对隧道施工工程中软岩支护技术的探讨
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隧道软岩大变形施工技术隧道施工是现代城市建设中不可或缺的一部分,而软岩地层的隧道施工则是一项技术难度较高的工程。
软岩地层的特点是强度低、变形大,因此在软岩地层中施工隧道需要采取特殊的技术手段,以确保施工的安全和顺利进行。
本文将介绍隧道软岩大变形施工技术的相关内容。
一、软岩地层特点软岩地层是指岩石中固结程度较差、抗压强度较低的一类地层。
软岩地层的主要特点包括:岩体强度低,岩石容易破碎;岩体的固结程度较差,容易发生滑坡、坍塌等地质灾害;岩体中含有大量的地下水,地下水的压力对隧道施工造成很大的影响。
二、隧道软岩大变形施工技术1. 地质勘探与预测在隧道软岩大变形施工前,必须进行详细的地质勘探和预测工作。
通过地质勘探,了解软岩地层的分布、厚度、倾角等信息,为后续的施工工作提供准确的地质数据。
2. 支护技术软岩地层中,隧道的支护工作是非常重要的一环。
常用的支护技术包括喷锚、喷浆、预应力锚杆等。
喷锚技术通过在软岩地层中注入混凝土,增加地层的强度,提高隧道的稳定性。
喷浆技术则是通过注入浆液,填充地层的裂缝和空隙,增强地层的连续性。
预应力锚杆则是在软岩地层中埋设钢筋,并施加预应力,增加地层的承载能力。
3. 掘进技术软岩地层的掘进工作需要采用合适的机械设备和施工方法。
常用的掘进机械包括盾构机、液压钻头等。
盾构机是一种专门用于软岩地层中的掘进设备,具有高效、安全的特点。
液压钻头则是通过注入高压液体,将软岩地层冲击破碎,实现隧道的掘进。
4. 预防措施在软岩地层的隧道施工中,需要采取一系列的预防措施,以确保施工的安全性。
例如,应加强对地层的监测,及时掌握地层的变形和水位变化情况;加强对施工人员的培训,提高他们的安全意识和应急处理能力;加强对施工设备的维护和检修,确保设备的正常运行,减少事故的发生。
三、隧道软岩大变形施工技术的应用案例1. 某城市地铁隧道施工在某城市地铁隧道施工中,软岩地层的掘进工作采用了盾构机和液压钻头相结合的方式。
软弱围岩隧道施工方法及施工工艺研究摘要:随着社会经济水平的不断提升以及社会的不断发展,隧道工程项目数量逐渐增多,人们对于隧道工程建设质量的关注程度逐渐提高。
隧道施工过程会受到诸多不确定因素的干扰,对隧道工程质量产生直接影响,地质环境产生的影响最为明显,留下巨大安全隐患。
文章简单介绍了软弱围岩隧道工程特征以及潜在安全风险源,分析软弱围岩隧道施工方法以及施工工艺措施,为提升软弱围岩隧道施工质量提供参考。
关键词:软弱围岩;隧道工程;地质工程人们生活质量不断得到提升,交通需求逐渐提升,公路交通以及铁路交通的出现为人们提供了更多样化的出行方式,提升人们交通出行的便利性。
隧道工程建设质量与人们的出现安全具有紧密联系,社会对于隧道工程施工给予更多重视[1]。
软弱围岩自身的稳定性能以及强度相对较差,进行隧道施工时,没有采取合适的施工方法易引起塌方事故,应加强软弱围岩隧道施工方法以及施工工艺措施的研究,提升软弱围岩隧道工程质量。
1 软弱围岩隧道工程特征以及潜在安全风险源1.1 软弱围岩隧道工程特征软弱围岩隧道工程施工与其他隧道施工具有明显的特殊性,在施工过程中所受到的地质环境影响更明显。
在进行软弱围岩隧道施工时,应充分了解软弱围岩地质的特点以及软弱围岩隧道工程的特点,加强隧道施工技术的事前有效管理。
隧道工程中的软弱围岩地质主要是指破残积土,这种地质主要是在湖水以及河水的长期冲刷作用下逐渐形成,包含不同种类的堆积土质,土软弱围岩土质当中的材料以及填充物较复杂[2]。
