RELATION BETWEEN BOLTING-SHOTCRETE SUPPORT
AND NATM METMOD FOR SOFT ROCK DRIFTS IN COAL MINES
Liu Changwu
（China University of Mining and Technology）
Abstract:In this paper,the course of knowing the underground space structure and its support characters is summarized;relation between bolting-shotcrete support and NATM(New Autrian Tunneling Method)is discussed through systematic analysis of origin,development and essence of the NATM method in combination with deformation failure characters of coal mines soft rock drifts;some problems in explaining the mechanism of bolting-shortcrete support by NATM basic principle are described.
Keywords:Soft rock drift,NATM method,Bolting-shortcrete support
人类利用地下空间和地下有用矿物的历史可以追溯到遥远的古埃及和古罗马时代。这些早期的地下工程主要用于宗教和引水等方面。为了利用地下空间或开采地下的有用矿物，人们不仅掌握了隧道(巷道)等地下空间的开掘技术，而且还初步掌握了一些简单的隧洞砌衬方法。古埃及修建了许多地下墓穴和教堂，以及开凿于软性石灰岩中的地下水道；而古罗马在隧道兴建方面更有令人称道的成就，他们不仅掌握岩石隧道的开挖方法，而且还掌握了将陶土磨成细粉，掺以石灰制成泥浆来对隧道进行砌衬的手段。我国也是地下空间和地下有用矿物开采利用最早的国家之一。1981年湖北大冶铜绿山发掘出土的东周时期的采矿遗址中，就发掘出架设于古巷道中的木质框形支架。并且我国古人就开挖及开采过程中，这些支护的防塌作用都留有较详细的记载。
1 以自然平衡拱学说为代表的早期地压理论对巷道维护的影响
虽然中外古人对地下空间及其支护的性质有了一定程度的认识，但总的说来，人们的认识还较肤浅，认识的发展进程还相当缓慢。在很长的一段时期内，人们都是按地面构筑物的观点来理解地下空间结构的，并按设计地面构筑物的方法和原理来进行地下支护结构的设计。随着矿井开采深度的日益加深及各种巷道(隧洞)开挖条件的复杂多样化，按这种思想设计的地下空间支护结构同实际需要的出入越来越大。这就促使人们不得不按新的思路来考虑地下空间结构及其支护性质的问题。到本世纪初叶，以前苏联普氏(М.М.Протодьяконов)所提出的以散体地压理论为主体的自然平衡拱学说的出现为代表，标志着人类对地下空间结构的认识出现了第一次质的飞跃，如图1所示。该学说的核心是巷道开掘后组成围岩的各单元体在自重的作用下向巷道空间方向移动，在下移过程中，原来占据曲线A 的各个单元体将下移到曲线B上，由于曲线B的长度小于曲线A的长度，因此各单元体被迫相互挤压而出现一个拱，拱以上的岩石重量通过此压紧的拱圈传递到两帮的岩体上，而无需支架承担，支架仅承担拱以下的由于单元体挤压程度不够而松脱的岩石。虽然这一学说还比较简单，同时也不尽完善，但它却使人们从按地面构筑物的思想来考虑地下空间支护结构的传统中解放出来，以一种全新的角度来重新审视和考虑地下空间结构及其支护性质的问题。此后，太沙基 (K.Terzaghi)、金尼(Α.Η.Динник)、芬纳尔(Fenner)、卡斯特奈(Kastner)等众多学者，先后发展了平衡拱学说，并将弹性力学理论、塑性力学理论等引入与地下空间结构有关的分析计算之中，使地下空间的开挖及控制逐渐形成一门独立的学科。
图1 自然平衡拱图
这其间的地压(矿压)理论，都有一个共同的特点，即认为围岩是作用于支架上的外载荷，支架被动地承受围岩施加给它的压力。
与此同时，美国也在本世纪初创造了矿山巷道的锚杆支护方法，这种支护方法经过十几年的发展，在1940年前后先后在美国、欧洲，随即在世界各地普遍流行开来。并且被广泛地应用到隧道、边坡治理、地基加固等其它岩土工程领域中。锚杆支护方法的出现及其广泛应用，为人类认识地下空间结构及其支护性质的第二次飞跃——新奥法的出现奠定了基础。
