摘 要

地下硐室施工稳定性关系到工程的正常进行以及人员与财产安全。本课题以深部地下硐室施工的安全评价与方法优选为主要研究内容，基于三维有限差分数值计算Flac3D软件，进行硐室施工方案的力学稳定性模拟，并最终优选出最合理的施工方法。本课题对实际工程中地下硐室施工具有重要的参考和指导意义。

关键词：FLAC3D：硐室；开挖；稳定性；分析

Abstract

The construction stability of underground cavern is related to the normal operation of the project and the safety of personnel and property. The optimization and safety evaluation method of construction of deep underground chamber as the main research contents, 3D finite difference numerical calculation based on the Flac3D software, to simulate the mechanical stability of the construction scheme of chamber, which may affect the sensitivity analysis of parameters of chamber construction based on stability, and finally select the most reasonable construction method. This topic has important reference and guidance significance to the underground chamber construction in the actual project.

Keywords: FLAC3D； cavern； excavation,；stability； analysis

目 录

摘 要 VII

Abstract VIII

目 录 IX

第一章 概述 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 硐室类型调研 1

1.3研究内容与技术路线 1

1.3.1 基本内容 1

第二章 硐室施工方法 3

2.1 国内外相关资料 3

2.2 施工的特点 3

2.3 施工方法 3

2.3.1 全断面法 4

2.3.2 台阶工作面法 4

2.3.3 正台阶工作面施工法 4

2.3.4 倒台阶工作面施工法 5

2.3.5 导坑施工法 5

2.3.6 中央下导坑施工法 6

2.3.7 两饲导坑施工法 7

2.3.8 上下导坑施工法 8

2.3.9 留矿法 8

2.4 优缺点分析 9

第三章 基于FLAC3D的硐室施工稳定性分析 12

3.1 FLAC3D简介 12

3.2 施工方案 12

3.3 FLAC3D施工模拟 12

3.3.1 硐室状况 12

3.3.3 计算方案设计 16

第四章 硐室支护设计及稳定性分析..................................................................................

4.1 支护设计研究 18

4.1.1 让压支护设计 18

4.1.2 让压方案设计 18

4.1.3 让压方案优选的二维数值分析 19

第五章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5. 2 展望.......................................................................................................................26

参考文献 27

致谢.......................................................................................................................................29

第一章 概述

1.1 研究背景及意义

冶金矿山大断面硐室的主要开挖方法^[1-15]，可大致归为三类，即全断面开挖法、导硐开挖法和留矿法。全断面开挖法适合于岩石坚硬，节理裂隙不发育，整体性好的岩层，又可分为直壁式工作面和阶梯式工作面两种形式阶梯式工作面又可分为正台阶工作面开挖和倒台阶工作面开挖。借助辅助巷道开挖大断面硐室的方法称为导硐法开挖，辅助巷道用于硐室施工中的通风、行人和运输工作，并对进一步查明硐室范围内的地质情况也大有好处。这种导硐具有临时性，一般断面为4~8 m²，在中等稳固岩层中不需要临时支护。

硐室的施工过程中可能出现许多安全事故，如顶板塌陷、边帮突出等^[16-19]。这些事故的出现不仅会严重的影响工程工期，还会威胁到人员与财产安全。本课题基于FLAC3D^[20]对硐室施工进行稳定性分析，并开展相关的影响因素分析，对硐室施工具有重要的参考与指导价值。

1.2 硐室类型调研

本文的重点是避难硐室。其作用就是当发生灾害的时候，人们无法及时撤出该地区，那么人们就可以进入避难硐室，其可以不受赌气等的侵害。避难硐室分类。永久性和临时性避难硐室。 a．永久性避难硐室。预先设在井底车场附近或采掘工作地点安全出口的路线上的躲避灾害的场所。其设置要求是：必须构筑坚固和设置隔离门，人均使用面积不少于0.5 m²；支护坚固，避难硐室。当当发生灾害的时候，人们无法及时撤出该地区，那么人们就可以进入避难硐室，其可以不受赌气等的侵害。避难硐室分类。永久性和临时性避难硐室。永久性避难硐室。预先设在井底车场附近或采掘工作地点安全出口的路线上的躲避灾害的场所。其设置要求是：必须构筑坚固和设置隔离门，人均使用面积不少于0.5 m²；支护坚固，设有电话，配备足够数量的隔离式自救器；设置有供给空气的设备；所需要的数量以及与地面的距离，这一些参数都需要根据具体情况而定。b．临时避难硐室。这一种避难场所主要设在独头巷道、硐室或两道风门之间的巷道，当灾难发生的时候，人们为了躲避灾害，进入临时建立的避难场所。避难注意事项。在硐室外留有明显标志；保持安静，尽量俯卧；只留一盏矿灯照明；可间断地发出呼救信号；被水堵在上时，不要向下跑出探望；救护人员到来营救时，不要过于激动。

