性有关。因此，顶板岩石坚硬的浅部巷道，水平应力是主要的；对于松软的深部巷道，主要是垂直应力的作用，由于垂直应力的作用，在两帮形成滑移面，使两帮发生挤出现象。,21,3 各种锚杆,锚杆的类型 端头锚固式:金属倒楔式 金属楔缝式 快凝水泥式树脂药包式 胀壳式、螺钉头式等 全长锚固式：金属沙浆式 水力膨胀式 吹胀式 管缝式 树脂药包式 螺钉式 爆炸式 内注浆式.,22,管缝式锚杆,树脂锚杆,23,倒楔式锚杆,24,水力（或压气）膨胀式锚杆,25,可控压式注浆锚杆,普通注浆锚杆,26,端锚内注式锚杆,27,中空注浆锚杆,28,胀壳锚头注浆锚杆,29,自进式中空注浆锚杆,30,螺钉头锚杆,31,32,33,爆炸锚杆,在钢管中装上炸药，下端用炮泥堵塞，然后将装有炸药的钢管打入打好的锚杆孔中引爆。,锚孔直径：42mm锚杆外径：38mm锚杆内径：323mm适用条件：中软、软岩。特殊条件下 大锚固力。,34,可伸长锚杆,可拉伸让压的锚杆 可控式金属伸长锚杆、管缝式可拉伸锚杆、锯齿型胀壳让压锚杆、套管摩檫式伸长锚杆、孔口弹簧压缩式伸长锚杆、蛇形伸长锚杆、杆体伸长锚杆等。,35,蛇形伸长锚杆,弹簧让压锚杆,36,伸缩原理：在孔口设一个伸缩筒，伸缩筒有两种：塑料筒外包马口铁皮、开缝式钢筒伸缩量：60130mm,37,化工材料制作的锚杆,玻璃钢锚杆双抗防腐塑料锚杆塑料胀壳式锚杆玻璃纤维强化塑料锚杆等。,澳大利亚的一种玻璃钢锚杆，螺帽是塑料的。,38,锚索支护,MH型预应力锚索,39,端头锚固式单根锚索,结构简单直径小：2832mm长度510m用锚固剂锚固，锚固长度不小于1m材料：高强预应力钢铰线、高强预应力钢丝,40,锚索施工步骤,41,锚杆支护的几个技术问题,盖板问题：设置十分重要，它的作用不容忽视。省了得 不上偿失。日本对此问题做过专门研究。形状不同、大小不一。不可“千巷一律”。锚固力问题：确保达到设计的要求锚索的预应力问题：一定要施加到规定的预应力要求。,42,4.各种棚式支架,U型钢直墙半园拱形可缩性支架,43,44,4节三心拱斜腿可缩性支架,4节三心拱曲腿可缩性支架,45,方环形可缩性支架,46,加强U型钢支架,特点：全封闭增设了两根加强构件，以支撑底压和侧压。棚腿与底梁铰接。,47,六节马蹄形可缩性支架,48,卡 环式双向可缩性支架,49,特点：整体刚度较大 与锚杆、钢筋网、喷射混凝土构成联合支护；钢拱架的安装架设比较方便。纵向间距一般不宜大于1.2m 两榀钢架之间应设置直径2022mm的钢拉杆,格 栅 钢 架（钢拱架）,50,格栅钢架的形状与断面形式,51,隧道格栅支架施工步骤,锚喷网立钢格栅喷混凝土或模喷仰拱开挖 仰拱回填二衬施作。二类围岩（较差围岩）的支护参数：初期支护：厚度为20cm；钢格栅间距为1m；锚杆为22，长3.5m，间距为100cm80cm二次衬砌：厚度为60cm；钢筋混凝土；在局部地段钢格栅拱换为工字钢拱架。,52,钢管混凝土支架（安徽理工大学臧德胜教授研制）,特 点钢管直径108159mm，形状：圆形、拱形等钢材和混凝土优势互补每架由45节组成，每节端部有法兰盘背板用钢筋网和灰包支架具有可缩性缺点是重量较大。