地质雷达测试巷道围岩松动圈的原理及应用

地质雷达测量技术

地质雷达测量技术内容提要：本文在简述地质雷达基本原理的基础上，介绍了地质雷达检测隧道衬砌质量的工作方法，通过理论分析、实际资料计算、实测效果等方面说明采用地质雷达技术检测隧道衬砌质量的必要性和可靠性。关键词：地质雷达测量技术 1 前言地质雷达（Geological Radar）又称探地雷达（Ground Penetrating Radar），是一项基于不破坏受检母体而获得各项检测数据的检测方法，在我国已在数百项工程中得到了应用，并取得了显著成效。同时，随着交通、水利、市政建设工程等基础设施的大力发展，以及国家对工程质量的日益重视，工程实施过程中仍急需用物理勘探的手段解决大量的地质难题，因此，地质雷达极其探测技术市场前景十分广阔。地质雷达作为一项先进技术，具有以下四个显著特点：具有非破坏性；抗电磁干扰能力强；采用便携微机控制，图象直观；工作周期短，快速高效。它不仅用于管线探测，还可用于工程建筑，地质灾害，隧道探测，不同地层划分，材料，公路工程质量的无损检测，考古等等。 2 地质雷达技术原理地质雷达是运用瞬态电磁波的基本原理，通过宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波，波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，再由计算机将收到的数字信号进行分析计算和成像处理，即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性，并精确标定物体的深度（图1）。

图1 地质雷达检测原理图 3 雷达的使用特性 3.1无损、连续探测，不破坏原有母体，避免了后期修补工作，可节约大量的时间和费用。 3.2 操作简便，使用者经过2－3天培训就能掌握。探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上判读探测结果，现场打印成图，为及时掌握施工质量提供资料，提高了检测速度和科学水平。并且通过数据分析，还可以了解道路的结构情况，发现道路路基的变化和隐性灾害，使日常管理和维护更加简单。 3.3 测量精度高，测试速度快。在车载工作方式下，测试速度大大提高，当车速达80Km/h时，系统仍能正常工作。 3.4 收、发天线离地面的探测高度可以针对不同的埋地目标进行调整，以达到最佳的探测能力和探测分辨率：同时还可以调节收发天线之间的距离寻找系统工作的最好效果。 3.5 测点密度不受限制，便于点测和普查。工作方式的灵活使得用户可以连续普查某一段工程的质量,也可随时对异常区域进行重点探测和分析。 3.6 便于维护与保养。本系统采用了结构化设计，对于使用不当或其它原因造成的质量问题，简单地更换接插件即可保证雷达的正常工作。 3.7 可扩充配置。通过选择相应的发射源和收发天线，再配上相应的处理软件，就可以在中、深层探测范围，如地下管线、地基空洞、钢筋分布、堤坝密实程度等方面扩大应用。 4 地质雷达在检测隧道衬砌质量中的应用新建隧道施工中为确保隧道衬砌质量，采用传统“钻、看”的检测方法显然已不能满足“多断面、全方位”的检测要求，业主和施工单位都在探索采用无损检测技术有效监控和确保隧道衬砌质量的新方法。隧道衬砌的质量检测包括1)隧道衬砌厚度，2)隧道衬砌背后未回填的空区，3)隧道衬砌的密实程度，4)施工时坍方位置及坍方的处理情况。5)有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。4.1 工作方法

地质雷达

地质雷达在隧道超前地质预报中的应用摘要：本文简要介绍了地质雷达基本原理及其探测深度、精度，并结合实例阐述了地质雷达的工程应用。关键词：地质雷达；隧道超前地质预报；掌子面引言目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。由于这些隧道大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中。为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。一、地质雷达基本原理及探测深度、精度地质雷达( Ground Penetrating Radar, 简称GPR, 也称探地雷达) 是利用超高频(106Hz～109Hz)电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。发射天线( T) 将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线( R) 接收电磁波的反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)

图1 地质雷达反射探测原理图根据波动理论，电磁波的波动方程为： P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr（1）（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为： V = ω/α（2）当电磁波的频率极高时，上式可简略为： V = c/ε1/2（3）式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常

