地下洞室支护理论初探

2011-08-15徐升

四川水力发电 2011年2期

关键词：岩层隧洞岩体

徐升

(葛洲坝集团第二工程有限公司,四川成都 610091)

1 地下洞室支护理论

支护理论的发展大致分为三个阶段,即古典压力理论阶段、散体压力理论阶段和现代支护理论阶段。

(1)古典压力理论阶段。

20世纪 20年代以前主要是古典压力理论阶段。这类理论认为:作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量 γ H(γ为岩层容重,H为埋深),可以作为其代表的有海姆、朗肯和金尼克理论。其不同之处在于:他们对地层水平压力的侧压系数有不同的理解。海姆认为:侧压系数为 1;朗肯根据松散体理论认为是尼克根据弹性理论认为是为岩体的泊松比;ψ为岩体的内摩擦角)。

多年的理论研究和实践证明,这些理论在绝大多数情况下是不适用的,它们仅反映出岩体的初始应力状态。

(2)散体压力理论阶段。

随着开挖深度的不断增加,古典压力理论已不符合实际情况,于是又出现了散体压力理论。这类理论认为:当地下工程埋藏深度较大时,作用在支护结构上的压力不是上覆岩层重量,而只是围岩坍落拱内的松动岩体重量。可以作为其代表的有太沙基理论和普氏理论,他们共同认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关;不同之处是,前者认为坍落拱为矩形,后者认为是抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数描写,这显然过于粗糙,但由于这个方法比较简单,直到现在,普氏理论仍在应用。

(3)现代支护理论。

20世纪 50年代以来,岩石力学作为一门独立的学科,围岩弹性、弹塑性及粘弹性解答逐渐出现,如史密德和温德耳斯按连续介质力学方法计算出圆形衬砌的弹性解;徐干成、郑颖人等利用弹性力学获得了在非均压地层压力作用下围岩与支护共同作用的线弹性解;塔罗勃和卡斯特奈得出了圆形洞室的弹塑性解;塞拉塔、柯蒂斯和樱井春辅采用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解。同时,锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设计施工方法(新奥法)的兴起,终于形成了以岩石力学原理为基础、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。

现代支护理论的形成与发展,首先是由于锚喷支护等现代支护结构的大量使用给人们积累了丰富的经验,新奥法就是其典型的代表。

国内地下洞室支护理论主要有以下五种。

(1)全长锚固中性点理论。

全长锚固中性点理论由北京交通大学王梦恕教授等提出。该理论认为:在靠近岩石壁面部分(锚杆尾部),锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面。在围岩深处(锚杆头部),围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点(称为中性点),该点处剪应力为零,轴向拉应力最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大,轴向拉应力逐渐减少。该理论近年在国内理论分析中其“中性点”观点被普遍接受,但对其理论形式还存在一定的争议,因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理。有人认为系该理论假设未设托盘之故。

(2)松动圈理论[1]。

围岩松动圈隧洞支护理论由中国矿业大学董方庭教授提出。该理论是在对隧洞围岩状态进行深入研究后提出的。研究发现:围岩松动圈的存在是隧洞固有的特性,其范围大小(厚度值 L)目前可用声波仪或多点位移计等手段测定。隧洞支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力。锚杆承受拉力的来源在于松动圈的发生、发展;根据围岩松动圈厚度值的大小,将其分为小、中、大三类。松动圈的类别不同,锚杆支护机理亦不同。Ⅰ类小松动圈 L=0～400 m m,围岩的碎胀变形量很小,此类围岩隧洞一般无需锚杆,可以不衬砌或采用喷射混凝土单独支护;Ⅱ、Ⅲ类围岩的 L=400～1 500 m m,采用悬吊理论设计锚喷支护参数;Ⅳ、Ⅴ类围岩的 L=1.5～2 m、L=2～3 m,采用组合拱理论确定锚喷支护参数;Ⅵ类围岩的 L＞3 m。在没有进一步的研究资料之前,采用以锚喷网为基础的复合支护。该理论的优点是简单直观,对中小松动圈有很重要的价值,但对大松动圈、尤其是高应力软岩隧洞,实践表明:该理论具有一定的局限性。

