软岩巷道位移的收敛测试

张 彬,刘 波,柳东委

(辽宁工程技术大学,辽宁阜新 123000)

新奥法构筑的基本思想就是运用各种手段(如地质勘察、支护类型、隧道的开挖方法以及监控量测、地层的预处理等等)来控制围岩的变化,最大限度的来利用围岩自身的承载能力,使施工更安全、更经济。监控量测是新奥法施工的核心,而巷道位移的监控量测又是巷道监测中判断围岩稳定性的重要依据,是监视围岩是否安全稳定的重要手段。鉴于地层的复杂性,所以在巷道施工中,为了避免事故的出现,施工人员都会在巷道开挖过程对围岩进行位移的监测,采集和分析处理监测数据,观察围岩的变形规律和变形趋势以及围岩的松动范围,对于围岩的危险地段及时的进行支护和加固,确保施工的安全。近年来有关巷道围岩变形量测的论文比较多,通常是利用围岩周边变形和拱顶下沉观测值对施工进行安全监测。本文以七台河矿务局铁东煤矿的某软岩巷道为例,主要介绍了巷道围岩表面和巷道深部位移监测,并对监测数据进行处理,研究围岩的收敛稳定性,合理指导巷道施工,保证安全。

1 围岩表面位移监测

该软岩巷道工程段共设五类监测试验类型,包括围岩表面位移监测,深部位移监测,锚杆工作阻力监测试验,锚杆拉拨试验和钢架变形监测。本文侧重介绍围岩表面位移监测和深部位移监测两种测试。

1.1 监测断面的岩性分布和位移监测点的布置

对于表面位移监测来说,重点分析两个监测断面,第一监测断面主要的岩性包括:灰黑色的泥岩,灰白色的砂砾岩和煤,从掌子面分析,以灰黑色泥岩为主,顶板为薄层煤,仅仅在右帮下部出现灰白色的砂砾岩;第二监测断面的主要岩性包括:灰黑色泥岩、厚层灰白色砂砾岩,局部砂岩呈透镜体产生,岩层产状近于水平。

软岩断面位移监测以激光点为测量基准点,选取每个断面上的典型部位作为测量标点,每日测量标点到基准点的距离,直至标点变形稳定。每日测量得到的距离与设点第一天的初始距离之差即为该标点的绝对位移值。

第一监测断面位于 40 m处,共设 9个标点,选择 O点为1、2、3、4、5、6、7的基准点,距激光点 950mm。选择 O1点为8、9标点的基准点,距激光点 1 950mm。

第二监测断面位于 80 m处,共设 9个标点,同样选择 O点为 l、2、3、4、5、6、7标点为基准点,距激光点 1 000mm。选择 O1点为 8、9标点基准点,距激光点 1 700mm。如图 1所示:

图1 围岩表面位移监测断面的测点布置

1.2 围岩表面位移监测成果分析

围岩表面位移的第一个监测断面从开挖后的第一天开始监测,随着巷道的不断掘进,围岩表面的位移发生有规律的变化,各个测点的位移—时间曲线(图 2)。从图中可知,围岩的顶板位移较大,主要集中在 3、4、5测点,其中 4点最大稳定位移量为 138mm,3和 5点的稳定位移量为 121mm和102mm。巷道两帮的位移量较小,一般不超过80m m。造成顶板位移偏大的主要原因除了巷道开挖产生应力重新分布和自重应力作用以外,另外还是由于此处拉底炸碎了顶板的煤层,致使煤层和岩体松动,增大了位移量。但是从整体上来看巷道的最初设计预留变形值 150mm是非常合理的。

围岩表面的第二个监测断面是在巷道开挖一段时间后设置成功,各个测试点的位移—时间曲线(图 3)。从图中可知,巷道前 10天的变形量较大,20天后变形趋于稳定,30天后变形基本稳定,由测试的结果可以看出,位移的最大部位在 1、2、3、4点,其中顶板中央 4号测试点变形量最大,总的位移量为 140mm。测试点 6、7点的位移量较小,均不超过80mm。因此,第二断面的各个测试点的位移量均小于巷道最初设计预留变形量 150mm,再一次证明了七台河软岩巷道最初设计预留变形量 150mm这一设计值的准确合理性。

综合分析两个监测断面的位移规律不难发现,巷道围岩的顶板位移量较大,两帮的位移量较小,巷道的右帮的位移量普遍大于左帮的位移量。产生这样的原因主要是由于顶板受到开挖以后应力重新分布和自重应力作用控制,而右帮位移大于左帮位移则是受到岩体的结构和地层的产状的影响。因为在本工程地段,优势结构面为地层层面,右帮的层面走向斜交巷道的轴向,并且倾向于帮外,而左帮岩层层面走向斜交巷道轴向,并且是倾向于帮内的,显而易见,右帮会比左帮更易于滑动位移。

图2 第一监测断面围岩表面位移-时间曲线

图3 第二监测断面围岩表面位移-时间曲线

2 围岩深部的位移监测

巷道开挖以后,围岩应力发生应力的重新分布,原岩应力状态遭到破坏,其影响半径为巷道半径的 3～5倍。因此,巷道的变形范围将在应力影响圈内,为了确定围岩的变形范围以及变形规律,使用多点位移计进行围岩深部位移的测试是非常重要的,必不可少的一个步骤。