隧道变形监测方案

富水土质隧道围岩变形监测及其应用 (中铁建某集团山东) 摘要本文以新松树湾隧道为例，通过内空收敛和围岩内部位移的量测，分析了富水土质隧道的围岩变形规律，对类似工程施工有一定的参考价值。关键词富水土质隧道围岩变形随着西部大开发的进行，对富水黄土地区的隧道施工参数的测试和研究具有重要的意义。本文以新松树湾隧道为例进行探讨。 1 工程概况新松树湾隧道为既有松树湾隧道复线的单线铁路隧道，位于甘肃省陇西县境内大营梁，全长1726m，复合衬砌。大营梁为黄土梁峁区，该隧道范围地层为上更新统风积粘质黄土和下、中更新统冲、洪积杂色砂粘土。粘质黄土为淡黄色、棕黄色，厚0—20m，土质较匀，具孔隙及虫孔，局部含白色钙丝及钙质斑点，半干硬至硬塑，II级普通土，II类围岩，σ0=150kPa，具II级自重湿陷性。杂色砂粘土主要表现为强崩解性，一定的膨胀性及含有盐碱成分。II级普通土，II类围岩，σ0=200--250kPa （局部软塑—流塑状，I类松土，I类围岩，σ 0=100--120kPa）。大营梁地带年平均降水量513.3mm，隧道三面汇水，地下水较发育，系大气降水补给。地下水主要有上层滞水和裂隙水，前者一般埋深15—30m之间。多见有泉和渗水出露，水量相对较大，隧道内日渗水量22--18m3/d.地下水对混凝土具弱侵蚀性。经调查，既有松树湾隧道（1960年建成）各地段有不同程度的渗漏水现象。隧道渗水主要通过拱顶、边墙接缝、排水沟孔、墙角部位渗出，水对普通硅酸盐水泥有侵蚀性。因此，新松树湾隧道采用曲墙有仰拱衬砌，除进口端I类围岩模筑衬砌，余均采用复合衬砌。初期支护为1榀/m钢格栅+钢筋网+钢筋锚杆喷锚。在施工中采用新奥法分三台阶开挖。 2 量测项目根据现场情况，选取了八个量测断面进行内空收敛的测试；还选取了两个断面进行围岩内部位移测试。内空收敛在开挖后马上埋设测点，在12小时内测取初始读数，采用煤炭科学研究院生产的JSS30型数显收敛计量测。观测断面里程分别为1#面——DK1601-8.4，2#面——DK1601+6.4，3#面——DK1601+21.9，4#面——DK1601+36.1，5#面——DK1601+46.5，6#面——DK1601+86.5，7#面——DK1601+122.5，8#面——DK1601+172.7，其中7#、8#面进行围岩内部位移测试（图1），每个断面各有六条内空收敛测线，即1-2、1-3、1-4、1-5、2-3、4-5。围岩内部位移采用煤炭科学研究院生产的杆式多点位移计进行测量，这种位移计使用膨胀木锚头，具有安装简单，可靠等特点，每个钻孔可分别测量埋深1M，2M，4M处的围岩与洞壁之间的相对位移。 Fig.1 Arrangement of the c onvergences and internal displacement of the wall rock 3 内空收敛量测通过测量结果计算各测线收敛累计值，同时计算出各测线的位移速率。隧道周边收敛按下式计算： R R U i i - = 收敛速率按下式计算：