(3)围岩强度强化理论。

该理论的要点:①岩体经锚杆锚固后,其峰值强度和残余强度均得到提高。随着锚杆布置密度的增加,强度强化系数逐渐增大;锚杆布置密度一定时,锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对岩体峰值强度的强化程度。②锚杆可有效改善原岩体的力学参数,随着锚杆布置密度的增加,锚固体峰值前的 E、C,与峰值后的 E、C、φ均有不同程度的提高。③利用锚杆支护,可以提高锚固区域岩体的强度,可以有效的减小隧洞围岩塑性区、破碎区半径及隧洞表面位移,从而保持隧洞围岩的稳定。该理论分析方法是将锚杆的作用简化为对锚固围岩从锚杆的两端施加径向约束力,由在实验室内进行的锚固块体试验确定围岩塑性应变软化本构关系,再利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果。

(4)锚固力与围岩变形量关系理论[2]。

该理论对锚杆锚固力的内涵及作用进行了深入研究,认为锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力实现的,而锚固力则是依赖围岩变形而产生和发展的。锚杆支护一般在隧洞开挖完成后实施,此时围岩的弹塑性变形已经完成,使锚杆产生锚固力的是围岩峰值后的剪胀变形。随着剪胀变形的渐进发展,锚杆从径向和切向两个方向上产生限制剪胀变形的力 σbr、σbθ。剪胀变形越大,锚杆的径向和切向锚固力越高。锚杆的锚固作用使得围岩在较高的应力状态(能量状态)下获得稳定平衡。

(5)锚固平衡拱理论。

该理论认为,锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果,但在围岩产生塑性破坏后,对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在隧洞周围,锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体,当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时,其承载能力降低并产生变形,同时,围岩的集中应力向深部转移,使锚固体卸载。在此过程中,锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用,使塑性破坏后易于松动的岩石构成了具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。

2 锚杆支护理论

目前,国外对锚杆支护的机理研究较多,可归纳为以下几种。

(1)悬吊理论。

1952年,路易斯阿◦帕内科等发表了悬吊理论,悬吊理论认为:锚杆支护的作用就是将隧洞顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。

悬吊理论只适用于顶板,而不适用于侧墙和底板。如果顶板中没有坚硬稳定的岩层或顶板软弱岩层较厚,围岩破碎区范围较大,无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或未松动岩层中,悬吊理论则不适用。

(2)组合梁理论。

组合梁理论认为隧洞顶板中存在着若干分层的层状顶板,可以将其看作是由隧洞两侧作为支点的一种梁,这种岩梁支承其上部的岩层载荷。

组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中,将锚杆作用与围岩的自稳作用分开,这与实际情况有一定差距,并且随着围岩条件的变化,在顶板较破碎、连续性受到破坏时,组合梁也就不存在了。

组合梁只适用于层状顶板锚杆支护的设计,对于隧洞的侧墙和底板不适用。

(3)组合拱理论。

组合拱理论是由兰氏和彭德通过光弹试验提出来的。

组合拱原理认为:在拱形隧洞围岩的破裂区中安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力。如果沿隧洞周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力维体相互交错,这样就使隧洞周围的岩层形成一种连续的组合带(拱)。

组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理,但在分析过程中没有深入考虑围岩-支护的相互作用,只是将各支护结构的最大支护力简单相加,从而得到复合支护结构总的最大支护力,但其缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨,计算也与实际情况存在一定差距,一般不能作为准确的定量设计,但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。

(4)最大水平应力理论[3]。

澳大利亚学者盖尔在 20世纪 90年代初提出了最大水平应力理论。

该理论认为:矿井岩层的水平应力一般是垂直应力的 1.3～2倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的 1.5～2.5倍。隧洞顶底板的稳定性主要受水平应力影响,且有三个特点:①与最大水平应力平行的隧洞受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好;②与最大水平应力呈锐角相交的隧洞,其顶板变形破坏偏向隧洞某一侧;③与最大水平应力垂直的隧洞,顶底板稳定性最差。

