第３６卷第２１期 ２ ０ １ ０年７月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲｌ｜、ＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．２１ Ｊｕ１．２０１０ ・１１５・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１０）２１—０１１５—０３ 深部巷道围岩稳定性数值模拟研究 黄摘静 要：以某煤矿一６４８ ｍ南翼回风大巷４００ ｍ的试验段为研究背景，以数值分析为手段，分析了巷道支护前后应力场、 位移场、塑性区的分布情况，对巷道的稳定性和支护参数的合理性做出了评价，并将数值分析结果与现场监测数据进行 对比，验证了数值分析结果的合理性。 关键词：巷道，稳定性，深部，数值 中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标识码：Ａ 经过几十年来的大规模开采，浅部资源已走向枯竭，煤炭开 度也随之加大。本文以某巷道开展的支护试验研究为背景，采用 采逐渐向深部延伸，随着开采深度的增加，地应力增大，水头压力 数值方法分析了煤岩巷道支护参数和支护结构的内力，对深部巷 和涌水量加大，地温升高，深部巷道围岩稳定性控制与支护的难 道的稳定性分析及支护具有参考价值。 夹层、上软下硬、软硬突变等场地，可能在锤击数不多的情况下打 的最终承载力。管桩在施打时，尽管已按设计要求的收锤标准收 断桩，因而不宜采用柴油锤施打管桩，可采用钻（冲）孔桩或静力 锤，但是桩长太短，在最后的承载力检测中却不符合要求。经过 压桩。２）在施工过程中进行严格管理，防止锤击过度，避免中途 复打，有的管桩甚至还能人土十几厘米。通过施工实践分析，造 停歇，认真记录施打过程。当贯入度发生突变时，可用测绳量出 成这种现象的主要原因是管桩人土桩长较短（有的桩长只有３ ｍ 已人土的桩长是否与配桩长度一致，从而分析管桩是否发生断 －５ ｍ），而且入岩较浅，锤击数不多，基岩容易受到风化作用，致 裂。３）使用合格的ＰＨＣＡＢ型管桩。管桩的混凝土强度等级、预应 使桩端的持力层受到破坏，造成桩端的承载力降低。 力张拉值、几何尺寸偏差、外观质量、钢桩尖等都必须符合有关规 ３．２预应力管桩短桩的预防处理方法 定。４）根据ＰＨＣ管桩直径和承载力选用合适的柴油锤型，避免小 １）详细分析地质资料，在出现短桩和入岩深度较浅的地段， 锤打大桩，造成锤击数过多而引起预应力管桩在接桩处脱焊。 要及时往管桩内浇灌混凝土进行封底来保护基岩。２）在施工过 程中，合理安排打桩顺序，先深后浅。对已打的管桩可采用高应 变的方法进行检测，检查管桩的承载力是否满足设计要求。３）对 ２预应力管桩焊接不良的原因和预防处理的方法 ２．１ 焊接不良的原因 １）连接处表面没有清理干净，留有杂质、雨水、油迹等。２）采 管桩进行复打，使收锤贯人度再次达到设计要求。但要注意施工 工艺，防止管桩桩头被打碎。 用焊接时，连接件不平，有较大的间隙，造成焊接不牢。３）焊接质 量不好，焊接不连续、不饱满，焊缝中有夹渣等。４）两节桩不在同 ４不均匀开挖使流塑质土应力侧向释放使桩身倾斜断裂 直线上，在接桩处产生曲折，压入桩时接桩处局部产生集中应 ４．１桩身倾斜断裂的原因 因本区地处沿海地区，淤泥层较厚，而淤泥具有流动性，受外 力而破坏连接。 一２．２焊接不良预防措施 力的影响容易产生流动推力，破坏工程桩与维护体结构，造成工 １）接桩前，对连接部位上的杂质、油污、水分等必须清理干 程桩因流塑质土应力侧向释放导致桩身倾斜断裂。净，保证连接部件清洁。２）检查连接部件是否牢固、平整和符合 ４．２桩身倾斜断裂预防处理方法 鉴于我区多个工地施工经验，对淤泥层较厚的地区进行桩基 设计要求，如有问题，必须进行修正才能使用。３）接桩时，两节桩 应在同一轴线上，焊接预埋件应平整服贴，焊缝应饱满连续，当采 施工时应制定完备的基坑开挖方案，先对施工场地四周进行基坑 从 用硫磺胶泥接桩时，应严格按操作规程操作，特别是配合比应经过 支护，再对基坑内淤泥进行开挖和换填土，最后进行桩基施工，试验，熬制及施工时温度应控制好，保证硫磺胶泥达到设计强度。 而避免因基坑开挖时淤泥流动产生流动推力，导致桩身倾斜断裂。 ３预应力管桩短桩的原因和预防处理的方法 ３．１预应力管桩短桩的原因和危害 ５结语 随着经济的发展，预应力管桩在桩基础工程中得到广泛的应 但却不能盲目采用，应结合地质资料详细分析使用，对不利地 我区属于沿海地区，面积大，地质较复杂，很多情况下基岩埋 用，加强监管， 深较浅，埋深相差较大且基岩较薄时，常常会出现短桩的现象。 