复杂地层条件下隧道信息化施工综合技术研究

1热烈欢迎各位专家、领导！2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3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41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51.2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6聚能药包爆破、78切缝药包爆破9▲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101.3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111.4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122.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132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？142.3新奥法理论▲新奥法是奥地利新施工方法的简称：NewAustrianTunnelingMethod——NATM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15162.4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3～7d，大的1～3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1.5～2.0m。17182.5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19▲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202.6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。21▲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。223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…….23管缝式锚杆树脂锚杆24•倒楔式锚杆25水力（或压气）膨胀式锚杆26可控压式注浆锚杆普通注浆锚杆27端锚内注式锚杆28中空注浆锚杆29胀壳锚头注浆锚杆30自进式中空注浆锚杆31螺钉头锚杆323334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。35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。36蛇形伸长锚杆弹簧让压锚杆37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：60～130mm38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。39锚索支护MH型预应力锚索40端头锚固式单根锚索◆结构简单◆直径小：28～32mm◆长度5～10m◆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41锚索施工步骤42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。434.各种棚式支架U型钢直墙半园拱形可缩性支架44454节三心拱斜腿可缩性支架4节三心拱曲腿可缩性支架46方环形可缩性支架47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。48六节马蹄形可缩性支架49卡环式双向可缩性支架50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20～22mm的钢拉杆格栅钢架（钢拱架）51格栅钢架的形状与断面形式52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Φ22，长3.5m，间距为100cm×80cm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。53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108~159mm，●形状：圆形、拱形等●钢材和混凝土优势互补●每架由4~5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54已安装好的钢管混凝土支架55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4~5块组成，每块厚200~300mm，宽300~500mm，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56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20~30mm的木垫板575.2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4~6片。每片宽0.8~1.0m，厚度100~150mm。▲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。585.3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20～40mm，厚0.5mm。掺量：体积比。湿喷：0.5～1％，干喷：1～1.5％，80～100kg/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50～80％。韧性可提高10倍以上。回弹率低，5～10％。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。595.4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20～30％。初期强度大，质量稳定。掺量：速凝剂4～7％（砼混合料的总和），硅粉5％（砼混合料的总和），减水剂适量。606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61627.1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（0.75～1.0m/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φ25～50mm、长3～7m的钢管。钢管间距0.3～0.5m，倾角10～18°，每隔1～2m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63（2）大管棚法•钢管直径一般为76～127mm管棚长度为10～３0m（以15～20m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10～16°，用台车的冲击力将其打入，钢管间距为0.3m。•例二：南京地铁，Ⅰ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。64•（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φ6mm左右的小孔，在顶入后利用该棚管注浆加固地层。注浆压力0.5～2MPa。6566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678.1底臌的巷道▲软弱岩层、破碎带、风化带中的巷道