巷道围岩松动圈理论

围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次

问深部转移。单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失

巷道围岩松动圈测试技术及应用

收稿日期:2007-09-12 作者简介:石建军(1975-),男,黑龙江五大连池人,硕士,讲师,现在中国矿业大学从事采矿工程教学和研究工作。巷道围岩松动圈测试技术及应用石建军 1,2 ,马念杰1,闫德忠1,秦　韵1,詹　平 1 (11中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京　100083; 21华北科技学院安全工程学院,北京　065201) 摘　要:论文基于显德汪矿跨上山开采项目,介绍了松动圈的测试原理、测试方法,测试过程等。得出了破碎巷道合理的松动圈范围,为确定合理锚杆支护参数提供了依据,为相似条件巷道的松动圈测试提供了实践。并介绍了控制松动圈厚度的控制方法,对井下支护设计具有借鉴意义。关键词:破碎巷道;松动圈;支护技术中图分类号:T D322 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)0320032203 M ea sure Technology for L oose C i rcle of Crush Roadway Surround i n g Rock and Its Appli ca ti on SH I J ian -jun 1,2 ,MA N ian -jie 1,Y AN De -zhong 1,Q I N Yun 1,Z HAN Ping 1 (11School of Res ource and Safety Engineering,China University of M ining and technol ogy,Beijing 100083,China;21Safety Engineering College,North China I nstitute of Science and Technol ogy,Beijing -east Yanjiao 101601,China ) Abstract:The subject base on cr oss uphill m ine in Xian De W ang M ine of Xing Tai .The thesis intr oduced l oose circle test p rinci p le,test means and test p r ocess .A t last,we know p r oper range of the l oose circle .It supp ly basis for deter m ine supporting and l oose circle testing of si m ilarity r oad way .A t last thesis intr oduce the contr ol mode of l oose circle thickness .Thesis has use for reference m ine supporting .Keywords:crush r oadway;the l oose circle;support 0　引　言巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石应力较大幅度地上升。如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度,围岩处于弹塑性状态,围岩自行稳定,不存在支护问题;如果相反,围岩将发生破坏,这种破坏从周边逐渐向深部扩展,直至达到新的三向应力平衡状态为止,此时围岩中出现了一个破裂带。把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈,如图1所示。破碎巷道支护是煤矿支护工作中的重点,而且也是一个难点。所以破碎巷道围岩松动圈的测试更显得重要,但是现在现场测试破碎围岩松动圈有很多难题,经常导致松动圈测试结果相差甚远,甚至无法测试。围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果,因此松动圈理论认为,支护的作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。掌握巷道松动圈范围的大小及受采动影响的变化图1　理论分析松动圈示意图规律,对于选择恰当的巷道支护方式与参数,确定合理的工作面超前支护范围等具有重要意义。目前各矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。由于棚子支护是一种传统的被动支护形式,在复杂的压力状态下,它必须借助其它形式的支护配合,才能确保巷道的绝对安全。因而锚杆支护已成为解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。采用 2 3

围岩松动圈的测定

围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下). 二、需求设备 SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm 窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines 连续工作时间：8h 存储容量：20GB 外形尺寸： 195mmX115mmX75mm 配套设备： 1.钻孔窥视仪主机1台 2.窥视镜（探头）１只 3.视频传输及输送缆：10米 4.耳麦1付

5.充电机1台 https://www.360docs.net/doc/072312768.html,B连接线1根 7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。四、使用分析 1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。 2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。 3、矿上曾经测量过的数据也要收集一下进行集中的处理分析。

(完整版)第四讲锚杆支护理论

第四讲锚杆支护理论本讲主要介绍锚杆常用支护理论（包括一些近年来比较流行和活跃的理论）、锚杆支护设计方法和国外锚杆支护主要经验，以及巷道容易冒顶的十种情况和五种应对措施。锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前己提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁(拱)作用、组合拱、减跨理论、加固(提高C、φ值)作用等几种。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准。一、锚杆支护理论支护：就是指为了地下巷道掘进、硐室开挖后的稳定及施工安全，而采取的支持、加强或改善围岩应力状态而打设的构件或采取的措施的总称。支护包括两个方面，一是支，就是顶住顶板，防止顶板出现大量的下沉，使顶板下沉控制在可控、安全的状态，二是护，就是保持顶板的完整性，防止出现漏矸、漏顶、巷道掉渣等现象。支和护是一个有机统一的整体，它们共同组成了支护系统。（一）锚杆支护理论综述 1、悬吊理论

擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层的性质。 2）缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。这一观点有一定的影响，但是其工程实例比较少，也没有进一步的资料供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算，而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。另外，岩层沿巷道纵向有裂缝时粱的连续性问题、梁的抗弯强度等问题也难以解决。 3）适用条件：层状地层，如图4-3中2所示；顶板在相当距离内（锚杆长度范围内）不存在稳定岩层，

煤矿巷道围岩松动圈测定

内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿巷道围岩松动圈测定中国矿业大学（北京）北联电能源开发有限责任公司 2009年5月

目录一、巷道围岩松动圈概念 (1) 二、围岩松动圈测试原理 (1) 三、测试仪器 (2) 四、测试方法 (2) 五、数据分析 (3) 六、总结 (9)

