CN109854252B - 地下工程分阶段完整控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地下工程分阶段完整控制方法，它解决了现有技术中围岩控制方法极易引发安全事故的问题，具有能根据分阶段支护方法对复杂条件地下工程围岩进行有效支护的有益效果，其方案如下：地下工程分阶段完整控制方法，包括地下工程开挖后，对围岩进行综合分级；根据围岩综合分级结果，建立围岩外荷载模型，并建立不同支护阶段围岩稳定性数值模拟与支护力学模型；根据围岩稳定性数值模拟与支护力学模型得到围岩变形指标和支护受力指标，选择分阶段支护最优设计方案；最优设计方案现场应用后，对围岩控制效果进行实时评价；根据围岩控制效果实时评价结果，动态优化分阶段完整控制支护设计。

Description

地下工程分阶段完整控制方法

技术领域

本发明涉及地下工程中安全技术领域，特别是涉及地下工程分阶段完整控制方法。

背景技术

我国矿山巷道、交通隧道、地铁、水电站等地下工程得到了前所未有的发展，已成为世界公认的地下工程建设数量与建设规模第一大国。

随着地下工程开发和利用进入新的阶段，地下工程逐渐向深部地下空间和复杂条件地下空间建设发展，高应力、极软弱、断层破碎带等复杂地质条件地下工程急剧增加，对围岩稳定控制及施工安全造成了极大挑战，常出现塌方、大变形、支护构件破断等工程问题，导致了巨大的安全事故和经济损失。

传统的地下工程围岩控制方法存在以下不足：

(1)对于复杂地质条件下地下工程，锚网喷、工字钢等单一传统支护方式强度和刚度不足，极易引发拱顶冒落、大变形、支护构件破断等严重安全事故。

(2)目前无有效的围岩快速原位分级方法和围岩控制效果实时评价方法，常根据工程类比确定支护参数和时机，支护设计缺乏定量依据、优化不及时，易造成支护不当的问题。

地下工程分阶段完整控制方法由钻进分级、分阶段支护和实时评价优化共同实现。地下工程开挖后进行围岩数字钻探得到围岩力学参数分布、岩体破碎区范围，结合地质条件，进行不同区域围岩综合分级，并依据获得的参数进行围岩稳定性数值模拟，建立围岩外荷载模型和支护力学模型。根据围岩综合分级结果，结合数值模拟结果和支护受力计算结果，判断第一阶段锚网喷支护，第二阶段高强锚注支护、底板治理，第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护是否满足围岩控制要求并确定最优支护参数设计。现场应用后利用数字钻探测试***和围岩监测仪器对围岩控制效果进行实时评价和动态优化。

地下工程分阶段完整控制方法能够准确确定围岩力学参数分布、岩体破碎范围和不同区域围岩综合分级并能对围岩控制效果进行实时评价和动态优化。根据数值模拟和支护受力计算确定的分阶段支护方法能够对复杂条件地下工程围岩进行有效支护，具有高强、高刚、安全、高效的特点。目前还没有公布上述相关方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了地下工程分阶段完整控制方法，该方法能够对地下工程围岩进行有效支护，从而实现地下工程安全、高效施工。

地下工程分阶段完整控制方法的具体方案如下：

地下工程分阶段完整控制方法，包括：

地下工程开挖后，对围岩进行综合分级；

根据围岩综合分级结果，建立围岩外荷载模型，并建立不同支护阶段围岩稳定性数值模拟与支护力学模型；

根据围岩稳定性数值模拟与支护力学模型得到围岩变形指标和支护受力指标，选择分阶段支护最优设计方案；

最优设计方案现场应用后，对围岩控制效果进行实时评价；

根据实时评价结果，动态优化分阶段完整控制支护设计。

上述控制方法，能够准确确定围岩力学参数分布、岩体破碎范围和不同区域围岩综合分级，能对围岩控制效果进行实时评价和动态优化，并根据评价结果，对复杂条件地下工程围岩进行有效支护，具有高强、高刚、安全、高效的特点，对复杂条件地下工程安全高效施工具有重要意义。

