巷道過斷層破碎帶監(jiān)控量測研究

巷道過斷層破碎帶監(jiān)控量測研究

1輔助方法的研究錯誤及其斷裂帶是道路開挖過程中常見的不良地質現象。該區(qū)域是道路圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域之一。在多數情況下,斷層破碎帶是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的,與其兩側巖體在物理力學特性上具有顯著的差異,巷道穿越斷層破碎帶地段時,地質條件具有復雜性和突變性,圍巖變形的空間分布受斷層控制作用明顯,依靠常規(guī)的巷道支護技術和施工方法很難克服開挖期的冒頂、突水等地質災害和運行期大變形引起的支護結構破裂失穩(wěn)。因此,除了遵守一般技術要求外,還應采取針對性較強的輔助方法。國內外專家學者圍繞斷層影響下隧洞圍巖變形與破壞問題,從斷層的定性調查、預報以及圍巖穩(wěn)定性分析等多方面進行了研究。S.Jeon等通過物理模擬和數值模擬分析表明,由于弱面的存在,隧道圍巖的變形量顯著增加,而且沿弱面出現明顯的剪切變形。靳曉光等通過對隧道圍巖位移、應力監(jiān)測,分析了斷層發(fā)育的川藏公路二郎山隧道不同地段的變形、破壞特點,并在隧道施工與支護中起到了積極有效的指導作用。王克麗則針對昆明掌鳩河引水供水工程廠口隧洞的坍方區(qū)及斷層帶提出了可行的穿越施工方案。蔡美峰等通過對多種手段獲得的監(jiān)測結果進行多元信息耦合分析,評價已加固治理的舊主運巷和未加固治理的新主運巷共存情況下主運巷的穩(wěn)定性狀態(tài)及其發(fā)展趨勢,從而為主運巷下一步加固治理提供依據。廖秋林等認為,當斷層發(fā)育程度達到某一閾值時,隨斷層發(fā)育程度的增加,其圍巖變形增加并不顯著,支護設計應充分考慮這一點。實踐證明[7~10],具備高度可靠性和實時性的現場有效的綜合監(jiān)測系統(tǒng)能夠反映圍巖運動特征及其微觀到宏觀信息指標。利用量測結果修改設計并指導施工,對量測數據進行分析處理與必要的計算和判斷后作出預測與反饋,實現信息化施工,能夠保證巷道施工安全和圍巖穩(wěn)定。本文將介紹多種斷層監(jiān)測措施在淮南礦區(qū)顧北煤礦斷層破碎帶巷道施工中進行的監(jiān)控量測,并總結監(jiān)測數據變化規(guī)律,為巷道的信息化施工和設計方案優(yōu)化調整提供依據。2項目總結2.1基性巖巖巖石組構顧北煤礦位于淮南市鳳臺縣WN23km,潘謝煤田顧橋礦井的WS部。井田SN走向7.5km,面積約36km2,主采煤層5層,可采儲量3.19×108t,年設計產量一期3×106t,二期6×106t,服務年限為61.7a。礦井南翼-648m水平兩條運輸大巷,斷面尺寸超過22.8m2,巷道施工至斷層破碎帶后,地質條件復雜,圍巖裂隙發(fā)育,破碎嚴重,呈松散狀態(tài),巖性以炭質泥巖、砂質泥巖及弱膠結的粉砂巖為主,少量為煤層,屬于深部大規(guī)模松軟圍巖。巷道穿過區(qū)域發(fā)育有F92大斷層及其兩條主要伴生斷層FD92–3和FD92–4,F92斷層走向為NW60°~75°,傾角40°~45°,落差76m;FD92–3走向NW40°,傾角為60°~65°,落差37.5m;FD92–4走向為NW30°~40°,傾角50°~55°,落差9.6m,相鄰2條巷道與結構面位置關系見圖1。