范祥祥

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隧道挖掘是由許多工序組合起來(lái)的工程，其中主要的三大工序是破巖、搬運(yùn)和支撐[1]。每個(gè)工序高效運(yùn)轉(zhuǎn)和交接順暢，是提高隧道掘進(jìn)速度的關(guān)鍵。其中巷道支撐是巖巷掘進(jìn)的主要工序。由于巷道支撐分為臨時(shí)和永久，所以巷道支撐是安全采礦的主要因素。由于巷道開(kāi)挖，導(dǎo)致圍巖周?chē)膽?yīng)力改變，致使圍巖產(chǎn)生徑向拉裂破壞或者剪切破壞，在隧道周邊順次產(chǎn)生松動(dòng)圈、塑性區(qū)及彈性區(qū)[2]。錨索作為“主動(dòng)”支撐方式，因其造價(jià)不高、快速的施工速度和高支撐強(qiáng)度已經(jīng)成為巷道支撐的主要方式[3]。

1 工程概況

隧道在32煤下11～32 m的泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖層位。隧道掘進(jìn)過(guò)程中顯露最多的巖層是細(xì)砂巖和粉砂巖，其中泥巖呈暗灰色，塊狀、參差狀缺口，還有少許植被根的化石碎片，這些化石較致密，底層有少許砂質(zhì)；細(xì)砂巖呈灰色，石英是主要成分，紋理交錯(cuò)，硅質(zhì)膠結(jié)；粉砂巖，灰色，塊狀，平坦?fàn)顢嗫?，局部有少量?xì)砂質(zhì)，致密。巷道地面標(biāo)高為25.42～25.82 m，工作面標(biāo)高為－657.6～－747.00 m。

2 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

該項(xiàng)目中測(cè)定泥巖內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力，使用的是RBST型原位巖石孔內(nèi)剪切測(cè)試儀，在施工現(xiàn)場(chǎng)判定泥巖的性能，泥巖的彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)取芯在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)儀器設(shè)備簡(jiǎn)介

美國(guó)愛(ài)荷華州大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的原位巖石孔內(nèi)剪切測(cè)試儀，用于礦山安全和隧道、邊坡設(shè)計(jì)等行業(yè)。原位巖石孔內(nèi)剪切測(cè)試儀[4]的主要優(yōu)勢(shì)是能快速測(cè)出各種巖石剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度，約20～30 min即可得到巖石的莫爾—庫(kù)侖巖石破壞包絡(luò)線，并且在巖石破壞后可以得到殘余強(qiáng)度曲線[5]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的泥巖中對(duì)于不同法向應(yīng)力的剪切破壞強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 不同法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)結(jié)果，得到隧道圍巖性質(zhì)為泥巖時(shí)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 泥巖力學(xué)性能參數(shù)

3 模型建立

3.1 模型尺寸及邊界條件

在數(shù)值模擬計(jì)算中，要最大可能地讓模型的邊界條件跟工程實(shí)際情況相符，以增加計(jì)算精準(zhǔn)度，逐步消除計(jì)算模型中邊界條件引起的誤差[6]。必須確保計(jì)算模型有足夠大的面積，以使得分析關(guān)鍵區(qū)域位于模型的中心部分與邊界的一定距離處。該項(xiàng)目以許疃煤礦3238底抽巷工程實(shí)際作為模型,應(yīng)用FLAC3D軟件，并使用數(shù)值模擬方法對(duì)圍巖的松動(dòng)和破碎變形進(jìn)行了分析[7]。模擬的巷道是直壁半圓形拱。巷道四周60 m范圍以外的應(yīng)力狀態(tài)與原始巖石幾乎相同，模型幾何長(zhǎng)度選擇如下：長(zhǎng)=寬=6 cm。圖2是數(shù)值計(jì)算模型，用于模擬垂直均勻載荷下半無(wú)限邊界的位移和變形。該約束可以簡(jiǎn)化為計(jì)算模型兩側(cè)的水平X方向約束和底部的垂直Y方向約束，即三邊固定；頂部受均勻荷載作用，具有相同的原始巖石應(yīng)力大小，并根據(jù)巷道的埋深選擇模型，均勻負(fù)載。依據(jù)實(shí)際工程中錨索支護(hù)參數(shù)，計(jì)算模型中錨索支護(hù)用桿單元代替[8－9]。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型示意

