地下工程挑战：复杂地质条件下的巷道施工方法

发布时间:2024-07-30

地下工程挑战：复杂地质条件下的巷道施工方法

第一章：引言

1.1 复杂地质条件下巷道施工的重要性

巷道施工是地下工程中的一项基础性工作，它直接关系到整个工程的安全性、稳定性以及经济效益。在矿山、隧道、地铁等地下工程中，巷道不仅作为运输通道，还承担着通风、排水等功能。然而，在复杂地质条件下，如松软岩层、断层破碎带、含水层等，巷道施工面临着诸多挑战。这些地质条件不仅增加了施工难度，还可能导致塌方、涌水等安全事故，对施工人员的生命安全构成威胁。

1.2 复杂地质条件的挑战

复杂地质条件主要包括以下几个方面：

• 松软岩层：这类岩层的稳定性差，容易在施工过程中发生塌落，对施工安全构成威胁。

• 断层破碎带：断层破碎带中的岩石破碎，节理裂隙发育，岩体的整体性差，施工时容易发生大规模的塌方。

• 含水层：地下水的存在会增加岩层的不稳定性，施工时可能会遇到突泥、涌水等灾害。

• 高应力环境：高地应力环境可能导致岩爆、岩层变形等问题，对巷道的稳定性和施工安全造成影响。

1.3 施工方法的多样性

为了应对这些挑战，工程技术人员发展了多种施工方法，包括但不限于撞楔法、超前锚杆、超前小导管注浆和管棚支护等。这些方法各有特点，适用于不同的地质条件和工程需求。选择合适的施工方法，可以有效提高巷道施工的安全性和效率。

1.4 文章结构

本文将详细介绍这些施工方法的原理、施工步骤、优缺点以及适用条件。此外，还将通过实际工程案例来展示这些方法的应用效果，以期为地下工程的巷道施工提供参考和借鉴。

1.5 研究意义

随着地下空间开发利用的不断深入，复杂地质条件下的巷道施工技术将越来越受到重视。研究和掌握这些施工技术，对于提高地下工程的安全性、稳定性和经济效益具有重要意义。同时，这也有助于推动地下工程领域的技术进步和创新。

第二章：撞楔法（插板法）

2.1 撞楔法概述

撞楔法，又称插板法，是一种在松软破碎岩层中常用的巷道施工方法。该方法特别适用于处理严重塌冒或被破碎岩石充满的巷道，其核心原理是在超前支架的掩护下，通过打入撞楔来实现对巷道顶板的超前支护，从而避免顶板暴露，减少施工风险。2.2 撞楔法的工作原理

撞楔法的工作原理是在即将接触松软破碎岩层时，紧贴工作面架设支架，然后从后一架支架顶梁下方向前一架支架顶梁上方由顶板一角开始打入撞楔。撞楔的打入顺序和深度需要严格控制，以确保超前支护的有效性。

2.3 撞楔的制作与使用

撞楔通常由硬质木材制成，其宽度不小于100mm，厚度为40～50mm，前端削成扁平尖头以减少打入阻力。撞楔的长度一般为2～2.5m，需要按顺序打入，不得露顶。打入撞楔时，使用木槌以避免撞楔尾部损坏。

