使用RMR估算巷道支护压力 (Support Pressure)

1 引言

对于岩石地下开挖特别是地下采矿工程来说，顶板控制仍然是采矿工程师面临的一项艰巨任务，例如，2021年1月份还没有过完，国内已经发生了多起顶板冒落事故。因此无论是基建矿山的地下开挖设计，还是运行矿山的应急预案准备，采矿工程师都需要有效地估算巷道顶板的支护压力。

估算顶板支护压力的方式有多种，第一种是以工程岩体分类为基础的经验计算法，最典型的是RMR, Q-System；第二种是以弹塑性理论为基础的解析计算法，例如《巷道围岩塑性区的确定》里提到的方法；第三种是数值分析方法，在地下采矿工程中，广泛使用的数值分析方法主要有FLAC，UDEC和RS2，尽管三维数值模拟技术已经趋于成熟，但在实践的岩土工程中工程师们仍然偏爱使用二维分析。

使用工程岩体分类估算支护压力是一种半经验的计算方法，最早由太沙基(Terzaghi)提出，后来被学术界广为接受的是Barton提出的基于Q分类的估算方法。本笔记讨论的是基于RMR分类的支护压力估算方法，这种方法主要是基于对印度巷道/隧道的研究提出的。 

支护压力的数据目前主要分布在tunnel support pressure.txt；Engineering rock mass classification.txt；Empirical rock mass classification systems.txt三个文档中以及:\Geotech\岩石力学\rockbolting文件夹内。

2 支护压力估算

Unal(1983) 在煤矿研究的基础之上，提出了用RMR估计巷道平顶的支护压力：

其中

Pv 为支护压力(kN/m^2)

B 为巷道宽度(m)

γ 为岩石密度(kN/m^3)

Goel和Jethwa (1991) 评估了上式在拱形顶板岩石隧道中的应用。他们通过比较实测的支护压力和上式计算的顶板压力，发现这个公式不能用于岩石隧道。他们发现在软岩巷道(squeezing ground) 中，无论隧道尺寸大小，计算的支撑压力都显得过低。此外，对于直径不超过6米的小型隧道来说，在相对的硬岩条件(non-squeezing ground)下估算的值不安全；而对于直径大于9米的大型隧道来说，估算的值是超安全的，这意味着对于拱形顶板上式夸大了尺寸效应。

出现这种差异的原因可能有两个：一个原因是上式是根据煤矿的研究得出的，煤矿巷道的顶板，特别是采准巷道的顶板都是平的，而公共隧道的顶板是拱形的，平顶弯矩随着开挖尺寸的增加而呈几何级数增长，这可由梁弯矩公式可知，拱形顶板不会出现这种情况; 另一个可能的原因是采矿巷道的支护压力要求与公共隧道的支护压力要求不一样，

随后, Goel and Jethwa (1991)利用印度30条有仪器检测的隧道所测得的支撑压力值，提出了用于估计短期支撑压力的公式。这个公式可以适用于挤压和非挤压地层条件，采用常规爆破方法和钢肋支护的拱形隧道(在岩爆条件下不适用)。

其中

Pv 为短期顶板支护压力(MPa)

B 是开挖跨度(m)

H 是隧道覆盖层厚度,H=50m~600m

RMR 是开挖后支护前的岩体分类指标

Bieniawski(1989)提供了隧道支护的选择指南，如下表所示。这些指南的应用取决于隧道的埋置深度，隧道的大小以及开挖的形状和方法等因素。一些关键注意点如下：

(1) 隧道开挖采用传统钻孔和爆破方法开挖

(2) 隧道形状为马蹄形(拱形巷道)

(3) 垂直应力小于25MPa

(4) 支护措施为永久支护

未完待续

5 参考文献

[1] Ünal, E., 1992. Rock Reinforcement Design and its Application in Mining, Proc. International Symposium on Rock Support, Sudbury, Ontario, Canada, pp.541-546.

[2] Bieniawski, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications. p. 251. John Wiley & Sons, New York, Wiley.

[3] Singh, B. and R. K. Goel (1999). "Rock Mass Classification. A Practical Approach in Civil Engineering." 

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