最大水平应力理论论述了隧洞围岩水平应力对隧洞稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下,隧洞顶底板岩层发生剪切破坏,因而会出现错动与松动并引起层间膨胀,造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动,因此要求其具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。在设计方法上,借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果进行优化设计,在使用中强调监测的重要性,并根据监测结果修改完善初始设计。

中国的许多专家、学者、工程技术人员在锚杆支护研究、设计与施工中也做了大量工作,积累了丰富的经验,提出了极限平衡区锚杆支护设计方法、预应力锚杆(索)支护设计方法、围岩松动圈设计方法、软岩隧洞非线性力学设计方法等,并在工程现场进行了成功应用,极大地推动了中国锚杆支护技术的发展[4]。

(1)常规锚杆支护设计方法。

目前,我国地下工程锚杆支护设计方法主要是工程类比法和经验公式计算法。在设计时,使用工程类比法和经验公式计算法设计简单、推广容易、实用性强、效果较好。

①工程类比法。

工程类比法分直接类比法和间接类比法两种。直接类比法一般是将已开掘隧洞(采用锚杆支护并取得成功)的地质开采条件与待开掘隧洞进行比较,在条件基本相同的情况下,可以参照已开掘隧洞,凭借工程师的经验和对工程的分析判断能力选定待开掘隧洞工程的锚杆支护类型和参数;间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范,按照围岩分类和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参数。

②经验公式计算法。

根据多个工程锚喷支护实际施工参数,参考同类型工程的支护参数确定出锚喷支护设计的经验计算公式。经验公式计算法用于锚杆支护设计,计算得到的仅为锚杆支护的主要参数,是锚杆支护设计的一部分,但不是全部,还需对其他参数和材料做出选择,这些参数、结构形式及材料选择亦很重要,是完成整个锚杆支护设计不可缺少的内容。

(2)极限平衡区锚杆支护设计方法。

极限平衡区锚杆支护设计方法有两个:一是弹塑性理论,二是悬吊理论。弹塑性理论有其局限性,它是建立在均质弹塑性体、圆形隧洞基础上的力学模型,为此,引入了岩体物理力学参数修正系数和采动影响系数加以修正,以克服其局限性。

处于弹性状态的隧洞围岩,由于其自身处于弹性状态,具有承载能力,因此,不需要对其进行人为加固。隧洞支护或加固所考虑的仅仅是隧洞周围已处于极限平衡状态下的岩体(如果考虑岩体的塑性强度和残余强度,这部分围岩其实也有一定的承载能力,但为安全起见,设计时,以这部分围岩全部需要加固或支护来考虑)。因此,在划分围岩类别时,以极限平衡区深入隧洞围岩的深度为主要指标,从而把隧洞的围岩类别与支护设计必然地联系在一起。

(3)预应力锚杆(索)支护设计方法。

在近 10年的锚杆开发研究和应用中,国内专家对大量隧洞冒顶事故及顶板严重离层变形的现象进行了分析,发现导致冒顶的原因不仅仅是由于锚杆强度不够造成的,亦不能通过增加锚杆密度来解决,因此,锚杆的预拉力(初锚力)起到了更为关键的作用。

1993年,中国学者朱浮声、1995年,中国学者郑雨天的研究表明:当锚杆预应力达到 60～70 k N时,就可以有效控制隧洞顶板的下沉量,并通过加大锚杆的间排距来减少锚杆用量。

(4)围岩松动圈锚喷支护设计方法。

用围岩松动圈理论进行锚喷支护设计(即松动圈支护技术),是围岩松动圈支护理论的重要组成部分。目前,使用松动圈支护技术进行锚喷支护的设计还处于理论加经验的阶段,但是,在实际应用中已相当完善,设计的锚喷支护参数安全可靠,经济效益好。