质条件做到心中有数，并准备相应的应对措施及材料， 这种地质情况不但给配桩带来了很大的难度，而且还会影响管桩 只有这样才能带来良好的工程质量及经济效益。Ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｓｅｅｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｐｉｐｅ ｐｏｌｅｓ ＷＵ Ｈｏｎｇ－ｙｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｗｈｅｎ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅｓ ａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅ０ｌｏ百ｃａｌ ｏｎｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｅａｔ— ｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｐｉｐｅ ｐｉｌｓ，ｔｈｅｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｘｔｅｎｄ ａｅｎｄ ａｐｐｌｙ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅｓ，ｂｒｏｋｅｎ ｐｉｌｓ，ｕｎｆｅａｖｏｒａｂｌｅ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｓｈｏｒｔ ｐｉｌｓ，ｕｎｅｖｅｎ ｅｘｃａｖａｔｉｅｏｎ 收稿日期：２０１０—０３．２２ 作者简介：黄静（１９８３一），女，助理工程师，中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉４３００８０ ・１１６・．１ １‘． ２第３ ０ １６卷篓２ ０年７月 １窖 山 西 建 筑材料的本构关系采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ模型。该模型的破坏包 络线对应于Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则（剪切屈服函数）和拉断屈服 准则（拉应力屈服函数），它与拉应力流动法则相关联而与剪切流 动不相关联。 １研究区概况 １．１地质条件概述 该矿区煤系地层自下而上由寒武系、下奥陶系、上石炭系、二 叠系和新生界诸地层组成。煤系下伏地层为本溪组铝质泥岩，上 覆地层为石千峰组砂质泥岩和砂岩。深部围岩形成于石炭纪和 二叠纪，岩性以砂岩、页岩、泥岩、泥炭居多，或为其中两种岩性的 混杂体，经历过多次构造运动的挤压和剪切作用，具有泥质胶结， 软弱破碎，赋存了较高的残余构造应力的特点。 矿区位于华北板块南缘，东起郯庐断裂，西至麻城阜阳断层， 北接蚌埠隆起，南以老人仓一寿县断层与合肥中生代坳陷相邻。 构造形式为近东西向的盆地，盆地南北两侧对冲形成叠瓦状的推 图１ 模型位移边界条件示意圈 覆构造，盆地内部则为较宽缓的呈北西西向的向斜构造。 ２．４支护材料参数 巷道开挖后需要进行初喷、挂网，张拉锚杆和锚索，再进行支 １．２地应力条件 最后再进行全断面注浆。其 本次分别采用套孔应力解除法和水压致裂法对矿区深部典 架。支架安装完毕后进行二次喷层，型地段的地应力场进行了现场测试和分析。实测结果表明：１）测 中锚杆为 ２，Ｌ＝２ ８００＠７００×７００梅花形布置；锚索设计参数 ’为＋１７．８，Ｌ＝６ ０００＠１ ４００×１ ４００，垂直于巷道轮廓线布置，预应 孔区最大水平主应力量值为１９．７０ ＭＰａ，垂直应力１７．８０ ＭＰａ，属 高应力水平。最大水平主应力方位角为３３５。，为ＮＷＮ方向；２） 力不小于１００ ｋＮ；喷层时喷射混凝土强度等级为Ｃ２０。侧压系数平均为１．１１，略大于１，即水平应力略大于铅直应力，说 ２．５模拟步骤 明测试区的应力场以水平构造应力为主，构造应力和自重应力均 首先设置重力以及初始地应力，运行程序达到平衡（最大不 平衡力不大于１０ｅ－５），并将所有位移归零；之后按照设计要求进 对巷道稳定产生重要影响。 ２数值模型的建立 ２．１数值模型 试验巷道尺寸为６．２ ｍ×４．