2.1 监测断面岩性分布位移监测点的布置

巷道围岩深部位移临测断面设于小断面 60 m处。揭露的主要岩性包括:灰黑色泥岩、灰黑色含砾砂岩、灰白色粗砂岩。其中,灰黑色泥岩比较破碎、呈现薄层状结构,与灰黑色含砾砂岩互层;灰黑色含砾砂岩含有较大矿物颗粒和岩石碎屑,一般为 1～3mm、最大可达 23mm,胶结紧密,层状结构;灰白色粗砂岩,胶结松散、遇水迅速软化,手抓可碎,主要分布于两帮局部地带。右帮多点位移计安装部位为孔口位于灰黑色泥岩中,下部为含砾砂岩,可见白色石英砂岩砾石或圆砾,最大可达 150mm。

巷道深部位移测量使用 D W-8型多点位移计,安装多点位移计的钻孔设计深度为 6 m,孔径为 80mm。D W-8型多点位移计为机械式的整体结构,锚头为压缩木可以自膨胀。其主要技术指标如表1所示。

多点位移计的测试原理是将位移计组装成一杆式的整体结构,并送入钻孔内,每一个锚固件作为一个测点,将围岩位移通过测杆传至孔口,以壁面埋头表面为测量基准面,每天测得围岩内部各测杆外端到表面的距离由此可算得围岩内部各测点的第一天绝对位移值,即每天的各测点的绝对位移值可依此类推。

围岩深部位移测量断面共 3个测量部位,分别位于顶板中央和顶拱两肩靠近直墙部位,如图 4所示。其中 1、3号测位距离底板 1 700mm,向岩壁内呈 10°～15°仰角,2号测位则垂直于顶板。

图4 围岩深部位移测量断面设计

2.2 围岩深部测试位移成果分析

D W-8型多点位移计安装完毕以后,经过 10天的测试,1号和 3号位置的测试数据较好,2号测试位置在顶板,其测试数据偏小,这与安装质量有关。其中左帮 1号测试位置围岩表面位移最大值为 9.22 mm,围岩内部 1 m处测点绝对位移量为 9.76mm,其它各个测点绝对位移量依次减小;右帮 3号位置围岩表面位移最大值为 22.36mm,围岩内部 1 m处测点绝对位移值为 9.4mm,其它各点依次减小;顶板 2号位置围岩表面位移最大值为 8.70mm,围岩内部 1 m处测点的绝对位移值为 5.67mm,其它各个测点依次减小,见表2所示。

测量断面一共有 3个测位,分别位于顶拱两肩靠近直墙部位和顶板,由于围岩应力作用和岩体结构效应,各个测点的位移情况各有差异。从测点的位移统计表中可以看出,巷道右帮的围岩表面位移大于左帮,这是由于岩体结构效应和爆破松动所致,由于右帮岩层倾向于帮外,而左帮倾向帮内,又由于强大的爆破力作用使岩体松动破碎,右帮岩体层沿着层面向帮外滑移变形。而巷道顶板的位移是最小的,巷道顶板表面位移最小其中主要是因为注水不足,压缩木膨胀不充分,在爆破力作用下发生滑动,从而形成误差,是由于多点位移计安装质量差导致的误差。

图5 测点的位移空间曲线图

围岩从表面到深部,其绝对位移值逐步减小,直到为零,在他们的位移-空间曲线上均存在一个折点大约位于埋深1.5～2.0 m处,小于此埋深的位移较大,而大于此埋深的位移明显减小,特别是大于 6 m以上埋深,其围岩绝对位移值近乎于零,如图 5所示,所以我们可以根据测试数据得出围岩松动的范围大约是 1.5～2.0m。所以在最初始巷道预设计的支护锚杆长度为 2.0m是完全合理的。

总而言之,施工时可以通过对巷道围岩位移的监测来掌握围岩的变形趋势和变化规律,及时发现不稳定的围岩地带,及时进行支护和加固。还可以通过对监测数据分析处理,修改支护参数和设计方案,以指导后续施工更好地进行,从而达到巷道施工更经济、更安全的效益。

3 结 论

(1)通过对巷道围岩表面的测试得到测试的数据,对数据进行处理,绘制位移-时间曲线图,观察各个测点的位移值,最终通过分析处理数据得出巷道最初始设计的围岩变形预留值 150mm是正确合理的。

(2)用D W-8型多点位移计对巷道围岩深部进行位移监测,得到监测数据,通过分析处理再一次证明围岩预留变形值的合理性。并且可以根据测试数据得出围岩的塑性圈厚度为 1.5～2.0 m的范围内,所以巷道最初设计的锚杆长度 2.0 m是完全合理的。

(3)通过对巷道的位移收敛测试,可以及时发现不稳定的围岩地带,保证施工过程的安全。

[1]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社,1986

[2]张彬,郝凤山.地下建筑施工[M].北京:人民教育出版社,2003

[3]李世辉.隧道支护设计新论[M].北京:科学出版社,1999