1.3研究内容与技术路线

1.3.1 基本内容

本课题以解决深部地下硐室的施工安全评价问题为应用导向，设定以下三点主要研究内容：

（1）硐室施工方法调研与初选：主要内容包括：国内外有关硐室施工的文献查阅；地下硐室类型与功能收集；硐室施工方法收集；硐室施工方法优缺点分析；基于假定工况的硐室施工方法初选。

（2）基于Flac3D的硐室施工稳定性分析：主要内容包括：Flac3D软件的学习；硐室施工方案设计；基于Flac3D的硐室施工模拟；硐室施工过程中应力与位移分析

（3）硐室施工稳定性的参数敏感性分析与方法优选：主要内容包括：影响硐室施工稳定性的参数遴选；用于敏感性分析的参数范围设定；基于稳定性评价的参数敏感性分析；根据敏感性分析结果进行施工方法的评价与优选。

第二章 硐室施工方法

2.1 国内外相关资料

采用导硐法施工时，不需要特殊设备和机具，并能根据不同的地质条件、硐室断面大小和支护形式等选择不同的建筑方法，采取的方式灵活，而且具有较强的适应性，这主要应用于冶金矿产行业中使用。包括下导硐开挖、上下导硐开挖、上导硐开挖。留矿法是一种古老的久经使用的开采金属矿床的采矿方法。采场用留矿法采出矿石后，而那些矿房就形成了很大的硐室，这样的话，如果在采矿的地方岩石结构是编辑稳定，岩石也是比较坚硬且整体性能良好的，无较大裂隙、断层、无片帮、冒顶危险的条件下，有些大断面硐室采用了浅孔留矿施工，并取得了良好效果。上述几种硐室开挖的施工方法，是冶金矿山现有的技术条件介绍。

2.2 施工的特点

在采矿的矿井下面，硐室的用途是各不相同的，那么其构成的机构等就会不相同，那么与巷道进行对比，我们可以得到下面的特点：

(1)硐室具有比较大的端面，但是其长度较小，因此在进入以及出来的时候，道路都是比较狭小的，而且一般工作的时间都比较长，在建筑时要求严格，同时需要具有防水、防潮以及防火的功能。

(2)在硐室的周围，由于用途的需要，井巷所采取的工程一般都是比较多的，硐室能够连接到井巷，这样就使得硐室周围的岩石受到比较复杂的力，这样如果对硐室进行支撑的话会比较困难。

(3)对于大多数的硐室来说，内部都具有较多的机电设备，那么就需要修建一些安装的设备，同时能够为布线做准备。

在修建硐室的时候，不仅要关注其本身的特点，还需要关注井底车场的施工，这样将两者进行联系，就能够让工程有序进行。

2.3 施工方法

由于硐室用途较多，因此其可以分为很多的种类，但是主要还是以机械硐室和生产服务性硐室两种为主。其中，机械硐室内部主要包括卸矿、破碎、电机车修理间等；生产服务硐室有等候室、会议室等。

在施工的时候，可以参考硐室周围岩石的稳定情况，以及岩石的端面情况进行分析，施工的方式一般还是分为下面的几种，那就是：全断面施工法、台阶工面施工法、导硐施工法和留矿法等。

(1)如果岩石的稳定性较好，而且岩石具有很好的整体性，同时硐室建立时，高度在5m之下的时候，就可以利用断面施I法施工。

(2)如果岩石的情况比较稳定，如果采用上面的方法则难以维护，或者是硐室的高度超过了5m，在进行施工的时候增加了许多的难度，那么就可以使用台阶工作面法施工。

(3)如果硐室周围具有比较发杂的地形结构，同时岩石比较弱，那么此时就可以使用导硐法施工。

(4)如果岩石存在比较好的整体性，而且间隙小，没有较大断层，那么就可以选用留矿法施工。

2.3.1 全断面法

如果采用全断面法进行施工，其在方法上式与普通的巷道施工法是一样的。此时，硐室长度较短，在进出口处比较狭小，这样就不能采用比较大的设备，因此，这种施工方法基本上都与巷道的掘进方式相同。如果硐室比较高，那么在进行钻上部炮眼时就需要登碴作业，而且在进行装药的时候要用到梯子，这样的话，这种施工方式的高度一般在四五米以内。但是，这种方法的好处就是能够一次成硐，而且工程比较简单，具有比较好的效率。但是也具有一定的缺点：维护困难以及安装炸药不方便等。