松动圈通常用声波法进行测定,测试时,在开挖后的洞室顶部及侧墙等部位选定测试断面,布置一系列相应平行的成对钻孔,孔深大于预计可能出现的松动圈厚度,然后用声波换能器测定在不同深度上两个钻孔之间岩体的声波传播速度(或单孔中沿孔深的波速),作出波速随深度变化的曲线。

松动圈锚喷支护技术的使用,使得煤矿等地下工程的支护设计在计算设计上有据可依、科学安全可靠,开始摆脱传统的工程类比设计上的千篇一律、针对性差的不足。

3 围岩支护方法的发展

自 1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡、1912年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下隧洞以来,锚杆支护技术至今已有100多年的历史。但锚杆支护的广泛应用则仅在近 40、50年。

在隧洞施工中,适时支护既可以通过支护给围岩提供支护力,又可以通过围岩与支护的共同作用控制围岩变形,调整和改善围岩的应力状态,发挥围岩的自承能力,达到洞室稳定的目的。

随着锚喷支护技术的广泛应用,各种关于锚喷支护技术学术活动的深入开展,锚喷支护技术法规和标准化也受到了各国的高度重视。1960年,美国成立了喷射混凝土专业委员会,并于1966年首先制定了《喷射混凝土施工规范》A C 1506-66,1977年又制定了《喷射混凝土材料、配比与施工规定》A C 1506-77。奥地利于 1990年制定了《喷射混凝土指南》,德国在 1974年制定了《喷射混凝土施工规范》D I N 18551,并于 1983年颁布了《喷射混凝土维修建筑结构规程》,芬兰、日本也相应颁布了有关的规范和工法。

我国的锚杆支护研究是从 1956年开始的,1963年试制成喷射混凝土,隧洞支护开始采用锚喷支护。但由于技术条件等原因,锚杆支护的发展一直比较缓慢,直到 20世纪 90年代,我国的锚杆支护才开始得到迅速发展。

我国亦十分重视喷射混凝土的标准化工作,煤炭、冶金、铁道、军工等部门均相继制定了有关喷射混凝土锚杆支护的技术标准。1985年,原国家计委颁布了《锚杆喷射混凝土技术规范》G B J 86-85,目前国家建设部正组织有关部门对该规范进行重新修订,水工隧洞亦被列入该规范之中。在水利电力部门 1984年组织修编水工隧洞设计规范时即将锚喷支护列入该规范。与此同时,当时的水电建设总局组织完成了《水利水电工程锚喷支护施工规范》S D J S 7-85的编制工作。各国关于锚喷支护技术标准的问世和标准化的发展也极大地推动和规范了锚喷支护的发展。

20世纪 60年代新奥法被介绍到我国,70年代末、80年代初得到迅速发展。至今,可以说在所有重点、难点的地下工程中都离不开新奥法。新奥法被广泛应用于各种地下工程的施工领域,如引水隧洞、地铁、公路隧道等,新奥法施工在我国推广以来,经过几十年的发展,应用新奥法及其相应的技术取得了较大的成就。

4 新奥法

奥地利在隧洞工程设计中,采用“经验尺寸”设计法,即衬砌与支护的设计均建立在经验基础上,他们非常重视隧洞工程中实际存在的岩石力学问题,并通过实践建立了一套独自的设计方法,即“新奥法”。

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称,原文是 N e wA u s t r i a nT u n n e l i n g M e t h o d,简称 N A T M。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹(L.V.R A B C E WI C Z)教授于 20世纪 50年代提出的,它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础,将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法,经过一些国家的许多实践和理论研究,于 20世纪 60年代取得专利权并正式命名。之后,该方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速的发展,已成为现代隧道工程新技术标志之一。新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

“新奥法”的实质是:在地下工程的设计和施工中,以最小的代价,通过正确的设计和施工,把围岩的承载能力充分发挥出来而达到围岩稳定,从而保证工程的安全运行,它是把设计、施工、监测、信息反馈有机结合的、正确的地下工程的设计和施工方法。