进一步地，在地下工程开挖后使用数字钻机对围岩进行数字钻探试验，获得围岩力学参数分布、岩体破碎区范围，结合地质条件，进行不同区域围岩综合分级。

进一步地，所述围岩力学参数根据数字钻探随钻参数与岩体等效力学参数关系式获得，包括不同岩体破碎区范围和同种岩体不同破碎程度范围；

进一步地，所述围岩力学参数包括围岩体单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比。

进一步地，所述根据数值模拟与支护力学模型得到围岩变形指标和支护受力指标，选择分阶段支护最优设计方案，具体包括如下内容：

1-1)根据围岩综合分级结果，进行第一阶段锚网喷支护围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，判断围岩控制是否满足要求；

1-2)若满足，确定锚网喷支护最优参数设计；若否，则根据围岩综合分级结果，进行第二阶段高强锚注支护、底板治理围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，判断围岩控制是否满足要求；

1-3)若满足要求，确定高强锚注支护参数、底板治理最优参数设计，若否，根据围岩综合分级结果，进行第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护的围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，确定高强定量让压拱架最优支护参数设计。

地下工程开挖后进行围岩数字钻探试验得到围岩力学参数分布、岩体破碎区范围，结合地质条件，进行不同区域围岩综合分级，结合围岩稳定性数值模拟结果和支护受力计算结果判断第一阶段锚网喷支护，第二阶段围岩高强锚注支护、底板治理，第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护是否满足围岩控制要求并确定最优支护体系设计方案，现场应用后利用数字钻探测试***和围岩监测仪器对围岩控制效果进行实时评价和动态优化。

进一步地，所述围岩变形指标包括断面收敛量、顶底板移近量、围岩收缩率；所述支护受力指标包括锚杆受力、锚索受力、注浆锚杆受力、注浆锚索受力、壁后充填体受力和拱架受力。

进一步地，所述步骤1-2)中底板治理方式包括注浆锚索+卸压带和锚索束+卸压带+水泥砂浆，注浆锚索根据注浆锚索参数、卸压带根据卸压带参数、锚索束根据锚索束参数、水泥浆液根据水泥浆液参数分别进行施工，卸压带设于底板单侧或两侧。

进一步地，根据所述围岩稳定性数值模拟与支护力学模型确定高强锚注参数设计，高强锚注参数设计包括传统注浆锚杆、注浆锚索参数设计、组合式高强注浆锚杆、注浆锚索参数设计、围岩注浆参数设计。

进一步地，所述卸压带参数设计、注浆锚索参数设计、锚索束参数设计、水泥浆液参数设计均通过以数字钻探为核心的综合分级结果和数值模拟确定。

进一步地，所述步骤1-4)中通过高强定量让压拱架最优支护参数设计确定高强定量让压拱架支护，高强定量让压拱架支护包括节点定量让压技术、柔性壁后充填技术、让压拱架拼装技术和核心混凝土高效灌注技术，即高强定量让压拱架参数设计包括节点定量让压参数设计、柔性壁后充填参数设计、让压拱架参数设计和核心混凝土参数设计。

进一步地，所述节点定量让压参数设计是指对由让压装置组成的拱架定量让压节点参数进行设计。

进一步地，所述柔性壁后充填参数设计是指对拱架和锚注围岩之间填充的柔性充填材料参数进行设计，所述柔性充填材料包括但不限于泡沫混凝土、钢纤维混凝土。

进一步地，所述让压拱架参数设计是指对组成整榀定量让压拱架的每节钢拱架参数进行设计，所述的让压拱架通过人力和机械化进行拼装，机械化是通过多功能拱架拼装机和辅助拱架拼装机进行拱架拼装。

进一步地，所述核心混凝土参数设计是指对定量让压拱架中灌注的混凝土参数进行设计。所述的核心混凝土包括普通混凝土和钢纤维混凝土。

进一步地，所述最优设计方案现场应用后，对围岩控制效果进行实时评价的方法包括围岩变形监测、支护受力监测、围岩应力监测和数字钻探测试；

进一步地，所述围岩变形监测方法包括使用收敛尺、塔尺、顶板离层仪和多点位移计进行围岩监测。

进一步地，所述支护受力监测方法包括通过锚杆、锚索测力计、单体支柱测力计进行支护受力监测。

进一步地，所述围岩应力监测方法为使用钻孔应力计进行围岩应力监测。

进一步地，所述数字钻探测试方法为使用数字钻机对分阶段支护后的地下工程围岩进行数字钻探，得到分阶段支护后围岩的随钻参数，通过分阶段支护后随钻参数与岩体等效强度关系式，得到分阶段支护后围岩等效强度提高率，从而对围岩控制效果进行定量评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明能够通过数字钻探技术准确确定围岩力学参数分布、岩体破碎范围和不同区域围岩综合分级，并能对围岩控制效果进行实时监测评价和动态优化。