软弱围岩的土质特点造成实际施工过程的性质不稳定以及易膨胀的特点,这类土质摩擦力较小、黏着力较弱。
在软弱围岩隧道实际施工过程中,软岩土质较容易被扰动,周围出现松动情况,旁边的围岩所受的压力会逐渐增加。
软弱围岩隧道后期施工过程,施工动作易引起周边围岩结构发生变形,再次影响隧道工程的稳定性以及安全性[3]。
软岩隧道工程施工过程摩擦力相对较弱,挖掘过程局部受力施工过程不同形式崩塌问题发生概率更高,整体施工难度成倍增加。
隧道工程中的软岩隧道设计与掌子面稳定分析随着城市化进程的不断推进,地下交通成为缓解交通拥堵的有效方式之一。
而软岩地层作为隧道工程中常见的地质构造,其设计与掌子面稳定分析成为工程师们在隧道建设中必须要面对和解决的重要问题之一。
1. 软岩隧道设计的挑战软岩地层指的是由石膏、石灰石、砂岩等组成的地层,其力学性质相对较差,易受水分、温度等因素的影响。
在软岩地层中设计隧道需要解决的问题,主要集中在以下几个方面:(1) 隧道稳定性:软岩地层中的隧道容易发生坍塌、局部溃落等不稳定现象,需要通过充分地了解地质构造、地下水位等因素,设计合理的支护结构,以确保隧道的稳定性。
(2) 导水问题:软岩地层通常存在较大的渗透能力,设计隧道时需综合考虑地层渗透性及地下水位等因素,合理设计隧道排水系统,防止隧道受到地下水侵蚀。
(3) 施工困难:软岩地层的强度较低,易破碎、塌陷,给施工带来了困难。
因此,在软岩隧道设计中,需要充分考虑施工过程中的支护措施,以确保施工安全。
2. 软岩隧道设计技术为了应对软岩隧道设计的挑战,工程师们结合先进的技术手段和经验,提出了一系列有效的设计技术。
(1) 地质勘探与分析:在软岩隧道设计前,进行详细的地质勘探,了解地层的土质、岩石特性、水文地质情况等。
通过地质分析,确定软岩地层的稳定性和可行性,为隧道设计提供科学依据。
(2) 支护结构设计:根据软岩隧道的不同地质情况,确定合适的支护结构。
常用的支护结构包括钢拱、锚杆、喷锚网等。
通过采用这些支护结构,保证软岩隧道的整体稳定性。
(3) 排水系统设计:针对软岩地层的渗透特性,设计合理的排水系统,防止地下水进入隧道。
常见的排水方式包括设置涵洞、排水坑等。
3. 软岩隧道掌子面稳定分析软岩隧道掌子面稳定分析是软岩隧道设计的重要环节,直接关系到隧道的施工安全和使用寿命。
(1) 掌子面分析方法:软岩隧道掌子面稳定性分析一般采用解析方法和数值模拟方法两种。
解析方法常用的有极限平衡法、变形极限法等,而数值模拟方法则包括有限元法、离散元法等。
基于能量平衡理论的深部软岩巷道支护技术研究深部软岩巷道支护技术研究摘要:深部软岩巷道的支护是一个复杂而重要的问题,直接影响着巷道的稳定性和工程的安全性。
本文在能量平衡理论的基础上,对深部软岩巷道的变形机理和支护技术进行了研究,并提出了适合于深部软岩巷道支护的几种技术方法,在实际工程中得到了较好的应用效果。
关键词:能量平衡理论,深部软岩巷道,支护技术,变形机理,应用效果一、研究背景和意义近年来,随着矿井、隧道等各种地下工程的不断发展,对深部软岩巷道的支护技术提出了更高的要求。
而深部软岩巷道的复杂变形现象和强烈地应力场,使得其的支护难度也愈发增加。
因此,研究深部软岩巷道的支护技术,对于提高其稳定性和安全性具有重要意义。
在工程实践中,发现深部软岩巷道的破坏主要是由岩体变形导致的。
而深部软岩巷道的变形机理又主要包括岩层的压缩、剪切、膨胀和破碎等过程,其过程复杂且具有随机性。
因此,研究深部软岩巷道的变形机理是提出有效支护技术的前提。
二、分析支护机理1.能量平衡理论基于能量平衡理论的分析,可以看出深部软岩巷道的变形机理是岩体内部能量的转移和转换,主要包括应力能、变形能和摩擦能等。