受構造運動影響,圍巖內賦存了高水平地應力,-648m水平的地應力實測結果表明:垂直主應力為17.7~17.8MPa,最大水平主應力約為20.1MPa,最大水平主應力方位角為329°~341°,最小水平主應力約為19.1MPa,側壓力系數為1.10,水平應力略大于垂直應力,整體屬高地應力場區(qū)。由于密集布置的巷道分布于大規(guī)模松軟圍巖中,相鄰巷道開挖擾動區(qū)和二次應力場相互疊加,同時受高地應力影響,從井底車場開始建設時起,巷道不斷產生大變形而破裂失穩(wěn),襯砌破壞嚴重,底臌變形大,因而不得不多次重復返修巷道,從而大大延長了建設周期,增加了工程投資,延誤了投產日期,給煤礦帶來重大損失。2.2錨索的制作總結顧北煤礦前期的施工經驗,結合類似條件下巷道的設計,初步支護方案如下:開挖后在巷道全斷面施工預應力錨桿和預應力錨索,錨桿參數為φ22mmL=2800mm@700mm×700mm,錨桿預應力不小于50kN;錨索設計參數為φ17.8mmL=6000mm@1400mm×1400mm,垂直于巷道輪廓線布置,預應力不小于100kN。在耙矸機后進行36#U型鋼支護,縱向間距為0.5m。在表層復噴150mm厚混凝土止?jié){層后,按照先淺孔后深孔的注漿方案進行滯后注漿。淺孔注漿管長為0.5m,注漿孔長為1m,其排距為5000mm,每斷面布置5根,注漿壓力為2.5MPa;待淺孔注漿形成強度后,進行深孔注漿,注漿參數為:注漿錨桿長度為2.0m,排距為2.0m,封孔長度為400~500mm,注漿壓力為3.5MPa,共布置12根深孔注漿錨桿。巷道斷面及支護結構布置見圖2。3巷道圍巖收斂變形監(jiān)測為了研究巷道圍巖穩(wěn)定性,優(yōu)化設計方案,指導現場施工,針對典型的圍巖地質條件在-648m水平南翼回風大巷選擇400m長的試驗段進行了巷道圍巖表面位移、深部位移、錨桿和錨索錨固力、支架壓力的跟蹤監(jiān)測,對多種監(jiān)測資料進行分析和互相驗證,確保監(jiān)測信息的可靠性,用以對設計進行調整優(yōu)化,判斷施工方案的合理性,指導后續(xù)施工。監(jiān)測內容有4項。(1)圍巖表面位移隨時間的變化。為盡可能真實地反映開挖條件下巷道圍巖的變形特征,各監(jiān)測斷面均靠近施工迎頭,隨著巷道的開挖掘進,對巷道圍巖變形情況進行實時監(jiān)測。每個監(jiān)測斷面內采用十字布點法安裝4個測點,即斷面的頂板、底板和兩幫各設置一個測點(見圖3)。通過兩幫和頂部3個測點數據,利用海倫公式計算出拱高1h,用第1次1h的計算值依次減去第2次h2的計算值,第3次h3的計算值,依次往下,每一次計算出拱頂累計下沉量ih。同理計算底鼓和兩幫收斂累計變化量。表面位移量測利用中國科學院WRM–3型絲尺兩用收斂計和自制的連接球頭,精度可達0.01mm。本試驗段內選定了A1,A2與A3三個監(jiān)測斷面進行巷道圍巖收斂變形的研究,試驗段內監(jiān)測斷面布置如圖4所示。(2)預應力錨桿和錨索預緊力隨時間的變化。監(jiān)測過程從錨桿和錨索安裝延續(xù)到壓力表數據穩(wěn)定。各監(jiān)測斷面均靠近施工迎頭,監(jiān)測開挖掘進過程中錨桿和錨索預緊力變化情況。每個斷面內布置5個測點,分別位于拱頂、兩拱肩和兩拱腳(見圖3),錨桿和錨索預緊力監(jiān)測設備均為HC–45液壓測力計,預應力錨桿安裝過程中使用氣動扭矩扳手施加初始預應力,預應力錨索使用張拉儀提供初始預應力。