与U形钢相比，耗钢量降低30%，成本低20%左右,53,已安装好的钢管混凝土支架,54,现浇式、砌筑式、喷射式,5 连续式支护,5.1 高强钢筋混凝土弧板支护 高强钢筋砼弧板简称高强弧板、大弧板 强度：C100 适用：高地应力、松软、破碎、膨胀地层巷道、圆形断面 安装：地面预制、工作面组装。错缝安装。由于重量大（10kN左右），需用机械手安装 结构：每圈由45块组成，每块厚200300mm，宽 300500mm，平接头 壁后用灰包充填密实。充填前要浸水，以便充填后固化,55,研制：安徽理工大学朱效嘉教授,1吊装孔2灰包3弧板4可缩夹层 2030mm的木垫板,56,5.2 钢筋网壳锚喷支护,安徽理工大学郭兰波教授研制 结构 用钢筋在地面焊接成板壳结构，内部是立体纵横交叉的 钢筋网架支撑着外层钢筋网。每架支架由数块构件对头拼装，用螺栓连接。一架紧接一架安装，架间不留间隔，每棚支架46片。每片宽0.81.0m，厚度100150mm。施工程序 先进行锚杆支护 然后架设网壳板块 最后喷射混 凝土 适用：高地应力软弱、膨胀、破碎岩体的一项新型支护技术。,57,5.3 钢纤维喷射混凝土,是一种复合材料，是在普通的喷射混凝土中掺入钢纤维。规格：钢纤维长2040mm，厚0.5mm。掺量：体积比。湿喷：0.51，干喷：11.5，80100kg/m3混凝土。作用：改善喷射砼力学性能，如抗拉、抗弯、抗冲击强度提高抗裂性和韧性。优点：强度高，抗拉可提高5080。韧性可提高10倍以上。回弹率低，510。粉尘少。可以省去金属网适用：破碎带、膨胀性围岩、复杂应力地段。要求：对喷射机具有一定要求，防止成团和堵管。,58,5.4 高强度喷射混凝土,高粘性、高强度混凝土：在喷射混凝土中添加各种结合材料、混合剂、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，回弹率和粉尘量都可降低2030。初期强度大，质量稳定。掺量：速凝剂47（砼混合料的总和），硅粉5（砼混合料的总和），减水剂适量。,59,6 联合支护,喷锚支护：喷射混凝土锚杆喷锚注支护：喷射混凝土锚杆注浆喷锚网支护：喷射混凝土锚杆金属网喷锚架支护：喷射混凝土锚杆金属骨架喷锚网架支护:喷射混凝土锚杆金属网金属骨架喷锚网索支护:喷射混凝土锚杆金属网锚索锚梁网支护:金属网钢带锚杆锚梁网索支护：金属网钢带锚杆锚索,60,61,7.1 超前管棚工法 超前管棚法适用于围岩非常松软、破碎、凿孔后极易坍孔的地层。该法是掘进前在工作面先架好钢支撑（0.751.0m/架），然后在隧道拱顶部以一定仰角向工作面前方打入若干根均布的纵向钢管，形成管棚，在管棚的保护下进行隧道的开挖。（1）小管棚法 该法是在工作面顶板打入2550mm、长37m的钢管。钢管间距0.30.5m，倾角1018，每隔12m打一排管棚。顶板条件许可时可每隔一排支撑作一次管棚。,7 超前支护,62,（2）大管棚法钢管直径一般为76127mm 管棚长度为100m（以1520m为多）加固段较长时，可设多道管棚，各道的搭接长度一般不少于3m。例一：大瑶山隧道，钢管直径80mm、长10m，用H175型钢支撑，支撑间距0.75m，每隔一架支撑打一道管棚，钢管仰角1016，用台车的冲击力将其打入，钢管间距为0.3m。例二：南京地铁，类围岩，管长40m，管径108mm，搭接长度3.5m，拱部120范围布置，环向间距0.5m，外插角3。