2.应力集中机理深部软岩巷道的支护机理主要在于应力集中的控制和瞬时变形的消耗,从而实现巷道稳定。
常见的支护方法有钢筋网片、钢筋锚杆、喷射混凝土、支撑型材、加压注浆、预应力锚杆、防冲击压力杆等方法。
三、支护技术实践1.钢筋锚杆支护法这种方法是根据深部软岩巷道的特点,采用钢筋锚杆进行加固。
其优点是运用简单,成本较低,但也具有不足,如缺乏对隧道高应力地区的支护。
2.加压注浆法采用高压注浆强化地基,以增强地质体的支撑性能,提高地质体的载荷能力。
该技术具有施工简便、经济实用、灵活方便等优点,但存在一些缺陷,如控制浆液固结时间和浆液流性,避免注浆过程中泡沫的产生等。
3.预应力锚杆预应力锚杆的优势在于它具有强耐久性和自适应性,能够有效控制岩层的变形,适用于深部软岩巷道的支护。
软弱围岩中的隧道施工技术探讨摘要:本文通过工程实例分析了软弱围岩隧道的施工技术,阐述了软弱地质围岩地段隧道的施工方法、技术要领,为类似情况下的隧道施工标准提供参考和借鉴。
关键词:软岩隧道支护abstract: in this article, through the analysis on the actual case the weak rock tunnel construction technology, expounds the geological location of surrounding rock is weak tunnel construction method, technology essentials, for similar tunnel construction to provide reference for the standard.keywords: soft rock tunnel support中图分类号:tu74文献标识码:a文章编号:1 前言隧道和地下工程施工,遇到软弱围岩,通常是施工组织者和技术人员感到持久压力和伤脑筋的一件事。
软弱围岩隧道通常被列为重难点控制工程,对工期、安全、质量、投资均产生重大影响。
如何根据工程实际拿出最佳方案,是攻克软岩隧道施工的关键和前提,本文根据工程实例总结归纳,提出不同软岩特点不同地形条件针对性的施工方法,以供同行参考。
2 软岩隧道地质工程特点2.1 地质特点软岩,主要是指第四系全新、中更新、更新统的坡残积土部分。
范围包括江河湖岸和池塘冲积、淤积层,人工杂填土、水田、溶洞充填物、新老黄土、风积砂等。
普遍具有内磨擦角小,粘聚力弱及流滑、蠕变、膨胀、湿陷等不稳定的特点。
一般南方地区软土含水量偏大,扰动易液化呈液态流动,北方地区软土含水量较小,失水后易呈固态流动,扰动易崩坍。
北方地区软土浸水饱和,极易流失并很快失去承载力。
2.2 工程特性某隧道施工区位于陕北黄土高原沟谷区,冲沟发育,植被稀疏,地形起伏较大。
隧道工程中的软岩结构设计与支护隧道工程是现代交通建设和城市发展的重要组成部分,它对于交通运输的顺畅与城市间的连接起着至关重要的作用。
然而,在隧道工程的设计与施工过程中,软岩结构常常成为一个难题。
软岩具有较低的强度和较高的变形性能,极易受到地下水的侵蚀,因此必须采取合适的结构设计与支护措施来保证隧道的安全与稳定。
一、软岩的特性软岩是一种物理力学性质较差的岩石,在常规力学参数方面表现出一定的不足。
它的强度和变形性能相对较低,易受到外界因素的影响而变得松散流动。
此外,软岩还有一个重要特点,就是受水的侵蚀能力较强。
在水的作用下,软岩往往会在较短时间内失去稳定性,进而形成坍塌、滑移或者决堤的现象。
因此,在软岩区进行隧道工程的设计与施工必须格外慎重,以避免因软岩导致的风险与问题。
二、软岩隧道的结构设计在软岩隧道的结构设计中,首先需要针对软岩的特性进行合理的考虑与分析。