2.3.2 台阶工作面法

这一种方法适合硐室高度比较大的硐室，这种硐室一般难以一次施工完成，因此需要分两层进行，这样就在硐室中形成了台阶面。在上层中，这个工作层需要先施工，这样就是正台阶工作面施工法；如果下层先施工，那么就是倒台阶工作面施工法。

2.3.3 正台阶工作面施工法

这一种施工方法是将断面分成两个层，每一个层都具有自己的工作面，而这种高度通常在1. 8～2. 5m左右，但是其最大要小于3m，上面的一层允许超过2～3m。

在施工时，首先就是要对上部工作面进行施工，这样就使得工作面要比正台阶超前。然后进行爆破，此时就需要进行除碴，进而就可以上下分层同时进行打眼的工作，如图2-1所示。

图2-1正台阶工作面开挖示意图^[2]

在进行挖掘的时候，工作平面是具有2个自由度的，那么炮眼的布置位置就比较灵活。可以在水平或者是垂直方向都可。在上下层施工过程中，需要安装拱部锚杆，在添加混凝土的时候需要考虑挖掘的实际情况，施工的书序可以分段，也可以一次性完成。在砌碹的时候，具体可以有2中方法，第一是采用先墙后拱的方法进行施工，施工的工作平面是在距离下分层的1.5～2. 5m处，第二就是先拱后墙，也就是说，先要将上面一层的拱帽建好，然后在下面的一层进行砌墙，这样墙就可以跟着迎头。这一种方法具有很多的好处，那就是能够使得断面出现台阶形，保证了施工的方便性，同时增加了效率。但是也具有一定的缺点，那就是劳动的强度比较大，需要很好的配合，工序的完成要求高。

2.3.4 倒台阶工作面施工法

在施工中采用这样的方法时，下面的工作平面要提前施工。在进行施工的时候，下层要先进行施工，同时，上面的一层需要借助于太架进行施工。由于台架搭建比较麻烦，为了提高效率，可以采用先拉底后挑顶的方法。

在使用喷锚支护的时候，我们可以将支护工作与挖掘同时进行，然后尽可以在墙上面进行喷锚支护。如果使用的是砌筑混凝土支护，那么在下层面上需要超前4～6m，同时所设计的高度为设计时定的墙高，在下层进行施工的时候，需要先进行砌墙，同时上下层面可以实现随挑顶随砌筑拱顶。在下层中，在挖掘后需要进行临时的支护，这需要根据实际情况来定，在支护的时候可以采用锚喷等方法。

这一种施工方法的有点事，能够省去人工的费用，能够很好地爆破，而且施工的效率也是比较高的，在进行砌碹时拱和墙接茬在质量上还是比较好的。但是其缺点就是是挑顶工作较困难。上面的这两种施工方式应用较广。

2.3.5 导坑施工法

如果采用辅助的巷道来进行施工，一般这样的方法就是导坑法。这一种方法适应性比较强，不受到地质情况的影响。其在施工的方法上是，先要沿硐室轴线的方向向前面挖掘1～2条具有比较小的端面的巷道，下一步就是挑顶等，这样就可以将硐室扩大。在这个过程当中，挖掘小断面的巷道的过程就是导坑，在挖掘时保证断面为4～8m。在这个过程中，除了挑顶等过程外，还要对施工的地方进行通风以及运输等。在挖掘导坑的时候需要对周围的地址进行勘察。

导坑施工法是在地质条件复杂时保持围岩稳定的有效措施。在大断面硐室施工时，为了保持围岩稳定，通常可采用两项措施：一是尽可能缩小围岩暴露面积；二是硐室暴露出的断面要及时进行支护。导坑施工法有利于保持硐室围岩的稳定性，这在硐室稳定性较差的情况下尤为重要。