2 新奥法的实质及其对巷道维护的影响
新奥法(NATM)是新奥地利隧道施工方法(New Austrian Tunnelling Method)的简称。1980年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：“在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法”。这个定义扼要地揭示了新奥法最核心的问题——调动围岩的承载能力，变围岩本身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为坚固的支承环。
新奥法是以拉布希维兹(L.V.Rabcewicz)、米勒(L.Muller)等人为代表的奥地利学者在总结前人经验的基础上，结合自己在隧道施工中的多年经验，于1962年在萨尔茨堡第二十届地质力学学术讨论会上提出，并于1964年《水力发电》杂志上公开发表的一套隧道施工步骤或理念(注*：不仅仅是一种具体的施工方法)。米勒教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想，总结了22条新奥法的主要原则。并在 1978年的《隧道与隧道工程》杂志上发表的论文中，列举出了其中5个最重要的原则。这些主要原则可以概括为：保持和调动岩土体的自身强度，使隧道周围形成一个能自承的土壤或岩石环，如图2所示；利用仪器监测孔洞的变形和支护或加强构件上荷载的增长情况；业主、包商、设计工程师和监察工程师都能深入理解和承认这个观点，而且在作出决定和解决矛盾中能保持合作的态度；以及新奥法所具有的多面性与灵活性等特点。
图2 岩体是隧洞的主要承载部分(新奥法的主要原则之一)
新奥法的价值不仅仅在于它改变了支架只能被动受载 (围岩是施加荷载的主体)的观点，而且还在于它提倡用一种考虑周密的步骤来处理隧道施工中的问题，和强调力学原理与深入了解地层的工程动态。许多包含在新奥法内的特征其实在新奥法系统地提出以前人们就已有所认识，但必须承认是新奥法的创始者和推广者把所有这些特征融成一体，对隧道施工的科学技术和工艺作出了突出的贡献。
新奥法自奥地利起源之后，先是在欧洲诸国，特别是在意大利、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与发展，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、莱索托以及澳洲的澳大利亚、新西兰等国家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、水力电力等其它岩土工程领域。
虽然新奥法的应用已如此广泛，但不同的应用者对它的解释还存在着许多矛盾和不同。一些新奥法的支持者们错误地把它当作是一切隧道和巷道施工智慧的源泉，盲目地把新奥法应用于各种适宜或不适宜的地质条件下，以至造成许多按着所谓的新奥法施工出来的巷道(隧道)常常出现这样或那样的问题。这种情况在我国也同样存在，尤其在煤矿，由于人们对新奥法所阐述的“软岩”等概念同煤矿实际所遇到的软岩之间还存有一定差异的理解不够、对利用仪器进行巷道变形及荷载测量的重要性认识不够等，不仅时常出现错误地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垮落、坍塌等事故，造成人力、物力的巨大浪费与损失。
3 煤矿软岩巷道实施锚喷支护不等于采用了新奥法
由于煤矿巷道所穿越的地层大部分为沉积岩地层，尤其当这些地层为中生代和新生代的含有膨胀性矿物的粘土类岩石(泥岩、页岩等)或胶结程度较差的其它岩石时，相对于冶金等其它岩土工程领域的岩石而言，煤矿巷道围岩的软弱松散、碎胀流变等特点就显得更为突出，从而造成煤矿软岩巷道围岩的变形量往往很大，用所谓的“新奥法”——锚喷支护手段所维护的煤矿软岩巷道经常遭受严重的破坏。究其原因在于人们对煤矿软岩巷道变形破坏机理认识得还不够深入，简单地把煤矿软岩巷道的普通锚喷支护认为是“新奥法”，这些认识上的误区及其所产生的不良影响主要表现在以下几个方面：
(1)对煤矿软岩与其它领域软岩的区别重视不够。软岩是岩土工程领域的所有分支都会遇到的问题之一，但由于各种隧洞、巷道的用途不同，对控制巷道围岩变形的要求也有所不同。由于一般的煤矿井工巷道都具有一种临时构筑物的特点，巷道的服务时间相对较短(采区巷道几年，大巷几年到几十年)，因此对控制变形量的要求没有像隧道等那样严格。从某种意义上讲隧道等领域里所讲的软岩(总变形量可以控制在几十厘米甚至几十毫米范围内)，如果在煤矿上应当属于比较好的围岩。煤矿软岩巷道的总变形量往往超过几十至几百厘米，有些巷道的累计总变形量甚至比巷道的原始设计尺寸还要大。因此同样讨论的是软岩问题，但煤矿软岩巷道在各个方面所表现出的特点是最为突出的。