一、巷道围岩松动圈概念围岩松动圈是围岩应力对围岩作用的一种结果，是反映围岩应力岩石强度的一个综合性指标。实践证明，松动圈的大小与巷道的稳定性及支护的难易程度密切相关。测出松动圈的大小对选择合理的支护方式和支护参数，减少矿井维护费用，修订井巷设计，指导现场施工，都具有重要的现实意义。自然状态下的地壳煤岩层,通常处于应力平衡状态,巷道开挖后,就改变了它的边界条件,破坏了其相对平衡状态,在巷道周围一定范围内应力将重新分布,以达到新的应力平衡。一是切向应力增加，并产生应力集中；二是径向应力降低，巷道周边处应力达到零；三是围岩受力状态由三向变成近似二向，岩石强度降低许多，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题。相反的，如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂，这种破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带称为围岩松动圈。弹性区，塑性区，破裂区（三区）的力学行为与岩石全应力应变曲线中的相应段是对应的，其中巷道围岩弹性区，塑性区对应与全应力应变曲线峰前段弹性，塑性变形段，破裂区（围岩松动圈）对应于峰后“软化”段和“残余强度”如图1所示。图1松动圈巷道围岩分区 1.弹性区； 2.塑性区； 3.松动圈（软化区）； 4. 松动圈（残余强度区）在现场，可用声波仪，多点位移计或探地雷达等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称其为松动圈值，记为Lp。二、围岩松动圈测试原理基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法有渗流法、深基点位移计量测方法、地震声学法和超声波测试法。其中超声波测试松动圈的主要优点是测试技术成熟可靠,原理简单, 仪器可以重复使用，因此应用较广。当超声波在煤岩体中传播时, 要发生几何衰减和物理衰减, 煤岩体中不同力学性质的结构面上, 超声波要发生散射、折射和热损耗等物理现象, 使得超声波能量不断衰减造成波速降低。影响超声波在围岩体中传播速度的主要因素有围岩体矿物成分, 围岩体结构构造特

围岩松动圈理论及其在巷道支护中的应用张金良

围岩松动圈理论及其在巷道支护中的应用张金良发表时间：2012-12-14T11:16:23.733Z 来源：《赤子》2012年第19期供稿作者：张金良 [导读] 介绍了围岩松动圈支护理论，并结合具体的工程实例验证了该理论作为确定巷道支护形式依据是合理的、可靠的。张金良（内蒙古扎煤公司铁北矿综采队，内蒙古满洲里 021410）摘要：介绍了围岩松动圈支护理论，并结合具体的工程实例验证了该理论作为确定巷道支护形式依据是合理的、可靠的。关键词：巷道；围岩松动圈；支护形式引言巷道围岩是一种天然的复杂地质体，表现出弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等多种力学特征。试图用一种理论来解决现场遇到的不同岩性条件和工程环境下的巷道支护问题是十分困难的。因此，多年来在巷道支护理论研究方面出现了多种：多样的理论学派和计算方法。从研究开挖后巷道同岩的客观物理状态出发的同岩松动圈理论，作为巷道支护设计的方法以其实用、准确、可操作性强等优点，先后在我国十几个矿区的各类围岩巷道中进行了推广应用，实践证明，以该理论为基础的围岩支护方法，以及其确定的支护形式、支护参数是符合现场实际的。 1 同岩松动圈的巷道支护理论 1.1 围岩松动圈的定义巷道开挖后，围岩受力状态由三向变成了近似两向，造成岩石强度较大幅度地下降，如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题，如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的二向应力平衡状态为止，此时围岩出现了一个破裂带，把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈。 1.2 同岩松动圈的巷道支护理论巷道支护施工过程中既不可能及时又不能保证支护体一开始就与围岩密贴，只有待围岩产生足够变形之后才能提供支护阻力，并且围岩在低围压条件通常表现为脆性，弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小，一般约占5％~25％，从岩石的应力一应变曲线可以看出，岩石在峰值前变形量很小，而峰后岩石体积变形要比峰值前大得多，一般达到8~10倍，峰后破裂同岩体积膨胀变形才是巷道收敛变形的主要原因，因此，仅靠弹塑性等理论进行巷道支护研究是不准确的、不客观的。而松动圈支护理论是基于围岩中存在松动破碎带的客观情况提出的，足符合地下工程客观实际的。该理论指山，巷道支护对象除松动圈同岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外，还有松动圈岩的碎胀变形。 1.3 同岩松动圈的巷道支护理论的特点（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标。（2）实测所得，未在重要方向作任何假设。（3）大小很容易用声测法及其它物探方法获得，现场应用十分方便。 2 同岩松动圈的分类及其相应的支护方案根据围岩松动圈厚度大小不同，同岩碎胀变形量不同，可把开挖后的围岩分为小松动圈围岩，中松动圈围岩和大松动圈围岩三类，由围岩松动圈大小情况便可确定相应的支护方案。 2.1 小松动圈围岩依据围岩松动圈分类方法，当围岩松动圈厚度值Lp：0~40cm时，为小松动圈稳定围岩，在这类围岩中，松动圈厚度值小，围岩稳定性好，由此而产生的碎胀变形量较小，一般只有几个毫米，此时变形量数值一般小于低应力下锚杆弹塑性变形，故不需考虑碎胀变形压力因素，而且松动圈内围岩的自重也很小，只用喷射混凝土支护亦能保证工程的安全，所以不必采用锚杆支护或其它普通支护形式。 2.2 中松动圈围岩依据同岩松动圈分类方法，当Lp=40~150cm时，称为中松动圈围岩，中松动圈围岩碎胀变形比较明显，变形量较大，围岩松动圈的碎胀变形将使刚性的喷射混凝土支护产生裂缝或破坏，因此，必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式，以锚杆为主体支护结构控制其碎胀变形，喷层将只作为锚杆间活石的支护和防止围岩风化，由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆K度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数，锚杆支护的最大荷载是同岩松动圈形成中的碎胀变形力及已形成松动圈内破裂岩石的白重。 2.3 大松动圈围岩依据同岩松动圈分类方法，当Lp>150cm，为大松动圈围岩状态，在大松动圈围岩巷道中，围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形量大，初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现较大，支护难度大，在这种围岩情况下，通常采用联合支护形式，如“锚喷网架碹”等。 3 工程应用某煤矿用探地雷达对该矿101材料道围岩松动圈的范围进行探测，并按围岩松动圈支护理论对该巷道进行没计施工。对巷道在掘进期间利回采期间进行了表面位移进行了连续观测。观测结果表明，采用松动圈理论确定巷道支护形式是合理的，巷道围岩稳定性得到较大提高。并且在回采过程中巷道变形量很小，巷道囤岩保持了较强的稳定性，经受住了回采动压的影响。 4 结论围岩松动圈理论的出现使人们看到了弹塑性支护理论观点的局限性，丰富了巷道支护的理论。工程实例表明，以该理论确定的围岩支护形式、支护参数是合理的、可靠的，升且在回采过程中巷道变形量很小，巷道围岩保持了较强的稳定性。