2.4 施工步骤

1. 支架架设：在即将接触松软破碎岩层时，首先紧贴工作面架设支架。

2. 撞楔打入：从后一架支架顶梁下方向前一架支架顶梁上方由顶板一角开始打入撞楔。

3. 顺序控制：撞楔要按顺序打入，每次将各撞楔依次打入100～200mm，直至最终的预定深度。

4. 出碴作业：在撞楔超前支护下，可以开始出碴，当清到撞楔打入岩石深度的2/3时，便应停止清碴。

5. 支架架设与循环：架设支架开始打第二排撞楔，进行第二次循环，直至通过断层冒落破碎带为止。

2.5 撞楔法的优缺点

优点：

• 安全性高：在超前支架的保护下，巷道顶板完全不暴露，有效控制施工风险。

• 适应性强：适用于松软破碎岩层，以及严重塌冒或被破碎岩石充满的巷道。

缺点：

• 施工速度慢：由于需要逐个打入撞楔，施工速度相对较慢。

• 耗费人力物力：撞楔的制作和打入过程需要较多的人力和物力。

2.6 适用条件

撞楔法适用于以下条件：

• 松软岩层：岩层松软且破碎，但不含较大的坚硬大块。

• 严重塌冒：巷道存在严重塌冒或被破碎岩石充满的情况。

• 缺乏特殊设备：在缺乏特殊设备的情况下，撞楔法是一种有效的施工方法。

2.7 实例分析

在龙烟铁矿的案例中，施工单位采用了撞楔法来有效地控制流沙，顺利穿过了施工极为困难的地段。通过缩小断面、满帮满顶、梁上梁下打撞楔的办法，有效地控制了流沙，展示了撞楔法在实际工程中的应用效果。

撞楔法作为一种传统的巷道施工方法，在复杂地质条件下显示出了其独特的优势。通过严格控制施工步骤和撞楔的使用，可以有效提高施工的安全性和稳定性。尽管存在施工速度慢和耗费人力物力的缺点，但在特定条件下，撞楔法仍然是一个值得考虑的施工选择。

第三章：超前锚杆

3.1 超前锚杆概述

超前锚杆是一种在掘进工作面前方进行预加固的支护方式，它通过在岩层中预设锚杆，形成对前方围岩的锚固作用，增强岩体的稳定性。这种方法特别适用于围岩应力较小、地下水较少、围岩软弱破碎的地段，以及掘进工作面有坍塌风险的区域。3.2 超前锚杆的工作原理

超前锚杆通过在掘进面前方沿断面轮廓线以一定角度钻孔，并将锚杆安设在钻孔中，形成对前方围岩的预锚固。锚杆的预应力能够将围岩与锚杆连接在一起，从而提高围岩的整体稳定性，防止坍塌和变形。

3.3 超前锚杆的特点

1. 施工方便：使用凿岩机<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; mask-position: 50% 50%; mask-repeat: no-repeat; mask-size: 100%; mask-image: url("data:image/svg xml,"); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">钻孔，施工过程相对简单。

2. 柔性较大：与刚性支护<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; mask-position: 50% 50%; mask-repeat: no-repeat; mask-size: 100%; mask-image: url("data:image/svg xml,"); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">相比，超前锚杆具有一定的柔性，能够适应围岩的微小变形。

3. 整体刚度较小：由于柔性较大，超前锚杆的整体刚度相对较小，加固围岩的效果和范围有限。

4. 与钢拱架配合使用：超前锚杆通常与钢拱架配合使用，以形成更加稳定的支护结构。

3.4 超前锚杆支护参数

超前锚杆的支护参数需要根据岩体结构面的特征、围岩情况以及工程需求来确定。主要参数包括：

1. 设置位置：一般在拱部纵向设置，称为拱部超前锚杆，必要时也可设置在侧墙。

2. 设置范围：拱部超前锚杆设置范围的半弧长 ( l = \frac{1}{2} \sim \frac{1}{3} a )，其中 ( a ) 为岩巷拱部外弧半长。

3. 层数：根据围岩情况，超前锚杆可采用双层或三层。

4. 搭接长度：前后两组支护在纵向有不小于1m的水平投影搭接长度。

3.5 超前锚杆的材料选择

超前锚杆的材料选择对其性能有重要影响。常用的材料包括：

1. 早强水泥砂浆锚杆：适用于需要快速发挥支护作用的情况。

2. 树脂锚杆<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; mask-position: 50% 50%; mask-repeat: no-repeat; mask-size: 100%; mask-image: url("data:image/svg xml,"); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">：具有较好的粘结性能和抗腐蚀性。

3. 组合中空锚杆<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; mask-position: 50% 50%; mask-repeat: no-repeat; mask-size: 100%; mask-image: url("data:image/svg xml,"); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">：可以进行注浆，提高锚杆与岩体的粘结力。