根据软岩的强度和变形性能,设计师可以选用合适的软岩隧道结构类型,如准圆形、椭圆形或者矩形等。
此外,在结构设计中还需要充分考虑软岩地层的稳定性和变形性能,采用合适的增强措施来提高隧道的整体性能。
在软岩隧道的结构设计中,设计师还要特别关注隧道与软岩地层的相互作用。
由于软岩具有一定的变形性能,隧道在施工或运营过程中,往往受到地层变形的影响而出现不同程度的变形,甚至可能引发隧道的失稳。
因此,必须通过充分了解软岩的变形规律,结合合适的支护措施,来减小软岩对隧道结构的不利影响。
三、软岩隧道的支护措施软岩隧道的支护是保证隧道安全与稳定的重要手段。
根据软岩隧道的特性和物理力学参数,设计师可以选用合适的支护措施来约束软岩的变形和侵蚀,提高隧道的整体性能。
常见的软岩隧道支护措施包括:锚喷支护、钢拱架支撑和衬砌结构等。
锚喷支护是利用高压泵将混凝土喷射到锚杆周围的软岩中,形成一个坚固的喷射体,增加软岩的强度和稳定性。
钢拱架支撑是在隧道内部设置钢拱架,通过拱架的支撑作用来约束软岩的变形。
软弱围岩公路隧道施工技术摘要:在山区为了满足交通运输需要,通常需要挖掘隧道。
由于山体的岩石特性不同,山区的地质也有差异,所以隧道挖掘是一项复杂的高难度施工项目。
隧道挖掘常见的难点是软弱围岩段的施工,由于该岩体隧道的挖掘难度系数大,常阻碍施工正常运作,所以,本文主要针对软弱围岩地质特点及隧道工程特性,结合相关实例论述了软弱围岩隧道施工技术。
关键词:公路隧道、软弱围岩、施工中图分类号:u459.2文献标识码: a 文章编号:一、前言随着我国改革开放的不断深入,我国的经济建设尤其是我国城乡基础设施建设取得了突飞猛进的发展。
我国地质复杂,有平原也有山脉,全国的地势比较的复杂,因此我国城乡的基础设施建设的难度很大,许多的高速公路、铁路以及某些城乡基层公路的建设的难度很大,需要挖隧道,但是我国的地势又比较的复杂,隧道的建设对于地质的要求很高,对于软弱围岩公路隧道施工,是对隧道施工者的严峻要求,而软弱围岩公路隧道施工技术对于我国隧道的建设和发展具有至关重要的作用,也对我国城乡基础设施建设具有重大影响。
二、软弱围岩地质特点及隧道工程特性1、软弱围岩地质特点软岩主要是指第四系全新、中更新、更新统的坡残积土部分。
范围包括江河湖岸和池塘冲积、淤积层。
人工杂填土、水田、溶洞充填物、新老黄土、风积砂等。
普遍具有内磨擦角小,粘聚力弱及流滑、蠕变、膨胀、湿陷等不稳定的特点。
2、软弱围岩隧道工程的特性(1)软岩由于具有稳定性差,易崩塌溜滑等特点。
洞口段拉槽施工极易引起大范围牵连性滑动,因而难以接近仰坡,进洞困难。
隧道挖掘工程是一种洞内作业,挖掘过程中,局部力量承受减弱可能引发隧道坍塌,威胁作业人员的人身安全,提高工作难度,增加施工成本。
(2)软岩扰动后,自稳能力下降,松动圈不断扩大。
围岩压力逐渐增加,再次稳定的时间很长。
支护及衬砌结构承受围岩压力,极易引起支护结构变形、收敛、下沉和衬砌结构开裂等事故和病害,同时往往伴随地表下沉,失水等环境问题。
论软岩隧道浅埋压段护拱施工技术1 概述近年来,我国的交通事业得到了较大程度的发展。
而在我们实际开展交通建设的过程中,隧道施工是我们经常会面对的一项工作,其不仅能够帮助我们以更为合理、有效的方式对地下空间进行利用,同时也能够帮助工程能够具有更优的建设路线。
在隧道施工的工程中,经常会遇到随山体结构变化而出现的浅埋偏压破碎地段的隧道施工,需要我们能够联系实际情况对其进行科学的处理,避免因为破碎段处理的不当而引起相关事故。
(见右图)2 浅埋偏压施工技术2.1 地表注浆加固在隧道施工过程中,注浆加固法是一种较为常见的加固手段,其是通过专业技术的应用将水泥浆在压力的作用下输送到需要加固的位置。