試驗段內布置3個監(jiān)測斷面B1,B2和B3,如圖4所示。(3)圍巖深部位移隨時間的變化。監(jiān)測過程從巷道開挖延續(xù)到變形穩(wěn)定之后。根據近期淮南礦區(qū)地應力測試的結果分析,深部高地應力圍巖中應力擾動區(qū)邊緣距離巷道中心可達20m以上,為準確監(jiān)測圍巖深部位移,孔深取巷道跨度的5倍。在每個測孔布置5個測點,各測點與孔口盤距離分別為3,8,13,18和25m,位于孔底的測點則固定于不發(fā)生變形的深部穩(wěn)定圍巖中,數據處理分析后可得到每個測點相對于孔底的位移,即絕對位移,計算方法為孔底測點相對于孔口的位移與各測點相對于孔口的位移相減?，F場設1個監(jiān)測斷面C(見圖4),監(jiān)測斷面內兩幫和拱頂共設置3個測孔(見圖3)。測試儀器采用WRM–3型多點位移計,用測微計量測各測點相對于孔口盤的位移,測微計精度為0.01mm。(4)支架安裝后圍巖作用于支架的壓力隨時間的變化。監(jiān)測過程從支架安裝延續(xù)到支架壓力表數據穩(wěn)定,支架安裝斷面距離迎頭約40m,滯后開挖時間約15d,安裝位置與多點位移計對應。采用XYJ–2型鋼弦傳感器進行監(jiān)測,試驗段內布置一個監(jiān)測斷面D(見圖4),斷面內布置5個測點,分別位于拱頂、兩拱肩和兩拱腳,如圖3所示。4數據分析的監(jiān)測量4.1支護過程動態(tài)表面位移變化情況是巷道穩(wěn)定的直接表現,巷道開挖完成后,圍巖不可避免地會產生形變,這些形變是多方位和動態(tài)的。多方位是指自重應力和構造應力引起的沉降和側向擠壓造成的拱幫收斂和底臌變形;動態(tài)指的是變形隨時間呈非線性變化。自2008年4月19日第1個斷面A1測點安裝并開始監(jiān)測以來,經過8個多月工作,截至2008年12月29日,第3個斷面A3測量結束,3個斷面的圍巖變形速率都在0.1mm/d以下,水平收斂、拱頂下沉和底板鼓起3條曲線均趨于穩(wěn)定。3個監(jiān)測斷面圍巖表面收斂位移與時間關系如圖5所示。4.1.1巷道圍巖應力重分布影響分析由現場實測數據可知,巷道開挖后曲線快速上升,持續(xù)時間10d左右。這是由于巷道開挖引起表面巖體法向荷載卸除,應力場調整導致切向荷載大大增高,巖體承受的偏應力σ1-σ3大大超過巖體剪切強度,使得圍巖由表及里快速破裂擴展,巖體碎脹擴容導致圍巖側向位移迅速增加。這一階段內,監(jiān)測斷面距掘進工作面較近,曲線存在明顯震蕩,顯示表面巖體變形的不穩(wěn)定性。隨著掘進工作面繼續(xù)推進,錨桿和錨索發(fā)揮支護作用,變形受開挖影響越來越小,當掘進工作面距監(jiān)測斷面超過40m后,位移不再受開挖的影響,變形速率明顯降低。開挖40d后表面位移產生突變,變形速率增大明顯,達到15mm/d,且3個測試斷面出現同樣的變化趨勢。究其原因,鄰近的軌道大巷開挖掘進滯后回風大巷約100m,40d左右軌道大巷掘進至與回風大巷監(jiān)測斷面平齊的位置,軌道大巷圍巖應力的重分布導致先開挖的回風大巷圍巖應力場再一次擾動,重新調整分布后偏應力再次升高,圍巖再次破裂擴展,因而位移突變增大。當圍巖重分布基本穩(wěn)定后,變形逐漸趨于平穩(wěn)。由此可以看出,盡管兩條巷道凈距達到40多米(大于巷道寬度的8倍),但工作面滯后的巷道開挖掘進對工作面超前的相鄰巷道仍造成相當大的擾動影響。