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1、隧道工程读书报告一、新奥法施工1、研究现状11国外研究现状(1) 古典压力理论20世纪初发展起来的以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认 为：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量汕。其不同之处在于：海姆 认为侧压系数为1,朗金根据松散理论认为是tan2(45。-申/2)，而金尼克根据弹 性理论认为卩/(I-卩)，其中卩、甲、Y分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质 量。(2) 坍落拱理论随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都不符合实际之 处，于是，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基和普氏理论。坍落拱理论认为： 坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱
2、形状为矩形， 而普氏则认为坍落拱形状呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具 有自承能力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题， 其中最著名的是芬纳公式和卡斯特纳公式。(3) 新奥法20世纪60年代，奥地利工程师在总结前人经验的基础上， 提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法,简称新奥法。 新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，米勒教授比较 全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。1980年， 奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：在岩体和土体中设置的使地 下空间的周围岩体形成一个中空筒状
3、支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法 的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组 成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。新奥法自奥地利起源 之后，先后在欧洲诸国，特别是意大利、挪威、瑞典、德国、法国、英国、芬兰 等大量修建山地与城市隧道的国家得以应用于发展，然后，世界各国，特别是 亚洲的日本、中国、印度；北美的美国、加拿大；南美的巴西、智利；非洲的南 非、莱索托以及大洋洲的澳大利亚、新西兰等国都成功地把它应用于一些不同地 质情况下的隧道施工之中，并且从最初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力 等其它岩土工程领域。虽然新奥法的应用已如此广泛，但不同的应
4、用者对它的解 释还存在着许多矛盾。实际工程中存在着一种倾向，就是盲目地把新奥法应用于 不适宜的地质条件，从而使这些巷道工程出现这样或那样的问题。这种情况在中 国也同样存在尤其是煤矿，人们对软岩的物理含义和力学性质理解不够、对利用 仪器进行巷道变形及荷载测量的重要性认识不足，不仅时常出现不合理的套用新 奥法理论来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机理，而且 也出现过因应用新奥法不当，而造成锚喷或锚喷网支护的巷道大面积跨落、坍塌 等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。(4) 应变控制理论日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为：隧道 围岩的应变随支护结构的增加
5、而减小，而允许应变则随支护结构的增加而增大。 因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。支护 结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后 确定的。(5) 能量支护理论20世纪70年代，萨拉蒙等又提出了能量支护理论，该理论认为：支护结构 与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸 收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架 自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量 的功能。(6) 数值计算法目前，数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法 等，
6、以此为理论基础的计算软件大量涌现，如ADINA、NOLM、FINAL、UDEC、SAP、 FLAC等程序都为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工 程支护中得到了广泛的应用。1.2国内研究现状中国软岩巷道支护系统工作开始于1958年春，北京市西部九龙山向斜北翼 安家滩井田西部近向斜长轴处，木支架大巷遇到灰黑色泥岩，发生强烈底膨，后 改用五节棚支护，再加底梁，均无效，巷道失稳而报废。自此上报，提出软岩支 护难题。后开发辽宁的沈北矿区，在前屯矿建设时出现井口大变形，支护挤裂， 无法继续掘进，停工维修，前掘后塌，停掘返修，工程难前进而报废，以致停工 数年。此后，该矿区的蒲河矿、大桥矿
7、、平庄矿区红庙矿也出现重大软岩技术事 故。为此，煤炭部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量，在前屯矿二、 三井和红庙进行了多种巷道支护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式 及施工工艺等方面都取得了初步经验。20世纪80年代以来，与软岩工程相关的 全国性会议召开了 20余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶 段。中国煤矿矿压专业委员会软岩分会召集全国的软岩科研、施工、生产各方面 的专业人员进行交流，起到了很好的组织、交流、提高作用。特别是20世纪90 年代初，中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技 术研究推广中心成立，更为软岩工程理论与技术的交流与
8、推广，创造了良好的条 件。(1) 岩性转化理论中国著名岩土工程专家陈宗基院士在20世纪60年代从大量工程实践中总结 出岩性转化理论。该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境 工程条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。坚硬的花岗岩，在 高温高压的工程条件下，产生了流变、扩容，并指出，岩块的各种测试结果与掩 体的工程设计应有明显的区别。强调岩体是非均质、非连续的介质，岩体在工程 条件形成的本构关系绝非简单的弹塑、弹黏塑变形理论特征。(2) 轴变论理论于学馥教授等提出轴变论理论，认为：巷道坍落可以自行稳定，可以用弹塑 性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的
9、，坍落是改变巷 道轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向 无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的 轴比，其形状为椭圆形。近年来，于学馥教授等运用系统论、热力学等理论提出 开挖系统控制理论。该理论认为：开挖扰动怕破坏了岩体的平衡，这个不平衡系 统具有组织功能。(3) 联合支护理论冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基 础上发展起来的，其观点可以慨括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行 的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式锚 喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等
10、联合支护技术。(4) 锚喷一弧板支护理论孙均、郑雨天和朱效嘉教授等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论 的发展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度， 要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚 的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。(5) 松动圈理论松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容：凡是坚硬 围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存 在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支 护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。(6) 主次承接区支护理论主
11、次承接区支护理论是由方祖烈教授提出的。该理论认为：巷道开挖后，在 围岩中形成拉压域；压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳 定的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力， 但其与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作 用决定巷道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、 次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到 位。(7) 应力控制理论应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏联，其基 本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的 应力及能量分布
12、，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部 转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。(8) 软岩工程力学支护理论软岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学 相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制 为核心的一种新的软岩巷道支护理论。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、 软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非 线性大变形力学设计方法等内容。2、新奥法研究内容2.1施工特点(1) 及时性新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施 工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的
13、变形发展，阻止围岩 进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和 全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并 控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。(2) 封闭性由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止 因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有 岩体强度。巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝， 随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好 的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大
14、提高了围岩的强度。(提高围岩的粘聚力 C和内摩擦角)。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层 的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。(3) 粘结性喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用： 联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发 生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的 冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可 以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。 复和作用，即围岩与支护构成一个复合体(受力体系)共同支护围岩。喷 锚支
15、护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工 作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支 架消极承担的弱点。 增加作用，开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处 填平，消除因岩面不评引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩 破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提咼了围岩的粘结力C 和内摩擦角，就是提高了围岩的强度。(4) 柔性喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支 护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变 形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，
16、使围岩的自承能力得以充分 发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大 的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。2.2适用范围(1) 具有较长自稳时间的中等岩体；(2) 弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；(3) 强风化的岩石；(4) 刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；(5) 坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；(6) 微裂隙的，但很少粘土的岩体；(7) 在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合(1) 有强烈地压显现的岩体；(2) 膨胀性岩体(要与仰拱与底部锚杆相配合)；(3) 在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；(4) 在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；在下列场合中应用应慎重(1) 大量涌水的岩体；(2) 由于涌水会产生流