而在我们浅埋偏压工作开展的过程中,就需要将水泥浆注入到围岩的孔隙或者围岩的裂缝之中,以此来帮助我们对挖掘区的围岩进行固定。
而在注浆的过程中,我们也需要对这部分输送的水泥浆提供一定的压力,以此帮助我们能够做好松散特征围岩的凝结工作,使其能够形成一个更好的整体。
当水泥浆凝固之后,围岩所具有的力学特征也会得到非常明显的提升,进而使我们隧道后续的使用能够更加便利。
在注浆的过程中,注浆的位置以及注浆的数量是需要我们严格根据相关数据实施的,而在工作人员对数据进行确认时,则需要能够对本次施工所使用的方法、目标围岩的孔隙率以及注浆压力等进行良好的结合,并在此基础上制定一个适合实际工作开展的注浆范围。
而在隧道施工的过程中,隧道中不同岩体所具有的孔隙率也不是完全相同的,对于此种情况,就需要我们在面对不同空隙岩体时能够对注浆压力进行良好的控制,以此保证注浆的应用范围能够将本工程的实际影响进行良好的包括,进而获得一个更为科学、合理的操作方式。
一般情况下,我国在公路隧道施工中,对于隧道围岩注浆的半径通常都会制定为隧道半径的 2 至3 倍之间。
2.2 超前小导管注浆支护当我们所进行的注浆加固工作全部完成且泥浆完全凝固之后,就可以正式进行隧道的挖掘工作了。
深部软岩巷道支护技术研究1. 引言1.1 研究背景深部软岩巷道是指岩石中深埋处于较高地应力状态下的巷道。
由于深部软岩的强度较低,岩溶作用较强,岩体结构较复杂,深部软岩巷道在工程施工中往往面临较大的支护难度和风险。
随着我国经济建设和交通基础设施建设的不断发展,深部软岩巷道工程的需求越来越大,对支护技术提出了更高的要求。
目前,国内外对深部软岩巷道支护技术的研究也逐渐增多,一些新的支护方法不断涌现,为工程实践提供了更多选择。
由于深部软岩巷道的特殊性和复杂性,现有的支护技术仍存在许多不足之处,例如支护效果不理想、施工难度大、施工周期长等问题。
对深部软岩巷道支护技术的研究仍然具有重要意义,有待进一步深入探讨和改进。
【研究背景】的明确,有助于引导研究人员深入开展相关工作,提高深部软岩巷道工程施工的技术水平和质量。
1.2 研究目的研究目的主要是通过对深部软岩巷道支护技术的研究,探讨如何有效地提高巷道的稳定性和安全性,降低工程施工风险,为工程建设提供可靠的技术支持。
具体包括以下几个方面的目的:1. 分析深部软岩巷道的岩体特征,了解其力学性质和变形规律,为选择合适的支护措施提供依据。
2. 探索深部软岩巷道支护技术的研究方法,寻找适合实际工程的有效解决方案。
3. 改进和创新现有的支护技术,提高巷道的支护效果和工程质量。
4. 基于实践案例的经验总结,提出结论,并为未来深部软岩巷道支护技术的研究方向和应用推广提供建议和借鉴。
1.3 国内外研究现状国内外在深部软岩巷道支护技术方面的研究取得了一定的进展。
国内主要集中在深部软岩巷道支护技术的应用实践和经验总结上,已形成了一套较为成熟的支护技术体系。
采用高强度锚杆支护、锚网喷锚等技术,有效控制软岩巷道的塌方和失稳问题。
而国外则更注重对深部软岩巷道岩体特征及支护技术的理论研究,以及新型材料和装备的应用。
在岩体力学、岩土工程、支护材料等方面取得了很多创新性成果。
目前国内外在深部软岩巷道支护技术研究中仍存在一些共性问题,如对于软岩巷道的合理支护结构设计以及支护材料的选择等方面的系统研究不足。
对隧道施工工程中软岩支护技术的探讨对隧道施工工程中软岩支护技术的探讨摘要:随着我国经济和科学的发展,隧道的建设与一个城市的发展是分不开的。
本文由软岩支护技术和理论引出了目前软岩支护工程中存在着的一些基础问题。