3.6 超前锚杆的施工步骤

1. 钻孔：在设计位置使用凿岩机进行钻孔。

2. 锚杆安装：将锚杆安装到钻孔中，并施加预应力。

3. 注浆：如果使用中空注浆锚杆，需要进行注浆操作。

4. 锚杆固定：确保锚杆固定牢靠，与岩体形成整体。

3.7 超前锚杆的优缺点

优点：

• 施工简便：使用凿岩机钻孔，施工过程简单快捷。

• 适应性强：适用于多种软弱破碎围岩条件。

• 与钢拱架配合效果好：与钢拱架配合使用，能够形成更加稳定的支护结构。

缺点：

• 刚度有限：由于柔性较大，整体刚度较小，对于高应力围岩的加固效果有限。

• 成本问题：特别是使用组合中空锚杆时，成本较高。

3.8 实例分析

在武钢金山店铁矿东风井-60m中段运输平巷的案例中，由于地质条件复杂，存在断层破碎带和极易风化的地段，施工单位采用了超前锚杆结合喷锚网联合支护的方法，成功地通过了这一破碎岩层地段。这一实例展示了超前锚杆在实际工程中的应用效果和重要性。

超前锚杆作为一种有效的支护手段，在复杂地质条件下的巷道施工中发挥着重要作用。通过合理的设计和施工，超前锚杆能够显著提高围岩的稳定性，降低坍塌风险。尽管存在一些局限性，但通过与其他支护手段的配合使用，超前锚杆仍然是一个值得推广的施工技术。

第四章：超前小导管注浆

4.1 超前小导管注浆概述

超前小导管注浆是一种在岩巷掘进前对围岩进行加固的施工技术。通过在掘进工作面前方钻孔并打入带孔的钢管，然后通过这些钢管进行渗透注浆，形成固结体，从而加固围岩，提高其稳定性。这种方法特别适用于自稳时间较短的软弱围岩或断层及其影响带、浅埋地段以及有崩塌危险的区域。4.2 工作原理

超前小导管注浆的工作原理是利用小导管作为注浆通道，将注浆材料（如水泥浆或化学浆液）注入围岩中，形成加固层，增强围岩的整体性和承载能力。小导管注浆与钢拱架、围岩共同形成超前支护结构，有效控制硐口段地表沉降，提高围岩的稳定性。

4.3 超前小导管注浆的特点

1. 双重作用：小导管注浆具有锚杆的超前支护和注浆加固围岩的双重作用。

2. 改良围岩结构：在围岩表面形成一定厚度的加固层，改良围岩结构。

3. 提高稳定性：与钢拱架、围岩共同形成超前支护结构，提高围岩稳定性。

4. 施工设备简单：相比管棚支护，小导管注浆施工设备简单，操作方便。

4.4 超前小导管注浆的施工步骤

1. 4.5 超前小导管注浆的支护参数
   

1. 加固长度：为掘进进尺的2～3倍，且不小于0.4倍硐跨。

2. 小导管长度：一般为3～6m，两组小导管纵向的水平搭接长度为0.5～1m。

3. 横向加固拱顶范围：为120°，下部采用长锚杆。

4. 外插角：一般为10°~15°，与小导管的长度和钢拱架的间距有关。

5. 环向间距：根据前方地质条件及自稳能力确定，一般为300～500mm。

4.6 超前小导管注浆的优缺点

优点：

• 加固效果好：在围岩表面形成加固层，显著提高围岩稳定性。

• 施工简便：相比其他加固方法，小导管注浆施工设备简单，操作方便。

• 适应性强：适用于多种软弱围岩和不良地质条件。

缺点：

• 施工工期较长：相比锚杆等方法，小导管注浆施工工期较长。

• 注浆压力限制：注浆压力不高，浆液扩散范围较小，支护能力不如管棚。

4.7 实例分析

在甘肃金川二矿区1150中段西副井北大巷案例中，由于岩层破碎、节理发育，稳定性差，施工时常常发生岩石冒落。针对这种情况，采用了超前小导管注浆的方法，成功地加固了围岩，提高了施工安全性。

超前小导管注浆作为一种有效的围岩加固技术，在复杂地质条件下的巷道施工中具有重要应用价值。通过合理设计和施工，可以显著提高围岩稳定性，减少施工风险。尽管存在一些局限性，但小导管注浆在特定条件下是一种经济、有效的支护方法。

第五章：管棚支护

5.1 管棚支护概述

管棚支护是一种在岩巷掘进前，沿掘进工作面的外轮廓线，以一定间距和较小的外插角向前方钻孔，插入直径大于70mm的钢管，钢管的长度也比超前小导管大得多，并将钢管尾部与型钢拱架焊接，再通过钢管向围岩注入水泥浆或砂浆，与围岩形成整体的超前支护体系。5.2 管棚支护的工作原理