６ ｍ×４００ ＩＴ１，根据理论和数值分 析经验，在大于８倍～１０倍的洞室半径之外，围岩应力重分布已 行开挖，分析开挖但未支护状态下的位移场、应力场以及塑性分 布区；然后按支护设计参数模拟施加预应力锚杆、锚索，并喷射混 凝土，分析开挖并采取支护措施后的位移场、应力场以及支护结 构（锚杆和锚索）内力。 经不明显，应力场以及位移场接近初始状态，故数值模型尺寸为 ３模拟结果分析 ３０ ｍ×２５ ｒｒｌ×１０ ｍ（宽×高×厚）。巷道上半部为圆形，角度为 ３．１ 开挖未支护模拟结果 １８０。，半径为３ １００ ｍｍ，下半部为直壁，高度为１ ６００ ｍｍ，为一马 蹄形巷道。 未支护巷道围岩的最大主应力云图见图２，巷道底面中部位 置最大主应力为拉应力，易发生破坏，产生底鼓。在巷道顶部及 根据地质资料分析，巷道围岩主要为４．５ ｒｌｌ厚的砂质泥岩和 两帮的局部位置，也存在最大主应力为拉应力的情况，表明易发 ４．５ Ｉｎ厚的细砂岩，不存在明显层面，过渡均匀，砂质泥岩和细砂 生破坏，产生掉块。在两底角处，应力集中的情况比较明显，同样 岩层面抗剪强度与岩层接近，不需要考虑层面对力学性质的影 易发生破坏。巷道开挖后若不采取支护措施，底角处的应力集中 响。本次数值分析采取均质模型，各项物理力学参数为砂质泥岩 现象较明显，底面出现拉应力，因此巷道的支护方案中应该特别 和细砂岩室内测试结果的算术平均。 支护锚索由ＦＬＡＣ中锚索结构单元来模拟，锚索单元为二节 点杆单元。每个单元可承受拉应力和压应力，但不能承受弯矩。 注重对底角的支护。 Ｃｏｎｔｃ￣０ｆ ～ ａｃ：０．０００ｅ＋０００ Ｃ￣ｅｒｌｔ ＣａｌｃｕｌａｔｉＯｎ 锚杆也由ＦＬＡＣ中锚索结构单元来模拟，结构具有抗拉压、抗剪 性能。喷射的混凝土结构用ＦＬＡＣ中的壳形结构单元来模拟。 ２．２边界条件 本次模拟在数值模型的外侧设置为应力边界条件。据地应力 的测试结果，最大水平主应力为１９．７０ ＭＰａ，垂直应力１７．８０ ＭＰａ。 ＿１ ４７９ ４ｅ＋００７ｔＯ～１ ４１７０ ０ｅ＋００７ Ｉ １．４００ ０ｅ－ｔ－００７幻～１．２００ ０ｅ＋００７ ｌ １．２００ ０ｅ＋００７幻～１．００ｏ ０ｅ＋００７ 强一１．０００ ｏｅ＋００７幻～８．０００ ０ｅ＋００６ 髫一８ ００００ｅ＋０嘶ｔＯ～６．００ｏ０ｅ＋００６ 瓣６．０００ ０ｅ＋００６ｔｏ～４．０００ ０ｅ＋０１７６ ４ ０００ ０ｅ＋００６幻～２．００ｏ ０ｅ＋００６ 露２（Ｊ００ ０ｅ＋００６∞０．∞０ ０ｅ＋０００ 蘑０．０００ ０ｅ＋０００协７．８２９ ５ｅ＋００５ ｌｎｔｅｒｖａｌ＝２ ０ｅ＋ｏｏ６ 最大水平主应力方位角为３３５。，为ＮＷＮ方向，侧压系数平均为 １．１ｌ。根据应力等效原理，并结合ｌＶｂｈｒ应力圆可在模型中设置地 应力为 图２ 未支护巷道围岩的最大主应力云图 ＝一１７．０６ ＭＰａ， ＝一１８．４２５ ＭＰａ， ＝一１７．８ ＭＰａ， ３．２开挖后支护模拟结果 Ｚ＇ｘｙｚ０．７３６ ＭＰａ，ｒ ＝一０．７３６ ＭＰａ。地应力以面力的形式施加 到模型的外表面上。 ＝支护后巷道围岩的最大主应力云图见图３，支护后巷道底面 中部的拉应力降低了一个数量级，巷道周围受拉区域明显减少， 这与底角为直角更易引起应力集中 在模型的外边界同时也采用位移边界条件，具体如下：１）在 底角应力集中现象仍然存在，［一１５．１，一１４．９］和 ＝［１４．９，１５．１］范围内的节点沿ｚ方向 有关。应力集中增大主要由于该处存在数值奇异点，随着时步增 的位移为零。２）在Ｙ＝［一０．１，０．１］和ｙ＝［９．９，１０．１］范围内的 加而增大所致。数值模拟表明锚索最大轴力为１５０ ｋＮ，为分布在底角附近的 节点沿Ｙ方向的位移为零。３）在 ＝［一１０．１，一９．９］范围内的 ４５ ｋＮ。 节点沿ｚ，Ｙ，ｚ方向上的位移均为零。图１为模型的位移边界条 两根倾斜锚索。分布在截面四周的锚索的平均轴力为１２０．锚杆的平均轴力为８０．４７ ｋＮ，均为拉力。与现场监测结果相比 件的示意图。 ２．３本构关系 较，模拟的锚索的应力与实际情况基本吻合，而（下转第１３５页） 第３６卷第２１期 ２ ０ １ ０年７月 张鹏飞：地下防水工程综合施工措施 ・１３５・ ； 图ｌ 固定式穿墙管防水构造 一图２ 套管式穿墙管防水构造 ［２］ ＪＧＪ １０４—９７，建筑工程冬期施工规程［ｓ］・ ． ５．