关键词:隧道施工,软岩支护,技术,问题,探讨中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:前言软岩工程是矿山、交通、水利和建筑等行业施工建设中经常碰到的技术难题。
近二十年来,世界各国都在软岩工程支护技术的理论和实践上进行了广泛的研究,从软岩的矿物成分和物理力学性质等方面进行了探讨,取得了可喜的成果。
软岩的工程力学性质取决于组成软岩的粘土矿物,如高岭土、伊利石和蒙脱石。
岩石含粘土矿物多,其强度就低。
软岩的可塑性、膨胀性、崩解性及流变性决定了软岩工程的复杂性和难控性,使得软岩工程呈现变形量大,变形速度快,持续时间长,稳定性差等特点。
1 现有的软岩支护技术1.1 软岩支护技术软岩工程必须实行人工支护,才能保证其稳定性。
软岩工程的技术关键就是控制围岩的稳定。
目前,用于软岩工程的支护技术有多种多样,主要有如下一些支护类型:1.1.1 砌体支护砌体支护约占我国地下开采巷道支护中的20%,主要材料是料石、砖和混凝土等,这是一种传统的支护形式,应用比较广泛。
但是,这是一种刚性材料。
为了适应软岩巷道变形大的特点,人们在实践中创造了干砌料石木板圆碹、离壁碹、重缝碹、条带碹和高强弧板等支护形式,收到了较好的效果。
1.1.2 支架支护支架支护目前的软岩巷道,尤其是承受动压的采准巷道,使用u型钢、槽钢和工字钢制作的可缩支架较多,其断面形状也向多样化发展,如圆形、椭圆形、梯形、方环形、马蹄形及非对称形等。
支架间还安设了拉杆和背板,以增加其整体稳定性。
有的巷道还进行了壁后充填。
1.1.3 锚喷支护锚喷支护由于能及时支护巷道,喷层与围岩密贴.适应性强,使用灵活,可有不同的组合,因而越来越多的用于软岩工程。
锚杆按材料可分为金属锚杆、木锚杆、竹锚杆、钢丝绳锚杆和有机玻璃锚杆等。
其锚固方式有全长锚固和端头锚固,其锚固方法有水泥砂浆、水泥药卷、树脂药卷和机械锚固。
喷射混凝土和锚杆相结合,就构成了一般软岩巷道的基本支护形。
1.1.4 联合支护对于力学性能差或环境条件恶劣的软岩工程,往往采用联合支护的形式。
联合支护是采用不同性能的单一支护的组合结构。
在联合支护中,各种支护各自发挥其所固有的性能,扬长避短,共同作用,以适应围岩变形的要求,最终达到使巷道稳定的目的。
联合支护的形式有锚喷、锚网喷、锚梁喷、锚网梁喷、锚网带喷、锚喷喧、锚网梁喷架等。
1.2 软岩支护的理论目前,国内外软岩支护理论有两大类,一类是用定性的原则表述的支护理论;另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。
1.2.1 定性的支护理论目前,定性的地压理论主要有新奥法及松动圈支护理论。
新奥法(NATM)是奥地利学者在总结前人经验后提出的一套隧道设计与施工原则,将其总结为22条。
至今为止,新奥法仍是国际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。
多年来的实践充分证明了这一点,它提倡的主动支护和柔性支护方法对软岩是有效的,22条原则组成了可用于设计,施工、监测反馈等各种工作的较完整理论体系。
各方面都有数条原则较为完整地考虑,在22条中,除其中涉及到最终围岩允许变形量、一次支护时间及确定、二次支护强度及刚度等问题的的五条原则外,其它17条原则比较容易理解。
提法较明确,相当一部分原则可操作性强。
新奥法的不足主要表现在其中的五条原则难以真正理解和掌握。
这五条原则为文中的第五、六、七、八及十二条原则。
由于新奥法是大量规律性的经验总结,而对规律本质的认识取决于当时岩石力学的发展水平,22条中的一些原则可以用力学原理满意地解释,而上述五条原则尚难做到对原则的说明仍是经验性的。