管棚支护的工作原理是通过在围岩中打入钢管，形成一种类似棚架的结构，钢管与围岩之间的注浆材料填充并固化，从而形成一个整体的支护结构。这种结构能够有效地阻止和限制围岩变形，提前承受早期围岩压力，防止围岩松弛和塌方。

5.3 管棚支护的特点

1. 刚度大：管棚支护与围岩共同组成刚度和承载力较大的承载拱。

2. 注浆加固：采用充填挤压注浆，改善管棚周围围岩的整体性。

3. 独立加固：可作为独立的加固围岩方法，用作永久支护结构。

4. 施工技术复杂：管棚支护的施工技术复杂，精度要求高。

5.4 管棚支护的施工步骤

1. 钻孔：沿掘进工作面的外轮廓线，以一定间距和较小的外插角钻孔。

2. 插入钢管：将直径大于70mm的钢管插入钻好的孔中。

3. 焊接型钢拱架：将钢管尾部与型钢拱架焊接，形成稳定的结构。

4. 注浆：通过钢管向围岩注入水泥浆或砂浆，与围岩形成整体。

5.5 管棚支护的支护参数

1. 管棚长度：根据地质、钻孔设备及施工条件确定，一般为10～40m。

2. 搭接长度：为保证掘进后管棚仍有足够的超前长度，两排管棚的水平搭接长度应大于3m。

3. 布置范围：管棚一般布置在岩巷的拱部，径向布置范围一般为120°左右。

4. 环向间距：钢管中心距宜为管径的2～3倍，一般应为300～500mm。

5.6 管棚支护的优缺点

优点：

• 承载力大：管棚支护与围岩共同组成承载力较大的结构。

• 防止围岩变形：能有效阻止和限制围岩变形，提前承受围岩压力。

• 提高稳定性：提高掘进工作面的稳定性，降低塌方风险。

缺点：

• 施工复杂：管棚支护的施工技术复杂，精度要求高。

• 造价高：施工成本较高，施工速度慢。

5.7 实例分析

在北皂煤矿案例中，曾用喷锚支护法处理过翻车机硐室及东大巷的冒顶。处理的方法是：冒顶落下的岩石暂不清除，先用长杆撬掉冒顶区的浮石，然后站在岩石堆上先喷一层混凝土固顶，后喷两帮。若顶、帮有渗漏水，可用特制的漏斗及导管将水引出。此案例展示了管棚支护在实际工程中的应用效果。

管棚支护作为一种有效的超前支护方法，在复杂地质条件下的巷道施工中具有重要作用。它通过形成刚度大的承载拱，有效提高了围岩的稳定性和施工安全性。尽管施工技术复杂且成本较高，但在必需时，管棚支护仍然是一个重要的施工选择。

第六章：施工实例分析

6.1 引言

本章将通过具体施工实例，深入分析前述支护方法在实际工程中的应用情况，探讨各种支护技术的有效性、适用性以及在特定地质条件下的施工策略。

6.2 龙烟铁矿掘进实例

6.2.1 工程背景

龙烟铁矿在掘进850m平硐时，遭遇了极其严重的断层破碎带，涌水量大，初始涌水量达到150m³/h。面对这一挑战，工程团队采取了一系列创新的施工措施。

6.2.2 施工策略

工程团队首先尝试开凿两条绕道以疏水，虽然绕道同样发生冒落，但成功降低了涌水量至10m³/h。随后，采用了缩小断面、满帮满顶、梁上梁下打撞楔的方法，有效地控制了流沙，顺利穿过了施工困难地段。

