软弱围岩井下巷道预留变形量的探讨

童志鹏

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

新奥法原理是为了充分发挥围岩自身的承载能力，允许并控制围岩的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使围岩不致过度松弛而丧失或大大降低其承载能力。

在运用新奥法设计施工时，为充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定的变形，而将设计开挖线作适当扩大的预留量称为预留变形量。

新奥法是矿山开采中运用较为普遍的设计施工技术，而预留变形量则是新奥法中一个重要的理念。目前在矿山行业还没有专门规范对巷道预留变形量进行说明，根据《公路隧道设计规范》(JTG D70/2—2014)中规定：“在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑初期支护并预留适当的变形量。预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等，采用工程类比法预测。当无预测值时，在软弱围岩，预留变形量参考值范围50～250 mm，并根据现场监控量测结果调整”。

一般来说巷道预留变形量根据工程经验进行确定，预留变形量设置过小，围岩的变形大，造成后期二衬施工易产生侵限情况；设置过大，容易造成巷道超挖、出渣量增加，二衬厚度加大等从而耽误工期、增加成本。该文以某斜井工程为研究对象，分析了软弱Ⅴ围岩级别条件下斜井断面预留变形量控制值。以后设计施工时，在遇到类似工程条件，希望可以起到一定的帮助和参考作用。

1 工程概况

某矿主斜井全程1 500 m左右，断面形式为半圆形拱，净断面长×宽=5.2 m×4 m，根据通过的围岩等级，主要划分为明槽段、泥岩段、石盐岩段，其中泥岩段包括泥岩段及过水泥岩段。各段围岩等级分别为：明槽段为Ⅴ级、泥岩段为Ⅴ级、石盐岩段为Ⅲ级，该文主要分析斜井通过泥岩段Ⅴ级围岩时，断面预留变形量的取值控制范围，并给出该工程的预留变形量建议值。由于斜井巷道围岩软弱、深埋，在设计阶段需考虑预留变形量的问题，斜井采用超前管棚+锚网喷+预留变形量+钢支架+钢筋混凝土支护。泥岩段支护设计参数见表1。

表1 泥岩段支护设计参数表

2 预留变形量的确定

该次斜井工程支护采用锚网喷支护与U型钢支架联合支护方式。在实际施工中，锚网喷支护与U型钢支架往往同时施工，没有考虑两种支护之间合理间隔时间，使得U型钢支架没能避开初期围岩的剧烈变形。在锚喷网支护未有效发挥作用之前，U型钢支架已经产生了严重变形或破坏，影响了钢支架的承载能力和可缩性能。为此根据新奥法的原理，在围岩有一定的承载能力情况下，锚网喷支护与U型钢支架安装设置一定合理间隔时间是必要的。

该次工程采用试验监测和工程类比法设置预留变形量。首先根据工程类比法确定预留变形量1个标准值，在类似Ⅴ级围岩，断面宽度5～7 m情况下，预留变形量暂按150 mm考虑。斜井断面设置了2个监测点，分别命为CD1及CD2，监测点位置见图1。

图1 监测点位置图

在开挖完成后，立即进行喷锚网支护，根据对断面实时观察及变形监测，发现在喷锚网支护5天内围岩整体性及稳定性较好，未发现任何混凝土开裂情况；而在喷锚网支护后第7天时，围岩稳定性较好，但发现有混凝土开裂的征兆，现场立即安装钢拱架，防止围岩继续变形。现场在第25天施工二衬，即400 mm厚钢筋混凝土。

根据对2个现场监测点变形量数据统计，绘出拱顶及帮部变形量时间曲线图，见图2。

图2 拱顶与帮部变形量与时间曲线图

拱顶与帮部变形量与时间曲线图表明：

(1)围岩变形量在开挖初期变形较大，并拱顶变形从始至终大于帮部。

(2)钢拱架安装在第7天，安装完成后，断面围岩变形基本趋于稳定。

(3)二衬施工在第25天，二衬施工完成后，断面围岩变形基本不再增加。

(4)根据监测数据表明，拱顶最大变形量为105 mm，帮部最大变形量88 mm。

根据项目试验监测结果及现场观察得出结论：锚喷支护完成后前5天围岩会出现较大变形，且围岩稳定性良好，围岩释放大量能量，从而可以减少围岩对后期支护结构的变形压力；在锚喷支护完成后第7天围岩变形持续增加，会产生因围岩变形持续增大，从而使得围岩失去承载能力，可能出现巷道冒顶、坍塌等现象，威胁现场施工人员安全。故在类似围岩情况下，钢拱架安装在锚喷网支护后第5天至第7天为宜。当掌子面出现了含水层及破碎层时，锚网喷支护与U型钢支架间隔时间应适当减少，具体间隔时间应由工程试验确定。钢支架安装完成以后，一般来说应在30天之内施工二衬。钢支架安装完后至二衬施工之间的间隔时间围岩变形相对较小，可利用U型钢支架自身可缩性来满足变形要求。为此，在围岩有一定的承载能力情况下，锚网喷支护与U型钢支架合理施工间隔时间是控制预留变形量的关键。

在该次工程中锚网喷支护与U型钢支架施工间隔时间为7天，根据监测数据拱顶在第7天沉降量为92 mm，帮部沉降量为74 mm。为此对于预留变形量150 mm进行修正，提出预留变形量建议值为100 mm。

设计考虑控制净断面方式及二衬结构、钢拱架安装、预留变形量来确定开挖断面。该次工程断面净宽为5.2 m，净高为4 m，二衬支护厚度400 mm，并设仰拱，二衬外宽为6 m，外高4.8 m，故初期支护完成后，净断面长×宽=6 m×4.8 m。预留变形量为100 mm，锚喷网支护厚度100 m，钢拱架安装厚度150 mm，故开挖断面为长×宽=6.7 m×5.55 m。详见斜井巷道断面图，见图3。

图3 斜井巷道断面图

3 结 语

该文主要针对于斜井巷道在软弱围岩运用新奥法设计施工时，通过工程类比和试验监测数据分析可得出以下结论：

(1)在采用锚喷网+钢支架联合支护情况下，锚喷网与钢支架设置合理施工间隔时间是控制预留变形量的关键因素。

(2)在类似该工程条件下，锚喷网与钢支架施工间隔时间设置5～7天为宜。但掌子面遇含水层及破碎段时，间隔时间应适当减少，具体时间由试验确定。

(3)钢支架安装后，斜井巷道周边围岩变形基本趋于稳定，因此控制钢支架安装时间尤为重要。

(4)一般来说巷道拱顶下沉量大于帮部水平收敛量，因此控制预留变形量主要取决于巷道拱顶下沉量大小。

(5)预留变形量的确定可先通过工程类比法确定一个标准值，后采用试验监测数据来对标准值进行修正。