新奥法是50年代~60年代发展起来的,受当时条件的限制.必然会有某些不足之处,在20年代~3O年后的今天,我们有责任给予补充和完善。
由于难以理解,导致了认识的较大差异,从而导致支护方法也有相当大的不同, 一般对上述5条原则的理解是利用P―U曲线来说明,然而是P―U是何种位移尚不清楚。
不论是支架架设前已完成的位移还是架设后产生的位移,都会导致P―U曲线解释的相互矛盾,如将P―U曲线理解为来源于弹塑性模型的推导结果,则由于支护不能承受开挖瞬间形成的弹塑性变形而使解释难以成,为此,建在P―U曲线基础上的“让压理论”尚缺少理论基础“让压”及“应力释放”概念是不合理的。
由以上分析可以看出,新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础―弹塑性理论,而新奥法的发明者所观察和发现的工程问题已超出了弹塑性问题所能解决的范围,所以一些原则虽可以总结出来,但由于缺乏必要的理论基础,进行充分的合理解释、说明以及正确的计算是无法做到的。
众所周知,软岩表现出来的工程特性已超出了简单的弹塑性问题范畴,用传统的新奥法处理软岩支护问题必然带来理论和技术上的不足。
根据围绕开挖空间所产生的松动圈以及松动圈在支护中的作用和地位,提出了软松动圈支护理论,并建立了松动圈大小与支护力大小的经验关系,对解决软岩支护问题起到积极的作用,但由于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物,仅从这一最后形式分析问题,不仅难以考虑软岩中出现的各种较为复杂的情况和影响因素,也难以建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支护理论。
1.2.2 定量的软岩支护理论定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。
五十年代以前,围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。
代表性的支护理论有:支护结构与围岩共同作用原理在软岩体中掘进一条巷道,破坏了原岩应力的平衡状态,巷道能否保持平衡,取决于围岩的物理力学性质和原岩应力的大小。
对于坚硬的围岩,巷道周围的集中应力小于其强度极限,巷道不用支护也能保持稳定。
对于软弱的围岩,巷道要保持稳定.必须依靠各种形式的支护。
根据岩石力学原理,按照弹塑性理论,以在轴对称圆巷为例,支护反力与围岩位移有如下关系:式中:围岩位移;为软岩粘聚力;软岩的内摩擦角;剪切模量;为软岩应力;支护反力;巷道或隧道半径;应力平衡原理软岩巷道之所以变形量大、难于维护,就是因为在弹塑性边界上,应力不平衡所致。
以轴对称圆巷为例,在弹性区,有应力和;在塑性区,有应力和。
在巷道围岩处于平衡状态时:和或()=()并由此可导出塑性区半径,即:式中:塑性性区半径;弹性区半径;为软岩粘聚力;软岩的内摩擦角;为软岩应力;支护反力;由上式可知,塑性区范围的大小,取决于原岩应力、支护反力,以及岩石的、值。
如果原岩应力一定,支架反力和岩性指标就是围岩在弹塑性边界上取得平衡的主要因素。
塑性区塑性区半径与、、值成正变关系,与成反变关系。
塑性区的形式是一个由外到里的渐变过程,提高支架阻力,增加围岩的值,、值,可使巷道围岩的应力尽早取得平衡。
如果把塑性圈内的岩石挖掉,就会产生一个更大的塑性圈来平衡弹性区的应力。
岩石流变及流变地压的研究已非常活跃,目前,考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。
但由于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。