6.2.3 施工效果

通过上述措施，龙烟铁矿成功解决了断层破碎带带来的施工难题，不仅保障了施工安全，还提高了施工效率。

6.3 武钢金山店铁矿东风井施工实例

6.3.1 工程背景

武钢金山店铁矿东风井-60m中段运输平巷，长800m以上，地质条件复杂，存在断层破碎带和极易风化的地段。

6.3.2 施工策略

施工单位采用了喷锚网联合支护、掘进依次作业的方法，成功通过了破碎岩层地段。主要经验包括光面爆破减少对围岩的影响、爆破后立即喷拱、先临时支护后永久支护等。

6.3.3 施工效果

采用喷锚网联合支护的方法，顺利通过了大断面冒顶区，永久支护极少出现裂缝，至今已经受多年的使用考验，支护效果良好。

6.4 北皂煤矿冒顶处理实例

6.4.1 工程背景

北皂煤矿在处理翻车机硐室及东大巷的冒顶问题时，面临了冒落岩石和渗漏水的挑战。

6.4.2 施工策略

施工团队采取了不立即清除冒落岩石，而是先用长杆撬掉冒顶区的浮石，然后喷一层混凝土固顶，后喷两帮的方法。对于顶、帮的渗漏水问题，采用了特制的漏斗及导管将水引出。

6.4.3 施工效果

通过这种处理方法，北皂煤矿成功稳定了冒顶区域，防止了进一步的冒落，确保了施工安全。

6.5 甘肃金川二矿区施工实例

6.5.1 工程背景

甘肃金川二矿区1150中段西副井北大巷位于矿区F16断层及其影响带中，岩层破碎，节理发育，稳定性差，施工时常常发生岩石冒落。

6.5.2 施工策略

根据地应力以水平方向为主的特点，采用了宽大于高的低矮半圆形拱且带底拱的全封闭断面，拱与墙采用双层喷锚网支护，用混凝土预制块封底。

6.5.3 施工效果

施工时采用控制爆破，减轻对围岩的破坏，保证了巷道有规则的断面形状。通过多种监测装置，确保了施工的安全性和巷道的稳定性。

通过上述实例分析，我们可以看到，针对不同的地质条件和施工难题，选择合适的支护方法和施工策略是至关重要的。无论是撞楔法、超前锚杆、超前小导管注浆还是管棚支护，每一种方法都有其独特的优势和适用场景。在实际施工中，往往需要综合考虑多种因素，灵活运用不同的支护技术，才能确保施工的安全、高效和经济。

第七章：结论与未来展望

7.1 结论

在复杂地质条件下的巷道施工中，传统的施工方法往往面临着诸多挑战，如松软岩层、断层破碎带、含水层等，这些条件不仅增加了施工难度，还可能引发安全事故。本文档详细介绍了几种有效的施工方法，包括撞楔法、超前锚杆、超前小导管注浆和管棚支护等，并结合实际工程案例，展示了这些方法的应用效果和重要性。

通过案例分析，我们可以看到，每种支护方法都有其独特的优势和适用条件。例如，撞楔法适用于松软破碎岩层且缺乏特殊设备的情况；超前锚杆适用于围岩应力较小、地下水较少的软弱破碎围岩；超前小导管注浆适用于自稳时间较短的软弱围岩或断层影响带；管棚支护则适用于需要承受较大围岩压力的情况。

7.2 施工方法的综合应用

在实际施工中，单一的支护方法往往难以满足所有地质条件下的需求。因此，综合应用多种支护技术，根据地质条件和施工需求灵活调整施工方案，是提高施工安全性和效率的关键。

7.3 施工安全的重要性

无论采用何种施工方法，施工安全始终是首要考虑的因素。在施工过程中，应严格遵守安全规程，采取有效措施预防和控制安全风险，确保施工人员的生命安全。

7.4 技术创新与发展趋势

随着科技的发展，新的施工技术和材料不断涌现。例如，智能化施工设备、新型支护材料、以及信息化施工管理等，都为复杂地质条件下的巷道施工提供了新的解决方案。未来的巷道施工将更加依赖于技术创新，以实现更高的施工效率和更好的工程质量。

7.5 环境保护与可持续发展

在追求施工效率和安全的同时，环境保护和可持续发展也不容忽视。施工过程中应尽量减少对环境的影响，采用环保材料和工艺，实现绿色施工。

7.6 结语

复杂地质条件下的巷道施工是一个充满挑战的领域，它要求工程技术人员不仅要有扎实的专业知识，还要有创新意识和应变能力。随着技术的不断进步和施工经验的积累，我们有理由相信，未来的巷道施工将更加安全、高效、环保，为地下空间的开发利用提供坚实的基础。

本文内容主要参考了东北大学赵兴东教授在慕课《井巷工程》