這種現象在淺部巷道開挖施工過程中是罕見的,主要原因在于深部巷道開挖后圍巖承受的高應力和圍巖低強度的矛盾尤為突出,導致應力擾動區(qū)和破損區(qū)范圍遠遠大于淺部巷道。經歷一段變形震蕩調整期之后巷道達到穩(wěn)定狀態(tài),應變速率在1mm/d以下,總體變形在控制范圍內。由于A1斷面緊鄰F92大斷層,其底臌量最大達到192.46mm,水平收斂位移最大達到122.95mm,與同處于斷層破碎帶中的A2和A3斷面比較,變形量高出50%以上,據此判斷F92大斷層對巷道變形和穩(wěn)定性有很大影響,因而在該段應適當增加支護強度。4.1.2幫頂巷道底變形嚴重圖5給出的3個監(jiān)測斷面的圍巖表面收斂位移均呈現“底臌值大于兩幫收斂值大于拱頂下沉值”的分布規(guī)律。底臌是造成巷道失穩(wěn)破壞的重要因素,由于巷道底板所處的部位特殊,工作面裝巖出矸和材料運輸使得底板支護加固滯后于兩幫和頂拱數十米甚至數百米,而且?guī)晚敵Ｓ玫闹ёo加固方法難以在底板支護加固中實現,導致底板暴露時間長,支護加固強度低,底板圍巖(特別是2個底角附近圍巖)由于應力高度集中而發(fā)生強烈的剪切滑移(見圖6),宏觀表現即出現劇烈的底臌變形。對于深部高地應力軟弱圍巖中的巷道,一旦發(fā)生底臌其變形將會是持續(xù)性的,很難自行穩(wěn)定,并嚴重地影響到兩幫和頂板的穩(wěn)定,最終將導致巷道整體的嚴重變形或破壞失穩(wěn)。因此,在分析第1個監(jiān)測斷面A1巷道變形規(guī)律的基礎上,提出應用底角注漿錨桿和幫腳錨桿抵抗底角應力集中區(qū)的剪切滑移,底板錨索和底板注漿增強加固底板,提高底板巖體抗剪強度的方案(見圖7)取得了良好效果,第2個斷面A2和第3個斷面A3底臌量得到了有效控制。4.2錨桿支護效果監(jiān)測預應力錨桿和錨索安裝后,其桿體將承受因結構面及圍巖收斂變形而產生的拉應力、剪切力與彎矩,為了了解錨桿的工作狀態(tài),判斷圍巖變形的發(fā)展趨勢,評價錨桿的支護效果,自2008年4月23日起進行了7個月時間的錨桿、錨索錨固力監(jiān)測。截至2008年12月29日,3個測點錨桿、錨索測力計監(jiān)測數據接近收斂,相鄰兩次監(jiān)測的壓力差值小于0.1kN。錨桿和錨索錨固力與時間的關系曲線如圖8所示。4.2.1錨桿/錨索初始預應力調整錨桿和錨索的錨固力總體上呈隨時間增長的變化趨勢,具體變化過程可分為3個階段:(1)第1階段為快速增長期。持續(xù)時間為巷道開挖后2~10d左右,這一階段錨固力的變化特征表現為快速增長。這是因為,巷道開挖造成強卸荷,導致圍巖破裂和碎脹擴容變形有快速發(fā)展的趨勢,錨桿和錨索的初始預應力對圍巖表面的應力狀態(tài)起到一定程度的恢復和改善作用,高強錨桿和錨索的錨固增強作用抑制了圍巖沿滑移面的剪切破裂和碎脹擴容,限制了圍巖的張開變形,因而,開挖初期一定時間內錨固力迅速增大。初始階段局部預應力出現下降是由于爆破震動引起的錨栓應力松弛及托盤下的巖體受高度集中的應力作用發(fā)生破裂,從而引起錨桿/錨索的應力降低。(2)第2階段為波動變化期。持續(xù)時間為緊接快速變化期至巷道開挖后50d左右,錨固力變化比較頻繁,出現波動的原因主要是,巖體及錨索的內部應力調整,產生壓縮、回彈的反復過程。開挖40d左右的較大波動則是由于相鄰巷道的開挖影響,這與表面位移變化規(guī)律一致。