一种巷道松动圈的测试方法

一种巷道松动圈的测试方法巷道围岩是一种极其复杂的天然地质体．表现出多种力学特性，难以用一种支护理论来解决巷道支护问题。因此。在巷道支护理论研究方面出现了各种各样的学术流派，巷道围岩松动圈支护理论是我国软岩巷道支护领域重要学术流派之一。该理论几乎不作任何假设假说，测试手段直感性强，易于掌握和操作。这一理论先后在全国多个矿区得到广泛应用，成功解决了软岩巷道支护的难题，取得了较大的经济效益。众所周知，采矿等地下工程都需要在地下开挖，形成一定大小的空间，并要保持该空间的稳定，但是在地下开挖后，将会扰动岩石的性质，造成岩石内的应力和岩石强度的变化，产生岩石应力转移、集中和岩石强度的减小，使开挖空间周围岩石发生变形甚至破坏，产生岩石物理状态的改变。这个在开挖的空间周围所形成的破裂区一般是围绕开挖空间形成环状（图1）。我们把这个由于应力作用产生的环状破裂带称为巷道围岩松动圈，简称为松动圈。图1 巷道围岩中的松动圈 1-松动圈外边界；2-松动圈范围；3-巷道周边巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩受力状态由三向变成了近似两向。导致围岩应力重新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地下降。此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向。巷道壁面切应力达到最大值；最小主应力是沿巷道的径向应力。径向应力在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大。如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题；如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个松弛破裂带，即围岩松动圈。其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及弹性区，

爆破振动安全距离与围岩爆破松动圈范围

爆破振动安全距离与围岩爆破松动圈范围的确定 1. 爆破振动安全距离根据实测中的爆破参数及测试数据，按《爆破安全规程》（GB 6722-2003）中萨道夫斯基经验公式计算爆破振动安全允许距离，即： R=（K /V）1/α×Q1/3 式中，R为爆破振动安全允许距离（m）；K、α为与地质条件、爆破方法等相关因素的系数和地震波衰减指数，围岩条件越好，K值越大；V为建(构)筑物安全允许质点振动速度；Q为单段最大起爆药量。根据重庆地区地质条件，围岩级别以Ⅳ﹑Ⅴ级为主，考虑到地质破碎带的存在，K值应适当降低，取90，α为地震波衰减系数，取1.5。对于建（构）筑物安全允许质点振动速度V，取一般砖混结构房屋安全允许振速为2.7cm/s，隧洞有大掉块与小的塌落时的质点振速为25cm/s，衬砌砼出现裂缝，隧洞顶板有塌方时的质点振速为45 cm/s；参考相关文献资料，对于单段最大起爆药量Q，考虑到分部开挖中的最大断面施工，可取一次爆破总药量中最大掏槽段药量，为25kg。

