地下工程软岩支护施工技术分析*

汪韵雅，彭岩岩，包春燕

（绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

地下工程开挖后，为保证其安全可靠，一般要进行支护工作。随着国家地下工程建设的进一步体制化，软弱围岩支护的相关问题引发了国内外工程师的广泛关注。而对于软弱围岩的支护方法，目前国内外都还没有形成一套完整良好的解决方案。受开挖作用的影响，地下工程围岩会因受到扰动而失去原有的平衡状态，在围岩受到的重分布应力作用超过其承载能力时，围岩会发生变形或破坏现象，此时采用软弱围岩支护兼顾加固技术，可较好地解决类似问题。

1 地下工程围岩支护施工技术

国内外对软岩工程建设大多采用地下工程开挖并支护加固后挖掘的方法，直到围岩和支撑体一次又一次变形或者发生破坏后再进行一次或重复多次的修复，直到最终破坏不能使用。但这样破坏和再修复的无限循环，不仅耗费人力物力，还耗费金钱，且不能保证工程的安全性[1]。根据以往资料调查和工程实例情况可以得出：在应力重分布后，软弱围岩的应力状态和变形特征是复杂多样的，这严重阻碍了我国地下软弱围岩支护工程建设的发展。为此，当地下工程开挖引起应力重分布时，应对软岩进行支护加固。针对不同地区的软岩产生的应力状态不同的情况，软弱围岩的巷道支护应做出不同的设计考虑，以达到其经济性与安全性并存的目的[2]。

1.1 金属支架和砌碹支护技术

金属支架（见图1）是被动承受承载力的支护方法，主要作用在巷道围岩上。金属支架支护巷道一般采用由11号或9号工字钢制作而成的刚性支架，结构为一两柱。单个金属支架的受力来源主要源于x轴方向的水平应力和y轴方向的垂直应力，且应力方向都指向巷道开挖区段。

金属支架技术的优点在于能够实现软岩巷道支护平衡，提高其对软岩的适应性和稳定性[3]。但其缺点则是对巷道围岩变形的控制仅仅是被动抵抗，对软岩变形或破坏的控制并不明显。随着开采深度逐年递增，从而加大了支护成本，且效果甚微，因而这种基础金属支架无法适应更高的变形需求。而砌碹支护（见图2）与金属支架相比，虽然也是被动承受承载力的支护技术，但其连续性和整体性对控制地压有优越性，同时砌碹支护防风化、坚固耐久、防火防水的性能也较金属支架好，且其被动承载变形的性质使其承担了较高的强度和承载力。不过砌碹支护不能立即产生支撑能力、需养护、施工速度慢、机械化差、成本高、综合劳动率低的表现也让它在高应力和复杂地质环境下，难以承担巷道支护的重任[2]。

图1 煤矿井下拆除液压支架的掩护架制造技术

图2 砌碹支护（单位：mm）

1.2 注浆加固技术

注浆加固技术适用于软弱破碎岩层。注浆所选用锚杆通过无缝钢管冷拔或者焊接两种方式制成[4]。为此，既可以锚固，又可以作为注浆管进行注浆，胶结破碎岩块使之成为整体，分带支架荷载。注浆加固技术是在原有（正常或非正常）支护存在的基础之上，通过适当松动围岩进行注浆，提高裂隙聚集力及内摩擦角，增加岩层内部的摩擦阻力，阻止岩层间断面的剪切作用，从而增强围岩承载能力和保证围岩的自身完整体系，与原有支护结构协调互补，保证了支护结构的整体稳定性[5]。

1.3 钢筋混凝土复合支撑支架

钢筋混凝土复合支撑支架（见图3）适用于压力大，不受回采影响的开拓巷道和准备巷道。“锚杆+金属网+喷混凝土”作为其第一部分支撑构件，“钢筋混凝土+两个支架加固锚索+钢纤维混凝土拱”的复合结构作为其第二部分支撑构件。滚动轴承支架模型由压缩拱、阀体和支架合力承担，用来加强支护结构，形成相对阻力承担外围岩石[6]。

图3 大体积混凝土钢筋支架示意图

1.4 锚杆及组合锚杆支护

锚杆及组合锚杆支护（见图4）适用于同其他支护形式相结合的各种隧道支护以及受开采影响的巷道支护，主要是由组合锚杆支护进行承担[7]。该支护方式能够使锚索一端深入底部岩层，另一端则进行预加载步骤，通过“锚索+金属网+喷射混凝土”组合支护支撑构件帮助加强其支护效果。当出现巷道大断面的情况时，由于地应力往往过大，普通的单一锚杆支杆件系工作得到的效果不佳，依旧会导致拱部受损严重，因此在地压过大的深度控制软岩地下工程施工中，应使用高强度支护措施控制深度地应力[8]。

图4 锚杆支护组成示意图

1.5 联合支护

（1）锚杆+喷射混凝土。锚杆和喷射混凝土支护与软弱围岩形成整体结构，采用锚喷组合支护设计方式，能够有效控制软岩变形和破坏，及时准确地调整软弱围岩的应力分布，与周围岩体建立互动关系。这项技术合理且满足低成本和及时性，但由于其适用范围只限于特定范围内的岩体，因此该项技术缺乏实用性和可靠性，且存在突变的安全问题，即缺乏安全性[9]。

（2）锚网喷+锚索支护。采用锚网喷组合支护，首先，对锚杆进行锚固，确保拉拔力大于某一特定设置值或计算值；其次，进行锚索补强支护措施；最后，在比较容易发生软弱围岩冒落（或爆破风险）的区域设置超前锚杆打入岩层内用来控制顶板。此法具有较高的支护效果，且所需费用较低，可靠安全，无需耗费过多人力物力，巷道后期的维护也十分方便，机巷支护断面见图5[10]。

图5 机巷支护断面图（单位：mm）

2 围岩支护施工技术比较

从以上方案及建议可以看出金属支架和砌碹支护技术虽然能提高对软岩的适应性、稳定性以及承载能力，但成本高且综合劳动率低，不适宜长期承担支护重任。注浆加固技术是通过钻孔将裂隙由上到下以堵封渗透的方式加固薄弱带，以此提高岩体整体抗压能力和围岩强度的一种方案，也是目前地下工程软岩支护加固方面较为常见的一种技术。对于组合支护技术的适用范围，常以巷道埋深情况和变形破坏程度决定：①巷道埋深小于400m，位移量不大于20mm时，除个别破碎层（或带）以外，围岩一般不需要进行修复或加固；②埋深在400～600m，位移量在30～50mm，巷道出现少量底鼓，围岩成片状或条带状剥落，局部区域漏出原岩时，需先清除破坏部分，采用补打锚杆+挂网喷浆，同时对围岩压力大的区域叠加注浆加固；③巷道埋深在600～800m，底鼓、底脚内移、水沟挤裂，巷道两肩开裂甚至冒落，破坏程度至半时，需叠加锚索或配合注浆加固；④对深埋巷道类型（埋深＞800m），在上述支护技术难以发挥作用时，应调整支护参数，进行专项研究，预防在前，修补调整在后[11]。

3 结论

我国软弱围岩分布广泛，表现形式多种多样，围岩岩性相差范围较大。这种围岩结构稳定性差、承载能力弱，若不采取强力有效的支护施工技术，可能会在施工过程中出现围岩变形甚至引发坍塌，不仅影响正常施工，还会造成严重的安全事故。为此文章介绍了五种不同地下工程软岩施工支护技术的原理和方法，结合实际分析了各施工技术在各方面的优势和弱势。只有针对各支护技术的优劣选择更加合理有效的方法，才能更安全及高质量地完成地下作业。