2)本发明根据数字钻探围岩综合分级结果、围岩外荷载模型、围岩稳定性数值模拟和支护力学计算确定的分阶段支护能够对地下工程围岩进行有效支护，从而实现地下工程安全、高效施工。

3)本发明分阶段完整控制方法具有高强、高刚、安全、高效的特点，对复杂条件地下工程安全高效施工具有重要意义。

附图说明

图1是本发明工艺流程图；

图2是地下工程开挖后使用数字钻机进行数字钻探试验；

图3是第一阶段锚网喷支护示意图；

图4是第二阶段围岩高强锚注支护、底板治理示意图；

图5是第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护示意图；

图6是围岩控制效果实时评价示意图；

图中，1、围岩；2、数字钻机；3、喷射混凝土；4、普通锚杆；5、高强注浆锚杆；6、高强注浆锚索；7、卸压带；8、锚索束；9柔性壁后充填材料；10、高强定量让压拱架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了地下工程分阶段完整控制方法。

本申请的一种典型的实施方式中，地下工程分阶段完整控制方法，

步骤一：使用数字钻机2在地下工程开挖后对围岩1进行数字钻探试验，获得围岩力学参数分布、岩体破碎区范围，结合地质条件，进行不同区域围岩综合分级。

步骤二：根据数字钻探综合分级结果，建立围岩外荷载模型，并进行不同支护阶段围岩稳定性数值模拟和支护受力计算。

步骤三：进行第一阶段锚网喷支护围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，并根据计算结果确定普通锚杆4的长度、间排距和预紧力、喷射混凝土3的型号和厚度。

围岩变形指标包括断面收敛量、顶底板移近量和围岩收缩率在内的围岩变形指标，支护受力指标包括锚杆受力、锚索受力、注浆锚杆受力、注浆锚索受力、壁后充填体受力和拱架受力。若围岩变形指标和支护受力指标满足要求，锚网喷支护即为最优支护方法。

步骤四：在第一阶段锚网喷支护后，若顶板、巷帮控制不满足要求，进行第二阶段高强锚注支护，若底板控制不满足要求，则根据数字钻探围岩综合分级结果，进行第二阶段高强锚注支护、底板治理围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，根据计算结果确定高强注浆锚杆5和高强注浆锚索6长度、间排距，以及注浆量、注浆压力、浆液配比、添加剂种类和含量，确定卸压带7宽度、深度，以及锚索束8直径、长度。

根据围岩变形指标和支护受力指标，判断围岩控制是否满足要求。若第二阶段高强锚注支护、底板治理后，顶板、巷帮、底板控制均满足要求，则第二阶段为最优支护方法。

底板治理方式包括注浆锚索+卸压带和锚索束+卸压带+水泥砂浆，注浆锚索根据注浆锚索参数、卸压带根据卸压带参数、锚索束根据锚索束参数、水泥浆液根据水泥浆液参数分别进行施工，卸压带设于底板单侧或两侧；

卸压带参数设计、注浆锚索参数设计、锚索束参数设计、水泥浆液参数设计均通过以数字钻探为核心的综合分级结果和数值模拟确定。

步骤五：若第二阶段围岩控制不能满足要求，根据数字钻探围岩综合分级结果，进行第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护的围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到包括断面收敛量、顶底板移近量和围岩收缩率在内的围岩变形指标和包括锚杆受力、锚索受力、注浆锚杆受力、注浆锚索受力、壁后充填体受力和拱架受力在内的支护受力指标，最终确定最优支护体系设计方案；并根据计算结果进行柔性壁后充填9、高强定量让压拱架10参数设计，高强定量让压拱架10参数设计包括节点定量让压参数设计、柔性壁后充填参数设计、让压拱架参数设计和核心混凝土参数设计；