(3)第3階段為平穩(wěn)變化期。開挖50d以后錨固力進入穩(wěn)定變化過程,應力值穩(wěn)定時間與圍巖表面位移穩(wěn)定時間接近。此階段錨桿和錨索承受的錨固力均達到最大,錨桿錨固力最大值達142kN,錨索錨固力最大達到195kN,但尚未達到錨桿和錨索的屈服極限,尚有30%多的強度富余。第1監(jiān)測斷面趨于穩(wěn)定后,根據第一階段錨桿/錨索的受力特點,巷道開挖后要在最短的時間內最大限度地恢復巷道自由面上的法向應力,改善因巷道開挖導致劣化的近表圍巖應力狀態(tài),因此,提出增大錨桿/錨索初始預應力的調整措施,以進一步發(fā)揮錨桿/索的錨固力,提高其對圍巖的加固增強作用。調整錨桿/索預應力后,錨固力明顯提高(見圖8(b)和(c)),從而較大程度地抑制了圍巖的破裂擴展和碎脹擴容,顯著較小了圍巖變形。4.2.2桿、錨固力波場錨固力監(jiān)測結果顯示,巷道兩肩和拱頂部位的錨桿和錨索受力遠大于兩幫部位的錨桿和錨索受力,這是由于水平方向上巖體受到斷層破碎帶切割,巖性破碎,壓縮性強,在錨固力發(fā)展變化階段產生了一定的壓縮,從而表現為水平位移較大,而錨桿和錨索受力處于較低水平,說明錨固力受圍巖內部結構面控制。這個現象印證了斷層帶為優(yōu)勢結構面的論斷。4.3圍巖深部位移監(jiān)測巷道收斂量測反映的是巷道表面上兩點的相對位移,而多點位移計可以測試圍巖深部位移的變化,直觀地反映地壓活動的規(guī)律,是指導施工與評價圍巖穩(wěn)定性的重要指標。2008年6月10日開始測量圍巖深部位移,經過7個多月的監(jiān)測,截至2009年1月4日,各測點曲線均趨于穩(wěn)定。為了便于對比,圖9分別給出了3個監(jiān)測斷面拱頂、右?guī)秃妥髱筒煌课粶y孔的圍巖深部絕對位移隨時間的變化曲線。4.3.1支護對圍巖位移的影響巷道開挖后,徑向位移方向指向開挖自由面,無反向位移。隨著時間的推移,各點位移都有不同程度的增加。由圖9可知,圍巖位移的發(fā)展過程分為3個階段。第一階段為快速增長期,持續(xù)時間在巷道開挖后的最初20d,這一階段位移發(fā)展速率較快,特別是左幫位移在前10d的最大速率為3.32mm/d。第2階段為震蕩調整期,持續(xù)時間為巷道開挖后20~60d,隨著掘進工作面繼續(xù)推進,錨桿和錨索的支護作用完全發(fā)揮,變形受開挖影響逐漸減小。當掘進工作面距監(jiān)測斷面超過60m后,位移不再受開挖的影響,變化速率明顯降低。開挖后40d左右,各測點位移不同程度地突變,相鄰巷道開挖影響明顯,與表面位移和錨桿、錨索錨固力監(jiān)測在時間上一致。第3階段為變形穩(wěn)定階段,這一階段存在蠕變變形,但位移量不大,變形逐步趨于穩(wěn)定。說明一次支護基本上能夠維持施工期的圍巖穩(wěn)定。孔口測點累積位移量最大,其中左幫孔口最大達到38.79mm,右?guī)屠鄯e位移量為19.35mm,拱頂累積位移量為12.69mm。距離測點孔口最遠測點位移量很小,相對于表面位移可看作是基準點。4.3.2深部巷道圍巖支護效果分析由兩幫測孔觀察,孔深18m處穩(wěn)定位移分別為2.10和4.15mm,為孔口位移的10.7%和11.1%,顯示深部巖體受到開挖擾動影響較大;而根據近期淮南礦區(qū)地應力測試的結果分析,深部高地應力圍巖中應力擾動區(qū)邊緣距離巷道中心同樣可達到20m以上。