由图1可知，对于一般砖混结构房屋，其安全允许的质点振速为2.7cm/s，对应的距离振源的安全距离至少为31m；对于隧洞出现大的掉块或小的塌方，其安全允许的质点振速为25cm/s，对应的距离振源的安全距离至少为7m；对于隧道衬砌砼出现裂缝，隧洞顶板有塌方，其安全允许的质点振速为45 cm/s，对应的距离振源的安全距离至少为5m。同时，如果要将地表建筑物质点的振速控制在1.5cm/s（地铁施工对周围建筑物影响的控制标准），从图1中可知，建筑物距离振源的安全距离至少应为45m。从重庆地铁6号线情况看，以北培站主体结构为例，隧道掌子面距离海宇大厦地表基础约为28m，无法满足地表建筑物距离振源的最小安全距离。因此，首先必须控制一次爆破总药量中最大掏槽段药量，进而控制爆破振动对周围建筑物的不利影响。 2. 围岩爆破松动圈范围以重庆地铁6号线北培站主体结构为例，计算掌子面爆破开挖中，将地表建筑物的质点爆破振速控制在1.5cm/s时，一次爆破总药量中最大掏槽段药量Q，同时，以衬砌砼可能出现裂缝，隧洞顶板可能出现塌方时的范围为爆破振动引起的围岩松动圈范围，并以此时质点的爆破振速45cm/s为控制区域进行计算。 Q=[ R（K /V）-1/α]3 将相关参数R=28m，K=90，α=1.5，V=1.5cm/s代入上式，可得：Q=6.1kg。将Q=6.1kg，V =45cm/s等代入式（1），可得此时爆破振动引起的围岩松动圈范围为：R=2.9m。由以上分析可见，为了将地表建筑物允许的质点振速控制在1.5cm/s，首先要控制一次爆破总药量中最大掏槽段药量Q不大于6.1kg，因此就必须要严格执行双侧壁导坑法施工，控制每次开挖的断面大小，此时，爆破振动引起的围岩松动圈范围为2.9m。

锚杆支护理论

1）机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。图4-1锚杆悬吊作用原理示意图2）缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。 3）适用条件：在锚杆的长度范围内有一层坚硬而稳定的岩层，锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层。图4-2a拱形巷道的锚杆悬吊作用b软弱岩层的锚杆悬吊作用 2、组合梁理论 1）机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；

巷道支护技术

2.1 巷道围岩控制理论 1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论[1-2]，该理论认为：巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步垮落，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与岩层强度和巷道宽度有关。该理论适用于确定巷道围岩强度不高、开采深度不是很大的巷道支护反力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学解决巷道支护问题，其中最著名的是Fenner [3]公式和Kastner 公式[4]。 Fenner 公式为： ()[]10cot sin 1cot -??? ??+-+-=???σ?N i R r C C P （1）式中，i P —支护反力；C —围岩内聚力；?—内摩擦角；0σ—原岩应力；r —巷道半径；R —塑性圈半径；?N —塑性系数，κ??sin 1sin 1-+= N 。 Kastner 公式为： ()()?????sin 1sin 20sin 1cot cot -??? ??-?++-=R r C P C P i （2）式中，i P —支护反力；C —围岩内聚力；?—内摩擦角；0P —初始应力；r —巷道半径；R —塑性圈半径。国内外巷道顶板控制理论发展很快[3-4]，我国在1956年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有50多年的历史。锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践的不断发展，国内外已经取得大量研究成果[5-10]。（1）悬吊理论 1952年路易斯阿帕内科L(ouis.Apnake)等提出了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。（2）组合梁理论