用金星900型钻机打孔。,63,（3）大小管棚配合法 在大管棚钢管较长、角度较大时，随着工作面的推进，管棚距拱顶的距离会越来越大，对顶板稳定不利，此时可在大管棚内侧再配合使用小管棚。（4）注浆管棚法 在管棚法的钢管上（在前端约2/3长度内）钻6mm左右的小孔，在顶入后利用该棚管注浆加固地层。注浆压力0.52MPa。,64,65,先将掌子面封闭，然后采用大管棚注浆，固结坍体，结合超前小管棚支护，短台阶开挖、强支护、紧衬砌方案进行处理,小导管超前注浆,66,8.1 底臌的巷道 软弱岩层、破碎带、风化带中的巷道 受采动影响的巷道 有水的巷道8.2 底臌的类型 挤压流动性底臌 直接底板为软弱岩石，两帮和顶板的强度大大高于底板。整个巷道都位于松散破碎岩体中，周边松动圈大。挠曲褶皱性底臌 底板为层状岩体，在平行于层理方向的压力作用下产生。遇水膨胀性底臌 粘土岩，其中蒙脱石含量高。剪切错动性底臌 底板完整且厚度较大，但地层应力也大，底板剪断受挤压而上鼓。,8 底 臌,67,8.3 影响底臌的因素,围岩性态：底板结构状态、底板岩石的软弱程度及厚度 岩层应力 水理作用 支护方式与强度 断面形状8.4 底臌巷道的分类 轻微底臌 底臌量100200mm 明显底臌 底臌量200300mm 严重底臌 底臌量300500mm 破坏性底臌 底臌量500800mm8.5 底臌的治理 支护结构：封闭底拱、锚、注、联合支护提高底板强度 防治水 加固巷道帮和底角控制,68,全封闭复合结构,69,喷锚网架联合支护,70,锚喷网砌联合支护,71,9“三小”作业,三小含义：小钻头，柱齿型，直径28、30、32mm，炮孔、锚孔同径 小锚杆，树脂药卷直径27、28mm；管缝锚杆直径31、33mm 小药卷，直径25、27mm，煤矿RM型乳化炸药 适用条件：类围岩，f48，岩巷，断面812m2，直墙半圆拱。浅孔（1800mm以内）爆破。打眼设备：ZY24M型双级气腿凿岩机 实施效果：锚固材料节约3040%，锚杆支护成本降低1015 钻进速度提高30以上 巷道掘进速度提高1020 巷道掘进成本降低1020,72,三小施工实例,73,谢 谢！,74,目前我国隧道的设计和施工存在一些问题，往往因为施工进度或管理落后等原因，仰拱在上部衬砌施作完成并稳定后修筑，时机过迟，特别是在施工期间，起不到应有的作用。3.4.2 施工监测 在施工过程中，对仰拱开挖造成的围岩和二衬收敛变形进行监测。二衬施作前开挖仰拱造成围岩收敛变形与时间的关系如图1（断面位置在FK85+350）。二衬施做后开挖仰拱造成围岩收敛变形与时间的关系如图4（断面位置在K85+952）。,75,3.4.5 结论 在相同的围岩地质条件下，初期支护完成后开挖仰拱(第1种开挖方式)造成围岩的收敛变形较二衬施作完成后再开挖仰拱(第2种开挖方式)的收敛变形为大；初期支护完成后开挖仰拱比在二衬施作完成后开挖仰拱，初期支护内力增加，但对二衬的影响较小，且围岩压力基本相同；初期支护完成后立即施作仰拱，形成合理的结构体系，减少了对二衬的影响，从而增加了二衬的安全储备，延长了使用寿命。,76,8 结论与建议,现场监控与动态设计 围岩分类与围岩动态分类 隧道超前预报与可视化实现动态设计的管理系统与措施,