兩種測試結果一致。分析原因:深部巷道開挖后圍巖承受重新分布的高應力,而深部,特別是斷層破碎帶影響區(qū)域圍巖受節(jié)理切割錯動影響,巖體強度較低,這就導致應力擾動區(qū)和損傷破壞區(qū)范圍遠遠大于淺層圍巖中的測試范圍。因此,深部巷道支護過程中應當根據監(jiān)測結果增大加固區(qū)厚度范圍,擴大圍巖的主動承載圈。通過圖9觀察斷面孔口絕對位移的結果可以看出,監(jiān)測結果呈現“左幫位移值大于右?guī)臀灰浦荡笥诠绊斘灰浦怠钡囊?guī)律。根據表面收斂斷面監(jiān)測結果分析,同樣支護條件下,水平方向位移大于垂直方向位移,因此,監(jiān)測斷面的拱頂位移量最小。兩幫開挖卸荷引起的圍巖收斂變形與擾動應力場引起的層間錯動相疊加,對左幫而言,2個向右的位移分量相加,形成向右增大的水平位移;對右?guī)投?2個方向相反的位移分量相加產生減少的水平位移。4.4現場監(jiān)測的工作狀態(tài)在斷層破碎帶施工期間,存在嚴重的安全隱患,最大的威脅在于破碎軟弱圍巖巷道的冒落和片幫,所以為了增大施工期的安全性能,斷層破碎帶段U型鋼緊跟迎頭安裝,未安裝支架段距離工作面不超過1m。為了研究型鋼支架的實際受力情況及工作性能,進一步完善支架的設計參數,對回風大巷的U型鋼支架實際工作狀態(tài)進行了現場監(jiān)測。自2008年6月19日安裝支架壓力斷面測點并開始監(jiān)測,截至2008年12月30日,持續(xù)6個月,監(jiān)測斷面內5個測點的支架壓力與時間關系曲線如圖10所示。由于巷道巖體軟弱,圍巖節(jié)理發(fā)育,爆破掘進過程中易產生較大超挖和欠挖,安裝支架過程中需要進行壁后充填,以保證支架與圍巖充分接觸,因此,支架架設初期,受到壁后充填層的保護,支架受力較為均勻,初期支架壓力均為0~0.1MPa。隨著圍巖變形的發(fā)展,支架承受的應力有所增加,但增加幅度不大,最終趨于穩(wěn)定。由5個測點的監(jiān)測曲線觀察,達到穩(wěn)定之前拱部和兩肩測值多次出現較大震蕩,導致整個支架各個測點內力變化與調整,但總體上壓力保持在較低水平,作用于鋼拱架上法向壓力測值均為0~0.24MPa,遠小于支架的極限承載能力0.4MPa。說明巷道支護體系主要是依靠錨注支護來維護巷道穩(wěn)定,而型鋼支架結構的主要作用是巷道的施工期的安全防護。5底角注漿錨桿加固方案綜合分析斷層破碎帶的規(guī)模及現場揭露的地質情況,結合巷道施工條件及監(jiān)測數據分析結果,提出加固巷道斷層破碎帶的調整方案。(1)超前注漿破碎帶A1斷面緊鄰F92大斷層,由監(jiān)測結果分析,該斷面圍巖軟弱,開挖后碎脹變形大,表現為最大底臌量和最大水平收斂位移分別達到192.46和122.95mm,因此,采用超前注漿法通過斷層破碎帶,注漿錨桿直徑為28mm,壁厚2mm,長度為4.5m,縱向排距2.0m,注漿仰角20°,注漿用p52.5硫鋁酸鹽高強速凝水泥,水灰比為0.6~0.8,注漿壓力為2~3.5MPa,封孔距離長為400~500mm,注漿前先對迎頭噴混凝土進行封閉。(2)底板加固方案在分析第1個監(jiān)測斷面A1巷道變形規(guī)律的基礎上,提出應用底角注漿錨桿和幫腳錨桿抵抗底角應力集中區(qū)的剪切滑移,底板錨索和底板注漿增強加固底板,提高底板巖體抗剪強度的方案,如圖7所示,底角注漿錨桿選用直徑48