膨胀土隧道

膨胀土隧道塌方成因及处理技术王大嵬（中铁十九局集团第二工程有限公司）摘要：结合新响沙湾隧道工程实例，通过对隧道膨胀土洞段塌方的研究，分析隧道塌方原因，详细阐述了塌方处理方案、施工注意要点，对同类围岩隧道施工具有一定的借鉴意义。关键词：膨胀土塌方原因分析处理技术 1 工程概况 1.1 工程概况新响沙湾隧道全长3430m，除进口1057m，出口129m位于直线上，其余均位于半径为4500m的曲线上，纵坡11.5‰。隧址区地震烈度Ⅷ地震动峰值加速度0.20g。 1.2 工程地质和水文地质 1.2.1 工程地质新响沙湾隧道为鄂尔多斯台地剥蚀丘陵区，沟谷纵横，切割强烈，地形起伏较大。围岩为白垩系下统（K1），紫红色、姜黄色、灰绿色含砾泥质砂岩，砂石含量5～20%左右，泥质胶结，砂状结构，薄层～中厚层构造。局部夹薄层状紫红色泥岩。强风化层约10～30米。地层产状近水平。 1.2.2 水文地质特征地下水主要为赋存在河床冲洪积砂层中的空隙潜水，水量较丰富，膨胀土地带地下水丰富，基岩裂隙水不发育。 2 塌方过程描述 2008年9月27日早7时，新响沙湾隧道GDK48+885～GDK48+950段边墙出现多条裂缝，裂缝内有水渗出，部分拱脚出现向外挤出的现象。2008年9月28日～2008年10月9日期间，GDK48+885～GDK48+950段不时出现钢筋断裂的声音，多处出现环向裂纹，多处喷射混凝土面崩裂。边墙从拱脚以上1.7米处钢架整体被压断，拱顶边墙变形严重。掌子面已经全断面塌方封堵；缝宽1cm 以上的裂纹有十多条，最大裂缝宽度达到60cm；拱墙部位格栅钢架大部分挤出变形，最大变形达80cm；裂缝处渗漏水现象严重。2008年10月10日下午15时10分GDK48+885～GDK48+950段出现整体坍塌，塌方过程无人员伤亡。 3 塌方原因分析塌体段为白垩系下统灰绿色泥质砂岩，泥质胶结，砂状结构，薄层～中厚层构造，水平层理极其发育，经铁四院检测后发现该种砂岩为膨胀性质，且属于中度膨胀。由于膨胀土围岩具有“吸水而膨胀，失水而收缩”的特性。塌体段为富水段，围岩遇水极易软化崩解，围岩中度膨胀性加速、加大围岩应力释放，造成围岩松动圈范围大，在初期支护支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使围岩产生局部破坏，然后逐渐牵引周围土体连续破坏。 4 塌方处理方案处理塌体的总体方案：首先对塌体进行大管棚施工，然后在已施工完毕大管棚上方进行混凝土造壳，在混凝土壳体的掩护下，实施四台阶开挖，并且加强支护，具体措施如下： 4.1 对GDK48+893.5～GDK48+898.5段塌方部位用塌方碴料从两侧向中间进行回填，回填至拱顶设计标高后对剩余空洞采用轻质材料进行填塞，以形成内模。 4.2 回填工作完毕之后在靠近塌方段处并排架设三榀I22工字钢作为管棚支

董方庭关于围岩松动圈理论的自述

董方庭关于围岩松动圈理论的自述客观的事物客观地存在着，发现它却往往是偶然的。在1979年，最初我只是对锚杆的作用机理感兴趣，我的第一个意识就是围岩的状态决定锚杆的作用机理。当时超声波测试刚刚在煤炭系统中应用。在这一观点的驱使下我在淮北矿务局朱仙庄矿进行了大量的超声波测试。这些资料清楚地告诉我，围岩存在着一个声波速度降低区，其规律性很强。从声测的机理分析这是一个围岩破碎区，这就是大量巷道开凿后的围岩状态。这一测试结果将我从原来的兴趣上引开，我提出了几个问题：（1）这一状态产生的原因；（2）这一状态与当时流行的支护理论有什么不同。初步推论，这一状态的产生是围岩应力作用的结果，巷道开凿后，围岩原岩应力会发生变化，围岩应力以集中应力的方式在围岩中重新分配，围岩从三向应力的强度降低到二向应力的强度。这两种变化使围岩发生了超过围岩极限强度的破裂变化，即后来我称之为的围岩松动圈。开巷后围岩状态被确定，产生这一状态的原因被初步确定，我们的目标改为研究支护荷载问题，即支护理论问题。支护荷裁决定于围岩状态：松散介质理论认为冒落拱内岩石重量是支护的外荷载；弹塑性理论认为控制弹塑性变形为支护的荷载，或者破碎区的岩石重量为支护的荷载；而松动圈理论认为围岩松动圈产生过程中岩石的碎胀力(碎胀变形)为支护的荷载。为了回到原先的研究目标，对锚杆的作用机理我们初步认为：无松动圈时锚杆无支护作用；中等松动圈时锚杆起悬吊作用；大松动圈时锚杆为组合拱作用。当时就在朱仙庄矿井进行了试验，并写出了两篇论文，其中