(2)用传统的锚杆支护机理、如压力拱理论等来解释变形量与极限平衡范围都较大的软岩巷道的锚杆加固作用机制是有待商榷的。众所周知：锚杆支护的压力拱理论，是在兰(T.A.Lang) 等人的光弹性实验的基础上得出的，如图3所示。如果用点负荷方式的锚杆把弹性体固紧时，则作为顶点的锚紧部和固紧部的两个固定点在弹性体内部就会产生算盘珠式的压缩带。假如把锚杆以适当的间隔，规则、正确地排列，就会形成连续的压缩带。如果把锚杆沿巷道断面排列成拱形，则会形成拱形的压缩带，起着拱形压缩带效应或拱效应的作用，从而产生支护效果。很显然，在围岩碎胀松软、巷道变形量较大的情况下，上述成拱机理所必须的一些条件是无法满足的。一方面巷道周边的岩体在很大范围内已处于破碎或极限平衡状态，另一方面，如果整个锚杆杆体都处在巷道周边的破碎或极限平衡区范围内的岩体时，锚杆的内着力点也很难形成，从而也就无法形成所谓的拱。虽然一些学者通过相似材料模拟试验等手段试图证明拱的存在，但煤矿软岩条件下，锚喷网支护的巷旁围岩挤入巷道自由空间几百毫米，难以成拱的实例在井下随处可见，如图4示。
图3 兰(Lang)的岩石锚杆压力拱理论
1.相邻锚杆的两端在岩石中压缩形成的锥形体
2.在已加固的岩石中锥形体连结形成的环形带
图4 围岩破坏挤入巷道自由空间(邢台葛泉煤矿井下实拍)
(3)用传统硬岩中的支护概念来处理软岩支护问题，误认为围岩愈软，地应力越大，设计的支护就应越厚。从而盲目采取砌体加厚等手段以求能硬顶住软岩的压力。没有去提高围岩自身的强度和稳定性，更没有从实质上和根本上将支护与围岩联合共同发挥作用，加大支护结构厚度的结果往往是事倍功半，而普通的锚喷支护的锚杆往往处于悬空和松动状态，常常失去锚杆应有的锚固作用。
(4)对利用仪器进行巷道变形及荷载测量的重要性、以及根据测量的结果灵活改变支护设计等的认识不够。这一点欧、美等国家往往要比我们做得更好一些。目前国内煤矿软岩巷道的支护设计也多半是采用经验或类比法来进行的，而且设计一旦确定下来，往往是整条巷道(甚至整个矿井)都一成不变地按着统一的模式进行现场施工，缺乏根据具体的现场条件随时调整支护设计的灵活性。这同巷道所穿越的地质条件经常变化的实际情况不相符合，从而出现同一条巷道在某些地方破坏轻微，而另一些地方则严重破坏的不良后果。
(5)对底板进行支护与加强处理的重要性认识不够。由于煤矿软岩巷道具有四周来压等特点，底臌量往往占顶底板移近量的主要部分。同时，由于目前国内普遍缺乏对各类软岩巷道底板的支护与加强处理，加之巷道涌水等更多地作用于底板岩石之上，底板岩石遭受水理作用时间更长，软化程度更大，使得巷道底板成为整个巷道支护系统的薄弱环节之一。
总之，限于目前人们对煤矿软岩巷道及其支护性质认识上的一些缺欠，加之现有传统的巷道支护方法与手段要么无法满足软岩巷道大变形量的要求，要么无法保证经济合理性的要求(如深孔锚索技术，可以应用于软岩巷道，但大量使用存在着经济上的合理性问题)。这就迫使人们必须从原理与手段等各个方面去重新审视煤矿软岩巷道的支护问题，寻求那些真正以提高围岩自身承载能力为基本出发点，技术与经济都比较合理的支护方式来解决煤矿生产过程中所面临的实际问题。
[作者简介〕 刘长武 中国矿业大学副教授
刘长武（中国矿业大学.徐州221008）
参考文献
〔1〕Ritter,W.Statik der Tunnelgewolbe,Berlin.1979
〔2〕梁士杰，新奥法及其在煤矿中的应用，建井技术，1988(4).P48～51
〔3〕E.T.Brown,Putting the NATM into perspective,Tunnels and Tunnelling,1981,Vol.13,No.10,P13～17
〔4〕郑雨天，论我国软岩巷道支护的几个误区，井巷地压与支护，1995(2).P1～6
〔5〕刘长武，碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究，中国矿业大学博士学位论文，1998
〔6〕宋宏伟，破裂岩石锚固组合拱承载能力及其合理厚度探讨，中国矿业大学学报，1997(2).P33～36
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