节点定量让压参数设计是指对由分阶段让压装置组成的拱架定量让压节点参数进行设计；

柔性壁后充填参数设计是指对拱架和锚注围岩之间填充的柔性充填材料参数进行设计，柔性充填材料包括但不限于泡沫混凝土、钢纤维混凝土。

让压拱架参数设计是指对组成整榀定量让压拱架的每节钢拱架参数进行设计，让压拱架通过人力和机械化进行拼装，机械化是通过多功能拱架拼装机和辅助拱架拼装机进行拱架拼装。

核心混凝土参数设计是指对定量让压拱架中灌注的混凝土参数进行设计，核心混凝土包括普通混凝土和钢纤维混凝土。

步骤六：现场应用后通过围岩变形监测、围岩应力监测、支护受力监测和数字钻探测试在内的监测评价方法对围岩控制效果进行实时监测评价。使用收敛尺、塔尺、顶板离层仪和多点位移计进行围岩监测；通过锚杆、锚索测力计、单体支柱测力计进行支护受力监测；使用钻孔应力计进行围岩应力监测；使用数字钻机2对支护后的地下工程围岩进行数字钻探，得到支护后围岩的随钻参数，通过支护后随钻参数与围岩等效强度关系式得到支护后围岩等效强度提高率，从而对围岩控制效果进行实时评价；

对围岩控制效果进行实时评价的方法包括围岩变形监测、支护受力监测、围岩应力监测和数字钻探测试；所述围岩变形监测方法包括使用收敛尺、塔尺、顶板离层仪和多点位移计进行围岩监测。

步骤七：根据围岩控制效果实时评价结果，动态优化分阶段完整控制支护设计。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，包括：

地下工程开挖后，对围岩进行综合分级；

根据围岩综合分级结果，建立围岩外荷载模型，并建立不同支护阶段围岩稳定性数值模拟与支护力学模型；

根据围岩稳定性数值模拟与支护力学模型得到围岩变形指标和支护受力指标，选择分阶段支护最优设计方案；

最优设计方案现场应用后，对围岩控制效果进行实时评价；

根据实时评价结果，动态优化分阶段完整控制支护设计；

所述根据数值模拟与支护力学模型得到围岩变形指标和支护受力指标，选择分阶段支护最优设计方案，具体包括如下内容：

1-1)根据围岩综合分级结果，进行第一阶段锚网喷支护围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，判断围岩控制是否满足要求；

1-2)若满足，确定锚网喷支护最优参数设计；若否，则根据围岩综合分级结果，进行第二阶段高强锚注支护、底板治理围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，判断围岩控制是否满足要求；

1-3)若满足要求，确定高强锚注支护参数、底板治理最优参数设计，若否，根据围岩综合分级结果，进行第三阶段高强定量让压拱架支护和柔性壁后充填支护的围岩稳定性数值模拟和支护受力计算，得到围岩变形指标和支护受力指标，确定高强定量让压拱架最优支护参数设计。

2.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，在地下工程开挖后使用数字钻机对围岩进行数字钻探试验，获得围岩力学参数分布、岩体破碎区范围，结合地质条件，进行不同区域围岩综合分级。

3.根据权利要求2所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述围岩力学参数根据数字钻探随钻参数与岩体等效力学参数关系式获得，包括不同岩体破碎区范围和同种岩体不同破碎程度范围；

进一步地，所述围岩力学参数包括围岩体单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比。

4.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述围岩变形指标包括断面收敛量、顶底板移近量、围岩收缩率；所述支护受力指标包括锚杆受力、锚索受力、注浆锚杆受力、注浆锚索受力、壁后充填体受力和拱架受力。

5.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述步骤1-2)中底板治理方式包括注浆锚索+卸压带和锚索束+卸压带+水泥砂浆，注浆锚索根据注浆锚索参数、卸压带根据卸压带参数、锚索束根据锚索束参数、水泥浆液根据水泥浆液参数分别进行施工，卸压带设于底板单侧或两侧。

6.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，根据所述围岩稳定性数值模拟与支护力学模型得到的围岩变形指标和支护受力指标确定高强锚注参数设计，高强锚注参数设计包括传统注浆锚杆、注浆锚索参数设计、组合式高强注浆锚杆、注浆锚索参数设计、围岩注浆参数设计。

7.根据权利要求5所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述卸压带参数设计、注浆锚索参数设计、锚索束参数设计、水泥浆液参数设计均通过以数字钻探为核心的综合分级结果和数值模拟确定。

8.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述高强定量让压拱架参数设计包括节点定量让压参数设计、柔性壁后充填参数设计、让压拱架参数设计和核心混凝土参数设计。

9.根据权利要求1所述的地下工程分阶段完整控制方法，其特征在于，所述最优设计方案现场应用后，对围岩控制效果进行实时评价的方法包括围岩变形监测、支护受力监测、围岩应力监测和数字钻探测试。

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