一篇还在煤矿基建系统在杭州召开的学术会议上宣读，1980年获淮北市科技进步奖。 1982～1983年我们有机会与徐州地区的王庄矿合作，经过对该矿松动圈的测试，确定其中一部分巷道不用锚杆，确定一部分运输大巷的松动圈值为0.7m，使用长度为1.1m的锚杆。这在当时是我所知道的最短的锚杆(原支护用锚杆为1.8m)。1982年由江苏省煤炭系统组织召开了鉴定会。事隔将近10年，该矿已大面积应用这项技术，这是松动圈支护理论首次完整的应用。它在技术上的最大特点是可用理论的方法确定锚杆的支护参数。此理论发展到目前，已经初步确定了自己的支护观点、分类方法和锚杆支护机理。 1984年淮北矿务局石台矿第二水平井底车场开拓工程被大量破坏，只有U型钢支护可以维护，其松动圈值大都是1.7m左右，我们确定采用有效长度1.5m的锚杆用组合拱理论进行支护，取得了成功，其成本降低了一半左右。组合拱理论是国外的模型研究资料，是我们首先将这一理论应用到工业试验，取得了成功，我们的成果是测到了破裂岩石锚固体强度。 1985年研究生闫凤山在洛阳89002研究所的相似模拟试验台上完成了重要试验。他在真三轴试验台上演示了围岩应力和围岩松动圈的发展过程，并且做出了锚杆的组合拱作用。这就在理论上证明了围岩松动圈理论，即开巷后围岩的弹塑性变形远远小于其岩石破裂时所产生的碎胀变形。意外的是，在做了理论分析后，发现在试验条件下，巷道跨度、支护的强度对围岩松动圈值的影响较小。后来宋宏伟教授在不同实验台上的大量实验结果也证明，当跨度在3～7m范围内，它们的显著性很小。这样松动圈支护理论就给学术界提出了几个有趣的问题，也给这个理论的分类方法提供了

矿山岩层控制

采场顶板支护方法和顶板控制摘要：在实际生产过程中，工作面常有下述一系列矿山压力现象，并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。随着我国各种支护设备的使用，我国煤矿回采开采已进入现代化水平，工作面的推进速度，以及当工作面甩掉这些已发生错动的老顶时，时常发生顶板的周期来压，裂隙带岩层形成的结构将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化。这种变化将呈现周而复始的过程。回采工作面应用的液压支架主要是由梁与柱组合而成的，不仅能实现支设与回撤的自动化，而且对顶板的管理和维护起到很关键的作用，使工作面推进一系列工序也同时实现了机械化，充分减轻了繁重的体力劳动。关键词矿山压力回采开采周期来压液压支架顶板管理一．巷道围岩控制理论与实践的发展（1）巷道布置改革及无煤柱护巷技术我国在采准巷道矿压理论指导下，形成了完善的巷道合理布置系统。在分析开采引起的围岩应力重新分部规律的基础上，研究沿空巷道一侧煤柱边缘带的应力重新分部和支架与围岩关系，掌握无煤柱护巷机理，推进无煤柱护巷技术。同时，发展整体浇注式巷旁充填技术，为沿空留巷的扩大应用开辟了广阔前景。（2）研究巷道支架与围岩关系采用先进支护技术研究巷道支架的合理性能和结构形式，既能有效地抑制围岩变形，又能与围岩变形相互协调，减少支架损坏和改善巷道维护。为此，

研制了适用于不同条件的U型钢、工字钢结构可缩性支架，完善了辅助配套设施，发展了支架壁后充填。（3）软岩巷道围岩控制理论与实践的发展自70年代以来，有计划地开展软岩巷道支护技术科技攻关。对软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、围岩变形力学机制、巷道支护设计、施工工艺及监测进行全面系统研究。针对软岩的类别和变形力学机制，发展了锚喷网支护技术、U型钢支护壁后充填技术、防治底臌封闭支护技术、围岩爆破卸压和注浆加固技术。（4）巷道围岩控制设计决策及支护质量与顶板动态监测依据巷道围岩稳定性分类及巷道支护形式与合理支护参数选择专家系数，预测巷道围岩稳定性类别、预计围岩移近量、选择支护型式、确定支护参数。实行巷道支护质量与顶板动态全过程监测，通过施工过程中的现场监测、信息反馈、不断修正支护设计和调整支护参数。使巷道围岩控制逐步由经验判断和定性评估向定量分析和科学管理转化。二．采场上覆岩层活动规律的假说自从采用长壁工作面开采以来，上覆岩层中是否存在着大结构，以及此结构是什么形式，一直是采矿科学研究的重要课题。 1.压力拱假说