一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂,涉及的各种参数甚多,计算本身就已变得非常复杂和困难,而要确定支护力的大小,尚需要强度理论或稳定准则,复杂条件下的强度理论或稳定准则目前研究尚很不充分,所以难以将力学模型用于支护力的大小设计。
二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程,如支护设计时首先需考虑需不需要支护,然后再考虑何时支护及用多大的力去支护,而象现有的流变模型只有稳定蠕变和不稳定蠕变两种模型,支护的边界力实质上是作为“已知”力给定的,获得设计与施工所需的支护时间、强度、刚度等方面的有用信息。
所以,现有的定量支护理论既不能像新奥法那样直接可以指导软岩支护的设计与施工的各个环节,也不能确定支护力的大小。
2 适用于软岩的支护理论适用于软岩的支护理论必须具备以下两个基本的条件:(1) 要建立起象新奥法那样便于设计与施工的具体的指导原则。
(2) 必须要考虑软岩的主要特性(如大变形、流变、膨胀等)来建立力学模型并通过稳定准则,求解出最大支护力和最大的围岩允许变形量。
由于新奥法大部分内容的科学性,条件(1)决定了软岩支护理论必然是对新奥法的修正和完善,而条件(2)决定了软岩的力学模型应该为(大变形)非饱和粘弹塑性模型(注:考虑膨胀问题及膨胀过程必须运用非饱和岩土力学),也即通过深入研究非饱和粘弹塑性岩石和围岩的变形和破坏机理,对新奥法的原则进行修正和完善,再通过建立非饱和和粘弹塑性体的稳定准则求出支护力和围岩变量。
目前,岩石流变学的研究尚不充分,非饱和土土力学建立不久,非饱和岩石力学方面的研究还刚刚开始,软大变形方面的研究已做过一些工作,所以,要形成一套完整的成熟的软岩支护理论尚需做大量的基础性工作。
3 软岩支护理论研究中的几个基础性问题3.1 围岩变形机理的研究支护是一个过程,要使这一过程与围岩的变形过程相协调,必须充分而又深入地研究围岩的变形机理,也只有在此基础上,才能真正弄清新奥法一些原则的本质。
过去,人们对岩石(块)的变形机理研究较多,而对围岩的变形机理研究不够深入,只是过多地集中在围岩表面收敛的研究方面。
仅以围岩流变过程而言,若开挖形成的围岩处于粘弹性,则围岩通过流变要经历从弹性―塑性―破坏―失稳等一系列过程,在这一过程中,围岩内部的应力场、位移场及强度都将会发生复杂的变形,不了解这一过程,就无法确定合理的支护时间:再如,围岩的膨胀过程一定是强度不断变化的与流变耦合的一个过程,而且围岩内部有水、围岩周边供水和围岩里外都无水等各种情况下的变形过程将有很大的差异。
通过对岩石的蠕变机理、围岩的蠕变机理的理论研究和室内相似模型研究的进一步研究,初步得到了以下的结论:(1)及时地提供足以使围岩形成稳定蠕变的支护力,并使围岩尽快形成压缩环,即达到安全的目的。
(2)采用可压缩性恒阻支护,同时设计支护力为刚好满足围岩进入稳定蠕变的支护力,从而达到最经济的目的。
3.2 围岩稳定性准则的研究建立围岩的稳定性准则是分析围岩变形机理及将力学模型应用于实际支护设计的前提,需进一步加强这一项基础性研究工作。
给出了稳定蠕变准则,给出了膨胀稳定准则,但流变与膨胀耦合作用下的大变形围岩稳定准则的研究目前尚未开展。
3.3 力学模型的研究软岩支护理论最终所要建立的是(大变形)非饱和粘弹塑性模型,但由于非饱和岩石力学尚未建立,所以最终模型的形成尚需相当长的研究过程,但由于工程实际的迫切需要以及建立模型总是经历从简单到复杂,再从复杂到简单的过程,所以,抓住主要影响因素,建立较为简单的近似模型是当前软岩力学模型研究应加强的一项工作。