煤矿软岩巷道的锚喷支护同新奥法的关系

煤矿软岩巷道的锚喷支护同新奥法的关系

摘要论文总结了人们对地下空间结构及其支护性质认识的发展进程；通过对新奥法的起源、发展及其实质的系统分析，结合煤矿软岩巷道的变形破坏特征，论述了新奥法同巷道锚喷支护间的关系，阐明了用新奥法的基本原理解释软岩巷道的锚喷支护机制所存在的一些问题。

关键词软岩巷道新奥法锚喷支护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 mine s soft rock

drifts;some problems in explaining the mechanism of bolting-shortcrete support by NATM basic principle are described.

Keywords: Soft rock drift,NA TM 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[FS:PAGE]，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[FS:PAGE]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