２穿墙管 西建筑２００９，３５（１３）：１５２—１５３． ，Ｏｎ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｒｏｊ ｅｃｔｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ａｎｄ ｍａｉｎ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｏｉｃｌｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ’Ｓ ｏｎｓｃｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｓ ｅｏｆ （上接第１１６页） 锚杆的轴力偏小（实测中锚杆的平均轴力为 近的位置，巷道围岩的应力集中主要存在于底角处。表明在支护 １００ ｋＮ）。 （￣ｆｆｆｏｕｒｄ Ｍ ｆａｃ＝０．０００ｅ＋０００ ＧｒａｄｉｅｎｔＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎ １ ６７１ ｇｅ＋００７幻１．６０ｏ ０ｅ＋０ｏ７ １．６０Ｏ ０ｅ＋００７幻一１．４００ ０ｅ＋０ｏ７ １．４００ ０ｅ＋Ｏｏ７幻一１．２００ ０ｅ＋０ｏ７ １．２００ ０ｅ＋００７ｔＯ １．０００ ０ｅ＋００７ １．ｏｏ０ ０ｅ＋００７ｔｏ一８．Ｏｏ０ ０ｅ＋００６ ８．０００ ０ｅ＋００６幻一６ ０００ ０ｅ＋０ ６．０００ ０ｅ＋００６切一４ ０ｏ０ ０ｅ＋０ｏ６ ４．０００ ０ｅ＋００６协２ ０００ ０ｅ＋００６ ２．０００ ０ｅ＋００６幻０ ０ｏ０（ｋ＋∞０ ０ ０００ ０ｅ＋０００ ６ ８５７ ３ｅ＋０ｏ５ 一—————一——结构的作用下，拱顶周围的拉应力区基本上被消除，底面中部的 拉应力降低显著。２）巷道未支护前稳定性极差，自稳能力极差， 开挖后应立即支护，支护后巷道的稳定性大大提高。３）采用数值 模拟方法可以为深部巷道开挖后支护措施的选取予以指导。 参考文献： ［１］李仲奎，戴 荣，姜逸明．ＦＩ ＡＣ３Ｄ分析中的初始应力场生 成及在大型地下洞室群计算中的应用［Ｊ］．岩土力学与工程 学报，２００２，２１（ｓａ）：２３８７—２３９２． Ｉｎｔｅｒｖａｌ＝２ ｏｅ＋００６ ［２］ 彭文斌．ＦＬＡＣ３Ｄ实用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２Ｏ０８． ［３］刘 波，韩彦辉．ＦＬＡＣ原理、实例与应用［Ｍ］．北京：人民交 通出版社，２００５． 图３ 支护后巷道围岩的最大主应力云图 无论是数值模拟结果还是实测数值均表明，巷道开挖后采取 等．ＦＬＡＣ基本原理及其在地学中 支护措施变形得到了有力的控制，巷道基本稳定。塑性区增大表 ［４］杨立强，张中杰，林舸，的应用［Ｊ］．地学前沿（中国地质大学，北京），２００３，１（１０）： 明后期应尽快完成注浆的施工，提高岩体的完整性和强度。模拟 结果与现场测试的结果较为接近。 １５—１９． ４结语 １）支护后，巷道的受拉区主要集中在底面中部和拱顶中部附 ［５］戴永浩，陈卫忠，刘泉声，等．深部高地应力巷道断面优化研 究［Ｊ］．岩土力学与工程学报，２００４，２３（Ｓ２）：４９６０—４９６５． Ｖａｌｕｅ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ４００ ｍ ｔｅｓｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｙｉ ｂｉｇ ｒｅｔｕｒｅ ａｉｒ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ一６４８ ｍ ｏｆ ｏｎｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｐｐｌｙｉｎｇ ｖａｌｕｅ ａｎａｌ— ｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ，ｄｉｓｐｌａｅｅｍｅｎｔ ｆｉｅｌｄ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｇ ｎｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｅｖａｌｕａｔ— ｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔｅ ｆｒｏｍ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｅｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｄｅｅｐ ｐａｒｔｓ，ｖａｌｕｅ