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

在選定的幾條隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的性質(zhì)主要表現(xiàn)為泥巖。該項(xiàng)目以泥巖為研究對(duì)象，本構(gòu)模型采用SS準(zhǔn)則，錨索的預(yù)緊力可以由桿元件產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變施加，分析了巖性為泥巖的圍巖變形。

3.3 本構(gòu)關(guān)系

因?yàn)槟鄮r的巖性差，所以當(dāng)圍巖是泥巖時(shí)，圍巖極易發(fā)生大范圍的松動(dòng)和破損，故選取SS準(zhǔn)則來(lái)分析本工程中的項(xiàng)目。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和結(jié)果分析

（1）圍巖表面的變形數(shù)值模擬結(jié)果

在當(dāng)前支撐前提下，周?chē)鷰r石是泥巖時(shí)，周?chē)鷰r石變形數(shù)值的模擬如圖3所示。

圖3 巖性為泥巖巷道圍巖變形數(shù)值模擬

計(jì)算結(jié)果顯示：圍巖巖性是泥巖的時(shí)候表面最大變形約為65.0 mm。

（2）周?chē)鷰r石位移的數(shù)值模擬結(jié)果

將FALC3D的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為tecplot文件，使用tecplot軟件提取切片數(shù)據(jù)，切片位置為隧道的幫部，對(duì)提取的數(shù)據(jù)使用origin進(jìn)行繪圖，如圖4所示。

圖4 隧道表面距離和位移量變化

3.5 周?chē)鷰r石為泥巖時(shí)支護(hù)的合理性分析

從模擬結(jié)果、多點(diǎn)位移以及鉆孔攝像工程實(shí)測(cè)結(jié)果看，許疃煤礦3238底抽巷四周巖石的性質(zhì)是砂巖，松動(dòng)圈厚度在2 000～3 000 mm，是大松散帶且不穩(wěn)定圍巖。

工程實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的結(jié)果顯示：泥巖性質(zhì)的圍巖使用錨索加固圍巖支護(hù)，錨索長(zhǎng)度為6 300 mm，偏大，可降低1 300 mm，取錨索長(zhǎng)度為5 000 mm。

在原來(lái)的支護(hù)方式和參數(shù)條件下，地下隧道巖石表面的變形U為60mm，這個(gè)數(shù)值相比于地下隧道巖石允許的變形量稍小；如果只使用半徑為10 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm型高強(qiáng)度的錨桿支撐，隧道周?chē)鷰r石變形U為100 mm，隧道周?chē)鷰r石變形趨于不穩(wěn)定，將來(lái)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，存在安全隱患，應(yīng)調(diào)整支撐形式和參數(shù)。將原始隧道支撐分為兩個(gè)階段，第一階段是緊隨挖掘工作面，選用半徑為10 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm的高強(qiáng)度錨桿支撐，第二階段是距隧道掘進(jìn)工作面100 m處，選擇半徑為10 mm、長(zhǎng)度3 000 mm的高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行二次支撐（圖5）。

圖5 不同支護(hù)形式時(shí)泥巖的變形

4 結(jié)論

當(dāng)周?chē)鷰r石是泥巖時(shí)，錨索的尺寸可由6300 mm減少1 300～5 000 mm。錨索的預(yù)應(yīng)力和錨桿的間距都偏小，將來(lái)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)存在安全隱患，原始錨索支撐的參數(shù)不改變?？砂彦^桿分成兩個(gè)階段進(jìn)行支撐，第一階段選擇半徑為10 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm的高強(qiáng)度錨桿，錨桿間距為800 mm×800 mm；第二階段是距隧道掘進(jìn)工作面100 m處，在每行相鄰兩個(gè)錨桿之間添加一根錨桿，錨桿的半徑是10 mm、長(zhǎng)度為3 000 mm的高強(qiáng)度錨桿，錨索同樣是距離掘進(jìn)工作面100 m處，從而減少隧道支撐關(guān)鍵過(guò)程的時(shí)間。